Получение, состав и свойства железоуглеродистых сплавов

В практике строительства наибольшее применение нашли железоуглеродистые сплавы, которые называют черными металлами. С целью придания специфических свойств в их состав вводят легирующие добавки. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на хрупкий чугун (2 – 4 % С) и относительно пластичную сталь (до 2 % С). В металлургии из железных руд вначале получают чугун, а затем путем окисления и удаления избыточного углерода, марганца, фосфора, кремния – сталь.

Сырьем для получения чугуна служат руды, содержащие железо в виде окислов: красный железняк (гематит), бурый железняк, магнитный железняк (магнетит). В зависимости от содержания железа руды подразделяют на богатые (от 15 до 70 %) и бедные. Первые после дробления и сортировки направляют в доменную печь для плавки, а бедные подвергают обогащению за счет отделения пустой породы. Топливом в доменном процессе служит кокс, полученный путем сжигания без доступа воздуха каменного угля. Для понижения температуры плавления пустой породы и облегчения перевода ее и золы топлива в шлак в состав шихты вводят специальные добавки – флюсы, ими могут быть известняки, доломиты и песчаники.

Современная доменная печь поглощает большое количество материалов и воздуха. Так для производства каждых 100 т чугуна необходимо в среднем подать в печь 190 т железной руды, 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа. Это энергоемкий процесс.

В состав чугунов, кроме железа и углерода, обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, а также легирующие добавки – никель, хром, магний, которые придают ему высокие механические свойства и обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Большую часть выплавленного чугуна используют для переработки (передела) в сталь – белый передельный чугун. Для изготовления фасонного литья применяют серый литейный чугун.

Белый чугун (передельный) тверд, хрупок, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает высокую износостойкость, его применяют для получения ковкого чугуна и стали.

Серый чугун – один из наиболее распространенных литейных сплавов. Это самый дешевый металлический материал. Он имеет высокие литейные свойства, хорошую обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр показывает среднее значение предела прочности при растяжении, вторая – при изгибе (СЧ12-28, СЧ18-36 и т.д.).
В строительстве серый чугун применяют для изготовления деталей, работающих при сжатии, – башмаков под колонны, а также санитарно-технических (отопительные радиаторы, трубы) и архитектурно-художест-венных изделий (ограды, решетки, светильники). Значительное количество чугуна расходуют для изготовления тюбингов, из которых сооружают тоннели метрополитена. Высокопрочный и ковкий чугуны используют в машиностроении.

С целью значительного повышения пластичности чугун или чугун в сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой переплавляют. При плавке вводят флюсы и раскислители, в случае необходимости – легирующие добавки. При этом из железоуглеродистого сплава путем окисления и перевода в шлак удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – кислородно-конверторный, мартеновский и электродуговой.

Кислородно-конверторным способом получают сталь из жидкого чугуна с добавлением скрапа и руды. Конвертором называют стальную реторту, состоящую из цилиндрической части, днища и конусообразной горловины, футерованную внутри огнеупорным кирпичом (рис. 3.3). Технологический цикл выплавки стали составляет 50 – 60 мин. К недостаткам этого способа относится большое пылеобразование, требующее применения сложных пылеочистительных установок.

Мартеновским способом выплавляют в зависимости от используемого сырья кислую и основную мартеновскую сталь. Современная мартеновская печь (см. рис. 3.3) представляет собой ванну сферической формы, футерованную огнеупорным кирпичом. В качестве топлива используют природный газ или мазут. Мартеновские печи могут работать как на твердой шихте, состоящей из смеси стального лома и твердого чушкового чугуна, так и на смешанной шихте. Последняя представляет собой скрап, богатую железную руду и жидкий чугун. Продолжительность получения стали в мартеновской печи составляет несколько часов. Фактор времени и значительный расход топлива являются недостатками мартеновского способа выплавки стали. К достоинствам можно отнести возможность использования различной шихты и разнообразного топлива, а также широкий ассортимент выпускаемого продукта (углеродистые и легированные стали).

Для выплавки высококачественных легированных сталей используют электропечи (см. рис. 3.3). Плавка шихты происходит за счет тепла трех электрических дуг (по числу фаз переменного тока), образующихся между электродами и металлом при температуре 1200 °С. К достоинствам способа можно отнести быстрый разогрев металлов, точное регулирование температуры, пониженное содержание в стали вредных примесей.

 

 

Рис. 3.3. Печи для выплавки стали:

1 – мартеновская; 2 – конверторная; 3 – электродуговая

 

Основной недостаток всех перечисленных сталеплавильных агрегатов – периодичность действия. Для увеличения производительности печей, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества стали, уменьшения технологических отходов и лучшего использования сырья разрабатываются сталеплавильные агрегаты непрерывного действия.

Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению. По способу производства различают мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь; химическому составу – углеродистую и легированную; назначению – конструкционную (строительную и машиностроительную), инструментальную и специального назначения.

Углеродистая сталь в свою очередь бывает обыкновенного качества, качественная конструкционная (для машиностроения и наиболее ответственных конструкций) и высококачественная инструментальная (для изготовления режущих инструментов, штампов, матриц). Основное применение в строительстве находит углеродистая сталь обыкновенного качества. В ней присутствуют кроме углерода (0,06 – 0,62 %) примеси кремния, марганца. Наиболее нежелательно присутствие фосфора, который придает стали свойство хрупкости при низких температурах (хладноломкость), и серы, вызывающей аналогичное действие при высоких температурах. В зависимости от назначения и гарантируемых механических характеристик сталь углеродистую обыкновенного качества делят на две группы (А, Б) и подгруппу (В) (ГОСТ 14637-79). Для строительных целей используют в основном сталь группы А, которую изготовляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2,..., Ст6. По мере увеличения номера стали повышаются пластичность и ударная вязкость.

Наиболее широкое применение нашла сталь Ст3, так как по сочетанию важнейших свойств – прочности и свариваемости она занимает промежуточное положение в ряду. Для получения арматуры используют Ст5, малонагруженных деталей – Ст0, Ст1. Существуют углеродистые стали обыкновенного качества специального назначения, например, для строительства мостов Ст3м. Этот вид сталей имеет существенные недостатки: хладноломкость, исключающую их применение при низких температурах, и относительно невысокую прочность, приводящую к перерасходу металла и увеличению массы металлоконструкций.

Качественные конструкционные углеродистые стали подразделяют в зависимости от содержания углерода (в сотых долях %) на малоуглеродистые (10 – 25), которые хорошо свариваются, пластичны, применяют их для сварных и клепаных конструкций; среднеуглеродистые
(30 –50), хуже свариваются, более прочные и хрупкие, используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам; высокоуглеродистые (55 – 70) применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес.

Углеродистые стали не могут по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к современным конструкционным материалам. Этот вид стали имеет склонность к старению, повышению хрупкости при пониженных температурах, малую стойкость против коррозии. С целью повышения качества в сталь вводят легирующие элементы с условным обозначением Сr (X), Мn (Г), Ni (Н), Мо (М), Со (К), Si (С).

Преимущества легированных сталей выявляются в большинстве случаев только после дополнительной термообработки. Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению.По химическому составу – низколегированная с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %, среднелегированная (от 2,5 до 10 %) и высоколегированная (более 10 %). По назначению – конструкционная, применяемая при обычных и повышенных температурах, инструментальная, которую применяют для режущего, штампованного и измерительного инструмента, и сталь с особыми физическими, химическими и механическими свойствами.

В строительстве широко применяют низколегированные конструкционные стали. По легирующему элементу они называются марганцовистыми, кремнистые, хромистыми, хромомолибденовыми и др. Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифровая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенной легирующей добавки. Первая цифра, стоящая перед буквами, показывает содержание углерода в сотых долях процента; цифры, стоящие за буквами, – содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание не превышает 1,5 %, цифры не ставят. Буква «А», стоящая в конце марки, обозначает, что сталь высококачественная. Например, 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сr, 3 % Ni, 1 % Мо; 25ХГ2С – 0,25 % С, 1 % Сr, 2 % Мn,
1 % Si. Этот вид стали применяют в строительстве для сварных и клепаных конструкций. Они обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. При температурах ниже –40 °С их ударная вязкость не должна снижаться более чем на 50 %. Предел текучести легированных сталей, представляющий основную характеристику при расчете элементов строительных конструкций, в 1,5 раза выше углеродистых. Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь марок 18Г2С и 20ХГ2С.

 

Цветные металлы и сплавы

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие до 75 % оксида алюминия. По распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов. По объему производства и масштабам применения он уступает только черным металлам. Широкое использование обусловлено важнейшими свойствами алюминия – малой плотностью (2700 кг/м³), высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий – серебристо-белый металл, устойчивый против коррозии вследствие образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Благодаря высокой пластичности алюминий хорошо обрабатывается давлением как в холодном, так и в горячем состоянии. Этот металл хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но имеет низкие литейные свойства и плохо обрабатывается резанием. Из отрицательных свойств алюминия как конструкционного материала следует подчеркнуть его недостаточную жесткость, модуль его упругости в 3 раза меньше, чем у стали. На свойства алюминия большое влияние оказывают примеси железа, кремния и др., которые понижают его электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость и пластичность, повышая его прочность и твердость.
В строительстве алюминий используют главным образом в виде сплавов, которые обладают малой плотностью (2550 – 2710 кг/м³) и достаточной прочностью.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовленияизделий на литейные, порошковые и деформируемые.

Литейные и порошковые сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок в машиностроении.

Деформируемые сплавы предназначены для изготовления листов, профилей, проволоки, труб методами холодной или горячей деформации. В строительстве наиболее широкое применение нашли сплавы алюминия и магния (магналии), алюминия с медью и магнием (дуралюмины), алюминия, магния и кремния (авиаль).

Конструкции из алюминиевых сплавов используют в случае необходимости значительного снижения массы ограждающих и несущих конструкций, повышения их архитектурной выразительности, коррозионной стойкости, а также при предъявлении специальных требований: отсутствие искрообразования, магнитных свойств и надежность работы при отрицательных температурах. В связи с этим основными определяемыми показателями для алюминиевых сплавов являются модуль сдвига и упругости, коэффициенты поперечной деформации и линейного расширения, которые определяют в интервале температур от – 70 до + 100 ^оС.

К ограждающим конструкциям относятся модульные перегородки, подвесные потолки, кровельные и стеновые панели с полимерным плитным утеплителем («сэндвич»); к несущим – сварные и клепаные конструкции типа ферм, колонн, пространственных решетчатых покрытий, сборно-разборные каркасы зданий. Их выполняют из прессованных профилей, пространственные – из тонколистовых материалов.

Алюминиевые профили с защитным покрытием выпускают двух видов: «холодные» с высокой теплопроводностью без термовставки и «теплые» – комбинированные с низкой теплопроводностью, имеющие термоизолирующую вставку из армированного стекловолокном полиамида. Из утепленных профилей выполняют отделку фасадов, окна, двери, витражи любых форм и конфигураций. Соединение элементов выполняют с использованием дуговой сварки и присадочного алюминийсодержащего материала. Методом горячего прессования получают трубы, которые могут быть круглыми и фасонными с толщиной стенок до 5 мм – тонкостенные и более 5 мм – толстостенные.

Важнейшим сырьем при получении меди являются сернистые руды, в частности, медный колчедан. Медь – металл красновато-розового цвета, который обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии. Для устранения существенных недостатков (низкие литейные свойства, плохая обрабатываемость резанием, относительно невысокие прочностные характеристики) ее легируют различными элементами. В строительстве нашли применение в основном два вида сплавов меди: латунь – сплав меди с цинком, бронза – сплавы меди с оловом или с алюминием, железом и марганцем. Латунь используют в виде листов, прутьев, проволоки, труб, а также архитектурных изделий для отделки интерьеров зданий; бронзу – для внутренней отделки зданий. Чистую медь в виде тонких листов применяют в качестве долговечного кровельного материала.

Цинк – металл синевато-белого цвета. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, поэтому служит для оцинкования различных стальных изделий (кровельной стали, закладных деталей, болтов и т.д.).

Нанесение защитных покрытий может производиться следующими способами:

- цинкованием в расплаве цинка – горячее цинкование;

- металлизацией – напыление сжатым воздухом частиц расплавленного цинка;

- термодиффузионным цинкованием – химико-термическая обработка изделий в цинковых порошках при температуре от 380 до 500 ^оС;

- нанесением на предварительно очищенную поверхность красок с предельным содержанием цинка и последующей сушкой в естественных условиях – метод холодного цинкования.

Долговечная, надежная защита поверхности обеспечивается за счет самого химически стойкого металла и труднорастворимых продуктов его взаимодействия с окружающей средой.

Свинец – тяжелый металл серовато-синего цвета, химически стоек, обладает высокими защитными свойствами по отношению к действию рентгеновских лучей. В строительстве свинец используют при изготовлении специальных труб, защитных покрытий и экранов.