Металеві матеріали і вироби

Метали - це прості речовини, що мають у твердому стані кристалічну будову і характерні властивості: високу щільність, блиск, непрозорість, високу тепло- і електропровідність, пластичність й ін. Сукупність перерахованих властивостей притаманна типовим, але не всім металам (залізу, міді й ін.). Деякі прості речовини (наприклад, сурма) за одним із властивостей можуть бути віднесені до металів, а за іншими - до неметалів. Іноді їх називають напівметалами.

Сплави металів (або металеві сплави) - це тверді і рідкі системи, отримані сплавленням декількох металів або металів із неметалами (наприклад, залізовуглецеві сплави). У даний час відомо більш 10 тис. використовуваних у техніці сплавів. Металеві сплави за властивостями мають багато спільного з металами і тому в літературі їх часто об'єднують єдиним терміном метали.

Усі метали і металеві сплави поділяють на дві основні групи: чорні - до них відносять залізо і сплави на його основі (на їхню частку припадає біля 95% металовиробів світового виробництва) і кольорові, або незалізні всі інші метали і сплави. Сплави чорних металів у залежності від вмісту вуглецю поділяють на сталі (до 2% вуглецю в сплаві) і чавуни (більш 2%). До залізних сплавів відносять так називані феросплави (сплави заліза з кремнієм, марганцем, хромом і іншими елементами) – напівпродукти металургійного виробництва, використовувані при виплавці сталі для надання їй необхідної структури і властивостей та інших цілей. Незалізні метали і сплави класифікують за різними ознаками: за щільністю на важкі (наприклад, мідь і її сплави) і легкі (алюміній, магній і їхні сплави); за температурою плавлення на тугоплавкі, що плавляться при температурі вище 1650°С (титан, ванадій, хром та ін.), звичайні і легкоплавкі з температурою плавлення не вище 327°С (калій, натрій, олово, свинець, цинк і ін.); за іншими властивостями.

Можливість застосування того іншого металу в техніці й у будівництві визначається не тільки властивостями, але й у значній мірі його поширеністю в природі, доступністю і рентабельністю його переробки. З металів, що мають практичну цінність, у земній корі в значних кількостях містяться: алюміній (8,8%), залізо (4,65%), магній (2,1%), титан (0,63%). Сотими і тисячними частками відсотка визначаються природні запаси міді, марганцю, хрому, цинку, свинцю, нікелю й інших цінних металів.

Економія металів у будівництві - найважливіша народногосподарська проблема.

17.1. Загальні відомості про будівельні метали, їхня будова і властивості

Вивченням зв'язку складу, будови і властивостей металів і сплавів займається металознавство, що виникло як самостійна наука в XIX ст. Великий внесок у розвиток металознавства внесли вчені П.П. Аносов, Д.К. Чернов, А.А. Байков, Н. И. Бєляєв, А. М. і А. А. Бочвари, Г. В. Курдюмов та ін. Макро- і мікроструктури металів і сплавів є предметом вивчення складової частини металознавства-металографії.

Питання проектування і застосування металевих конструкцій у будівництві будинків і споруд вивчаються у відповідних розділах курсів теоретичної механіки і будівельних конструкцій. Тут наведені стислі відомості про застосовувані в архітектурній творчості металеві матеріали і вироби.

У сучасному будівництві чорні і кольорові метали застосовують переважно у вигляді сплавів. Широко використовують різноманітні види сталей, значно менше чавуни; серед кольорових металів перше місце по застосуванню в будівництві посідають алюмінієві сплави. Поряд із цими металами архітектурно-будівельній практиці і скульптурі відомі мідь, бронза, латунь, а також деякі інші кольорові метали, головним чином у вигляді добавок, що регулюють властивості сплавів, і у вигляді тонких захисно-декоративних покриттів виробів із металів, пластмас та інших матеріалів. Будівельні метали використовують для тримальних і огороджувальних конструкцій будинків, і споруд, для зовнішнього і внутрішнього оздоблювання будинків, у захисно-декоративних покриттях; для виготовлення арматури залізобетонних, армоцементних та інших виробів, труб і фасонних частин до них, промислового, санітарно-технічного і побутового устаткування, а також різноманітних метизів тощо.

ЧОРНІ МЕТАЛИ - під цією назвою об'єднують залізо і його сплави (із вуглецем, кремнієм, марганцем, фосфором, сіркою й іншими елементами), чавун, сталь, феросплави. Залізо-блискучий сріблисто-білий метал, широко поширений у природі (у вільному стані зустрічається вкрай рідко). Воно пластичне, легко кується в холодному і нагрітому стані, піддається прокатуванню, штампуванню й іншим способам механічної обробки. Здатність заліза розчиняти вуглець та інші елементи є основою одержання різноманітних сплавів. Властивості заліза (із вмістом домішок до 0,01% за масою): густина 7870 кг/м³, теплопровідність 74 Вт/(м·°С), температурний коефіцієнт лінійного розширення 1,17-10-7, модуль Юнга 19-21·104 МПа, короткочасна міцність на розтяг 170-210 МПа, границя текучості 100 МПа.

З глибокої давними залізо використовували як архітектурно-художній матеріал для виготовлення скульптур, колон, кованих огорож, кронштейнів, флюгерів тощо. Зараз залізо використовують тільки в монументальному і прикладному мистецтві і при реставрації пам'ятників архітектури.

Чавун - сплав заліза з вуглецем (звичайно 2-4,3%), що містить постійні домішки кремнію, марганцю, фосфору і сірки, а іноді і легуючі елементи (нікель, хром, мідь, алюміній і ін.). Чавун розділяють на передільний, використовуваний для виробництва сталі, і ливарний (сірий), що використовують для виготовлення чавунних відливок, феросплавів, застосовуваних відливок як добавки при виробництві сталі.

Міцність чавуну з включеннями кулястої форми досягає 500 МПа (а в литому стані до 1200 МПа). Такий чавун називають високоміцним. Леговані чавуни застосовують як жароміцні, корозієстійкі матеріали.

Чавун здавна застосовують для художніх виливків і скульптури. З кінця XVIII ст. він знаходить різноманітне застосування в архітектурі. Широке використання чавунних конструкцій характерно для XIX ст. – «сторіччя чавуну». Чавунне лиття набуло застосування в парковій скульптурі, огорожах для садових меблів, ліхтарів тощо.

Сталь - ковкий сплав заліза з вуглецем (до 2%) та іншими елементами. Від крихкого чавуну вона відрізняється пластичністю і пружністю. За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві і леговані. До складу вуглецевих сталей крім заліза і вуглецю входять марганець (до 1%), кремній (до 0,4%), а також шкідливі домішки (сірка, фосфор). За вмістом вуглецю сталі поділяють на низьковуглецеві (0,25%), середньовуглецеві (0,25-0,6%) і високовуглецеві (більш 0,6%). Леговані сталі звичайно називають за переважаючим в ній легуючим елементом - вольфрамова, хромомолібденова, хромонікелева, хромонікелемолібденованадієва, високохромова і т.п.

За призначенням сталі поділяють на конструкційні, застосовувані для будівельних конструкцій, як арматура залізобетону, у машинобудуванні, інструментальні і сталі з особливими властивостями (нержавіючі, кислотостійкі, жароміцні й ін.). Конструкційні (у тому числі будівельні) сталі можуть бути вуглецевими (до 0,7% вуглецю) і легованими (в основному з добавкою хрому і нікелю).

Сталі, основним компонентом яких є залізо, притаманні властивий йому діморфізм-здатність кристалічної решітки матеріалу змінювати свою будову при зміні зовнішніх умов (нагріванні, охолодженні й ін.), зберігаючи хімічний склад. Для чистого заліза відомі дві кристалічні решітки: кубічна об’ємноцентрована і кубічна гранецентрована. Взаємодія вуглецю з модифікаціями заліза призводить до утворення так називаних твердих розчинів. Розчинність вуглецю у залізі обмежена (такий розчин називається феритом), надлишковий вуглець утворить із залізом хімічну сполуку-карбід заліза (або цементит). При звичайній температурі структура сталі складається з часток фериту і цементиту, що присутні або у вигляді окремих включень, або у вигляді тонкої суміші, називаної перлітом.

Різноманіття властивостей сталі обумовлено співвідношенням різноманітних фаз у її структурі, які у свою чергу, визначаються насамперед вмістом вуглецю. Так, підвищення вмісту вуглецю підвищує крихкість сталі, але надає їй велику твердість. Сталь, що містить близько 0,1% вуглецю, характеризується високою пластичністю (у її структурі переважає ферит); її використовують для виготовлення тонких листів. Сталь перлітної структури, що містить біля 0,6% вуглецю, має високу міцність і твердість і водночас достатньо пластична. Властивості сталі регулюють легуванням, термічною, термомеханічною, хіміко-термічною обробкою.

Завдяки високій міцності сталі на стиск, розтяг, вигин (границя міцності досягає 2000 МПа і вище, границя текучості 1500 МПа) будівельні сталеві конструкції відрізняються від тримальних конструкцій з інших матеріалів високою надійністю, значно меншими габаритами і масою, незважаючи на велику густину сталі (7860 кг/м³). Властивості сталі обумовлюють широкий діапазон її застосування (від тримальних каркасів висотних будинків до тонких декоративних облицювань), індустріальність виготовлення і монтажу конструкцій, розмаїтість і архітектурно-конструктивних форм. Водночас сталеві конструкції потребують ефективних методів захисту від корозії і вогню, потребують значних одночасних і експлуатаційних витрат.

КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ - технічна назва всіх незалізних металів і їхніх сплавів. У будівництві широко застосовують, в основному, сплави алюмінію, значно менше - сплави міді, цинку, олова, свинцю й інших кольорових металів. Дуже перспективно використання титанових і магнієвих сплавів. У чистому вигляді кольорові, у тому числі коштовні (золото, срібло), метали застосовують при реставрації пам'ятників архітектури і мистецтва. Різноманітні кольорові метали і сплави застосовують для оздоблювання цивільних будинків, для виготовлення електроарматури, скоб’яних виробів, оздоблювання меблів, у творах монументального і декоративно-прикладного мистецтва (скульптура, карбування), для захисту.

Термін «кольорові метали» в українській мові відповідає терміну «незалізні метали» у багатьох інших мовах (англ.- nonferrous metals, франц.-metaux non-ferreux, нім.-Nichteisenmetalle та ін.).

Найбільше число кольорових металів використовуються як легуючі матеріали: у сталі і чавуні - хром, нікель, марганець, кремній, молібден, вольфрам, ванадій, титан, ніобій, кобальт, алюміній і мідь; в алюмінієвих сплавах - мідь, магній, кремній, нікель, хром, марганець, кобальт і цинк; у сплавах міді - цинк, олово, свинець, алюміній, нікель, кремній і ін.; у титанових сплавах - алюмомолібден, ванадій, марганець, мідь, цинк, кремній і ін. Для кращого засвоєння легуючі елементи вводять не в чистому вигляді, а в лігатурі - допоміжному сплаві, що добавляється в рідкі метали або сплави, щоб змінити їхній хімічний склад і поліпшити експлуатаційні і технологічні властивості.

Алюміній - сріблисто-білий метал (при звичайних умовах покритий окисною плівкою), найпоширеніший у природі серед металів; у вільному стані через високу хімічну активність не зустрічається, міститься в бокситах, нефелінах, каолінах та ін. Кристалічна решітка алюмінію - кубічна гранецентрована; густина 2,7 г/см³; відрізняється високою корозійною стійкістю, пластичністю, легко піддається прокатуванню, куванню, пресуванню й іншому механічному опрацюванню; границя міцності при розтягу 80-100 МПа (після холодного прокатування до 250 МПа), границя текучості 30 МПа, модуль Юнга 7,1-10 МПа.

У чистому вигляді алюміній застосовують у будівництві у вигляді алюмінієвої пудри (використовуваної для готування фарб, емалей, клеїв, у виробництві ніздрюватих бетонів) і для алюмінірування (нанесення тонких захисно-декоративних покриттів) інших матеріалів і виробів, а також як легуючі і інші добавки. У будівельних конструкціях через незначну міцність чистий алюміній не застосовують; для цієї цілі ефективно використовують сплави його з міддю, марганцем, цинком, кремнієм і магнієм.

Алюмінієві сплави, вперше отримані в 50-і роки XIX ст. (сплав алюмінію з кремнієм), відрізнялися невисокими міцністю і корозійною стійкістю. На початку XX ст. були отримані сплави алюмінію з міддю подвійні сплави), а потім алюміній-мідь-марганець (потрійні сплави). Сучасні алюмінієві сплави, що відрізняються малою густиною, високою міцністю (особливо питомою міцністю), корозійною стійкістю й іншими цінними властивостями, можна розділити на дві основні групи: ті, що деформуються (дюралюміни), використовувані для виготовлення листів, профілів, плит, труб, фольги і т.п., і ливарні (силуміни) для відливання виробів.

У будівництві застосовують, в основному, ті що деформуються на частку яких припадає близько 80% всіх алюмінієвих сплавів. Подвійні сплави системи алюміній-магній), що мають високу корозійну стійкість, добре зварюються, їх застосовують у мостобудування. Анодна обробка сплавів системи алюміній-магній-кремній дозволяє одержувати гарні декоративно-конструкційні профілі. Сплави системи алюміній-марганець-кремній-мідь мають високу міцність (до 50 МПа), але значні концентрації напруг, розміцнюються при нагріванні понад 100°С, мають знижену корозійну стійкість (через мідь). Сучасні багатокомпонентні сплави (із добавками цинку, марганцю, міді, магнію, домішками заліза і кремнію, малими дозами хрому, титану, берилію й ін.), застосовувані для виготовлення конструкцій.

На початку XX ст. А. відкрив старіння алюмінієвих сплавів, що приводить до різкого поліпшення їх міцнісних та інших властивостей. Це явище було виявлено на загартованому дюралюміну - сплаві на основі алюмінію з добавками міді (3-5%), магнію (4-2,4%) і марганцю (до 1%).

Мідь - м'який, ковкий метал (у зламі рожевого кольору), зустрічається в природі у вільному стані у вигляді самородків, досягає значних розмірів, і в природних рудах у вигляді сульфідів, окислів, карбонатів і сульфатів міді. 90% світового виробництва міді дають сульфідні руди. Метал має кубічну гранецентровану решітку. Властивості міді: густина 8,96 г/см³, теплопровідність 394 Вт/ (м·°С), температурний коефіцієнт лінійного розширення 1,7-10%, границя міцності при розтягу 220 МПа (від наклепу може бути підвищена до 450 МПа, при цьому відносне лінійне подовження зменшується з 60 до 2%). Здавна мідь застосовується для особливих цілей у чистому вигляді: у сплавах; в архітектурно-будівельній практиці минулого використовувалася як покрівельний, декоративно оздоблювальний, скульптурний, рідше як конструкційний матеріал.

Мідні сплави одержують сплавленням міді з легуючими елементами або з лігатурами. Їх поділяють на латуні, бронзи і мідно-нікелеві сплави. У латунях основною добавкою є цинк, у бронзах будь-який елемент (наприклад, олово), крім нікелю. У мідно-нікелевих сплавах крім нікелю, що підвищує корозійну стійкість, міцність, модуль пружності і температуру плавлення як добавки використовують залізо і марганець (такий сплав називається мельхіор), цинк або свинець (цей сплав називають нейзильбер).

Латунь - найпоширеніший мідний сплав, що містить 50% (частіше до 20%) цинку. Як легуючі елементи мідно-цинкового сплаву можуть застосовуватися алюміній і нікель. Застосовують латунь переважно у вигляді листів, конструкційних профілів, панелей, кованих виробів, характеризується високими границею міцності до 670 МПа і текучості до 630 МПа, гарними експлуатаційними й оптичними властивостями.

Мідно-нікелеві сплави, що відрізняються високою корозійною стійкістю і гарним сріблистим кольором, використовують для художньо-декоративних виробів: карбування на листовому мельхіорі, рельєфні декоративні вироби з нейзильберу (буквальний переклад із німецького-«нове срібло»).

Серед інших кольорових металів, застосовуваних у незначних масштабах у тих або інших галузях будівництва, можна виділити цинк і свинець: цинк - для покрівельних і захисних покриттів, а свинець - для зачеканки стиків елементів конструкцій (наприклад, між тюбінгами тунелів метро), футерування кислотостійких промислових агрегатів.

До конструкційних матеріалів відносяться сплави магнію і титану. Магнієві сплави (з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм) дуже міцні (границя міцності до 400 МПа), у тому числі жароміцні. Вони найлегші (густина 1700-1800 кг/м³, тобто у 1,5 раза менше густини алюмінієвих) серед сплавів кольорових металів; їх доцільно використовувати в конструкціях із високою стійкістю проти вібрації, але необхідно захищати від корозії (оксидуванням, фарбуванням).

Сплави титану відрізняються також високою корозійною стійкістю і жароміцністю (до 400°С); проте сплави високої міцності гірше зварюються, ніж сплави середньої міцності. Висока питома міцність, вогнестійкість, малий коефіцієнт температурного розширення, атмосферостійкість та інші корисні властивості роблять ці сплави перспективними для застосування в тримальних конструкціях.

17.2. Основи технології чорних і кольорових металів

Технологія металів охоплює сукупність прийомів і засобів одержання й обробки металевих матеріалів і виробів. Незважаючи на величезну розмаїтість металів, сплавів і виготовлюваної з них продукції, можна виділити ряд загальних технологічних операцій, характерних для сучасної металургії - галузі науки, техніки, виробництва, зайнятої процесами одержання металів із руд та інших матеріалів, виробництвом металевих сплавів, а також процесами, пов'язаними зі зміною складу, структури і властивостей цих сплавів, наданням їм визначеної форми. Технологія металів об'єднує весь зміст поняття «металургія» (від попередньої обробки добутих із надр руд, одержання і рафінування металів і сплавів до їх обробки і надання заданої форми) із ливарним виробництвом, зварюванням (і паянням) металів, нанесенням на метал захисних покриттів.

Основи технології виробництва чавуну і сталі відомі з курсу хімії. Загальна схема металургійного процесу виробництва чорних металів відома. Витяг металу з природної сировини - залізних руд, що є гірськими породами з високим вмістом оксидів заліза, відбувається в доменних печах, де виплавляють переробні чавуни (80-90% виплавки), застосовуються для виробництва сталі, і ливарні (сірі) чавуни для лиття різноманітних деталей. Найбагатші залізом магнітні і червоні залізняки (до 70%). У червоному залізняку менше шкідливих домішок (фосфору і сірки). У бурому і шпатовому залізняках до 60% заліза.

Вихідні матеріали завантажують шарами в доменну піч, що являє собою футеровану вогнетривкою цеглою шахту; знизу в печі подають гаряче повітря. Утворюваний при горінні оксид вуглецю відновлює з оксидів чисте залізо; одночасно відновлюються фосфор, марганець і кремній.

До Великої Вітчизняної війни в нашій країні будувалися доменні печі об’ємом 1300 м³, що виплавляли до 500 тис. т чавуну на рік. Зараз у Криворіжжі працює найбільша у світі доменна піч об’ємом 5000 м³, проектна потужність 4 млн. т чавуну на рік.

Основні способи виробництва сталі конверторний (раніше бесемерівський), мартенівський і електроплавильний. Конверторну сталь одержують у сталевих футерованих судинах (конверторах) місткістю 100-350 т і потужністю до 4,5 млн. т сталі на рік, продуваючи рідкий чавун стиснутим повітрям, киснем або газовими сумішами (кисень із вуглекислим газом або з водяною парою). Особливо ефективний і високопродуктивний киснево-конверторний процес, впроваджений у 50-і роки.

У конверторах виплавляється велика частина сталей масових марок.

Поряд з удосконалюванням традиційної технології виробництва чавуну і сталі (упровадженням потужних агрегатів високої продуктивності і великої ємкості, застосуванням безупинного розливання металу, підвищенням якості і розширенням сортаменту продукції, упровадженням нових методів обробки і нанесення захисних покриттів і т.п.) одержить розвиток бездоменне виробництво металу з прямим відновленням залізорудних матеріалів газом і виплавляння сталі з них. Ця нова технологія виключає застосування дорогого коксу і забезпечить підвищення якості металу.

Для виробництва алюмінію використовують широко поширені в земній корі алюмінієві руди, переважно боксити, що містять близько 50-60% оксиду алюмінію-глинозему. Технологія виробництва алюмінію полягає у виділенні оксиду алюмінію з алюмінієвих руд лужним, кислотним, електротермічним або комбінованим способом; одержання первинного металу (чистого алюмінію) електролізом оксиду алюмінію (в електролізних ваннах - електролізерах), розчиненого в розплавленому кріоліті (крижаному шпаті) при температурі 950-1000°С, рафінуванні металу, тобто очищенні його від шкідливих домішок. У зв'язку тим, що чистий алюміній відносно неміцний і м'який матеріал, його застосовують у вигляді зазначених вище сплавів.

Методом електролітичного осадження одержують і інші кольорові метали: осадженням із розплаву аналогічно алюмінію одержують магній, а з водних розчинів - мідь, цинк, нікель, кобальт. Подальша переробка отриманих одним із зазначених способів чорних і кольорових металів включає: ливарні процеси одержання відливків розплавлених металів і сплавів і зливків, призначених для наступної обробки тиском; обробка тиском (штампування, пресування, прокатування, волочіння); термічна обробка (цементація, загартування, відпалювання, відпускання) та інші види обробки (термомеханічна, хімічна, механічна, хіміко-термічна); нанесення захисних і декоративно-захисних покриттів (цинкування, оксидування, нанесення пластмасових, лакофарбових, емалевих та інших покриттів). У процесі виробництва виробів із металів і сплавів вони можуть піддаватися механічній обробці різанням (свердління, фрезерування, стругання, шліфування), карбуванням, з'єднанню зварюванням, паянням, склеюванням, різноманітним видам художньої обробки.

У процесі лиття з розплавленого металу - (чавун, сталь, сплави міді, алюмінію й ін.) одержують відливки, що відповідають за формою розмірам ливарних форм, що виготовляються з різноманітних матеріалів (керамічних, глиняно-піщаних та ін.) і можуть бути; разовими або багаторазово використовуваними: методом лиття можуть виготовлятися окремі елементи конструкцій, архітектурно-художні деталі, скульптура й ін. Основний спосіб обробки металу тиском - його прокатування в гарячому або холодному стані. Способом прокатування (обтиснення металу між валиками) одержують значну частину будівельних виробів із сталі профільних, листових, пруткових видів, а також труби, арматуру й ін.

Штампуванням і пресуванням одержують рельєфні лицювальні матеріали для фундаментів і інтер'єрів, різноманітні метвироби, елементи устаткування (мийки й ін.). Листи і дріт із кольорових металів виготовляють прокатом із сортових профілів і труби - переважно способом пресування (видавлювання), що полягає в екструдуванні металу із замкнутого контейнера через отвір матриці, форма і розміри якого визначають перетин пресувального профілю.

17.3. Види і сортамент чорних і кольорових металів, застосовуваних у будівництві

З ЧАВУНІВ у сучасному будівництві застосовують сірий ливарний чавун, що має вище, ніж у сталі, відношення границі текучості до границі міцності при розтягу. Відповідно до маркірування (позначення марок) марки ливарного чавуна позначають буквами (СЧ - сірий чавун, ВЧ - високоміцний чавун, КЧ - ковкий чавун та ін.) і цифрами (для сірих чавунів приводять у кгс/мм² показники границі міцності при розтягу, для високоміцного і ковкого - границі міцності при розтягу подовженні в %): наприклад, СЧ21-40, ВЧ60-2 і т.д.

Чавуни, що трохи поступаються вуглецевій сталі за міцністю, можуть з успіхом заміняти її в елементах конструкцій, що піддаються дії корозійного середовища, і високих температур. Сірий чавун йде також на виливання опорних частин колон, труб, радіаторів, санітарно-технічних виробів, граток та ін. Чавун, як і колись, залишається прекрасним матеріалом для лиття архітектурно-художніх деталей (кронштейнів, ліхтарів, деталей огорож, малих форм і т.д.) і скульптури.

Застосовувані в будівництві СТАЛІ розрізняють за якістю, способом обробки і за призначенням. За якістю стали підрозділяють на звичайні (рядові), якісні, високоякісні й особливо високоякісні. Ці види відрізняються кількістю шкідливих домішок (сірки, що знижує механічну міцність і є причиною червоноламкості-крихкості, у гарячому стані; і фосфору, що посилює холодноламкість-крихкість при знижених температурах), і неметалічних включень. Основне застосування в будівництві знаходить вуглецева сталь звичайної якості, що маркірується за прийнятою системою індексами Ст і номером (наприклад, Ст0, Ст5 і т.д.). Якісні вуглецеві сталі маркірують числами, що позначають вміст вуглецю в сотих частках відсотка (08, 25 і т.д.).

У будівництві застосовують також леговані сталі, літерні позначення марок яких показують вид легуючих елементів (наприклад, хром - X, алюміній- Ю, бор - Р, ванадій - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, марганець - Г, мідь - Д, молібден - М, нікель - Н, ніобій - Б, кремній - С та ін.), а цифрові - на їх середній вміст у сотих частках відсотка; перша цифра позначає вміст вуглецю (наприклад, 35ХГ2С - високоякісна сталь, що містить 0,35% вуглецю, 1% хрому, 2% марганцю, 1% кремнію).

Основні способи обробки будівельних сталей - гаряче прокатування, холодне витягування, штампування, згинання, протяжка, а також комбінована обробки й ін. Види прокатних сталей дуже різноманітні; це профілі різноманітного перетину: - квадратні, круглі, штаба, фігурні, а також листові трубчасті. Основна частина прокату виготовляється з низьковуглецевої сталі. Перелік прокатних виробів із зазначенням розмірів називають сортаментом стандартизованого прокату. Сортамент прокату поділяють на три групи: сортовий прокат - кінцеву продукцію гарячого прокатування металу суцільного поперечного перетину (іноді перемінного за довжиною), листовий прокат і труби.

Сортамент прокату будівельного призначення постійно розширюється й удосконалюється завдяки впровадженню полегшених, тонкостінних, фасонних та інших економічних профілів. Листову сталь випускають завтовшки до 60 мм, тонколистову покрівельну й оцинковану сталь випускають завтовшки 0,4-0,8 мм. Листова сталь може виготовлятися плоскою, хвилястою і з рифленою поверхнею. Освоєно виробництво складних профільних виробів із сталі способами безперервного лиття і безперервного пресування; їх сортамент становить понад 1000 найменувань. Основним напрямком у виробництві сталевого прокату є збільшення частки ефективних (трубчастих, широкополочних двутаврових та ін.) профілів і використання термічно зміцненої вуглецевої і низьколегованої сталей підвищеної і високої міцностей, що забезпечують значну економію металу в порівнянні із застосуванням профілів із сталі марки Ст.

Новий ефективний вид прокату, упровадження якого пов'язано зі значним зниженням маси металоконструкцій, підвищенням їхньої міцності і надійності - гнуті профілі, що виготовляються з вуглецевих і легованих сталей на спеціальних профілевигинальних агрегатах, а також штампуванням, згинанням на пресах і протяжкою. Сортамент прогресивних полегшених гнутих профілів прокату включає величезну розмаїтість замкнутих, листових гофрованих, перфорованих та інших профільних виробів. Упровадження 1 т гнутих профілів прокату замість звичайних прокатних дає економію близько 220 кг металу і значне скорочення трудовитрат у сфері виробництва і будівництва.

Сталева арматура для залізобетонних виробів поділяється на стержневу і дротову. Арматуру розташовують у масі бетону, у тих місцях конструкційних елементів, що піддаються розтягувальним зусиллям; тому арматурна сталь повинна відрізнятися високими показниками границі текучості і границі міцності при розтягу. Найбільше раціонально використання для

переміщення і з'єднання (шляхом зварювання) між собою окремих елементів конструкцій (монтажних петель, пластин, анкерів і ін.). Раціональним проектуванням за рахунок арматури закладних деталей може бути досягнута значна економія металу.

З алюмінієвих сплавів виготовляють різноманітний асортимент листових і профільних виробів будівельного призначення. Застосовувані для цієї цілі сплави відрізняються невеликою густиною (2,7-2,9 т/м³), високою корозійною стійкістю і міцністю, що наближається до основних марок будівельних сталей. У 60-і роки був розроблений і впроваджений ефективний спосіб прокату листів з алюмінієвих сплавів, що полягає в суміщенні процесу безперервного лиття з прокатуванням стрічки завширшки до 1,6 м. Широке застосування знаходять плоскі і профільовані листи для тришарових захисних конструкцій (навісні легкі стінові панелі й ін.), для зовнішнього облицювання, панелей покриттів прольотом до 30 м із попередньо-напруженими обшивками з алюмінієвих листів, підвісних декоративних

і акустичних стель, огороджень балконів і поясів жорсткості і т.д. Поверхня листів може мати захисно-декоративні покриття (анодуванням, полімерною плівкою й ін.). Найбільше застосування одержали пресовані профілі з алюмінієвих сплавів, виготовлені способом безперервного витискування (екструдування). Сортамент таких профілів становить близько 15 тис. найменувань. У залежності від якості сплаву, форми і розмірів поперечного перетину пресовані профілі застосовують для тримальних і огороджувальних конструкцій, вікон, вітрин, вітражів, кріплення листових лицювальних матеріалів, конструкцій підвісних стель, плінтусів, розкладок і т.п. Для конструкційних профілів використовують багатокомпонентні сплави, авіали, магнали і дюралюміни з границею текучості не менше 160 МПа і границею міцності 200 МПа і більше. Для опоряджувальних робіт використовують тонкі стінові полегшені профілі, у тому числі анодовані і з кольоровими полімерними, лакофарбовими й емалевими покриттями.

Значна кількість алюмінієвих сплавів йде на виготовлення метвиробів (заклепок, болтів, фурнітури й ін). Галузі застосування алюмінієвих сплавів в архітектурно-будівельній практиці постійно розширюються завдяки впровадженню нових складів, нових способів переробки у вироби і їх оздоблювання. З листів алюмінієвих сплавів, міді і латуні способами штампування і карбування виготовляють рельєфні лицювальні панелі, декоративно-художні вироби.

17.4. Способи захисту металів від корозії і вогню

Корозія металів - це процес їх руйнування в результаті хімічної або електрохімічної взаємодії із зовнішнім (корозійним) середовищем. Хімічна корозія відбувається в результаті окисного і відбудовного процесів, що проходять одночасно; вона можлива в будь-якому середовищі, але головним чином спостерігається в повітрі при високій температурі, при дії розчинів масел, нафти, бензину, сухих газів та ін. Найбільш поширена електрохімічна корозія відбувається при взаємодії металів із рідкими електролітами, водою, водними розчинами солей, кислот і лугів. Корозія може відбутися і при контакті двох різнорідних металів (наприклад, залізо-мідь та ін.), а також через хімічну неоднорідність матеріалу. Корозію заліза і його сплавів називають також іржавінням.

У результаті корозії щорічні втрати металу в середньому становлять близько 10-12% його річного виробництва, або 1-1,5% всього експлуатованого металу. Значна частина цих утрат припадає на будівельні металоконструкції.

За характером корозійного руйнування розрізняють суцільну (рівномірну і нерівномірну) і місцеву з локальними поразками поверхні. Найбільш небезпечні види місцевої корозії - міжкристалітна, що просувається всередину, не руйнуючи зерен металу, і транскристалітна, що розсікає метал тріщиною через його зерна. Такі поразки металів, майже не залишаючи видимих слідів на його поверхні, можуть призводити до повного руйнування елементів металоконструкцій.

Не менш небезпечні види корозії (наприклад, нитковидна), що розвиваються під неметалевими захисно-декоративними покриттями; ножова корозія «розрізає» метал уздовж зварового шва при експлуатації в агресивних розчинах; підповерхнева корозія, що поширюється під тонким прошарком металу, призводить до здимання або лущення.

Причина корозії металів - термодинамічна нестійкість системи «метали-компоненти корозійного середовища», а міра оцінки корозійної стійкості металів - швидкість корозійного процесу. Проте в результаті процесу корозії, що почався, на поверхні металу в ряді випадків утворюються щільний непроникний прошарок (плівка), що припиняє або сильно гальмує подальший процес руйнування.

Сучасні методи боротьби з корозією передбачають комплекс заходів, спрямованих на захист металів.

Перехід поверхні металу в пасивний, з уповільненою взаємодією з корозійним середовищем стан називають пасивуванням (від лат. Passivus - недіяльний).

Методи антикорозійного захисту металів поділяють за механізмом їхньої дії на дві групи: електрохімічні (які впливають на потенціал металу або його критичні значення) і механічні (ізолюючи метал від впливу корозійного середовища захисними плівками і покриттями). Ефективними методами є: легування металів; їхня термообробка, що усуває структурну неоднорідність; нейтралізація і зниження корозійної активності (інгибірування) навколишнього середовища; нанесення захисних покриттів - металевих (металізація, гальванічні і дифузійні покриття, плакування) і неметалевих (органічні, лакофарбові, емалеві, фосфатні, полімерні плівкові й ін.).

Оскільки алюмінієві сплави мають достатньо високу корозійну стійкість у кислому середовищі, то наношувані на поверхню матеріалів, виробів і готових алюмінієвих конструкцій покриття є декоративно-захисними. Основний вид таких покриттів - електрохімічне оксидування (анодування), що полягає в нанесенні штучної захисної оксидної плівки, що має гарний зовнішній вигляд. До інших покриттів відносяться фарбування синтетичними емалями, лакування анодованих виробів, емалювання листових матеріалів легкоплавкими кольоровими склоемалями й ін.

Особливу проблему становить захист алюмінієвих конструкцій від контактної електрохімічної корозії, що виникає при зіткненні їх у вологому середовищі зі сталлю, міддю і багатьма іншими металами, а також із свіжими будівельними розчинами і бетонами. Для запобігання такої корозії сталеві деталі і конструкції, що контактують з алюмінієвими, необхідно оцинковувати й пофарбувати, а в місцях прямого зіткнення прокладати стрічкові або мастичні (бітумінізовані, тіоколові й ін.) ізоляційні прокладки. Сталеві кріпильні деталі повинні бути неіржавіючими або оцинкованими. Ізоляційні прокладки варто застосовувати також у місцях контакту з бетонними попередньо пофарбованими.

Комплексні конструктивно-технологічні заходи (у процесі проектування об'єктів і при застосуванні й експлуатації усіх видів металоконструкцій) варто застосовувати з метою захисту від вогню і підвищення границі вогнестійкості металевих конструкцій, що характеризується тривалістю (у годинах) опору впливу вогню до втрати міцності. Незахищені сталеві конструкції стійкі до температури 600°С. Для захисту металоконструкцій найбільш перспективні азбестоперлітові, азбестовермикулітові покриття. Новий вид вогнезахисту - фосфатне покриття, яке наноситься завтовшки 20-30 мм, являє собою стійку при температурі до 1000°С монолітну легку масу (густиною близько 200-300 кг/м³), яка твердне на повітрі протягом 2-3 діб. Традиційні способи підвищення границі вогнестійкості металоконструкцій - застосування облицювань і штукатурок із неспалимих вогнезахисних матеріалів (цегли, пустотілої кераміки, гіпсових плит, розчинів і ін.).

Широке застосування так називаних випинаних покриттів, або фарб на основі полімерних сполук, що при впливі вогню утворюють спінений розплав, який закоксовується, перешкоджаючи нагріванню металу. Такі багатокомпонентні системи наносять малярським способом. Крім захисту вони виконують функції оздоблювання.

Для підвищення границі вогнестійкості металевих, у тому числі алюмінієвих конструкцій, застосовують також наношувані способом пневмонапилювання азбестоцементу, азбесту.

Якість сталей регулюють легуванням, вакуумуванням при розливанні й іншими методами. Мартенівську сталь застосовують для виготовлення елементів тримальних конструкцій і високоміцної арматури. В електричних печах (дугових, індукційних, електронно-променевих) виплавляють, в основному, високолеговані і спеціальні сталі. Процес виплавлення електроплавильним способом схожий із мартенівським. В електричних печах ємкістю до 400 т переробляють тверду шихту, сталевий брухт, а також рідкі сталі з мартенівських печей або конверторів.

Дата добавления: 2014-01-07