Метали в будівництві

Тема: Металеві  матеріали та вироби.

1.Класифікація  будівельних  металів.

2.Основи виробництва чорних металів.

3.Види і властивості чорних металів.

4.Вироби із чорних металів, що застосовують в будівництві, їх виробництво.

5.Кольорові метали та їх сплави.

6.Корозія металів та захист від неї.

1.Метали широко використовуються у будівництві завдяки їх цінним технологічним властивостям: висока міцність, пластичність, підвищена теплопровідність, електропровідність .Наряду з цим метали мають і ряд недоліків: велика щільність об’ємна маса, корозійність, можливість деформуватись під дією високих темпера-тур.

   Метали поділяються на дві основні групи:

1. чорні
2. кольорові.

Чорні метали представляють собою сплав заліза з вуглецем. Для придання чорним металам специфічних властивостей до їх складу вводять хімічні добавки: кремній ,марганець, сірку, фосфор, хром, нікель. Чорні метали в залежності від вмісту вуглецю поділяються на чавун і сталь.

  Чавун - це сплав заліза і вуглецю в кількості 2-4,3%. В залежності від призначення чавуни бувають:

-ливарний- для відливання  різноманітних будівельних деталей,

-переробний-  для виробництва сталі,

-спеціальний- використовують як добавки  при виробництві сталі та чавунного лиття. На властивості чавуну впливають певні домішки: сірка і фосфор підвищують крихкість чавуну ; хром ,нікель і магній придають чавуну високу жаростійкість, протикорозійну дію та зносостійкість. Ці домішки називають легованими.

   Сталь- містить  вуглецю до 2%.Сталь пластична, пружна і має здатність легко оброблятись. За призначенням сталі бувають:

-конструкційні - застосовують для виготовлення будівельних конструкцій,.

-спеціальні - з підвищеною жаростійкістю та зносостійкістю,

        -інструментальні- мають високу твердість і крихкість, застосовують для виготовлення інструменті.

За хімічним складом сталі бувають:

-вуглецеві

-леговані

В залежності  від способу виробництва сталі бувають:

-мартенівські

-конвертерні

-електросталі.

    Кольорові  метали в чистому вигляді рідко застосовують у будівництві. Частіше використовують  сплави кольорових   металів, які по щільності поділяються на легкі та важкі.

Легкі сплави виготовляються на основі алюмінію чи магнію.

Важкі сплави отримують  на основі міді, олова, свинцю.

2.Виробництво чорних металів із первинної сировини  складний технологічний процес, що складається із двох стадій:

-виробництво чавуну

-виробництво сталі.

Чавун виплавляють в доменних печах. Сировиною для його виробництва  служить залізна руда, паливо і флюси.

Залізна руда - це гірські породи, які містять залізо в хімічних з’єднаннях з іншими елементами. Для виробництва чавуну  використовують залізні руди  із вмістом заліза 60-70% Це різні види залізняків.

Паливом  у доменній печі є кокс.

Флюси - це добавки , що служать для отримання шлаків. До них відносять вапняки та шлаки.

Доменна піч представляє собою шахту в металевому кожусі, внутрішня поверхня її футерована вогнетривкою цеглою. Зверху в піч подається сировина чергуючи шари руди, флюсу і полива. Опускаючись  матеріал  нагрівається до розплавленого стану. Розплав із шлаку і чавуну стікає в горн. Оскільки шлак легший за чавун, то знаходиться зверху і відводиться в окремі летки.

  Продуктами доменного виробництва є: чавун, шлак, колошниковий газ і пил.

Чавун отримують трьох видів:

-переробний чавун (80%) - йде на виробництво сталі

-ливарний чавун (15-18%)

 – феросплави - служать як домішки для підвищення якості сталі.

     Початковим матеріалом  для  виробництва сталі служить переробний чавун. Він містить 4% вуглецю, до1% марганцю, 1-1,3% кремнію. Щоб отримати сталь необхідно зменшити в чавуні вміст вуглецю та інших домішок.

Виробництво сталі можливе 3-ма способами: конвертерним, мартенівським і електроплавним. Процес сталеваріння полягає в окисленні небажаних домішок, які при цьому перетворюються в шлак або вигорають.

Конвертерним способом сталь отримують в печах - конвертерах. Конвертер представляє собою грушовидну ємкість, що повертається навколо горизонтальної вісі. Зверху заливається рідкий чавун, знизу подається повітря під тиском. Під дією кисню повітря     складові елементи чавуну окислюються утворюючи окис заліза, а  вуглець, кремній, марганець вигорають. Закис заліза відновлюється до чистого заліза. При цьому способі сталь вариться швидко 15-30 хвилин, на відміну від інших способів , що тривають по декілька годин. Кількість сталі при цьому отримують  невелику до того ж низької якості - сталь забруднена  шлаковими включеннями, які важко усунути при швидкій реакції  даного способу. Тому застосовують попередню кисневу продувку чавуну перед варкою.

   Мартенівський спосіб застосовують дуже  широко.  Плавка сталі при цьому відбувається по двом процесам:

1.                 скрап-процес- початковим матеріалом служить сталевий лом та чавун,
2.                 рудний процес-початковим матеріалом є руда , рідкий чавун  і металургійні відходи.

Плавка сталі відбувається в мартенівських печах, що представляє собою агрегат із робочою горизонтальною камерою із вогнетривкого матеріалу. Камера має нижню частину у вигляді ванни - под, де і відбувається плавка сталі. Камера має отвори для загрузки чавуну і руди та отвір для випуску сталі та шлаків. Ємкість печі до 1000т. Паливом при плавці є газ, підігрітий в регенераторах. В процесі варки  відбуваються реакції аналогічні попередньому способу. Варка сталі триває 4-8 годин, при цьому систематично береться проба і як тільки отримують потрібний хімічний склад сталі, метал виливають у  форми. Мартенівська сталь має високу  якість через можливість регулювати хімічний склад.

    Електроплавка - це спосіб отримання високоякісних сталей спеціального призначення. Процес варки відбувається у дугових або індукційних печах. Джерелом тепла є електрична дуга, що утворюється між електродами і розплавленим металом. Сировиною  для виплавки є скрап та рідкі сталі , що поступають із мартенівських печей чи конвертера.  Недоліком цього способу є низька продуктивність печі (її ємкість 50-250т) та висока собівартість сталі.

3.В залежності від вмісту домішок і швидкості охолодження отримують 2-а основних види чавуну: білий і сірий.

Білий чавун має високу твердість і крихкість. Його використовують ,як переробний для виробництва сталі.

Сірий чавун в розплавленому стані володіє доброю текучістю і піддається обробці,. Тому його використовують для виливання різноманітних будівельних виробів. Маркірують сірий чавун так: СЧ12-28, де перша цифра позначає межу міцності на розтяг, друга- на згин.

Сталі бувають вуглецеві і леговані. Вони маркіруються із вказівкою складу, способів виготовлення та властивостей. Вуглецеві сталі звичайної якості позначаються літерами  СТ і цифрами від 0 до 7. В позначенні марок  кип’ячої сталі додається «КП», напівспокійна  «ПС», спокійна «СП».Наприклад:СТ3СП.

Леговані сталі маркіруються по іншому: літерами позначають наявність в сталі певної домішки. Так С-кремній, Г-марганець, Х- хром, Ю- алюміній, Д- мідь, Н- нікель, В-вольфрам, К- кобальт Цифра що стоїть попереду літер означає вміст  вуглецю в сотих долях %.Цифра, що стоїть за літерою позначає вміст даного елемента у %. Наприклад: 2Х17Н3-означає, що легована сталь містить 0,02% вуглецю, 17% хрому і 3% нікелю. При наявності домішки в кількості менше 1,5% цифра за літерою не ставиться.

Літера А в кінці марки означає, що сталь високоякісна, літера Ш-сталь особливо високоякісна.

В залежності від обробки будівельні сталі поділяються на 3-и групи:

1.-гарячого прокату

2.-холодної витяжки 

3.-комбінована обробка( гнуті профілі).

Найчастіше в будівництві застосовують сталь вуглецеву СТ3- це сплав заліза ,  вуглецю з додаванням кремнію і марганцю.

Є домішки які негативно впливають на властивості сталей.  Так наявність фосфору впливає на підвищену крихкість сталі, сірка -на крихкість при високих температурах.

   Сталі характеризуються певними властивостями. До основних  фізичних властивостей відносять:

1.-діійсну щільність,

2.-температуру плавлення- при якій сталь переходить із твердого стану в рідкий

3.-теплоємкість

4.-теплопровідність

5.-коефіціент температурного розширення- показник  видовження сталевого зразка при  підвищенні температури на 1 градус.

   Механічні властивості:

1.межа міцності на розтяг

2.межа текучості

3.відносне видовження

4.твердість

5.ударна в’язкість.

   Основною хімічною властивістю є корозійна стійкість - здатність протистояти руйнуючій дії  води .

    До технологічних властивостей відносять:

здатність до обробки тиском, різанням, литтям, зварюванням.

    Фізико-механічні  властивості сталі покращують термічною обробкою. Існують такі види термічної обробки:

1.                 гартування- нагрівання сталі до 800-900 градусів і швидке охолодження у воді чи маслі.
2.                 відпускання- повільне нагрівання сталі до 200-300град., витримування при цій температурі і повільне охолодження на повітрі.
3.                 випалювання-  нагрівання,  витримування і повільне охолодження в печі.
4.                 цементація- насичення вуглецем поверхневого шару сталевого  виробу.
5.                 азотування- насичення поверхні виробу азотом.
6.                 хромування- насичення поверхні виробу хромом, що придає стійкості в агресивному середовищі.

4.Чавунні вироби, що застосовують в будівництві виробляють способом виливання:-під тиском; - центр обіжним. Для виробництва використовують сірий чавун.

В будівництві використовують наступні вироби із чавуну:

-сантехнічні вироби - опалювальні радіатори, ванни, мийки, вентилі, фасонні частини,

-труби,

-колони та опірні подушки для них,

-плити для підлог,

-пічні вироби( дверцята, решітки, задвижки)

При виготовленні сталевих виробів зливки сталі підлягають певному виду обробки:

1.прокатка-це спосіб виготовлення профільованих виробів (полоса, тавр, кутик, швелер), що полягає  в обжиманні металу між валками певного перерізу, що обертаються .

2.волочіння- сталева заготовка протягується через отвір меншого перерізу. Внаслідок чого зливки обтискаються і витягуються, набуваючи гладкої поверхні. Це може бути дріт, труби малого діаметру.

3.кування-обробка розкаленої сталі ударами молотів, що повторюються для при-дання  заготовці заданої форми. Так виготовляються болти, анкери, скоби.

4. штамповка-сталь розтягується під ударами молота і заповнює форму штампа

5.холодне профілювання- це процес деформування листової чи круглої сталі на прокатних станах, отримуючи при цьому гнуті профілі різного перерізу.

В будівництві застосовують широку номенклатуру сталевих виробів . Це:

-прокатна сталь,

-профільовану сталь, яка з допомогою зварювання чи клепки використовується для каркасів, ферм, балок, опор, віконних рам тощо.

-сталеві труби, що служать для водопроводів, газопроводів, опалення.

-дрібні сталеві вироби -болти, гайки, гвіздки, ручки, петлі, замки тощо.

-сталева арматура-буває :-стержнева,-дротяна.

 В залежності від профілю:-гладка, і періодичного профілю.

В залежності від умов застосування:-напружувану і -не-напружувану.

Стержнева арматура поділяється на класи і позначається умовною літерою А (А1, А2 ). Ат- означає , що арматура термічно зміцнена.

Дротяна арматура гладкого профілю позначається : В-1; періодичного профілю- Вр-1.

5.                 В будівництві застосовують сплави кольорових металів, які  характеризуються малою  щільністю, високою пластичністю, корозійною стійкістю і добрими декоративними якостями.

Серед сплавів найрозповсюдженіші наступні:

1).Сплави алюмінію- отримують поєднуючи  алюміній з міддю, магнієм, кремнієм отримуючи наприклад дюралюміній . Із таких сплавів виготовляють вироби прокату: кутики, швелери, двотаври, труби, а також використовують у конструкціях :вітрини, віконні рами, навісні панелі, підвісні стелі. З’єднання відбувається зварюванням, склеюванням, на болтах чи заклепках.

2)Сплави міді- з цинком -отримуємо латунь -це матеріал , що піддається гарячій і холодній обробці. В будівництві його використовують у вигляді  листів, прутів, дроту, труб та архітектурно-оздоблювальних деталей.

Сплав міді з оловом утворює бронзу -має добрі механічні та декоративні властивості. Використовується для виробництва фурнітури та сантехнічної ар-матури.

Серед кольорових металів в будівництві застосовують:

-цинк-має високу стійкість проти корозії, тому його застосовують для оцинкування сталевих деталей: покрівельної сталі, закладних деталей, болтів.

-свинець-важкий метал, добре відливається і прокатується, стійкий до дії кислот та рентгенівських променів. Це обумовлює їх застосування в агресивному середовищі. З нього виготовляють спеціальні труби, покриття, особливі види гідроізоляції.

    Кольорові метали- рідкісний і дорогий матеріал, тому останнім часом його заміняють пластмасами, деревиною, склом.

6.Корозія - це руйнування металу під дією оточуючого середовища. В залежності від виникнення розрізняють такі види корозії:

1.                 хімічну
2.                 електрохімічну.

Хімічна корозія  виникає при дії на метал  сухих газів, масел, бензину, керосину. Цей вид корозії зустрічається рідко.

Електрохімічна корозія виникає при дії на метал розчинів, кислот та лугів. Метал при цьому  віддає свої іони розчинам, а сам руйнується.

В залежності від характеру оточуючого середовища електрохімічна корозія буває:

-атмосферною

-підводною

-ґрунтовою

-викликана блукаючими струмами .

Корозія може бути: - місцевою- коли  руйнується окрема ділянка металевого виробу;- рівномірною- метал однаково руйнується по всій поверхні; -міжкристалічною- коли руйнування відбувається між зернами металу.

     Існує декілька способів захисту металів від корозії:

1.                 покриття поверхні лаками, фарбами, пластмасами, склом, утворюючи при цьому плівку, яка ізолює метал від дії вологи.
2.                 покриття металевих поверхонь металами , стійкими до корозії, н-д цинком, оловом.

3) введення до складу металу легуючих домішок.