Металлы и металлические изделия

Общие сведения

В строительстве водохозяйственного назначения нашли широкое применение материалы в виде металлических изделий и металлопроката. Металлопрокат применяется при возведении производственных зданий и насосных станций, при производстве различных типов металлических затворов. Применяемые при строительстве металлы можно разделить на 2 группы: цветные и черные (сплавы и железо). Черные металлы, в зависимости от того, сколько в них углерода подразделяются на сталь и чугун.

Чугун – это содержащий углерод от 2% до 6,67% железоуглеродистый сплав. В зависимости от содержания в нем металла, делится на 4 группы: ковкий, белый, высокопрочный и серый.

Ковкий чугун. Получают при длительном нагреве отливок белого чугуна при высоких температурах. В нем содержится от 2,5 до 3,0 % углерода. Применяется при изготовлении деталей, имеющих тонкую стенку (скобы, гайки и так далее). В водохозяйственном строительстве встречается в виде чугунных плит, труб, водопроводных чугунных задвижек.

Белый чугун. Не поддается обработке, хрупкий, но обладает высокой твёрдостью. Содержит углерод от 2,8 до 3,6 %. Применение ограниченное.

Высокопрочный чугун. Результат внесения присадок магния (от 0,03 до 0,04 %) в жидкий чугун. По химическому составу аналогичен серому чугуну. Обладает высокой прочностью. Применяется при отливке вентилей и корпусов насосов.

Серый чугун. Обладает повышенной хрупкостью, но хорошо поддается обработке. Содержит углерод от 2,4 до3,8 %. Применяют для отливок изделий, которые не будут подвергаться ударным воздействиям.

Стали. Получают путем переработки в мартеновских печах белого чугуна. При увеличении в сталях углерода повышается их хрупкость и твердость, но снижается ударная вязкость и пластичность.

При добавлении в сталь легирующих элементов (вольфрам, хром, никель) значительно улучшаются физические и механические свойства. Стали, в зависимости от того, сколько содержится легирующих компонентов, подразделяются на 4 группы: низколегированные стали (содержание легирующих компонентов до 2,5%), высоколегированные стали (больше10%), среднелегированные стали (от 2,5 до10 %) и углеродистые стали (отсутствие легирующих компонентов).

В зависимости от того, сколько в углеродистой стали углерода, они подразделяются на высокоуглеродистую сталь (от 0,6 до 2,0 %), среднеуглеродистую сталь (от 0,25 до 0,6 %) и низкоуглеродистую сталь (до 0,15 %).

К сплавам и цветным металлам относятся свинец, цинк, медь, алюминий и их сплавы с магнием, оловом, свинцом и цинком.

При строительстве применяют: легкие сплавы – в их основе лежат магний и алюминий, а также тяжёлые сплавы, в основе которых свинец, олово, медь и цинк.

Строительные изделия и материалы из стали

Выпуск горячекатаных сталей производится в виде уголка равнополочного, у которого ширина полок составляет от 20 до 250 мм; уголка неравнополочного; швеллера; широкополочной двутавровой балки и двутавровой балки.

При изготовлении строительных металлических сооружений и конструкций применяют стальные прокатные профили: уголки неравнополочный и равнополочный, тавр, двутавр и швеллер. В качестве стальных крепежных изделий выступают гвозди, гайки, заклёпки, винты и болты. При монтажно-строительных работах обработка металлов ведется несколькими способами: сварка, термическая и механическая обработка. Основными способами металлических работ являются холодная и горячая обработка металлов.

Холодная обработка делится на обработку путем резания и на слесарную. Слесарная обработка включает в себя разметку, рубку, резку, отливку, сверление, нарезку. Обработка резанием состоит в снятии режущим инструментом (фрезерование, точение, строгание) металлической стружки. Производится на станках.

При горячей обработке производят нагрев металлов до определенной температуры, а затем при прокате придают требуемый размер и форму. Применяется пресс или молот.

Чтобы улучшить у стальных изделий качество, они подвергаются термообработке - закалка, отпуск, отжиг, нормализация и цементация.

Закалка. При закалке стальное изделие нагревают чуть выше критической температуры с некоторой выдержкой, а затем, быстро охлаждают в масляной эмульсии, масле или воде. В зависимости от того, сколько в стали углерода будет зависеть и температура закалки. Закалка придает стали прочности и твердости.

Отпуск – это нагревание прошедших закалку изделий до температуры отпуска (от 150 до 670 градусов), выделке при требуемой температуре и дальнейшем охлаждении (быстрое или медленное) в масле, воде или спокойном воздухе. Отпуск уменьшает в стали хрупкость и внутреннее напряжение, повышает вязкость и улучшает обрабатываемость.

Отжиг – это нагрев до требуемой температуры (от 750 до 960°С) стальных изделий, их выдержка и последующее, при помощи печи охлаждение. Отжиг повышает обрабатываемость и позволяет снизить твёрдость стали.

Нормализация – это нагрев изделий из стали в несколько раз выше, чем при отжиге, выдержке и дальнейшем охлаждении в спокойном воздухе. Сталь после нормализации обладает мелкозернистой структурой и повышенной твердостью.

Цементация – процесс, при котором для придания изделиям повышенной прочности, износостойкости и поверхностной твёрдости производится поверхностное науглероживание. Часть стали при этом сохраняет вязкость.

Цветные сплавы и металлы

К цветным сплавам и металлам относится алюминий и его сплавы. Представляют собой стойкий к коррозиям, технологичный и легкий материал. Применяется в чистом виде при производстве отливок деталей и фольги. При производстве изделий из алюминия применяют алюминиевые сплавы: алюминий - магниевый, алюминий – марганцевый и другие. Алюминиевые сплавы, которые используются в строительстве, имея незначительную плотность от 2,7 до 2,9 кг/см3, обладают прочностью, которая близка к стали. Изделия из сплавов алюминия просты в изготовлении, обладают сейсмостойкостью, огнестойкостью, долговечностью, имеют хороший внешний вид. Все эти качества позволяют конкурировать сплавам со сталью. Помимо этого, сплавы позволяют уменьшить вес конструкций стен от 10 до 80 раз, и значительно облегчен их монтаж.

Медь и сплавы меди. Медь – это цветной тяжелый, имеющий плотность 8,9 г/см3 металл, пластичный и мягкий, обладает достаточно высокой электропроводностью и теплопроводностью. Медь в чистом виде можно встретить в проводах для электричества. В основном, область ее применения в различных сплавах. Сплав олова, марганца, никеля и алюминия с медью называется бронза. Бронза – это металл, стойкий к коррозии и имеющий высокие механические свойства. Применяется бронза при изготовлении сантехнических арматур и вентилей. Сплав цинка (до 40%) с медью носит название латунь. Латунь обладает коррозийной стойкостью, высокими механическими свойствами и отлично обрабатывается холодным и горячим способом. Применяют в виде проволоки, труб или листов.

Цинк – является стойким к коррозии металлом. Применяется как покрытие против коррозии при оцинковывании в виде болтов, кровельной стали стальных изделий.

Свинец – это стойкий к коррозии, тяжёлый, легкообрабатываемый металл, который применяется для герметизации швов деформаций, изготовления труб специального назначения и зачеканивания у раструбных труб швов.

Защита металла от коррозии

Воздействие окружающей среды на сооружения и конструкции из металла вызывает их разрушение, которое носит название коррозия. Начинается коррозия металла с поверхности, постепенно углубляясь внутрь. Это приводит к тому, что у металла поверхность становится изъеденной, неровной и теряет свой блеск.

В зависимости от характера разрушений, коррозия делится на: избирательную, межкристаллитную и сплошную.

При избирательной коррозии у металла поражаются отдельные участки. Она в свою очередь подразделяется на точечную, сквозную, в виде пятен и поверхностную.

Межкристаллитная коррозия происходит внутри металла. Вызывает разрушение связей по границам кристаллов, которые и составляют металл.

Сплошная коррозия в свою очередь делится на неравномерную и равномерную. При неравномерной металл разрушается на различных участках поверхности с неодинаковой скоростью. При равномерной идет разрушение по всей поверхности с одинаковой скоростью.

По тому, как окружающая среда взаимодействует с металлом, коррозия делится на электрохимическую и химическую. При электрохимической коррозии идет выделение электрического тока, который появляется при действии жидких электролитов на металл (щелочей, водных растворов солей, кислот), воздуха и влажных газов. Химическая коррозия проявляется при действии не электролитных жидкостей (смолы, бензина, масла) и сухих газов на металл.

Для того чтобы металл уберечь от коррозии, применяют различные защитные методы: уменьшение в окружающей среде загрязнений, нанесение антикоррозионных долговечных покрытий, обеспечение нормальных влажно-температурных условий и герметизацию от агрессивных сред. Обычно, для защиты от коррозии металлы покрывают лакокрасочными составами (эмали, лаки, грунтовки, краски) или тонким стойким к коррозии покрытием (алюминиевое покрытие, цинкование и другие). Помимо этого защищают и легированием (плавление с никелем, хромом и другими металлами) и неметаллами.