книги из ГПНТБ / Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник

Гафний — металл плотностью 13,3-ІО3 кг/м3 с температурой плавления 2230° С. На основе гафния получают сплавы специаль­ ного назначения с температурой плавления выше 3000° С.

к кислотам и щелочам, применяется как легирующая добавка к специальным сталям.

циальных сплавов, главным образом для электровакуумной аппа­ ратуры.

циального назначения, входит также в состав твердых сплавов.

церий, европий, торий, неодим, лютенций и др. Их добыча из по­ род, в которых они содержатся в ничтожной доле, была крайне сложна. Лишь в настоящее время благодаря применению специ­ ально обработанных ионообменных смол появилась возможность извлечения окислов редкоземельных металлов исключительной чи­ стоты (99,99999).

Редкоземельные металлы при современных требованиях к спла­ вам со специальными свойствами играют особую роль. Ничтожные доли этих металлов в сплавах изменяют качество последних, уси­ ливая жаростойкость, стойкость к низким температурам и др. Ученые считают, что применение в металлургии редкоземельных металлов может в корне изменить технологию производства стали, исключив передел чугуна на стали.

§ 34. Порошковая металлургия

Метод прессования порошков одного металла или смеси несколь­ ких металлов с последующим спеканием их при температуре ниже точки их плавления называют методом порошковой ме­ таллургии,, или металлокерамикой. Этим методом изготовляют так­ же изделия из смеси металлических и неметаллических порошков,

Впоследнее время успешно развивается металлургия волокна. Этот вид технологии металла состоит в формовке металлического волокна или тонкой проволоки с последующим спеканием.

Вотличие от изделий, изготовляемых из металлических порош­ ков, характеризующихся объемной пористостью 40—50%, детали

из волокнистых материалов могут иметь пористость более 80%. Металлические изделия из волокна обладают высоким звукопогло­ щением и являются эффективными виброизолирующими материа­ лами.

Большое значение приобретает метод порошковой металлургии для получения изделий из тугоплавких металлов: вольфрама, мо­ либдена и др. Особенно рационален этот метод при изготовлении твердых, так называемых металлокерамических сплавов. Эти сплавы получают прессованием с последующим спеканием смеси порошков карбидов тугоплавких металлов и металлического ко­ бальта. В качестве составляющих этих сплавов часто применяют карбиды титана, вольфрама. Такие сплавы имеют твердость, близ­ кую к твердости алмаза, и способны сохранять ее до температуры 800—1000° С.

Методом порошковой металлургии можно также получать раз­ личные изделия из так называемых псевдосплавов, не обладающих свойством смешиваться в жидком состоянии: электротехнические детали со специальными свойствами, самосмазывающиеся пори­ стые подшипники, различные детали сложной точной формы и др.

§35. Краткие сведения

осварке и резке металлов

Под сваркой понимают процесс соединения отдельных частей метал­ ла в одно неразъемное целое при местном нагреве до пластического состояния или до плавления, а иногда и без нагрева (холодная сварка).

Сварные конструкции почти полностью вытеснили в строитель­ стве клепаные. Сварные изделия успешно заменяют литые, кова­ ные, прокатанные. Сварка может осуществляться плавлением и давлением.

Сварка плавлением универсальна. К ней относят электродуговую, электрошлаковую, газовую.

При электродуговой сварке для расплавления металла используют тепловую энергию электрической дуги, имеющей высо­ кую температуру (до 6000° С), образующейся между сваривае­ мым (основным) металлом и концом электрода. Для электродуговой сварки применяют как постоянный ток, получаемый от сварочных преобразователей, так и переменный, получаемый от сва­ рочных трансформаторов. Напряжение холостого хода источников питания дуги обычно принимают равным 65—70 в. Источники питания рассчитаны на силу тока до 1000 а и более.

Электродуговая сварка подразделяется на ручную, полуавто­ матическую, при которой механизируется подача электродной про­ волоки, и автоматическую с механизацией всех основных опе­

раций.

При ручной электродуговой сварке металла (рис. 32) один провод от источника тока присоединяется к свариваемому метал­ лу, а другой — к стержню, называемому электродом. При удалении

зок электродов вводят шлако- и га­ зообразующие, ионизирующие, легирующие, раскисляющие компо­ ненты, а также связующие вещества.

Автоматическая сварка под флюсом разработана в Институте электросварки АН УССР им. Е. О. Патона. Этот прогрессивный метод сварки заключается в следующем. Место сварки покрывает­ ся слоем гранулированного флюса, поступающего из бункера. Авто­ матически перемещающаяся сварочная головка подает к месту сварки электродную проволоку из бухты (рис. 33).

Металл плавится под слоем флюса. Флюс на поверхности рас­ плавленного металла образует корку шлака, легко удаляемую после остывания сварного шва. В результате надежной защиты металл швов, выполненных автоматической сваркой, имеет низ­ кое содержание кислорода и азота.

Автоматическую свар­ ку металла применяют не только для соединения деталей в конструкции, но и для изготовления инду­ стриальных элементов. Например, на заводах ме­ таллические листы свари­ вают .в полотна, которые сворачивают в рулоны, а.

Чзо

аров, трубы больших диаметров, воздухонагреватели и другие конструкции.

Применяют и полуавтоматическую сварку под флюсом. Осно­ вана она на выделении тепла при прохождении электрического тока через расплавленный шлак (бездуговой процесс).

Сварка в защитных газах (газоэлектрическая сварка) являет­ ся разновидностью дугозой сварки. Электрическая дуга горит в аргоне, гелии, углекислом газе и др. Газ, подводимый в зону горе­ ния сварочной дуги, защищает расплавленный металл от насы­ щения кислородом и азотом. При газовой сварке нагрев и рас­ плавление основного металла происходят за счет сгорания газов с большой теплотворной способностью (применяют преимуществен­ но ацетилен) и высокой температурой сгорания их в атмосфере кислорода.

Однако для сварки легкоплавких металлов может быть приме­ нен природный газ — метан, а также сжиженные пропан-бутано- вые смеси и водород.

Ацетилен С2Нг получают в генераторах из карбида кальция при действии на него воды:

CaQ + 2Н20 = Са(ОН)2 + С*НЯ.

Карбид кальция получают сплавлением негашеной извести с коксом в электрических печах. При сгорании смеси ацетилена с кислородом развивается температура до 3100—3200° С.

Процесс сварки заключается в следующем. Ацетилен, образо­ вавшийся в генераторе, по резиновому шлангу поступает в горелку Дрис. 34). Кислород из баллона через редуктор, регулирующий да­ вление на выходе, по другому шлангу тоже поступает в горелку и, смешиваясь с ацетиленом, образует горячую смесь. Одновременно

с расплавлением свариваемых кромок расплавляется присадочный металл в виде проволоки.

Сварка давлением. К способам сварки давлением относят элек­ трическую контактную, газопрессовую, сварку с нагревом трением и холодную.

Контактная сварка основана на нагревании металла электри­ ческим током, проходящим через свариваемые детали. При этом наибольшее количество тепла выделяется в месте контакта. Свар­ ка осуществляется в результате приложения давления.

Различают следующие виды контактной сварки: стыковую, то­ чечную и шовную (роликовую).

При стыковой сварке свариваемые детали соединяются по всей площади их соприкосновения. Стыковой сваркой сваривают армаг туру, прокатные профили — угловую сталь, швеллеры, двутавры, рельсы, а также трубы.

Точечная сварка представляет собой вид контактной сварки, при которой металлические детали соединяются в отдельных точ­

пропускают между вращающимися электродами, имеющими форму роликов. Процесс сварки происходит непрерывно. Этот вид сварки применяется для получения плотных соединений тонких листов.

При газопрессовой сварке свариваемые детали, например кон­ цы труб, закрепляют в зажимах сварочной машины. Нагрев металла до требуемой температуры осуществляется полукольцевы­ ми многопламенными газовыми горелками. Нагретые до пластичес­ кого состояния, концы труб сжимают, благодаря чему происходит осадка стыков и образуется сварное соединение.

Холодная сварка давлением осуществляется посредством пла­ стической деформации свариваемых участков металла. Приме­ няется главным образом в электромонтажных работах при стыков­ ке проводов. Этим способом хорошо свариваются однородные металлы (например, медь + медь; алюминий + алюминий), а также разнородные (алюминий + медь).

ные токи пропускают через свариваемое изделие. Эти токи расплавляют металл на кромках, при сближении которых полу­ чают прочное соединение.

Ультразвуковая сварка. Это «холодная» сварка металла, сжа­ того в стыках, подвергающихся воздействию энергии ультразвука, вырабатываемого магнитострикционным вибратором, питающимся от лампового генератора. Роль ультразвука при сваривании металла сводится к разрушению в местах сварки окисной пленки, благодаря чему при сильном сжатии деталей происходит прочное их соединение.

Диффузионная сварка в вакууме. Свариваемые детали поме­ щают в вакуумную камеру, где нагревают до заданной температу­ ры. После этого их сжимают между собой. Благодаря способно­ сти металла диффундировать свариваемые детали прочно соеди­ няются. Этим способом можно сваривать разнородные металлы, которые трудно свариваются в обычных условиях (сталь с чугуном, медь с алюминием и др.).

В последнее время широко применяют склеивание металла, заменяющее сварку. Особенно рационально склеивание тонких листов металла в сочетании с точечной сваркой.

Газовая резка металлов заключается в том, что нагретый металл сгорает в струе кислорода.

Резке поддаются углеродистые стали, содержащие менее 0,7% углерода, и низколегированные стали. Для резки высоколегиро­ ванных сталей и чугунов применяют флюсокислородную резку, при которой тугоплавкие окислы растворяются флюсом.

Цветные металлы (медь, латунь, бронза) обладают высокой теплопроводностью. При их резке кислородом образуются туго­ плавкие окислы. Поэтому кислородная резка этих металлов воз­ можна только с применением специальных флюсов и предвари­ тельным подогревом до 200—400° С.

При кислородной резке в качестве горячего газа применяют ацетилен, природный газ, бензино-бензольную смесь и керосин. Применяют также дуговую и плазменно-дуговую резку.

§ 36. Коррозия металлов и меры борьбы с ней

Разрушение строительных металлов в результате химического или электрохимического воздействия на них внешней среды назы­ вают коррозией.

Химическая коррозия— это разрушение металла в процессе химического воздействия на него агрессивных агентов.

Продуктами химической коррозии металла являются рыхлые окислы, получающиеся при реакции металла с кислородом и вла­

ваемая макрокоррозия, и в раствор переходит металл, обладаю­ щий меньшим электродным потенциалом. Таким образом, чтобы избежать электрохимической коррозии, следует применять металл однородной структуры, избегать неравномерного наклепа, контактов

металлов с разными электродными потенциалами, изолировать металлические детали от влияния блуждающих токов.

По характеру среды электрохимическая коррозия может быть атмосферной, подводной, почвенной, вызываемой блуждающими токами.

По степени сопротивления растворению, т. е. возрастания элек­ тродного потенциала, металлы расположены в следующем порядке: алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кобальт, никель, олово, свинец, медь, серебро, ртуть, платина, золото.

Из порядка расположения металлов видно, что если в качест­ ве электродов взять, например, цинк и железо, то цинк будет переходить в раствор, а железо сохранится в условиях электрохи­ мической коррозии. Благодаря явлению пассивирования многие ме­ таллы из этого ряда более стойки, чем правые соседние металлы, например алюминий, хром.

Межкристаллитная коррозия. В результате любого вида корро­ зии на металле образуется местами сыпь (коррозионная язва). Металл приобретает также коррозионную хрупкость как резуль­ тат межкристаллитной коррозии, т. е. коррозии, при которой металл под влиянием внешней среды разрушается по границам зерен.

Защита металлов от коррозии. Чтобы избежать коррозии металлов, применяют стойкие антикоррозионные сплавы (главным образом железоуглеродистые, в состав которых входят легирую­ щие элементы), защищают основной металл покрытиями.

Защитные металлические покрытия наносят на металлы галь­ ваническим, химическим, анодизационным, диффузионным, горя­ чим, металлизационным способами.

К числу неметаллических покрытий относят: эмалированные, стеклянные, лакокрасочные, пленочные, пластмассовые (напыле­ нием), обкладочные из листового пластика, плиточные, обмазоч­ ные и др.

Покрытия, получаемые при пропускании электрического тока от внешнего источника в соответствующем электролите, в который погружена защищаемая деталь в паре с анодом из металла покрытия, называют электролитическими, или гальваническими.

Этот вид коррозионной защиты заключается в том, что на поверх­ ности металла электролитическим осаждением из раствора солей металлов создается тонкий защитный слой какого-либо металла.

К числу гальванических покрытий относят: цинковые, кадмие­ вые, медные, никелевые, хромовые, оловянные. Гальваническим способом наносят на металл декоративные слои (хромирование, серебрение, никелирование, золочение).

Химическую обработку металлических изделий в горячих растворах кислых фосфатов железа и марганца называют фосфатированием.

Создание на поверхности металла защитной пленки, образую­ щейся в сильных окислителях, называют оксидированием. К этому виду коррозионной защиты относят анодирование, воронение.

В некоторых случаях на металл наносят пленки горячим напылением пластмассы, приклеивают или приваривают пленки, защищают поверхности обмазочными материалами (винипластом, полиизобутиленом), плитками из плавленого базальта, кислото­ упорного бетона, кислотостойкими керамическими плитками, плит­ ками из резины, эбонита, а также обмазочными мастиками: серной, фаолитовой, арзамитовой, фанзолитовой и др.

Обмазки служат также в качестве скрепляющих растворов при обкладке защищаемого металла (например, металлической ванны для травления металла и др.) кислотоупорными плитками.

Кроме покрытий длительного действия, могут быть нанесены также невысыхающие масляные слои (например, технический ва­ зелин, лак-этиноль), предназначенные для временной защиты по­ верхности металла от коррозии. Такие покрытия наносят при хранении и транспортировании металлических изделий.

Антикоррозионным средством для металлического оборудова­ ния служат летучие ингибиторы и ингибированная бумага. Ин­ гибитором называют вещество, замедляющее или прекращающее реакцию. Такими веществами могут быть нитрит натрия с углекис­ лым аммонием, с уротропином и др. Ничтожные дозы паров инги­ битора в воздухе помещения сохраняют оборудование от корро­ зии, являясь безвредными для организма человека.

Помимо перечисленных мер с коррозией металлов борются рациональным конструктивным оформлением металлических конст­ рукций, при котором исключается возможность попадания и за­ держки влаги на поверхности металла; применением протекторов, т. е. присоединением к основному металлу металла менее устойчи­ вого против коррозии (например, цинка), катодной защитой под­ земных металлических сооружений (трубопроводов и др.), присое­ динением к катоду отдельного источника питания и заземлением анода.

Предохранить металл от коррозии можно также соответствую­ щей обработкой коррозионной среды, т. е. изменением ее химиче­ ского состава. В зависимости от характера обработки среды раз­ личают известковую, щелочную, фосфатную, коллоидную, суль­ фатную обработки и др.

Часто защитное покрытие на металле выполняет одновременно роль декоративного. К таким покрытиям относят кристаллит, молотковую эмаль, холодные и горячие эмали, анодирование алю­ минием.

Кристаллит — это защитно-декоративное покрытие на металле из последовательно нанесенных гальванических, оксидных и лако­ вых пленок. Кристаллитные пленки на металле образуются по та­ кой схеме. На обезжиренную поверхность металла гальваниче­ ским способом наносят слой олова толщиной 2—3 мк, после чего подвергают обработке до оплавления олова при температуре 300—350° С. В период затвердения оловянной пленки металл под­ вергается химической или электрохимической обработке, при кото­ рой образуется кристаллическая структура, имитирующая измо­

розь. Так как оловянный покров на металле имеет невысокую твердость, его защищают бесцветным или цветным лаком на ма­ сляных, нитроцеллюлозных и синтетических основах. Путем пигмен­ тирования покровных лаков спирторастворимыми органическими красителями можно получить цветную кристаллитную поверхность. Цветной кристаллит широкой гаммы цветов можно также полу­ чить электрохимической окраской. Листовую жесть с кристаллитным покровом подвергают штамповке, изгибу, создавая из нее различные защитно-декоративные детали.

Под названием молотковой эмали понимают защитно-декора­ тивное покрытие, имитирующее следы ударов молотка на сталь­ ном листе. Стальной нагретый лист обрабатывают пигментирован­ ными красочными составами на натуральной олифе или синте­ тических связующих.

Нанесением слоев силикатной или синтетических эмалей мож­ но получить металлические изделия или листовой материал спе­ циального назначения, для санитарно-декоративной облицовки.

§37. Попутные продукты металлургии

иметаллообрабатывающей промышленности

впроизводстве строительных материалов

Впроцессе производства чугуна, стали и цветных металлов образуются отходы, представляющие собой группу сложных мине­ ральных систем, состоящих из силикатов, алюмосиликатов, алю­

минатов кальция, реже магния, марганца, железа, а также суль­ фидов в виде CaS, MnS, FeS.

Количество шлаков достигает 70% от выхода продукции при производстве чугуна и около 15% — при производстве стали:

В зависимости от происхождения металлургические шлаки делят на доменные, сталеплавильные, шлаки ферросплавных про­ изводств, цветной металлургии и др. Наибольшее значение имеют доменные шлаки. В зависимости от руды и флюсов доменные шла­ ки делят на основные, кислые и нейтральные, по избыточному содержанию MgO и Ті02 — на ферромарганцевые и титанистые.

К основным относят шлаки, у которых модуль основности более единицы - SiQ A[°Q— > 1. Преобладающими кристалличе­

скими фазами основных доменных шлаков являются двухкальцие­

лых шлаках преобладает однокальциевый силикат СаО • Si02, ми­ нерал анортит СаО • А120 3 -2Si02 и др.

В зависимости от состояния шлака, удаленного из домны, раз­ личают шлаки огненно-жидкие, отвальные, гранулированные.

Металлургические шлаки представляют собой богатейшую сырьевую базу для строительной индустрии. Их следует применять комплексно для получения различных строительных материалов.