Архит._материал._-_Шеина_Ч1

в машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машиностроения пр.). Прокаткой получают также разнообразные виды заготовок, которые являются исходным материалом для других способов обработки. Так, горячекатаная и холоднокатаная листовая сталь, полосы и ленты в больших количествах идут для листовой штамповки. Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вра-

352

щающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы. Прокатка – наиболее широко применяемый вид обработки металлов давлением.

Существует три основных способа прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая или косая (рисунки 270, 271).

Рисунок 270 – Схема продольной (а), поперечной (б) и винтовой (в) прокатки:

1 – прокатываемый металл; 2 и 3 – валки

Хотя ассортемент прокатных изделий весьма обширен, все же представляется возможным весь прокат разбить на

следующие основные четыре группы: сортовой, листовой, трубы и специальные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.).

Рисунок 271 – Схема винтовой прокатки круглых периодических профилей

Наиболее разнообразной является группа сортового проката, который подразделяется

на простые и фасонные профили. Прокат в виде круга, квадрата, полос плоского сечения относится к простым профилям. Прокат сложного поперечного сечения относится к фасонным профилям. В зависимости от назначения фасонные профили подразделяются на профили общего или массового потребления (угловой профиль, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили и др.) и профили специального назначения (рельсы железнодорожные широкой и узкой колеи, рельсы трамвайные и др.).

В зависимости от способа производства и толщины листовой прокат подразделяется на три основных группы: горячекатаные толстые листы толщиной 4 мм и более, горячекатаные тонкие листы толщиной менее 4 мм и холоднокатаные листы всех размеров. Листовой прокат из стали и цветных металлов используется в самых разнообразных отраслях промышленности.

В соответствии с ГОСТом трубы, изготавливаемые на прокатных станах, подразделяются на две группы: бесшовные и сварные (со швом). Помимо

353

круглых труб производят также профильные трубы и с переменными размерами сечения по длине.

Ковка и штамповка металла включает такие процессы получения изделий, как ковка, объемная горячая штамповка, штамповка листового и пруткового материала в холодном состоянии.

При ковке деформирование заготовки осуществляется с помощью универсального подкладного инструмента или бойков. Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют вырезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно-поступательное движение. В результате многократного и непрерывного воздействия инструмента заготовка постепенно приобретает необходимые форму и размеры.

При объемной штамповке придание заготовке заданной формы и размеров осуществляется путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа. Листовая штамповка является таким видом пластической обработки металла, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других в качестве ис-

ходного материала используют лист или ленту. При этом обработка выполняется без значительного изменения толщины заготовки.

Волочение металла – это протягивание изделия круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного очка (волоку) с меньшей площадью выходного сечения, чем у исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки с высокой точностью поперечных размеров и трубы разнообразных сечений.

Волочением обрабатывают стали разнообразного химического состава, прецизионные сплавы, а также практически все цветные металлы (золото, серебро, медь, алюминий, и др.) и их сплавы. Изделия, полученные волочением, обладают высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Волочение чаще всего выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию большинства металлов сопровождает наклеп. Волочением можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими способами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины).

При волочении ряда профилей (квадратный, треугольный, шестиугольный и др.) используют составные волоки, которые отличаются высокой универсальностью, так как в одной и той же волоке, меняя профиль отверстия соответствующей перестановкой отдельных пластин, можно получать различные размеры профиля. Кроме составных волок при производстве прутков и главным образом труб, применяют шариковые и роликовые волоки. При получении профилей сложной формы применяют дисковые волоки, в которых рабочие поверхности волочильного канала образуются поверхностями свободно вращающихся дисков (не приводных валков-роликов).

В качестве исходного материала для волочения применяют катаную и прессованную заготовки. Термическая обработка металла перед волочением снимает наклеп, придает металлу необходимые пластические свойства, обеспечивает получение наиболее оптимальной структуры. В зависимости от химического состава металла и назначения продукта волочения применяют отжиг, нормализацию, закалку и патинирование.

Прессование металла – это вытеснение с помощью пуансона металла исходной заготовки (чаще всего цилиндрической формы), помещенной в контейнер, через отверстие матрицы. Этот способ пластической обработки находит широкое применение для деформирования, как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих значительной природной жесткостью. Он в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметаллических материалов (пластмасс и др.).

Прессованием изготавливают прутки диаметром 3…250 мм, трубы диаметром 20…400 мм при толщине стенки 1,5…12 мм, полые профили с не-

355

сколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребрами, разнообразные профили с постоянным и изменяющимся (плавно или ступенчато) сечением по длине. Профили для изготовления деталей машин, несущих конструкций и других изделий, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными, чем изготавливаемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей механической обработкой. Кроме того, прессованием получают изделия весьма сложной конфигурации, что исключается при других способах пластической обработки.

К основным преимуществам прессования металла относятся следующие. Возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками, в том числе мало пластичных металлов и сплавов; возможность получения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается; получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы; производство изделий с высоким качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке).

К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в виде пресс остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента.

Для повышения механической прочности и твердости, сохранения достаточной вязкости – конструкционные стали и износоустойчивости при достаточной вязкости – инструментальные стали, снижения порога хладоломкости и чувствительности к концентраторам напряжений пользуются термической обработкой, состоящей из четырех процессов: закалки, отпуска, нормализации и отжига.

Закалка заключается в нагреве стали на 30…50 оС выше температур фазовых превращений – Ас3 для доэвтектоидных или Ас1 для заэвтектоидных сталей, выдержке их при этой температуре до полной аустенизации стали и в последующем быстром охлаждении их в воде, масле или масляной эмульсии, обеспечивающей переход аустенита в мартенсит. Температура нагрева при закалке зависит от содержания в стали углерода. При закалке образуются метастабильные структуры, которые представляют собой различные стадии превращения аустенита (мартенсит, троостит, сорбит). В зависимости от способа охлаждения различают обычную закалку, которую применяют для деталей простых форм. Изделия сложной формы закаливают в двух средах или прерывистой закалкой.

Отпуск заключается в нагреве закалённых изделий до 150…670 °С (температура ниже критической точки Ас1, в зависимости от марки стали), выдерживают при этой температуре с последующим медленным или быстром

356

охлаждением в спокойном воздухе, воде или в масле. При отпуске стали мартенсит, образовавшийся после закалки, и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры. В процессе отпуска повышается вязкость, пластичность стали, уменьшаются её внутреннее напряжение и хрупкость, улучшается её обрабатываемость.

Различают три вида отпуска.

осуществляют в интервале температур 150…200 оС. При нагреве до 100 оС заметных изменений в структуре стали не происходит. Нагрев от 100 до 200 оС приводит к выделению из мартенсита дисперсных карбидных включений чаще всего пластинчатой формы в несколько атомных слоев. Структура после низкого отпуска – так называемый мартенсит отпуска. Применяется для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают главным образом мерительный и режущий инструмент.

производят путем нагрева закаленной стали до температуры 300…400 оС. Сталь приобретает структуру троостита отпуска, т.е. представляет собой мелкодисперсную смесь феррита и цементита. Снижается твердость и прочность стали, но повышается ее пластичность. Чаще всего этот вид отпуска применяют при термической обработке пружин и рессор.

Высокий отпуск выполняют в интервале температур 500…600 оС. Такой нагрев стали при отпуске сопровождается образованием структуры сорбита отпуска – ферроцементитной смеси средней дисперсности и зернистого строения. При высоком отпуске практически полностью снимаются внутренние напряжения в стали. Сорбитная структура дает наилучшее сочетание прочности и пластичности для конструкционных сталей. Высокому отпуску подвергают большинство ответственных деталей машин и конструкций.

Закалка с высоким отпуском носит название улучшающей обработки. Улучшению подвергают конструкционные стали, содержащие 0,3…0,5 % С. Такие стали называются улучшенными.

Закаливаемостью называется способность стали существенно повышать твердость при закалке. Чем больше углерода, тем выше твердость образующегося при полной закалке мартенсита и тем лучше закаливаемость стали.

Прокаливаемостью называется способность стали принимать закалку на определенную глубину. Чем меньше скорость охлаждения, тем лучше прокаливаемость стали. Ее можно определить, измеряя твердость по сечению образца.

Отжиг имеет цель – улучшение структуры и свойств стали, подготовку ее структуры к окончательной термической обработке, смягчение стали для облегчения механической или пластической обработки.

Гомогенизация (диффузионный отжиг) заключается в нагреве до темпе-

ратур близких, но не выше линии солидус, длительной выдержке при этой температуре (15…20 ч) и последующем медленном охлаждении: до 600 оС вместе с печью, затем на воздухе. Этот вид отжига применяют для устранения

357

неоднородности структуры и химического состава (в частности, литой структуры). При этом получается крупнозернистая, но однородная структура. Для измельчения зерна производят однократный или многократный отпуск, а иногда нормализацию. Гомогенизации подвергают слитки легированной стали при 1100…1200 оС для уменьшения дентдритной структуры и внутрикристаллической ликвации, вызывающей хрупкий излом при обработке стали давлением, для снижения пластичности, анизотропии свойств и образованию флокенов.

Полный отжиг заключается в нагреве стали до температуры (750…960 °С), превышающей на 30…50 оС критическую точку Ас3, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (50…100 оС/ч до 500 оС, а затем на воздухе). Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой

ифасонный прокат из доэвтектоидной стали с 0,3…0,4 % С. Их медленно охлаждают до полного распада аустенита и образования мелкозернистой фер- ритно-цементитной структуры, обеспечивающей высокую пластичность (снижение твердости, улучшение обрабатываемости) и изотропность свойств. Для защиты металла от окисления и обезуглероживания отжиг ведут в защит-

ной атмосфере, состоящей из 2 % СО, 2 % Н и 96 % N2.

Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из доэвтектоидной конструкционной стали до температуры на 40…50 оС выше точек Ас3, эвтектоидной и заэвтектоидной – выше Ас1 (несколько более высокой, чем температура отжига), непродолжительной выдержке их при этой температуре

ипоследующем охлаждении в спокойном воздухе. Она вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали, снимает внутренние напряжения, повышает пластичность и ударную вязкость. Структура стали после нормализации будет такой же, как и после отжига, некоторые высоколегированные стали после нормализации приобретают структуру закалки. Доэвтектоидные стали после нормализации состоят из феррита и перлита, а у заэвтектоидных устраняется цементитная сетка и образуется мелкая ферритоцементитная смесь. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, частичному образованию мартенсита или бейнита (в легированных сталях) и высокодисперсного перлита – сорбита или троостита. Нормализация широко применяется для улучшения свойств низкоуглеродистых строительных сталей, заменяя отжиг. Для среднеуглеродистых и легированных сталей она сочетается с высоким отпуском при температурах ниже порога рекристаллизации. Твердость и прочность стали получается при этом несколько выше, чем после отжига.

Химико-термической обработкой стали называют термическую обработку, связанную с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий – повышение твердости, усталостной прочности, износоустойчивости, коррозионной устойчивости.

Различают следующие виды химико-термической обработки стали. Это цементация (насыщение углеродом) и азотирование (насыщение азотом), ци-

358

анирование (параллельное обогащение стали азотом и углеродом) и диффузионная металлизация, алитирование и хромирование, силицирование и борирование.

Цементация – это процесс поверхностного науглероживания (на глубину 0,5…2 мм до содержания углерода в поверхностном слое 0,75…1,2 %) изделий из низкоуглеродистой, а иногда и легированной стали в углеродсодержащей среде (твердые, жидкие и газообразные карбюризаторы) для получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.

Твердые карбюризаторы представляют собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (около 70 %), углеродистого бария (около 20…25 %) и углекислого кальция (до 2,5…3,5 %). Обработанные этой смесью и уложенные в металлические ящики детали загружают в печь и нагревают до 900…950 оС (за 1 час углерод проникает на глубину около 0,1 мм).

При газовой цементации над обрабатываемыми изделиями пропускают газы (природный, светильный и смеси метана, этила, пропана), которые при нагревании до высоких температур выделяют атомарный углерод.

Цементация стали в жидких средах осуществляется весьма редко, обычно в расплавленных солях (около 83 % кальцинированной соды, 8…10 % поваренной соли и около 7 % черного корунда). В ванну такого состава погружают стальные детали и получают слой толщиной до 0,2 мм за 30…40 мин. Цементация протекает при 870…890 оС для малоуглеродистых сталей, 820…840 оС для среднеуглеродистых и 850…870 оС для малоуглеродистых легированных сталей.

Сварка металлов – процесс неразъемного соединения металлических изделий с применением местного нагрева металла до перевода его в тестообразное (пластичное) или расплавленное состояние.

К основным видам сварки относятся: без применения механического усилия:

электродуговая. Для местного расплавления свариваемых изделий используется тепловой эффект электрической дуги;

химическая (газовая и термитная). При газовой сварке – используется теплота, развивающаяся при сжигании горючих газов (ацетилен, водород, нефтегаз, природный газ и газ горючих жидкостей, а также пары бензина, бензола, керосина) в кислороде. При термитной сварке – используется теплота горения термитного порошка (смесь Аl и Fe3О4);

с применением механического усилия:

элетроконтактная (точечная, роликовая и стыковая сварка) – для местного нагрева используется тепло, образующееся в месте контакта свариваемых изделий при прохождении электрического тока.

Из всех видов газовой сварки ацетилено-кислородная сварка является наиболее эффективной и экономичной. Ацетилен С2Н2 – бесцветный газ с плотностью 906, который получают путем воздействия воды на карбид кальция СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2. При давлении 17,5 МПа и выше взрыво-

359

опасен. При полном сгорании ацетилена в кислороде образуется пламя из трех зон, называемое нейтральным. Наивысшая температура (около 3200 оС) находится во второй зоне на расстоянии 3…7 мм от конца ядра пламени. Этим участком пламени обычно и производится сварка. Присадочным материалом при газовой сварке служит чистая стальная проволока диаметром 2…8 мм с содержанием углерода 0,15…1,5 % в зависимости от состава свариваемого материала. Для уменьшения степени окисления шва во время сварки применяют флюсы (буру и борную кислоту).

Газовую сварку обычно применяют для изделий толщиной не более 30 мм. При большей толщине свариваемого изделия целесообразно применять электродуговую сварку (рису-

нок 272).

Рисунок 272 – Схема газовой сварки (а) металла и газовой горелки (б):

1 – присадочный материал;

2 – свариваемый металл; 3 – наплавленный металл; 4 - корпус горелки; 5,6 – шланги ацетилена и кислорода; 7 – баллон с кислородом; 8 – ацетиленовый генератор

Термитная сварка ис-

пользует тепло химической реакции смеси алюминиевого порошка (22 %) и чистой железной руды или окалины (78 %). При горении термита протекает экзотермическая реакция 2Аl + Fe2O3 → 2Fe + Аl2О3 + Q. Температура достигает 3000 оС. Концы деталей свариваются с заполнением зазора восстановленным железом. Термитную сварку применяют для сварки труб и при ремонтных работах.

При контактной сварке, или сварке методом сопротивления, электрический

ток подводится к двум свариваемым изделиям. При их контакте используется выделяющееся тепло, которое размягчает металл, при сближении под нагрузкой они свариваются. В настоящее время применяют три вида контактной сварки.

Точечная сварка служит для соединения внахлестку сеток и каркасов. Суммарная толщина металла обычно не превышает 20 мм. Свариваемая арматура или листы укладываются внахлестку или соединяются при помощи накладки и зажимаются между двумя медными электродами (рисунок 273).

Рисунок 273 – Схема различных видов контактной сварки: а – стыковая; б – точечная; в – роликовая

Роликовая сварка используется для соединения главным образом листового металла с целью получения не только прочного, но и плотного герметичного соединения. В отличие от точечной сварки в ней стержневые электроды заменены вращающимися роликами, которые захватывают свариваемые листы и создают непрерывный шов. При прохождении тока металл под роликами нагревается и сваривается под влиянием давления роликов. Максимальная суммарная толщина свариваемых листов составляет 6 мм.

Стыковая сварка используется для соединения металлических стержней арматуры. Для этого торцы свариваемых стержней зажимают в держателях электросварочной машины и прижимают друг к другу, затем включают электрический ток, который разогревает металл в месте контакта и в прилегающих участках до свариваемой температуры. В месте сварки образуется утолщение, которое усиливает соединение стержней.

В строительстве наиболее широко применяется электродуговая сварка металлическим плавящимся электродом и электроконтактная сварка. Кроме сварки, широко используется кислородная резка стали.

13.12 Цветные металлы

Цветные металлы по масштабам применения в архитектуре и строительстве играют меньшую роль, чем черные. К цветным металлам относятся легкие сплавы, получаемые на основе алюминия или меди. Их применяют в мостостроении, используют для отделки зданий, для дверей и оконных переплетов высотных зданий. Цветные металлы разнообразны по своему составу и свойствам (таблица 65).

Таблица 65 – Физико-механические свойства цветных металлов

Алюминий (от латинского алумен – алюминиевые квасцы) – мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета. Алюминий почти в 2,9 раза легче железа, легко поддается прокатке, ковке, штамповке и волочению, имеет высокую электро- и теплопроводность. В земной коре железа содержится 4,5 %, а алюминия – 7,5 %. Алюминий в природе находится в химически связанном состоянии в виде алюмосиликатов и оксида алюминия Al2О3 – глинозема, ко-

361