Лекции / Лекция 7

марок: А995 (99,995% Аl), А99 (99,99% Аl), А98 (99,98% Аl), А97 (99,97% Аl), А95

(99,95% Аl) и технической чистоты, допускающих содержание примесей 0,15…1,0% (А85, А8, А7, А6, А5, А35 и А0). Массовую долю алюминия в металле определяют по разности 100,00% и суммы массовых долей определяемых примесей, массовая доля каждой из которых равна или более: для алюминия высокой чистоты – 0,001%, технической чистоты – 0,01%. Например, марка А85 обозначает, что в металле содержится 99,85% алюминия, а в марке А0 – 99% алюминия. В качестве примесей в алюминии могут присутствовать Fe, Si, Cu, Mn, Zn и др. Примеси оказывают существенное влияние на электрические и технологические свойства алюминия, его коррозионную стойкость.

Рис. 7.11. Схеме производства алюминия

П р и м е ч а н и е ‒ Бокситы образовались в результате выветривания алюмосиликатных пород, содержащих алюминий, кремний и кислород.

Алюминий представляет собой серебристо-белый лёгкий металл с высокой тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и во многих агрессивных средах. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Чем чище алюминий, тем выше его электропроводность и коррозионная стойкость.

На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной беспористой плёнкой оксида алюминия (Аl2O3) толщиной примерно 10 нм, защищающей металл от дальнейшего

31

окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость. Однако в щелочных средах и некоторых неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.

П р и м е ч а н и е ‒ Окисление – процесс взаимодействия кислорода с металлом, приводящий к возникновению оксидов.

Алюминий обладает высокой технологической пластичностью, сваривается, полируется, но относительно плохо обрабатывается резанием из-за высокой вязкости и налипания металла на инструмент. Вместе с тем он хорошо обрабатывается давлением, поэтому применяется для изготовления тонких листов, проката, в том числе и фольги различного назначения. При холодной пластической деформации (прокатка, волочение) в результате наклёпа получают твёрдый алюминий (АТ), который имеет повышенные механические характеристики (прочность, твёрдость), но при этом снижается относительное удлинение.

В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, порошка, проволоки. Алюминиевую фольгу (альфоль) в строительстве применяют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного материала, порошок – в качестве наполнителя (пигмента) в лакокрасочных составах или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов, проволоку – для сварки конструкций и т. д.

П р и м е ч а н и е ‒ Из истории…В период открытия алюминия этот металл был дороже золота. Англичане хотели почтить богатым подарком великого русского химика Д.И. Менделеева и подарили ему химические весы, в которых одна чашка была изготовлена из золота, другая – из алюминия. Чашка из алюминия в то время была дороже золотой.

Общая характеристика алюминиевых сплавов. Как железо, так и алюминий в строительстве редко используются в чистом виде. Наибольшее применение находят алюминиевые сплавы. Сырьем для их получения служат как технически чистый алюминий, так и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10…13% Si и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них составляет 0,5…1,7% и называют их, как правило, силуминами. Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Zn, Mn, Zr и реже – Cr, Li, Ni, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы.

Алюминиевые сплавы сочетают в себе, как правило, лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные и эксплуатационно-технологические характеристики легирующих добавок. Например, сплавы с магнием или цинком после термической обработки приобретают прочность, сравнимую с прочностью конструкционной стали с низким содержанием углерода. При этом такой сплав в 2,9 раза легче стали. Прочность на растяжение алюминиевых сплавов составляет 100…700 МПа, относительное удлинение – 6…22%, модуль упругости – 65500…72400 МПа. По прочности

32

их подразделяют на малопрочные (до 300 МПа), среднепрочные (300…480 МПа) и сверхпрочные (более 480 МПа).

Недостатком алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости (почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали), высокий коэффициент линейного расширения и относительная сложность соединения элементов конструкций.

Алюминиевые сплавы классифицируют по составу, технологии получения заготовок, способности к термической обработке и основным потребительским свойствам. В зависимости от состава различают силумины (Al – Si), магналии (Al – Mg), дюралюмины (Al – Cu – Mg), авиали (Al – Mg – Si) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойствами – высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие и др.

П р и м е ч а н и е ‒ Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием и включает несколько процессов, суть которых заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят легирующие элементы в количестве от нескольких тысячных до нескольких десятых долей процента. При этом могут происходить и нежелательные изменения – ухудшаться коррозионная стойкость, повышаться плотность материала и др.

По технологическому признаку (способу изготовления) все алюминиевые сплавы делят на деформируемые (имеющие высокую пластичность в нагретом состоянии) и обрабатываемые давлением – методом горячей или холодной деформации (дюралюмины) и литейные (имеющие хорошую жидкотекучесть), применяемые для отливки изделий (силумины).

Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Такими легирующими элементами в различных деформируемых сплавах являются медь, магний, марганец и цинк. Кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят кремний, железо, никель и др. Наиболее распространенными литейными сплавами являются составы с кремнием или магнием (силумины или магналии).

Как деформируемые, так и литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784) подразделяют на термически не упрочняемые и термически и механически упрочняемые. Механическое упрочнение (нагартовка, наклеп) производится обжатием сплава в холодном состоянии. Термическая обработка состоит в закалке сплава нагреванием до температуры 440…510 и быстром охлаждении с последующим естественным (при обычных температурах) или искусственным (при t=150 ) старением.

В зависимости от назначения и требований в отношении физико-механических, технологических и других свойств их разделяют на сплавы высокой, средней и малой прочности, свариваемые, заклепочные, декоративные и другие. Они подразделяются также по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

33

В строительстве применяются деформируемые термически упрочняемые и неупрочняемые и литейные, как термически упрочняемые, так и термически не упрочняемые алюминиевые сплавы (ТКП EN 1999-1 Еврокод 9). Однако в строительных конструкциях применяют в основном деформируемые сплавы системы алюминий-магний- кремний и другие. Деформируемые сплавы системы алюминий-магний-кремний наряду с хорошей пластичностью обладают такими свойствами, как высокая коррозионная стойкость, технологичность, способность подвергаться цветному анодированию и эмалированию и др.

П р и м е ч а н и е ‒ Анодирование алюминиевых сплавов состоит из ряда электрохимических процессов по подготовке поверхности и созданию на ней более твердой и устойчивой против коррозии пленки оксида алюминия, чем пленка, полученная естественным окислением. После анодирования искусственная бесцветная пленка, обладающая большой адсорбционной способностью, может быть окрашена неорганическими пигментами в различные цвета, в том числе и «под золото». При этом не требуется тратить драгоценный металл, так как цвет создает специальный пигмент, а блеск – оксидная пленка.

Дюралюмины (дюраль) – это сплавы системы «алюминий – медь – магний». Содержание меди составляет 2,2…4%, магния – 0,5…2,4% и в небольших количествах содержатся марганец (0,3…0,9%), кремний и железо. Однако метод изготовления дюраля заключается не только в специфическом подборе компонентов, но и в технологии его изготовления – механизме искусственного или естественного старения с помощью закалки. В результате сплав приобретает высокий уровень свойств при небольшой плотности.

П р и м е ч а н и е ‒ Название «дюралюмин» происходит либо от немецкого города Duren, где впервые было начато производство таких сплавов, от торговой марки «Dural» или от франц. dur – твердый.

Дюралюмины характеризуются сочетанием высокой прочности и пластичности, хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Твёрдость и прочность их примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако при близких значениях прочности коэффициент конструктивного качества у дюралюминов значительно выше. При этом наибольшей прочности дюралюмины достигают при содержании в составе 4% меди и 1% магния. Такие сплавы называются супердюралюмины.

Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закалённом и состаренном состояниях и плохо в отожжённом, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Например, сплав Д16 используется в строительных конструкциях средней и повышенной прочности.

Недостатком дюралюминов является их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дюралюмины плакируют чистым алюминием, подвергают электрохимическому оксидированию либо естественному старению.

34

Силумины – группа литейных сплавов алюминия с кремнием (4…22%) и незначительным количеством примесей – железа, меди, магния, титана, цинка и других элементов (ГОСТ 1583). Название произошло от наличия в составе химического элемента Si. Силумины дополнительно могут быть легированы магнием, медью, никелем, титаном, что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой. По сравнению с чистым алюминием обладают большей прочностью и износостойкостью, но уступают по этим показателям дюралюмину. Для силуминов характерна низкая литейная усадка, стойкость к коррозии и высокая твердость. Применяют при изготовлении строительных конструкций.

Магналии – сплавы алюминия с магнием Mg до 10% и другими элементами (кремний, железо, медь). В зависимости от содержания магния различают деформируемые (до 7% Mg) и литейные (5…10% Mg) сплавы. Магний уменьшает плотность алюминиевого сплава, повышает прочность и коррозионную стойкость без снижения пластичности. Поэтому основным преимуществом таких сплавов является сочетание сравнительно высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости с хорошей свариваемостью. Магналии легко поддаются механической обработке и хорошо полируются. Применяются в качестве конструкционного и декоративного материала.

Авиаль (сокращенное от «авиационный алюминий») – группа сплавов системы алюминий – магний (0,45…0,9%) – кремний (0,5…1,2%) с небольшим содержанием других элементов марганца или хрома (0.15…0,35%), меди (0,2…0,6%) и железа – не более 0,5%. Авиали относятся к числу сплавов со средней прочностью, но высокой технологичностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Отличаются высокой пластичностью и свариваемостью, хорошо полируются. Для упрочнения подвергают закалке и искусственному старению. В строительстве применяются в виде профилей, труб, обшивки строительных конструкций и других изделий.

Маркировка алюминиевых сплавов. Единой системы маркировки черных и цветных металлов, в т. ч. алюминиевых сплавов в мировом сообществе не разработано. Маркировку алюминиевых сплавов в РБ и в странах СНГ определяют в основном стандарты: ГОСТы 1583 и 4784, ГОСТ Р 55375 и EN 573-1. Отличия в системах маркировки алюминиевых сплавов вызваны различием в технологиях производства, требованиях к свойствам, области применения и другим параметрам. В настоящее время осуществляется замена различных систем условных обозначений на единую систему цифровой маркировки алюминиевых сплавов.

Что касается европейских норм, то они предусматривают раздельные системы маркировки (кодирования) для деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, основанные на Международной системе обозначений. Деформируемые алюминиевые сплавы имеют, как правило, буквенно-цифровую систему маркировки. Обозначение последовательно составляется из букв EN, затем следует пробел, букв А (алюминий) и W (деформируемый полуфабрикат), дефис и четырех цифр, представляющих химический состав, и при необходимости за ними буквы, указывающей национальную вариацию. Например, EN AW-5154А.

35

Литейные сплавы тоже имеют буквенно-цифровое обозначение, которое состоит из тех же букв EN, A и далее букв, указывающих на форму полуфабриката (А, С, М) и пяти цифр, показывающих их пределы содержания элементов химического состава.

Например, EN AВ-44000.

Медь и её сплавы. Медь (лат. сuprum – от названия острова Кипр, где в древности добывали медную руду) среди цветных металлов по объёму потребления занимает второе место после алюминия. В чистом виде в природе встречается крайне редко в виде самородков, в которых содержание меди может доходить до 99% (рис. 7.12). В промышленном масштабе производят в основном из руд, либо из отходов меди и её сплавов. Наиболее востребованными рудами для производства меди являются сульфидные – медный колчедан (CuS·FeS), халькозин (Cu2S), ковеллин (CuS) и др., содержащие до 5% меди.

Рис. 7.12. Медный самородок

Технологический процесс производства меди является довольно сложным и длительным по времени (несколько суток). Он включает подготовку руды к плавке (обогащение) и получение медного концентрата с содержанием меди до 35%. Затем производят обжиг медного концентрата, плавку и получение так называемого медного штейна. Последующими технологическими операциями являются плавка штейна (сократительная) с целью повышения содержания в нем меди, конвертирование медного штейна – получение сначала белого штейна с содержанием меди до 79%, а затем черновой (сырой) меди, содержащей уже более 99% Сu. При этом примеси переходят в шлак и удаляются, а чистую медь разливают в формы. Заключительным этапом является электролитическое рафинирование отливок и получение меди необходимой чистоты.

Свойства полученной меди (ГОСТ 859) зависят от чистоты, а уровень содержания примесей определяет её марку: М00к – не менее 99,99% Сu, М0к – 99,97% Сu, М1к

–99,95% Сu, М2к – 99,93% Сu и др. В обозначении марок после буквы М (медь) указывается условный номер чистоты, а затем буквой способ и условия получения меди: к

–катодная; б – бескислородная; р – раскисленная; ф – раскисленная фосфором. Вред-

36

ными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и её сплавов, являются свинец, висмут, сера и кислород. Содержание их в меди строго ограничено: висмута – не более 0,005%, свинца – 0,05% и т. д. Все примеси, как правило, снижают и электрическую проводимость меди.

Цвет меди – красноватый (в изломе розовый), в очень тонких слоях на просвет зеленовато-голубой. Эти же цвета характерны и для многих соединений меди. Медь – единственный металл, имеющий красноватый цвет. Это и отличает её от всех других металлов. Чистая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, наивысшей после серебра. Поэтому медь принято считать эталоном электро- и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди и сплавов с её высоким содержанием по международному стандарту на отожжённую медную проволоку (IACS) принимаются за 100%, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17% от свойств меди.

Медь относится к малоактивным металлам. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, в других кислотах (азотной, концентрированной серной) – медь растворяется. При взаимодействии её с уксусной кислотой образуется основной ацетат меди – ядовитая ярь-медянка. Способность меди растворяться в азотной кислоте используется в промышленности для определения её наличия в сплавах. Если кислота при взаимодействии с образцом металла приобретает сине-зелёный цвет, значит в составе металла присутствует медь.

На воздухе и в сухих условиях медь не окисляется. При наличии же углекислого газа и влаги медь окисляется и покрывается тонкой плёнкой карбоната меди Сu(OH)2∙CO3 под названием «патины» зелёного цвета. В дальнейшем эта плёнка в определённой мере способна защищать медь от коррозии.

Медь в чистом виде обладает высокой пластичностью и отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состояниях, хорошими литейными свойствами. Температура её плавления составляет 1083 . Она хорошо прокатывается в тонкие листы и ленту, из неё получают тонкую проволоку. При этом холодная пластическая деформация (достигающая 90% и более) увеличивает прочность, твёрдость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую проводимость. Медь хорошо паяется и сваривается. Обладает хорошим блеском и высокой полируемостью, однако блеск её довольно быстро исчезает. Недостаток меди – сравнительно невысокая прочность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

Технически чистую медь поставляют в виде листов или полуфабрикатов – слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. В строительстве медь применяется в основном для изготовления водопроводных труб, кровельной черепицы и других изделий. Более 30% меди используется для производства медных сплавов.

Для легирования медных сплавов используют элементы, растворимые в меди – Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. В зависимости от легирующего элемента все сплавы меди подразделяются на латуни, бронзы и медноникелевые.

37

Латуни – это сплавы меди с цинком и другими элементами, в которых цинк является основным легирующим элементом (ГОСТы 15527 и 17711). На практике применяют латуни двойные и специальные (легированные). Цинк повышает прочность и пластичность сплава, но до определенных пределов. Наибольшей пластичностью обладают латуни, содержащие 30% цинка, а наибольшей прочностью – 45%. Латуни имеют золотисто-жёлтый цвет и по сравнению с медью обладают большими прочностью, твёрдостью, упругостью, коррозионной стойкостью и лучшими технологическими свойствами (жидкотекучестью, обрабатываемостью литьём, давлением, резанием). Электро- и теплопроводность латуней тоже ниже, чем меди.

Бронза является одним из древнейших металлических материалов. Она дала название целой эпохе развития человечества – бронзовому веку. В настоящее время бронзой называют медные сплавы, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, и другими металлами кроме цинка и никеля. Цинк и никель могут вводиться в бронзы только как дополнительные легирующие элементы. При этом медноникелевые сплавы выделяют в особую группу. Следовательно, по химическому составу бронзы подразделяют на оловянные и безоловянные, а название получают по основному легирующему элементу, образующему сплав (алюминиевые, кремнистые и др.).

В целом же бронзы по сравнению с латунями обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и антикоррозионной стойкостью. Структура и свойства их изменяются в зависимости от содержания легирующих элементов, скорости охлаждения сплава, разновидности и характера термической и других видов обработки. Отжиг, например, снимает напряжения, устраняет наклёп и позволяет получать сплавы однородной структуры. Закалка при температуре 700…750 без отпуска увеличивает пластичность сплава, а с отпуском – повышает прочность и твёрдость.

Сплавы меди, никеля и других элементов, в которых основным легирующим элементом является никель, называют медноникелевыми. Как правило, они имеют се- ребристо-белый цвет, несмотря на преимущественное содержание меди. Введение никеля существенно упрочняет медь, не меняя практически характеристик пластичности и ударной вязкости. При этом повышается коррозионная стойкость, технологичность, сплав приобретает особые электрические свойства. По назначению медноникелевые сплавы подразделяют на конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа куниаль, нейзильбер и мельхиор, к электротехническим – копель, манганин и константан.

8. Металлические изделия

Определение и классификация. Металлургическая промышленность выпускает металлические изделия различной номенклатуры (рис. 7.13). Наиболее массовым видом продукции металлургических предприятий является металлический прокат – изделия, получаемые на прокатных станах путём горячей или холодной прокатки (холодное

38

формование). Выпускаются также гнутые, кованые, калиброванные и со специальной отделкой поверхности металлические изделия (ГОСТ 1435 и 1050).

П р и м е ч а н и е ‒ Холодное формование – метод, при котором основной процесс формовки проходит при комнатной температуре (СТБ EN 10210-1). Калиброванная сталь – это горячекатаная сталь, подвергнутая дополнительной обработке холодным волочением с небольшими обжатиями для получения более точных размеров профиля, улучшения качества поверхности и придания некоторым сталям повышенных физико-механических свойств за счет наклепа. Калибровке подвергают круглого, квадратного, шестигранного и другого сечения изделия.

Рис. 7.13. Разновидности металлических изделий, используемых в строительстве и ручной спектрометр контроля качества на соответствие стандарту

Материалом для изготовления металлических изделий являются различные виды стали (от углеродистых до высоколегированных) и цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные и др.). По состоянию материала металлопродукцию (состоянию поставки) изготовляют изделия без термической обработки, термически обработанной, нагартованной (для калиброванной и со специальной отделкой поверхности) и подвергнутой противофлокенной обработке (выдержке при определенной температуре и последующему замедленному охлаждению).

П р и м е ч а н и е ‒ Нагартовка (наклеп) – упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе холодной пластической деформации (при температуре ниже температуры рекристаллизации). В результате обработки исходный материал может

39

классифицироваться как мягкий, полунагартованный, нагартованный и высоконагартованный. Чем выше степень нагартованности (нагартовки), тем больше и прочностные характеристики.

Для определения температуры рекристаллизации сплава в металлургии часто используют простое правило – берут 0,4 от температуры плавления. Обычно такое приближение оказывается вполне достаточным.

Весь перечень металлического проката называется сортаментом и условно подразделяется на сортовой, толстолистовой, широкополосный универсальный, фасонный и гнутые профили (ГОСТ 535 и 19281). К сортовому относят прокат, у которого касательная в любой точке контура поперечного сечения данное сечение не пересекает. Прокат выпускается в листах, прутках, мотках, рулонах (штрипсах), полосовой и различного профиля.

П р и м е ч а н и е ‒ Сортаментом называют совокупность прокатных профилей, отличающихся формой и размерами. Профиль – это форма поперечного сечения прокатного изделия. Штрипс – прокат, смотанный в рулон.

Изделия сортового проката производят:

круглого сечения диаметром от 5 до 330 мм. Прокат диаметром до 9 мм включительно выпускается в мотках, свыше 9 мм – в прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2590);

квадратного сечения с размерами сторон от 6 до 200 мм в мотках и прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2590);

шестигранного сечения диаметром вписанного круга от 8 до 103 мм в мотках и прутках длиной от 2 до 13 м (ГОСТ 2879);

прямоугольного сечения (полоса) толщиной от 4 до 80 мм, шириной от 10 до 200 мм, длиной от 2 до 13 м и других размеров (ГОСТ 103).

Кроме того, выпускают прокат:

толстолистовой, тонколистовой и широкополосный универсальный, в т. ч. рулонный (штрипс) горячекатаный, холоднокатаный и оцинкованный шириной 500 мм и более, толщиной от 0,35 до 160 мм повышенной и обычной точности (ГОСТ 82, 19903, 19904, 16523, 9045, 14637, 14918 и 1577);

арматуру (прокат арматурный) – изделия для армирования железобетонных конструкций (СТБ 1704, ГОСТ Р 52544);

листы горячекатаные – просечно-вытяжной и рифленый с односторонним ромбическим, чечевичным (ГОСТ 8568) и другими видами рифления (в листах и рулонах);

ленту стальную (холоднокатаную и горячекатаную) шириной от 20 до 220 мм

итолщиной от 1,2 до 5 мм и другие изделия.

Основными качественными характеристиками таких изделий являются точность прокатки (повышенная, обычная и др.), отклонения в размерах и форме поперечного сечения и другие на соответствие стандарта.

40