книги / Строительные материалы

fy'Mffct

Рис. 11.21. Зависимость прочности алю­ миниевого сплава от его температуры

и времени старения

Содержание элемента В, Уф

ся, а пластичность уменьша­ ется. Естественным старением называется процесс упро­

чнения закаленного алюминиевого сплава при комнат­ ной температуре (20°С) в течение длительного времени (нескольких дней и даже лет).

Скорость старения зависит от температуры. При от­ рицательных температурах процесс старения замедля­ ется, при —50 °С оно прекращается. Повышение темпе­ ратуры нагрева приводит к ускорению процесса старе­ ния; максимальная прочность после старения будет тем ниже, чем выше температура нагрева. Как можно ви­ деть из рис. 11.21., при температурах нагрева выше 150 °С во время старения наблюдается разупрочнение с увеличением времени выдержки.

Алюминий и его нетермообрабатываемые сплавы сва­ риваются аргонно-дуговой, газовой, электродуговой и электроконтактной сваркой.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на две основные группы: деформируемые и литейные (рис. 11.2*2). Деформируемые сплавы подразделяются на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы хорошо подвергаются прессова­ нию, прокатке, гибке, вальцовке.

Термической обработкой не упрочняются однофазные сплавы, состоящие из однородного твердого раствора. Эти сплавы характеризуются большей, чем у алюминия, прочностью и высокой пластичностью. Упрочняют такие сплавы нагартовкой (наклепом). Из деформируемых не

упрочняемых термообработкой сплавов наибольшее рас­ пространение нашли сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием. Деформируемые не упрочняемые термообработкой алюминиево-магниевые сплавы (маг­ налии) типа АМг содержат 0,5—6,8% магния — АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб. В этих сплавах со­ держится также марганец (0,2—0,8%) и примеси крем­ ния, железа, меди и цинка (менее 0,1—0,5% каждого). Магний повышает прочность сплава, а примеси железа и кремния ухудшают его свойства. Медь увеличивает прочностные показатели, но уменьшает коррозионную стойкость. Сплавы АМг4, АМг5 и АМгб содержат так­ же 0,02—0,1 % титана и 0,0002—0,005 % бериллия. Ва­ надий, титан, марганец, хром вводятся для измельчения зерна и увеличения прочности сплавов. Особенно увели­ чивают прочность сплава совместно присутствующие в нем титан и бериллий.

Сплавы алюминия с магнием имеют высокую сопро­ тивляемость коррозии и хорошую свариваемость. Алю­ миниево-магниевые сплавы применяют обычно при тем­ пературе не выше 150° С, так как прочность их значи­ тельно уменьшается с повышением температуры.

Деформируемые не упрочняемые термической обра­ боткой сплавы системы А1—Мп содержат 1—1,6 % мар­ ганца (АМц).'Примесями в этих сплавах являются же­ лезо и кремний. Железо образует хрупкое химическое со­ единение в сплаве, снижающее пластические свойства. Кремний является положительной примесью, так как связывает железо в более пластичные химические соеди­ нения. Алюминиево-марганцевые сплавы обладают высо­ кой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и большей, чем у чистого алюминия, прочностью, но меньшей, чем у магналия. Прочность сплавов увеличи­ вается при нагартовке почти в два раза.

Упрочнение термической обработкой деформируемых сплавов основано на изменении растворимости химичес­ ких соединений в твердом алюминиевом растворе. К уп­ рочняемым термической обработкой деформируемым сплавам относятся сплавы алюминия с магнием и крем­ нием, алюминия с медью и магнием. Эти сплавы имеют более высокую прочность, чем нетермоупрочняемые спла­ вы типа АМг и АМц.

Сплавы системы А1—Си—Mg называются дуралюми- нами. Для упрочнения они подвергаются закалке при

температуре 500 °С и естественному старению при ком­ натной температуре в течение 5—7 дней. Для повышения коррозионной стойкости дуралюмины плакируют чис­ тым алюминием. Наибольшей прочностью обладают дур­ алюмины после закалки и старения.

Деформируемые термоупрочняемые сплавы системы А1—Mg—Si отличаются высокой технологичностью, хо­ рошей коррозионной стойкостью, достаточно высокими прочностными характеристиками, способностью к цвет­ ному анодированию, эмалированию.

Литейные сплавы алюминия характеризуются наличи­ ем в структуре эвтектики, повышающей их жидкотекучесть и другие литейные свойства. Увеличение количества эвтектики в структуре сплава выше 10—15% по объему ухудшает механические и некоторые технологические свойства. Поэтому количество эвтектики в литейных сплавах ограничивают. Наибольшее распространение имеют литейные сплавы системы А1—Si силумины с со­ держанием 10—13 % кремния (АЛ2) и 4—10 % кремния (АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9). Для повышения механических свойств силумины легируют магнием, медью, марганцем, влияние которых наиболее сильно сказывается после термической обработки (закалки и старения или только закалки).

Содержание меди в силуминах допускается не более 3%, так как большее ее количество приводит к сниже­ нию пластичности и коррозионной стойкости. Железо является вредной примесью в силуминах, так как с крем­ нием оно образует соединения, снижающие механические свойства сплава. Для ослабления влияния железа в си­ лумины вводят не более 0,5 % марганца. Для измель­ чения структуры силумина добавляют титан, а против окисления — бериллий.

Более эффективно, чем при термической обработке, повышаются механические свойства силуминов за счет их модифицирования в жидком состоянии незначитель­ ными добавками натрия или других модификаторов. Мо­ дификаторы затрудняют кристаллизацию кремния и при­ водят к измельчению структуры.

Магний — самый легкий из всех применяемых в тех­ нике металлов, его плотность 1,74 г/см3, температура плавления 650° С. В литом состоянии предел прочности <7б= 100—120 МПа, пластичность 6= 3,6%. Чистый маг­ ний имеет малую устойчивость против коррозии. В про­

мышленности магний используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резани­ ем и имеют сравнительно высокую прочность (а*, = 200— 400 МПа, 6 = 6 —20%).

Титан обладает высокими механическими характери­ стиками при малой плотности. У технически чистого ти­ тана аь=450—650 МПа, 6= 15—30%. Плотность титана 4,5 г/см3, температура плавления 1660 °С. Титан прак­ тически не корродирует в атмосфере, пресной и морской воде. Он устойчив против кислотной и газовой коррозии до температуры 350 °С. Технический титан применяют как коррозионно-стойкий материал. Например, обелиск в честь покорения космоса в Москве облицован листами из чистого титана.

Титановые сплавы применяют для несущих конструк­ ций. Обязательный компонент титановых сплавов — алюминий. В сплавах его содержится до 6,5 %. Титан с алюминием образует твердый раствор замещения, проч­ ность которого выше прочности титана. Кроме того, алю­ миний повышает коррозионную стойкость титана. Из других элементов в состав титановых сплавов вводят чаще других марганец, хром, молибден, ванадий.

§5. ОБРАБОТКА И СВАРКА МЕТАЛЛОВ

1.Обработка металлов давлением

Обработкой металлов давлением называют процесс получения изделий, основанный на использовании плас­ тических свойств металлов и их сплавов. При обработке давлением наряду с изменением формы изменяется стро­ ение исходного металла (сплава) и его физико-химичес­ кие и механические свойства.

Обработка металлов давлением — высокопроизводи­ тельный процесс, позволяющий получать изделия с весь­ ма точными размерами, хорошей чистотой поверхности, малыми отходами металла и более высокими механичес­ кими свойствами по сравнению с отливками. К спосо­ бам обработки металлов давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку и штамповку. Обработке давлением подвергают слитки, сортовой прокат и листы, изготовленные из стали, алюминиевых, магниевых, мед­ ных и других сплавов.

Заготовки перед обработкой давлением нагревают для повышения пластичности металла, в результате его сопротивление деформации уменьшается в 10—15 раз по сравнению с холодным состоянием. При горячей дефор­ мации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной. Это позволяет снизить стои­ мость изготовляемых изделий. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет свои верх­ ний и нижний пределы, образующие область нагрева, называемую температурным интервалом обработки.

В процессе горячей обработки давлением происходит образование мелких зерен, уменьшаются или уничтожа­ ются пороки литого металла (например, завариваются газовые раковины, пустоты с неокисленными поверх­ ностями), кристаллы стали вытягиваются и ориентиру­ ются в направлении течения металла, создается волок­ нистая макроструктура, вследствие чего механические свойства стали вдоль волокон становятся выше, чем по­ перек волокон. Это свойство используют при изготовле­ нии деталей; заготовку деформируют так, чтобы направ­ ление возникающих в детали максимальных растягива­ ющих напряжений совпадало с направлением волокон, причем волокна должны огибать контур изделий и не должны пересекать их.

Для нагрева заготовок применяют пламенные и элек­ трические печи. Пламенные печи работают на твердом, жидком и газообразном топливе. В них нагревают как мелкие, так и крупные заготовки. По характеру распре­ деления температуры в рабочем пространстве печи де­ лят на камерные • (температура во всем рабочем прост­ ранстве одинакова) и методические (температура в ра­ бочем пространстве повышается от загрузочного окна к окну выдачи нагретых заготовок). В пламенных печах заготовки соприкасаются с продуктами горения, поэтому металл угорает. Для исключения или уменьшения обра­ зования окалины применяют безокислительный нагрев металла в расплавленных солях, в среде защитных га­ зов, в муфельных печах, защищают поверхность заго­ товки специальными покрытиями из стекла, оксида ли­

тия.

Электрические печи сопротивления имеют металличе­ ские или карборундовые элементы сопротивления, кото­ рые подключают к электрической сети. Печи чаще при­ меняют для нагревания цветных металлов и сплавов,

имеющих невысокую температуру начала обработки дав* лением. В таких печах температуру можно регулировать.

Прокепкой называется процесс обработки металла1 между вращающимися валками прокатного стана (рис. 11.23). Металл при прокатке движется благодаря трению между поверхностями валков и металла со скоростью до 50 м/с. Прокатное производство металлургического заво­ да представляет собой сложный технологический про­ цесс, который делится на четыре основных передела: подготовка слитка к прокатке, получение полупродукта, получение готовых изделий и охлаждение, резка и прав­ ка проката.

Для получения прокатных изделий исходным матери­ алом служат слитки или литые заготовки, поступающие с установок непрерывной разливки. Слитки бывают раз­ личной формы, размеров и массы. Для достижения вы­ сокой производительности станов готового проката слит­ ки металла массой до 28 т предварительно обжимают и придают им необходимую форму. Слитки квадратного профиля называются блюмами и обжимаются на блю­ мингах; слитки прямоугольного профиля называются слябами и обжимаются на слябингах. Полупродукт в ви­

16 — рельс; 17 — зетовая сталь; 18 — колонная (квадратная) сталь

предназначены для полу­ чения из блюмов рельсов, балок, швеллеров и дру­ гих крупных профилей; сортовые станы — для из­ готовления сортового про­ ката простого и фасонно­ го профилей; проволочные

станы — для производства листа; трубопрокатные ста­ ны—для получения бесшовных труб и т. д. При произ­ водстве прокатных изделий заготовка, проходя через ряд специальных установок, приобретает заданную форму. Например, для получения круга последовательно меняют сечение заготовки: квадрат — овал — круг.

Особое место в прокатном производстве занимает хо­ лодная прокатка стали для получения листов и лент вы­ сокой прочности с хорошим качеством поверхности. Тех­ нологический процесс холодной прокатки состоит из тер­ мической обработки заготовки, холодной прокатки, термической обработки готового листа.

В последние годы большое распространение получает изготовление фасонных гнутых профилей на непрерыв­ ных профилегибочных станах. Тонкостенные, легкие, сложной конфигурации, обеспечивающие наилучшую ра­ боту конструкции, фасонные профили находят примене­ ние в автомобилестроении, авиастроении, строительстве и т. п. Замена проката гнутыми профилями весьма эко­ номична как по рациональности форм, так и по расходу металла.

Волочение — процесс обработки металлов давлением с протаскиванием заготовки 1 через отверстие матрицы 2, сечение которого меньше исходного сечения заготовки (рис. 11.25). В результате волочения получают изделие с постоянным сечением по всей длине. При волочении за счет уменьшения поперечного сечения заготовки увеличи­ вается ее длина. Волочение производят на волочильных станах, которые по принципу работы подразделяются на две группы: 1) с прямолинейным движением тянущих устройств (цепные, реечные, винтовые); 2) с круговым движением протягиваемого металла (барабанные)'. Во­ лочильный стан состоит из двух основных частей: матри-

цы (волоки) и тянущего устройства. Через фильеру при помощи тянущего устройства протягивается заготовка.

На станах с прямолинейным движением изготовляют прутки, профили и трубы. На станах с круговым движе­ нием производят волочение проволоки и труб малого диа­ метра с одновременным наматыванием их на барабаны в бунты. Волочильные прямолинейные станы бывают одно­ прутковые и многопрутковые, когда одновременно проис­ ходит волочение нескольких прутков.

Барабанные станы делятся на станы однократного волочения, где заготовка проходит одну фильеру, и мно­ гократного волочения, где заготовка проходит последова­ тельно через несколько фильер (2—15 и более) с умень­ шающимся сечением отверстий. На станах однократного волочения в основном изготовляют толстую проволоку диаметром 0,4—8 мм; на станах многократного волоче­ ния— проволоку меньшего сечения.

Ковка заключается в получении детали из нагретой заготовки путем деформирования ее ударными нагрузка­ ми, передаваемыми молотом, или статическими нагруз­ ками путем нажатия пресса. Полученная деталь называ­ ется поковкой.

Штамповкой называют процесс деформации металла в штампах. Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке предварительно нагретую заго­ товку деформируют в замкнутой полости штампа, форма и размеры которой определяют форму и размеры полу­ чаемой поковки. Горячую объемную штамповку произво­ дят на молотах, прессах или горизонтально-ковочных ма­ шинах. Листовая штамповка — деформация в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имею­ щем матрицы с прижимным кольцом и пуансон. Этот вид штамповки проводят на специальных штамповочных прессах. Штамповкой изготовляют закладные детали для сборного железобетона, корпуса оборудования и машин.

2. Сварка металлов

Сваркой называют процесс получения неразъемных соединений металлических изделий с применением мест­ ного нагрева. iMeтaлличecкиe части в местах соединения нагреваются до плавления или до пластического состоя­ ния. Сваркой достигается резкое снижение трудоемкости и ускорение процесса производства работ при изготовле­

нии конструкций. В настоящее время в нашей стране до 90 % металлоконструкций изготовляются сварными.

Свариваемость металлов неодинакова и зависит от их физических свойств, методов и режимов, применяемых при сварке. Повышенное количество углерода и раство­ ренных газов приводит к пористости в месте сварки, так как углерод, соединяясь с кислородом, образует газооб­ разные продукты. Лучше всего свариваются малоуглеро­ дистые стали (С<0,2% ). Стали с содержанием углеро­ да более 0,4 % при сварке необходимо предварительно подогревать с последующим отжигом. Ухудшает свари­ ваемость перегрев металла вследствие образования игольчатой структуры, которая снижает прочность и по­ вышает хрупкость сварного шва.

В результате разогрева вблизи зоны сварки образует­ ся зона термического влияния, в которой меняется струк­ тура металла. Размеры зоны термического влияния за­ висят от вида сварки, качества электродов; при газовой сварке она может достигать 20—25 мм, а при электродуговой 2—8 мм. В малоуглеродистых сталях металл в зоне термического влияния не меняет механических свойств, но в некоторых сталях в результате резкого охлаж­ дения могут появиться закалочные структуры и трещины

При сварке легированных сталей нельзя допускать перегрева, так как может произойти выгорание специаль­ ных элементов, выделение карбидов, самозакаливаемость сварной зоны, могут появиться усадочные трещи­ ны. Трудность сварки чугуна является следствием повы­ шенного содержания углерода и невысокой его пластич­ ности. Сварка чугуна производится, как правило, с по­ догревом до 600—700 °С, чтобы устранить внутренние на­ пряжения и предотвратить образование трещин рядом со сварным швом.

В зависимости от вида энергии, используемой для наг­ рева металла, различают химическую (газовую, термит­ ную) и электрическую (дуговую, контактную) сварки. Металл при сварке может доводиться до жидкого пли пластического состояния. В зависимости от способа по­ дачи присадочного металла и флюсов к месту сварки различают ручной, полуавтоматический и автоматичес­ кий способы сварки.

Наиболее распространены электродуговая сварка плавлением с применением металлического электрода и электроконтактная сварка. Газовую сварку применяют

для сварки чугуна, цветных металлов и стальных дета­ лей малой толщины.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты от электрической дуги, возникающей между дву­ мя проводниками (электродами) при пропускании элек­ трического тока: При применении переменного тока рас­ ход энергии меньше, чем при постоянном, оборудование проще и дешевле. При постоянном токе горение дуги бо­ лее стабильно, чем при переменном токе. Устойчивость дуги при переменном токе можно увеличить повышением напряжения, увеличением частоты и применением специ­ альной обмазки на электродах. Можно создавать дугу также между двумя электродами вблизи свариваемого изделия и расплавлять металл и электрод.

При электродуговой сварке одним полюсом, как пра­ вило, является свариваемая деталь, а другим — уголь­ ный или металлический электрод (рис. 11.26). В случае применения угольного электрода (рис. 11.26, а) необхо­ дим присадочный металл, для чего расплавляют специ­ альный пруток, а при металлическом электроде (рис. П.26,б) расплавляется электрод.

Температура электрической дуги зависит от электро­ дов: для металлических она составляет 2400—2600 °С, угольных 3800—3900 °С. В центре дуги по ее оси темпе­ ратура достигает 7000 °С. Полезно используется только 60—70 % теплоты. Для зажигания дуги электрод замы­ кается на изделие. При сварке металлическим электро­ дом его конец и свариваемое изделие расплавляются, капли металла электрода стекают, заполняют сварной шов и удерживаются на нем силами поверхностного на­ тяжения. Расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла при переменном токе меньше (3—4 кВт-ч/кг), чем при постоянном токе (6—10 кВт-ч/кг).

Электроды могут быть плавящимися (стальными, чу­ гунными, алюминиевыми) и неплавящимися (угольными, вольфрамовыми). В зависимости от толщины сваривае­ мого металла электроды применяются диаметром 1 — 12 мм и длиной 300—450 мм. Качество электродов зави­ сит от марки применяемого металла и вида обмазки. На электроды наносят различного вида обмазки для повы­ шения устойчивости горения электрической дуги путем ионизации воздушного промежутка, создания вокруг рас­ плавленного металла и дуги защитного слоя из газов и шлака, необходимого для защиты металла от окисления