Главная → Статьи

Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы и сплавы на их основе применяют в специальных случаях, так как производятся они в значительно меньших количествах, чем черные, а стоимость их существенно выше. Их используют в основном, когда требуется высокая коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, повышенные декоративные качества, а для сплавов на основе алюминия — малый вес конструкций. В строительстве в основном применяют сплавы меди и алюминия; перспективны также сплавы на основе титана.

Медь и сплавы на ее основе. Чистая медь — мягкий (НВ 400 МПа) пластичный металл красноватого цвета, плотностью 8960 кг/м , отличающийся высокой теплопроводностью [X – 400 Вт/(м * К)] и электропроводностью. Прочность меди невысока: i?p = 180…240 МПа; температура плавления — 1080 С. У меди большой температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР= 17 * 10” КГ (т. е. в 1,7 раза выше, чем у железа). Медь — коррозионно-устойчивый металл: в сухом воздухе медь не окисляется, во влажном — покрывается коричневой оксидной пленкой, защищающей от дальнейшего окисления. При длительном (годы) нахождении меди во влажном воздухе на поверхности образуется устойчивый голубоватый слой основного карбоната меди, называемый патиной.

Медь и ее сплавы относят к числу металлов, известных с глубокой древности, так как встречались в природе в виде самородков, а также достаточно просто выплавлялись из медных руд.

Около 50% меди применяют в электротехнике. В строительстве медные листы толщиной 0,4…0,6 мм используют для устройства красивых и долговечных кровель, водосточных систем и водопроводных труб. Большая часть меди применяется в виде сплавов — латуней и бронз.

Латуни — сплавы меди с цинком (10…40%); хорошо поддаются, прокату, штамповке и вытягиванию. Прочность и твердость более высокая, чем у меди: Rp = 250…600МПа; НВ = 500…700. В строительстве латунь используют для декоративных элементов (поручни, накладки и т. п.) и для санитарно-технических устройств. В некоторых странах (например, Англии) латунные трубы, характеризующиеся высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, применяют в отопительных и водопроводных системах; такие системы отличаются очень высокой долговечностью.

Бронзы — сплавы меди с оловом (до 10%), алюминием, свинцом и др. Их прочность почти такая же, как у меди, твердость же существенно выше — НВ = 600… 1600. Бронзы обладают хорошими литейными свойствами и коррозионноустойчивы. Применяют для декоративных целей (арматура для дверей и окон и др.), в сантехнике и для специальных целей.

Алюминий и сплавы на его основе. Алюминий — легкий серебристый металл (плотность 2700 кг/м ) с низкой прочностью (Rp — = 80… 100 МПа) и низкой твердостью (НВ 200); характеризуется высокой электро- и теплопроводностью [Я = 340 Вт/(м * К)]. У алюминия по сравнению со сталью в 2,5 раза более высокий коэффициент теплового расширения (ТКЛР = 24 * 10). Несмотря на химическую активность, алюминий стоек к атмосферной коррозии благодаря защитным свойствам оксидной пленки, образующейся на его поверхности.

Алюминий в промышленных масштабах начали производить лишь в XX в. из-за технологических трудностей производства. В настоящее время около 25 % производимого алюминия используется в строительстве. В чистом виде алюминий практически не применяют. Для повышения прочности, твердости и технологических свойств в него вводят легирующие добавки (Mn, Cu, Mg, Si, Fe идр.). Основные виды алюминиевых сплавов — литейные и деформируемые.
Литейные алюминиевые сплавы (силумины) — сплавы алюминия с кремнием, магнием и другими элементами — обладают высокими литейными качествами; повышенной по сравнению с алюминием прочностью (/?рдо200 МПа) и твердостью (НВ = 500…700) при достаточно высокой пластичности.

Деформируемые алюминиевые сплавы (дюралюмины) составляют около 80 % производства алюминиевых сплавов. Это большая группа разнообразных по составу сплавов с высокими механическими свойствами (Rp = 200…500 МПа) (табл. 7.4), но пониженной коррозионной стойкостью.

Дюралюмины легко перерабатываются прокаткой, штамповкой, прессованием и сваркой в листы, трубы и профили самой сложной формы. В строительстве эти сплавы широко применяют для изготовления оконных и дверных переплетов и коробок, в качестве кровельного материала, для наружной облицовки зданий, для трехслойных панелей с пенопластовым или минераловатным утеплителем, алюминиевой фольги строительного назначения и для легких сборно-разборных конструкций, используемых для каркасов павильонов различного назначения.

Основное достоинство алюминиевых сплавов — малый вес (плотность алюминия почти в три раза ниже плотности стали) при достаточно высокой прочности в сочетании с коррозионной стойкостью.

Отрицательными свойствами алюминиевых сплавов являются почти в три раза более низкий, чем у стали, модуль упругости (Е= 0,7 * 10 МПа), низкая твердость и высокий коэффициент температурного расширения.

Цинк — синевато-белый металл, плавится при сравнительно низкой температуре — 420 °С, а при 906 °С — кипит. В чистом виде цинк был получен в XVIII в. В настоящее время мировое производство цинка составляет около 7 млн т/год. Основная цель использования цинка — защита стали от коррозии.

В ряду активности металлов цинк стоит перед железом и его сплавами. Но при этом окисление цинка при температурах до 200 °С происходит замедленно, так как окислению препятствует образующаяся на его поверхности пленка гидрооксикарбоната. Эти два обстоятельства (активность цинка и его замедленная коррозия) используются для защиты стали от коррозии путем цинкования и получения из цинка и его сплавов коррозионно-устойчивых материалов и изделий.

Более половины производимого цинка применяют для цинкования. Наибольшее распространение получил метод горячего цинкования, предложенный в 1837 г. инженером Сорелем. Суть метода сводится к погружению стального изделия в расплав цинка. При этом на поверхности стали образуется слой сложных соединений цинка с железом толщиной 80… 100 мкм. Этот метод в основном используют для получения оцинкованных стальных листов. Применяют и другие методы цинкования: электролитический, распыление, окраска цин-косодержащими составами и др.

Цинк как самостоятельный материал в строительстве применяют в виде листового кровельного материала, известного под названием цинк-титан. Для устранения хрупкости к цинку в этом случае добавляют очень небольшое (менее 1%) количество меди и титана. Цинк-титановые кровли имеют благородный светло-серый цвет; возможно анодирование поверхности листов для получения асфальтового цвета. Долговечность таких кровель — не менее 100 лет.

При устройстве кровель из цинковых листов из-за высокого коэффициента термического расширения цинка необходимо предусматривать возможность подвижки элементов кровли друг относительно друга. Примером кровель из цинковых листов могут служить кровли Дворца спорта в Лужниках, гостиницы «Балчуг» и Исторического музея в Москве.

Титан (титановые сплавы) приобретают в последнее время все большую популярность; они сочетают в себе низкую плотность (4500 кг/м3); высокую прочность (Rp = 700… 1200 МПа) и твердость (НВ > 1000) и высокую коррозионную стойкость. Из-за очень высокой стоимости и дефицитности титан в строительстве применяют только для Уникальных сооружений (например, памятник космонавтам у станции метро «ВДНХ» в Москве).

Алюминий (ГОСТ 4784—74) — один из самых распространенных элементов в природе. Температура его плавления 650 °С. Он обладает малой плотностью (2,7-103 кг/м3), высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью в окислительных средах, стойкостью против перехода в хрупкое состояние при низких температурах. В производстве используется как в чистом виде (0,5— 2% примесей), так и в виде сплавов.

Сплавы алюминия с медью и некоторыми другими элементами образуют сплавы типа дюралюминов (маркируются буквой Д) и относятся к термически упрочняемым. Например, сплав Д16 содержит 3,8—4% Си, 1,2—1,8% Mg, 0,3—0,9% Мп, применяется в самолетостроении. Сплавы алюминия с кремнием называются силуминами. Например, сплав AJI2 содержит 10—13% Si, остальное — алюминий. Силумины обладают хорошими литейными свойствами и используются для отливки сложных деталей.

Несмотря на низкую температуру плавления, алюминий и его сплавы при нагреве перед резкой образуют на своей поверхности пленку тугоплавких окислов АЬОз с температурой плавления 2050°С. Кроме того, окисная пленка на поверхности алюминия изолирует металл от контакта с кислородом, а высокая теплопроводность препятствует нагреву металла перед резкой.

Итак алюминий и его сплавы не удовлетворяют основным условиям кислородной резки. Аналогично ведет себя магний и его сплавы. Для их резки необходим мощный концентрированный источник тепла. Попытки применить кислородно-флюсовую резку алюминия не привели к положительным результатам. При низкой температуре плавления длительный разогрев газовым пламенем приводил к широкому резу с оплавленными кромками. Наилучшие результаты по резке алюминия и его сплавов дает плазменная резка, при этом металл режется со скоростью во много раз превышающей кислородную резку стали аналогичных толщин.

Медь (ГОСТ 859—78) обладает высокими теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа) и теплоемкостью, что создает большие трудности при нагреве ее газовым пламенем резака перед резкой. Температура плавления меди 1083°С, плотность 8,9-103 кг/м3.

В зависимости от химического состава имеются следующие марки меди — в скобках указана чистота в процентах, не менее: МООк (99,99), МОку (99,97), МОк (99,95), М1к (99,90), М1р (99,90), М1ф (99,90), М2р (99,70), МЗ (99,50), МЗр (99,50), М4 (99,0).

В машиностроении в чистом виде медь используется редко, главным образом в качестве трубопроводов, присадочного материала или токоведущих деталей машин. Широко применяются сплавы на основе меди такие, как бронза, латунь.

Бронза представляет собой сплав меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем и цинком. В зависимости от содержания олова бронзы делятся на безоловянные литейные и оловянные, обрабатываемые давлением.

Благодаря высоким антифрикционным свойствам и устойчивости к коррозии бронза широко применяется при изготовлении деталей, работающих на трение, и в некоторых агрессивных средах.

Латунь — это сплав меди и цинка. Для получения различных механических и физических свойств в латуни вводят марганец, алюминий, железо, никель и другие элементы. Из латуни изготовляют коррозионно-стойкие детали, арматуру, подшипники, зубчатые колеса, червячные винты и др.

Обычная кислородная резка меди и ее сплавов невозможна из-за низкого тепловыделения в процессе ее окисления и высокой теплопроводности. Медь хорошо поддается плазменно-дуговой резке и хуже кислородно-флюсовой. Последний способ требует предварительного подогрева до температуры 400—900°С.

Титан (ГОСТ 19807—74) обладает комплексом уникальных свойств. Температура плавления его 1665 °С, т. е. выше, чем у железа и никеля, а плотность 4,5-103 кг/м3 — почти вдвое меньше.

Титан отличается высокой прочностью при высоких температурах, большей прочностью и коррозионной стойкостью, чем нержавеющие стали. По распространению в природе занимает одно из первых мест среди важнейших металлов. Пока он еще дорогой — в пять раз дороже нержавеющей стали.

С точки зрения разрезаемости титан полностью отвечает условиям кислородной резки, имея сравнительно низкую температуру воспламенения в кислороде (1100 °С) и большое тепловыделение при окислении. Титан режется с большой скоростью, в несколько раз превышающей скорость резки низкоуглеродистой стали.

—

В строительстве цветные металлы в чистом виде применяют редко В небольших количествах находит применение чистый алюминий в виде фольги, порошка для алюминиевой краски, в качестве газообразующей добавки при изготовлении ячеистых бетонов, а также для отливки санитарно-технических деталей; цинк для покрытий поверхностей черных металлов и свинец для зачеканки стыков и швов ответственных сооружений, например в тоннелях метрополитена. В основном в строительстве используют сплавы цветных металлов: алюминия, меди, цинка, свинца, олова, марганца. Сплавы эти обладают рядом положительных качеств: малой плотностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, а также хорошими декоративными качествами.

Алюминиевые сплавы получают добавлением к алюминию различных металлов. В зависимости от металла сплавы носят названия: с медью — дюралюмин марки Д; с марганцем — АМц; с магнием — магналии АМг; с магнием и кремнием — авиаль АД и АВ. В принятой стандартами маркировке стоящие в начале буквы обозначают входящие в сплав элементы, цифры — номер сплава, а в магна-лиях — содержание магния (); через черточку добавляют буквы, обозначающие состояние поставляемого материала: отожженное мягкое — М, закаленное старением — Т, искусственно закаленное — Т1. Например, АВ-М — отожженный авиаль, АМцб — сплав с 6 магния.

Положительными качествами алюминиевых сплавов являются: сравнительно небольшая плотность, примерно в 3 раза меньшая, чем у стали (р = 2640 кг/м3) при высокой прочности, одинаковой для некоторых сплавов с прочностью СтЗ; высокая коррозионная стойкость — примерно в 10—20 раз выше, чем у обычной стали. Однако необходимо помнить, что алюминиевые сплавы в местах контактов со сталью, бетоном и даже между собой легко подвергаются электрохимической коррозии. Эти места надлежит защищать покраской или антикоррозионными прокладками. В настоящее время алюминиевые Сплавы защищают от коррозии способом плакировки — покрытием поверхности сплавов тонким слоем чистого алюминия и анодированием. Алюминиевые сплавы пластичны, их легко обрабатывать прессованием. Хрупкость сплавов с понижением температуры ниже 0 градусов уменьшается, чем они выгодно отличаются от стали.

К недостаткам алюминиевых сплавов следует отнести прежде всего высокую их стоимость — она в несколько раз выше стоимости стали; низкий модуль упругости — в 3 раза меньший, чем у стали, что приводит к пропорциональному увеличению прогибов алюминиевых конструкций при равных условиях, и значительный коэффициент линейного расширения — в 2 раза выше, чем у стали.

В строительстве наибольшее распространение получили алю-миниево-марганцевые, алюминиево-магниевые, дюралюминиевые сплавы и сплавы типа «авиаль».

Рис. 1. Профили алюминиевого сортамента

Профили из алюминиевых сплавов изготовляют прессованием и прокаткой. Они бывают по сечению аналогичны прокатным профилям из стали, в виде листов, уголков, швеллеров, двутавров, труб, кругов и квадратов и самых сложных прессованных алюминиевых профилей.

Холодной прокаткой алюминиевых листов получают профилированный лист, гнутые тонколистовые профили открытого и замкнутого сечений. На рис. 1 показаны некоторые виды профилированных изделий.

Алюминиевые сплавы и конструкции из них в настоящее время находят широкое применение в строительстве при возведении перекрытий большепролетных сооружений в качестве несущих и ограждающих элементов, при строительстве цехов с агрессивными средами, в северных и отдаленных районах, где очень важны способность сплавов сохранять пластичность при низких температурах и их небольшая объемная масса, что снижает транспортные расходы. Традиционно из алюминиевых сплавов изготовляют переплеты, каркасы витражей, архитектурные детали для облицовки фасадов, подвесные потолки, а также трехслойные с легкими утеплителями стеновые и кровельные панели.

В последние годы в стране построены и строятся новые заводы по изготовлению строительных алюминиевых конструкций.

Латунь и бронза. Сплав меди с цинком (до 40%) называют латунью, а сплав меди с оловом, алюминием, марганцем или никелем — бронзой. Латунь и бронзу используют в строительстве в качестве архитектурной отделки зданий, санитарно-технической арматуры и др. В настоящее время изделия из латуни и бронзы все больше вытесняются пластмассами.

Ваш отзыв