Аносов Ю.М. и др. Основы отраслевых технологий и организации производства

Подождите немного. Документ загружается.

3.10. СТРОИТЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Технол

огия строительных материалов и изделий включает

в себя производство нерудных (природные каменные) строитель

ных материалов, бетонных и железобетонных изделий, вяжущих,

керамических, асбоцементных материало

и т. д.

3.10.1. Природпые ( естествеппые) материалы,

nримепя·ежые в строительстве

Из перудиого сырья получают разнообразные строительные

материалы: заполнители для бетонов и растворов, стеновые мате

,риалы, облицовочные плиты, материалы для дорог (брусчатка,

.щебень, песок и др.)" материалы для гидрохнических сооруже

ний, жаростойе, химически стойкие облицовочные материалы,

матеиалы для кладок печей, металлургических ковшей и т. д.

ачмтельную часть этих матералов получают путем добычи

или первиНоЙ обработки сырья в карьерах.

Из нерудногФ сырья (глина, пески, известняки, мергели и др.)

ивт

отовляют ке.рамиеские материалы, стекло, цемент и др. От

чества заполнителя (щебня, гравия, песка) в значительной

мере зависит качество и стоимость бетонных и железобетонных

ко

трукци. Применеине блицовочных материалов из природ

но камня ,( гранитов, габбро. мрамора, известняков, туфов)

за

е их .сокой до

говсечиост

обеспечивает снижение экс

паИОН затрат 0 сравнению с цветными растворами или

беrоми.

.10.2. Кечес epлы

Эти м.атериuы применяют для кладки наружных и внутрен

них стен (кирпич и керамические блоки

)

, облицовки стен и по

лов

зданий (лицей кирпич, керамические камни, плитка для

стен

и полов), вельных

покрытий (черепица), трубопрово

дов

(керамические канализационные и дренажные трубы), в сан

техоборудовании зний (изделия из строительного

фаянса)

т. д.



достоинствам керамических материалов относятся:

широ

ко

распространенное сырье, до

говечность, невысокий уровень

затрат при

эксплуатации зданий и сооружений за счет хороших

физико-механических

войств (высокая прочность, мороза-,

водо-,

огнестойкость).

Основная продукция кирпичных заводов - это обычный (пол

нотелый) глиняный кирпич с объемной массой свыше 1600 кг;

Производство пористо-пустотелой стеновой керамики (объем

ная масса менее

1450 кг;м

) позволяет за счет снижения ее

теп-

лопроводности

уменьшить

толщину стен и,

соответст

венно, рас

ход

керами

ки

транспор

тные расходы и расход

строительного

раст

ора.

3.10.3. Ozneynopnьte материалы

Огне

упорные

материалы

применяют при сооружении промыт

ленны

х печей и других тепловых агрегатов. Область использова

ния

огнеупоров зависит от степени огнеупорности (огнеупор

ные -

1580-1700 ос, высокоогнеупорные - 1700-2000 °С, выс

шей огнеупорности - более

2000 °С), химической

стойкости по от

ношению к технологической среде, термостойкости (способность

выдерживать резкие колебания температур) и др.

Применеине легковесных огнеупоров (пористость 45-85 %)

2-4 раза сокращает продолжительность холостого хода (разогре

ва) печей, на 20-70 % снижает удельные расходы топлива

при уменьшении в 2-3 раза толщины ограждающих стен.

3.10.4. Миперальпые вяжуие материалы

К минеральным (неорганическим) вяжущим веществам от

носятся порошкообразные материалы, которые при смешивании

с водой образуют вязкопластичное тесто, переходящее со време

нем под влиянием физико-механических процессов в камневид

ное состояние. При этом вяжущее вещество скрепляет между со

бой камни, зерна песка, щебня, гравия. Это свойство используют

при изготовлении бетонов, силикатного кирпича, асбестоцемент

ных материалов, строительных растворов - кладочных и штука

турных. Начало и конец схватывания характеризуют срок схва

тывания, в течение которого тесто полностью теряет пластичность.

Сроки схватывания, твердения и прочность (марка) искусст

ен

ного камня - основные свойства этих материалов.

Минеральные вяжущие материалы, как указано выше, делятся

на воздушные (известь, гипс, магнезиальные вяжущие, жидкое стек

ло) и гидравлические (цементы клинкерные и бесклинкерные).

Цементы (портландцементы, шлакопортландцементы и пуццола

новые портландцементы)

основная

группа вяжущих

материа

ов,

применяются во всех областях строительства: производстве бетона

и железобетона, в гидротехническом и дорожном строительстве.

При производстве цементов в их состав вводят добавки, позво

ляющие экономить вяжущие материалы (в шлакопортландцемен

тах) или придающие вяжущим материалам специальные свой

ства. Введение гидрофобно-пластифицирующих добавок придает

специальные свойства цементу и позво

яет снизить расход вяжу

щего на 10-15 %.

3.10.5. Бетоп, железобетоп

и строительпые растворы

Бетонами называют искусственные каменные материалы, по

лучаемые в результате формования и твердения смеси, состоящей

из минерального вяжущего, мелкого и крупного каменного за

полнителя (песка, щебня или гравия) и воды. Состав бетонной

смеси должен в определенные сроки обеспечить бетону заданные

свойства (объемную массу, прочность, морозостойкость, водоне

проницаемость). Конструкции из бетона долговечны, огнестойки.

Недостатком бетона, как любого каменного материала, является

низкая прочность при растяжении и изгибе, которая в 5-10 раз

ниже, чем при сжатии. Этот недостаток устраняется

в железобето

не, где растягивающие напряжения воспринимает арматура.

Железобетон - это материал, в котором стальная арматура

и бетон соединены монолитно и работают в конструкции как еди

ное целое. Это обеспечивается близостью значений коэффициен

тов температурного линейного расширения бетона и металла и проч

ным сцеплением компонентов в процессе изготовления конструк

ций.

Строительные растворы состоят из смеси вяжущего вещества,

воды и мелкого заполнителя (песка), применяют их для кладоч

ных, штукатурных и монтажных работ.

Бетон и железобетон являются главными строительными ма

териалами и основой индустриализации строительства. По спо

собу изготовления бетонные и железобетонные конструкции мо

гу

т быть сборными и монолитными. Сборные конструкции изго

товляют серийно на заводах в виде крупногабаритных изделий

для фундаментов, каркасов, стен, перекрытий, конструкций мос

тов и т. д. Такие конструкции на строительных площадках соби

рают с помощью монтажных кранов, что обеспечивает значитель

ное сокращение сроков и трудоемкости строительства. Монолит

ные конструкции изготовляют на месте будущего сооружения

форме - опалубке, воспроизводящей габариты и конфигура

цию

конструкций. Повышенная пространствеиная жесткость мо

нолитных железобетонных конструкций и сооружений делает

их применение целесообразным при строительстве в сейсмичес

ких районах, на просадочных грунтах, при строительстве зданий

повышенной этажности.

В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента со

ставляет 8-15 %, а заполнителей - 80-85 % (по массе). В каче

стве заполнителей применяют нерудные каменные материалы:

песок, щебень, дробленые и гранулированные металлургические

шлаки, а также специально приготовленные пористые заполни

тели (керамзит, аглопирит, перлит). Тип заполнителя определяет

объемную массу и область применения бетона. Различают бетоны:

особо тяжелые для специальных защитных конструкций с объем-

ной массой более 2500 кгjм; тяжелые для всех несущих конструк

ций

с объемной массой 1800-2500 кгjм

;

егкие для легких несу

щих конструкций и теплоизоляции - 500-1800 кгjм

3.10.6. Силихатпые (автохлавпые) материалы

Силикатные материалы готовят из смеси извести, кварцевого

песка и воды путем формования и пос

едующей термообработ



ки

в автоклавах при давлении

0,8-1,2 МПа

и температуре

175-200 °С.

Плотный силикатный бетон является разновидностью тяже

лого бетона и применяется для несущих конструкций. Я

чеистые

силикатные

бетоны применяют для изготовления

наружных ог

раждающих конструкций, обладающих хорошими теплотехничес

кими свойствами и высокой заводской готовностью. Силикатный

кирпич значительно дешевле керамического за счет более низ

кой теплопроводности и сокращения времени изготовления. Про

изводство конструкций из силикатного бетона позволяет заме

нить цемент известью и снизить расход вяжущего, исключает при

менение щебня (гравия), что обеспечивает снижение массы и сто

имости этих конструкций по сравнению с аналогичными из це

ментного бетона.

3.10.7. Асбоцемептпые материалы

Асбоцемент является цементным материалом, упрочненным

ас

бестовым волокном. Асбоце_мент - прочный, сравнительно легкий,

огнестойкий, био- и атмосферастойкий материал; изделиям

про

цессе изготовления можно придать различную форму, фактуру, цвет.

Конструктивные качества асбоцемента выше, чем

бетона.

В строительстве применяют асбоцементные листовые материа

лы для кровель и облицовки, паиели для

тен, плиты покрытий,

трубы. Применеине асбоцементных труб дает возможность эконо

ить металл

увеличить срок службы трубопроводов по сравне

нию

металлическими.

3.10.8. Стекло и изделия па ezo оспове

Основные свойства, определяющие применение стекла в строи

тельстве, - прозрачность, высокая прочность при сжатии, неболь

шал теплопроводность, твердость, химическая стойкость, изотроп

ность. В строительстве применяются листовые материалы (стек

ло оконное, витринное

объемные конструктивные изделия (стек

лоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты), трубы, плитка, изделия

из закаленного стекла (дверные полотна, стемалит), теплоизоля

Ионные материалы (стекловолокно, пеностекло), ситаллы и шлако

ситаллы.

3.10.

. Теплоизоляциоппые материалы

Главной функцией теплоизоляционных материалов является

тепловая изоляция ограждающих конструкций зданий, про

мытленного и энергетического оборудования, трубопроводов и др.

Основным видом теплоизоляционных материалов являются ми

нераловатные плит

ы и маты, имеющие объемную массу менее

200 кгjм

. Если для создания наfежной теплоизоляции наружной

стены

1 м

требуется 0,64 м кирпича массой 1100-1200 кг

или

0,32 м

керамзитобетона массой 250-300 кг, то минерало

ватных

изделий нужно 0,1 м

�ассой 25-30 кг или 0,05 м

поро

пласта массой 1,5-2 кг. В качестве теплоизоляционных материа

лов также применяются древеснаволокнистые плиты, изделия из

стекловолокна, теплоизоляционные пластмассы, цементный

фибролит и др.

10.10. Металлические хопструхции

Конструкции из стального проката широко применяют в строи

тельстве промытленных и граждских зданий, мостов и других

инженерных сооружений. Все шире используют алюминиевые сплавы

как конструктивный и отделочный материал.

Применеине металлов позволяет создать долговечные, высоко

прочные, легкие конструкции. Развивается производство эффек

тивных конструкций из металлических труб, гнутых профилей, листа,

обычного и профилированного.

3.11. УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУ

РОЙ

И СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ О

РА

ОТКИ

3.11.1. Термипы и их определепия

Термообработка - это совокупность операций технологии теп

лового воздействия на материал с целью изменения его структу

ры

и потребительских свойств в

нужном направлении.

Различают несколько видов термической обработки: предвари

тельная, окончательная, поверхностная, промежуточная, восста

новительная и др.

Предварительная термообработка (отжиг, нормализация

или высокий отпуск) отливок и поковок, осуществляемая с це-

лью

выравнивания химического состава (гомогенизации) по все

му

объему изделия, устранения дефектов типа несплошностей

трещин, а также для снижения твердости до уровня, обеспечи

вающего

обрабатываемость резанием и холодным пластическим

деформированием; предшествует окончательной термической об

работке.

Окончательной

термической обработкой называется

термо

обработка, при

которой создается необходимая структура матери

ала и

соответств

ующие потребительские с

войства готового изде

лия.

Способами

окончательной термообработки являются закал

ка и

отпуск, поверхностная закалка и химико-термическая обра

бо

тка.

Поверхностн

ая

термообработка осуществляется локальным

нагревом

только поверхностного слоя материала.

Пр омежуто

чная

термообработка осуществляется после хо

лодного

или горячего пластического деформирования перед сле

дующим этапом холодного деформирования.

Восстан

овительная термообработка

применяется к деталям

элементам оборудования, подвергнутым длительной эксплуа

тац

ии, с целью частичной или полной регенерации (перестройки)

кристаллическо

й структуры, << залечиванию) микродефектов и вос

становления служебных свойств материала.

Отжигом называется термическая обработка нагревом ме

таллических

материалов (изделий) до температур, обеспечиваю

щих

диффузионное выравнивание химического состава сплава

во

время в

ыдержки при заданной температуре нагрева с последу



ющи

м медленным охлаждением (с печью). При отжиге обеспе

чивается

получение равновесной (устойчивой) структуры.

Нормализация

- разновидность отжига, при котором охлаж

дение термообрабатываемых изделий после выдержки при тем

пературе нагрева осуществляют на спокойном воздухе с нормаль

ной температурой (: 20 °С).

акалка

это способ термической обработки, заключающий

ел

нагреве материала до температур повышенной растворимос

·rи примесных элементов, выдержке при соответствующей темпе

ратуре

и охлаждении сплава со скоростью, превышающей

крити

ческую

и не допускающей выделение растворенных фаз. Закалка

обеспечивает получение неравновесного (неустойчивого) пересы

щенного твердого раствора в микроструктуре металлического ма

териала.

Отпуском является термическая обработка, состоящая из на

грева, выдержки и

охлаждения, обеспечивающая

регулируемый

распад

неравновесной (в результате закалки) структуры,

что дает

возможность

получения более равновесной и заданной структуры

нужным (оптимальным) сочетанием служебных свойств. При

менительно к ста

ям и чугунам различают три основных вида от

пуска:

высокий - температура нагрева 500-700 ос, средний -

300-500 °С, НИЗКИЙ - ДО 300 °С.

Методы управления структурой и потребительскими свойства

ми металлических материалов термической обработкой приведе

ны в дальнейшем на примерах простых углеродистых сталей.

3.11.2. Пр едварительпая термическая

обработка сталей

Обычно в качестве основных способов предварительной тер

мообработки используют отжиг или нормализацию сталей.

Отжиг

конструкционных и пружинно-рессорных сталей состо

ит из нагрева, превышающего температуру полного структурного

иревращения А

на 30-50 °С, а инструментальных сталей

выше

на те же 30-50 ос температуры Ac

равной 727 ос, выдержки при

заданных температурах и медленного охлаждения вместе с печью

(скорость охлаждения 20-30 °Сjч).

Нормализация -

то же что и отжиг, но охлаждение сталей

происходит со скоростью примерно 3 ос;сек - на воздухе.

Температурный интервал нагрева сталей при отжиге, норма

лизации и закалке зависит от химического состава стали - в ос

новном от содержания углерода.

Отжиг и нормализация являются смягчающими термически

ми

обработками. При этом твердость сталей становится наименьшей

и они легче обрабатываются резанием. После формаобразующей

механической обработки изделия подвергаются окончательной (за

ключительной) термической обработке (например, закалке и отпус

ку) с целью их упрочнения.

Для менее ответственных стальных изделий часто нормализа

ция является окончательной термообработкой.

3.11.3. Окопчательпая термическая обработка

углеродистых сталей

Окончательной термической обработкой завершают

формиро

вание потребительских свойств материала изделия путем изме

нения его структуры. Используя различные способы термичес

кой обработки сталей, осущес1·вляют регулирование (управление)

механическими и другими свойствами стальных изделий. Каж

дый материал имеет определенный уровень конструкционной

прочности, в пределах которого возможно перераспределение проч

ностных и пластических свойств. На рис. 3.1 приведена схема,

показывающая перераспределение свойств сталей методом тер

мической обработки.

акалкой сталей называют нагрев доэвтектоидных (конструк

ционных и пружинно-рессорных) сталей до температуры на 30-50 ос

выше 

, а инструментальных сталей - на 30-50 ос выше A

•

выдержку с последующим быстрым охлаждением (в воде, тех-

,МПа •

г---L---

�

----�--------

g 1



�1

1 1

,

: 1

: = = = ! = = = � = = = = = =

�

= =

-=-

- '

1 1

L----------------_ --1- __ •

Пластичность

u, t 10

Ри

. 3.1. Схема управления сочетанием механических свойств сталей:

1 -

и низкий отп

; 2 -

лк

редни

й от

ск; 3 -

ал

и вы

со

ки

й отп

;

4 -

рма

ац

ия; 5 -отж

ническом масле или в специальной жидкости), чтобы не допус

тить

иревращения высокотемпературной фазы (аустенита)

в пер

лит.

При закалке происходит бездиффузионное превращение:аус

тенита в мартенсит. Мартенсит -

эт

о пересыщенный твердый

раствор углерода в кристаллической решетке Fea. Он обладает наи

более высокой твердостью, прочностью и малой пластичностью.

Закаленные стали обязательно подвергают отпуску. Н изкоте

пературный отпуск (150-200 °С) уменьшает внутренние

на

пряжения и способствует иревращению остаточного аустенита

(-5-7 %)

мартенсит. Это немного повышает твердость, проч

ность и пластичность сплава. Средний отпуск сталей (-400 °С)

приводит к полному распаду мартенсита с образованием с

верх

микроскопической механической смеси феррита и цементита, на

зываемой

трооститом. Технология термообработки, сост

оя

щая

из

объемной закки и среднего отпуска, применяется

в тех слу

чаях,

когда необходимо иметь наилучшие характеристики прочно

сти и упругости

(

, Е). Поэтому упругие элементы (пружины, рес

соры, мембран

и т. п.) обрабатывают на структуру

троостита.

ысокий отпуск сталей (550-600 °С) вызывает укрупнение

фаз

феррита и цементита; образуется мелкодисперсная смесь феррита

цементита, называемая сорбитом. Закалка + высокий отпуск

обеспечивает наилучшее сочетание прочностных и пластических

характеристик сталей и, следовательно, наибольшую конструк

тив

ную прочность (работоспособность). Поэтому данный способ тер

мообработки называют улучшение.

.12. ПОВЕНИЕ КАЧЕСТ МЕ

АЛЛИЧЕСКИХ МА

ЕРИАЛОВ

ДЕФОРЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

Метод

деформациоппо-термической обработки заготовок и де

талей машин со'оит

в с

местном воздействии на металличес

кий материа температурой и пластической деформацией по спе

циальным режимам оработки. В результате такой комбиниро

ванной обрабои металлические материалы становятся более

прочными ишластичными, т. е. повышается их уровень конструк

ционной' прочности· - работоспособность. Конструкционная проч

ность - это прочность матерла детали, работающей в составе

конструкции или· в ином изделии. Предварительно и не зависимо от

конкретных условий будущей эксплуатации изделия конструктив

ная прочность материала оценивается сочетанием характеристик

механических свойств испытываемых образцов из данного метал

ла или сплава.

Известны два вида деформационно-термеской обработки:

термомеханическая (ТМО) или термопластическая обработка

(ТПО); механико-термическая обратка

(

МТО).

3.12.1. омехаческая обработка

ТМО

заключается в сочетании пластической деформации при

высокой температуре с последующим быстрым охлаждением -

закалкой. После этого обрабатываемая заготовка, или почти го

товая деталь, подвергается соответствующему отпуску.

Различают два основных способа термомеханической обработ

ки. По первому способу, который называют высокотемператур

ной термомеханической обработкой (ВТМО), например, конструк

ционную сталь деформируют при температуре в

ше критичес

кой температуры А

· При этом сплав подвергается деформации

состоянии аустенита. Этот процесс называют аусформингом.

тепень деформации составляет от

до

50 %

и поэтому при

ВТМО осуществляется формообразование заготовки. После де

формации осуществляют закалку и чаще всего низкий отпуск.

Второй способ ТМО, получивший не столь большое распрост

ранение, называется низкотемпературной термомеханической об

работкой (НТМО). При этом способе обработки сталь нагревают

до аустенитного состояния, выдерживают при этой температуре

для выравнивания химического состава в объеме материала, под

стуживают и пластически деформируют в температурной зоне су

ществования переохлажденного аустенита, но в области его отно

сительной устойчивости (температура 400-600 °С). Степень де

формации составляет 75-95 %. Закалку осуществляют сразу

же после пластической деформации. Потом производят низко

температурный (низкий) отпуск.

Та

бли

ца

Влияние

режимов термообработки на характеристики свойств

бработка

Температура

а ••

мп

КСU,

ж/см

отпуска

Закка от 900 ас

170

2000

220

1950 10

300

1840

ВТМО с о

жатием 85%

170 2700

12,5

220

2600

300

2380

втмо, отn

ск nри 650 ас,

170 2500

закка и отnуск

220 2350

300 2060

Оба способа ТМО позволяют получать у простых сталей вы

сокую прочность (

= 2200-3000 МПа) при достаточно вы

сокой пластичности

(о

= 6-8 %,  = 50-60 %) и вязкости, тогда

как после обычной закалки и низкого отпуска эти стали имеют



 2000-2200 МПа, а 8

3-4 %.

Так, например, сталь 40 после обычной закалки и низкого от

пуска (ТО - термообработi<а) и различных способов ТМО

имеет

следующие характеристики механических свойств:

нтмо

вт м о

ычная ТО

"•·

Па

2400-2900

2100-2700

1400

От,

Па

2000-2400

1900-2200

1100

5-8

7-9



15-30

25-40

Зависимость механических свойств легированной стали

40Х2

Н4СМ после обычной термообработки (закалки и различ



ных

отпусков); после ВТМО и отпуска; после ВТМО, отпуска

и последующей обычной закалки и отпуска видна из данных

табл. 3.3.

результате ТМО достигается одновременное повышение

проч

ности и пластичности, и, как следствие этого, возрастае·r

работо

способность материала, т. е. конструктивная прочность.

ТМО - одна из наиболее перспек·rивных технологий

упрочне

ния металлических материалов, позволяющая сущес•r

венно повы

шать качество производимой технической продукции

и уменьшать

расход стали и материалоемкость изготавливаемых изделий. Все

это повышает техническую и экономическую эффективность

про

изводства машин и других изделий.

случае использования комбинированной ТМО,

состоящей из

ВТМО и НТМО, повышается ударная вязкость и устраняется от

рицательное



вление отпускной хрупкости у легированных ста

лей. Применительно к стали 110Г13 (марганцовиста



аустенит

ная сталь Гатфильда) получены следующие результаты: