Metale należą do odrębnej pod względem właściwości technicznych grupy materiałów budowlanych. Właściwości fizyczne i chemiczne metali związane są z ich budową atomową. Bezkierunkowość wiązań atomów metali wpływa na zdolność ich do krystalizacji w układy o dużej liczbie płaszczyzn symetrii, co warunkuje plastyczność metali i stanowi o ich jednorodnej budowie. Dzięki takiej budowie metale odznaczają się jednakowymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi we wszystkich kierunkach. Metale są nieprzezroczyste, mają zdolność do odbijania światła, są kowalne, dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny, są plastyczne.
Od siły wzajemnego oddziaływania na siebie atomów metalu zależy w dużym stopniu temperatura topnienia metalu. W korelacji z temperaturą topnienia pozostaje twardość i wytrzymałość mechaniczna metalu. Na ogół im wyższa temperatura topnienia tym większa twardość i wytrzymałość mechaniczna. Metale możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy: metale żelazne (stale, staliwo, żeliwo) i metale nieżelazne – kolorowe (aluminium, miedź, cynk, ołów, brąz, mosiądz.
W procesie produkcji żelaza i stali uzyskuje się szereg różnego rodzaju produktów różniących się między sobą w istotny sposób właściwościami technicznymi.
Surówka stanowi produkt przerobu rud żelaza w wielkich piecach. Sama nie ma zastosowania w technice, jest materiałem wyjściowym do wytwarzania żeliwa, staliwa, stali. Zawiera 2,5 do 4,5% węgla oraz siarkę, fosfor, mangan i krzem.
Żeliwo otrzymuje się przez przetopienie surówki z dodatkiem złomu i domieszek stwarzających odpowiedni skład chemiczny. Zależnie od rodzaju surówki i dodatków rozróżnia się żeliwo szare (duża wytrzymałość na rozciąganie i gięcie, daje się obrabiać, jest miękkie) białe i pstre (duża twardość). W przemyśle duże zastosowanie ma żeliwo odporne na korozję i żeliwo żaroodporne.
Staliwo jest lanym stopem żelaza z węglem (do 1 %) i innymi pierwiastkami. Dzieli się na węglowe i stopowe. Ma zastosowanie do licznych odlewów w przemyśle.
Stal węglowa jest stalą zawierająca pierwiastki pochodzące tylko z przerobu hutniczego. Dzieli się na stale niskowęglowe (do 0,25% C), średniowęglowe (0,25-0,6% C) i wysokowęglowe (ponad 0,6% C).
Stale stopowe produkuje się, wprowadzając w procesie metalurgicznym dodatkowe składniki nadające odpowiednie cechy techniczne. W zależności od właściwości dzielimy stale stopowe na:
konstrukcyjne (stosowane na szyny kolejowe, kotły, łożyska),
narzędziowe (stosowane na narzędzia, na walce w hutnictwie),
specjalne (należą do nich stale odporne na korozję, kwasoodporne, żaroodporne, magnetyczne, oporowe),
Ze względu na ciężar objętościowy metale możemy podzielić na:
lekkie < 4,5g/cm3 (magnez, glin),
ciężkie > 4,5 g/cm3,
Ze względu na temperaturę topnienia:
łatwo topliwe 230 – 660˚C (cyna, cynk, ołów),
trudnotopliwe 1080 – 1540˚C (miedź, żelazo,
bardzo trudno topliwe 2500 – 3410 ˚C,
Zwiększa wytrzymałość materiału, zwiększa się odporność na korozję.
Zwiększa wytrzymałość i sprzyja głębokiemu hartowaniu. Stale manganowe są odporne na uderzenia i ścieranie, zwiększa ziarnistość metalu.
Zwiększa sprężystość i wytrzymałość stali (podwyższa granicę plastyczności metalu).
Zwiększa wytrzymałość, twardość i zdolność przehartowania stali. Zwiększa odporność stali na ścieranie, korozję, działanie czynników chemicznych i wysokiej temperatury.
Zwiększa ciągliwość i wytrzymałość stali oraz sprzyja głębokiemu hartowaniu, a także uodparnia na korozję i działanie wysokich temperatur.
Zwiększa hartowność stali oraz wytrzymałość na podwyższone temperatury.
Zwiększa drobnoziarnistość i hartowność stali. Dodaje się do w niewielkich ilościach do stali sprężynowych i narzędziowych.
Wpływa na żaroodporność stali.
Polepsza odporność metali na korozję.
Powoduje gruboziarnistość metalu i powoduje kruchość.
Powoduje kruchość przy skrawaniu.
Otrzymywanie surówek żelaza z rudy odbywa się w procesie dwustopniowym. Najpierw w piecach hutniczych zwanych wielkimi piecami, gdzie następuje redukcja rud głównie tlenkowych. W drugim procesie następuje utlenianie domieszek, przez co otrzymuje się stal o określonym składzie chemicznym
Proces redukcji rudy żelaza odbywa się w wielkim piecu, do którego doprowadza się rudę, koks i topniki oraz powietrze niezbędne do spalania paliwa. Wszystkie te materiały nazywamy materiałami wsadowymi.
Procesem wielkopiecowym nazywa się zespół zjawisk fizycznych i reakcji chemicznych zachodzących w wielkim piecu, w wyniku których z rudy powstaje surówka.
Stal otrzymuje się w wyniku przeróbki surówki, a ponieważ stal może zawierać do 2% węgla, podczas gdy surówka zawiera 3,2-4,3% węgla, więc głównym celem procesu otrzymywania stali jest odwęglenie surówki. Surówka zawiera również domieszki w postaci krzemu, manganu, siarki i fosforu. Podczas przerobu surówki na stal zarówno węgiel jak i domieszki ulegają częściowemu wypaleniu. Otrzymana w ten sposób stal nazywa się staliwem, a odpowiednio przerobiona stalą.
Rudy wykorzystywane w wytopie żelaza:
magnetyt Fe3O4 – 70% Fe,
hematyt Fe2O3 – 50 – 60% Fe,
limonit – 30 – 52% Fe,
syderyt – 30 – 40% Fe,
W celu ułatwienia stopienia skały płonnej i oddzielania zanieczyszczeń metalowych od żelaza do wsadu wielkopiecowego dodaje się zwykle substancji, zwanych topnikami. Skład chemiczny topników zależy od składu skały płonnej.
Do rud kwaśnych należy stosować topniki zasadowe (CaCO3). Do rud zwierających składniki zasadowe stosuje się topniki kwaśne. Najczęściej są to ubogie rudy kwaśne, zawierające znaczne ilości krzemionki lub żużel kwaśny pochodzący z procesów stalowniczych.
Po uzyskaniu stali o pożądanych właściwościach poddaje się ją następującym procesom:
wyżarzaniu – jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu do temperatury otoczenia (ujednoradniające, normalizujące, odprężające, rekrystalizujące i odpuszczające,
hartowaniu – polega na nagrzaniu stali do temperatury około 800˚ C, wygrzaniu w niej i szybkim ochłodzeniu w wodzie lub oleju.
odpuszczaniu – przeprowadza się dla materiałów, które były uprzednio poddane hartowaniu, polega on na nagrzaniu hartowanej stali do temperatury poniżej 700˚ C, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu najczęsciej na powietrzu.
stale konstrukcyjne,
węglowe,
stopowe,
resorowe,
łożyskowe,
narzędziowe,
do pracy na zimno,
do pracy na gorąco,
szybkotnące,
specjalne,
niklowe,
chromowe,
żaroodporne,
o szczególnych właściwościach,
kwasoodporne,
fizyczne,
gęstość 7,85 g/cm3,
temperatura topnienia od 650 (cyna, cynk, ołów) do ponad 2000˚ C (wolfram, molibden),
temperatura wrzenia,
ciepło właściwe,
przewodnictwo cieplne 58 W/m⋅K,
przewodność elektryczna,
własności magnetyczne,
rozszerzalność cieplna 0,000012,
mechaniczne,
wytrzymałość na rozciąganie 300 – 1000 MPa,
twardość określana różnymi metodami,
udarność
Stale konstrukcyjne węglowe zwykłej jakości są znakowane literami St i liczbami porządkowymi od 0 do 7, określającymi numer gatunku w miarę wzrastania zawartości węgla. Litera S na końcu znaku oznacza, że stal jest przeznaczona na konstrukcje spawane. Litera V oznacza stal o ograniczonej zawartości węgla a podwyższonej wanadu, a litera W stal o ograniczonej zawartości węgla, fosforu i siarki a podwyższonej krzemu i wanadu. Stale V i W są spawalne. Występują również następujące znaki na końcach symboli:
X – stal nieuspokojona,
Y – stal półuspokojona,
G – stal o podwyższonej zawartości manganu,
A – stal o wyższych wymaganiach dotyczących składu chemicznego,
U – stal z wymaganą udarnością w stanie normalizowanym,
UT – stal z wymaganą udarnością w stanie ulepszonym cieplnie,
Ż – stal przetapianą elektrożużlowo,
Stale konstrukcyjne stopowe są znakowane cyframi i literami. Pierwsze dwie cyfry określają średnią zawartość węgla w setnych procentu, a litery oznaczają następujące pierwiastki stopowe:
F – wanad,
G – mangan,
H – chrom,
M – molibden,
N – nikiel,
S – krzem,
T – tytan,
J – aluminium,
Nb – niob,
B – bor,
Liczby występujące za literami oznaczają zaokrąglone do liczby całkowitej średnie zawartości pierwiastka, jeżeli jego ilość przekracza 1,5%.
18G2 - 0,18% węgla, od 1 do 2 % manganu,
gorąco walcowane,
zimno gięte,
okrągłe 5,5 – ,
kwadratowe 7 – ,
A0 i AI – gładkie – St0, St3,
AII i AIII – żebrowane jednośnie lub dwuskośnie – 18G2A, 34GS
cienkie < ze stali węglowych,
grube 3 – ze stali stopowych 18G2,
gładkie:
profilowane,
faliste,
trapezowe,
żeberkowane,
stosowane w miejscach gdzie możliwy jest poślizg,
ze szwem lub bez, okrągłe, kwadratowe lub prostokątne o wymiarach 40 – ,
kolejowe, tramwajowe, podsuwnicowe,
pręty są nakładane na siebie i zgrzewane lub specjalnie plecione w kształcie rombów, i sześcianów,
ekspandowane – blacha nacięta i rozciągnięta,
gwoździe, nity, podkładki, śruby,
kłódki, zasuwy, haki, uchwyty, łańcuchy, liny, odbojnice,
Metali kolorowych używa się w budownictwie w stosunkowo niewielkim stopniu. Główną barierą, hamującą szersze stosowanie, jest wysoka cena surowca. Metale te z reguły mają większe odporności na korozję atmosferyczną i wodną. Obecnie w coraz większym stopniu wprowadzane jest do budownictwa aluminium zarówno jako materiał dekoracyjny, materiał do wyrobu armatur i konstrukcyjny.
Aluminium odznacza się małym ciężarem właściwym, dobrą przewodności elektryczną, dobrym przewodnictwem cieplnym. Ponadto z niektórymi metalami tworzy stopy o dobrych własnościach odlewniczych.
Jako główne składniki stopów aluminiowych należy wymienić: miedź, krzem, magnez, mangan wraz z boksytem.
W celu zwiększenia odporności na korozję stopów aluminiowych stosuje się pokrywanie przedmiotów warstwą tlenków wytwarzanych na ich powierzchni metodą elektrolitycznego utleniania. Ponadto stosuje się również polerowanie stopów aluminium czystym aluminium, które są bardziej odporne na korozję niż jego stopy.
Stopy te dają się łatwo obrabiać i mają znaczne wytrzymałości mechaniczne. Obecnie z aluminium produkowane są następujące wyroby:
blachy o grubości 0,3 – ,
taśmy o szerokości 10 – ,
pręty o średnicy 5 – ,
kształtowniki i kątowniki równoramienne, teowniki i ceowniki,
Miedź jest stosowana w budownictwie m.in. w postaci cienkich blach do izolacji przeciwwodnych, robót dekarskich i zdobniczych, armatur. Jest materiałem bardzo odpornym na działanie czynników atmosferycznych i wód naturalnych.
Stopy miedzi z cynkiem tworzą mosiądz.
Rozróżnia się cynk hutniczy, rafinowany, elektrolityczny i rektyfikowany. Z cynku wyrabiane są blachy, pręty i druty. Jest on bardzo odporny na korozję atmosferyczną, nieodporny jest natomiast na kwasy. Często stosowany jest do powlekania wyrobów stalowych dla ich ochrony przed korozją. Materiały cynkowe muszą być odizolowane od betonów i zapraw. Produkuje się blachy o grubościach 0,15 – .
Ma zastosowanie do lutów miękkich. Jest również stosowany na powierzchni chroniące przed działaniem promieni rentgenowskich i promieniowania jonizującego, stosowany jest również do uszczelniania kanalizacji.
Stosowana na luty miękkie i jako powłoki ochronne na metale.