Wykład 12

Metale budowlane

-Należą do nieorganicznych materiałów budowlanych.

-W budownictwie maja zastosowanie metale czyste same lub jako składniki stopów Cu, Al., Zn, Pb, Mg, Cr, Ni, Co, Ti, stopy metali (stale węglowe i stopowe, żeliwo, mosiądz, durale), związki metali (związki Fe, Zn, Pb).

-Dzieli się je na metale lekkie o d<5000 kg/m3 (Al., Mg) i ciężkie o d >5000 kg/m3 (Fe, Cr, Ni, Sn, Pb, Cu), metale łatwo topliwe < 700'C Sn, Zn, Pb i trudnotopliwe >700'C Fe, Cr, W, Ni, metale żelazna i nieżelazne.

-Zastosowanie metali wynika z ich właściwości. Metale stosowane są w konstrukcjach metalowych jako zbrojenie, jako materiały powłokowe o ich związkach jako pigmenty do farb i emalii, inhibitory korozji.

-Mają doskonałe cechy wytrzymałościowe, wysoką wytrzymałość na rozciągnie.

-Mają doskonałe cechy technologiczne wysoką plastyczność umożliwiającą obróbkę przez walcowanie, kucie, ciągnięcie, tłoczenie.

-Dają się trwale łączyć na gorąco.

-Mają zróżnicowaną odporność chemiczną zależną od położenia w szeregu napięciowym.

-Wiele metali pokrywa się warstewką pasywną.

-Materiały krystaliczne krystalizują w układzie regularnym lub heksagonalnym.

-Struktura stosowanych w praktyce metali jest polikrystaliczną (stąd to materiały o właściwościach izotopowych, mimo anizotropii występującej w pojedynczych kryształach)

-Zanieczyszczenia i defekty strukturalne powodują, że metale techniczne maja wyższą wytrzymałość niż obliczona teoretycznie dla metali o strukturze doskonale monokrystaliczną.

Stale budowlane i żeliwo:

• stal jest stopem żelaza o zawartości <2% C, żeliwo o zawartości >2% C.

• właściwości stali zależą od zawartości węgla, składników stopowych a także od zastosowania obróbki mechanicznej ( walcowanie, ciągnięcie na ziemno i cieplo, wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie) w czasie której powstają i znikają fazy.

• Wyróżnia się stale węglowe i stopowe. Obrabiane plastycznie w tym nisko i wysoko stopowe.

• Do celów odlewniczych stosuje się żeliwo i staliwo, stal odlewniczą.

• Surowcami do otrzymywania stali są: rudy tlenowe, żeliwo tlenki lub uwodnione tlenki żelaza II i III, rudy węglowe i siarczkowe.

Proces otrzymywania stali składa się z 2 etapów.

1. Otrzymywanie surówki w wielkim piecu.

Przez redukcję rud tlenkowych węglem i tlenkiem węgla w środowisku wapieni w wielkim piecu:

C + O2 CO2 (spalanie koksu)

CO2 + C 2CO ( redukcja CO2)

Fe2O3 + C 2 Fe + 3CO ( redukcja bezpośrednia)

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 (redukcja pośrednia)

2CaCO3 + SiO2 Ca2SiO4 + 2CO2 ( podstawienie żużla)

Produktem surówki do 95% jest Fe, do 5% C, do 2% Si, oraz P,S pierwiastki wchodzące w skład skały płonnej i żużel zawierający krzemiany i gliniany, wapienie. Odpadem jest gaz wielkopiecowy.

2. otrzymywanie stali przez rafinację surówki w piecach martenowskich, konwertorach Bessemerach i piecach łukowych elektrycznych.

Surowcami procesu są surówka, złom żelazny, rudy żelaza, wapień ( piec martenowski) i dodatkowo powietrze ( konwektor Bessemera). Proces polega na usunięciu nadmiaru C i domieszek Si, P, Mn, S za pomocą tlenu i wapienia. Produktami są stal, żużel i gazy spalinowe.

*Proces otrzymywania stali stopowych polega na dodaniu do zwykłej stali odpowiednich metali, często w postaci żelazostopów.

W produkcji przemysłowej wyróżnia się :

• stale węglowe i stopowe

• niskostopowe ( do 5% zawartości dodatków)

• wysokostopowe ( > 20% dodatków stopowych)

(dodatki stopowe to Cr, Ni, Co, Ti, W, V, Si, Cu, Nb.)

• w budownictwie mają zastosowanie stale konstrukcyjne węglowe i niskostopowe. Wyroby to pręty zbrojeniowe, pręty ogólnego przeznaczenia, taśmy, kształtowniki, blachy, rury. Zastosowanie stali do zbrojenia betonu wynika z jej zdolności do pasywacji w silnie zasadowym środowisku betonu.

• W budownictwie przemysłowym maja zastosowanie stale wysokostopowe o poszczególnych właściwościach: do pracy w podwyższonych temperaturach, odporne na korozję itp. Wytwarza się z nich piece, reaktory, zbiorniki, konstrukcje nośne.

• Miedź

-metal kolorowy i dużej przewodności elektrycznej i cieplnej.,

-metal mało aktywny chemicznie, półszlachetny, w szeregu napięciowym leży za wodorem.

-w powietrzu atmosferycznym Cu i jej stopy pokrywają się warstewką pasywką, o zabarwieniu zależnym od zanieczyszczenia atmosfery.

-metal odporny na działanie kwasów HCl, HF, rodzaje kwasów siarkowych IV, VI, i mocnych zasad, na działanie wody morskiej.

-metal jest nieodporny na działanie stężonych kwasów HNO3 i H2SO4 (rozpuszczają miedź)

-otrzymywanie:

- miedź konwertorową - hutniczą otrzymuje się przez prażenie w powietrzu wzbogaconych rud siarczkowych, przetopienie produktu w obecności surowców wiążących żelazo, siarkę i tlen.

- miedź rafinowaną elektroniczną otrzymuje się w procesie elektrolizy miedzi konwertowej jako anody. Czysta miedź osadza sę na katodzie z czystej Cu.

-w budownictwie ma zastosowanie czysta miedź ( materiał dekarski) przewodnictwo elektryczne, rurki w systemach ogrzewania i wodnego, szczeliwo szczelin dylatacyjnych mostów, tuneli i zapór, oraz stopy Cu do odlewania i pokrywania galwanicznego mosiądz i brąz.

• Aluminium

-jest metalem lekkim o dużej plastyczności. Ma duży wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie. Doskonale przewodzi prąd elektryczny i ciepło.

-mimo dużej aktywności chemicznej, w szeregu napięciowym leży przed wodorem, jest odporny na działanie czystego środowiska atmosferycznego i cieczy obojętnych. Chroni go cienka warstewka pasywna tlenku.

-warstewka pasywna ulega rozpuszczeniu w środowisku kwaśnym i zasadowym. Warstewkę pasywną można pogrubić przez utlenianie galwaniczne dodatkowo barwiąc.

-metal otrzymuje się przez elektrolityczną redukcję stopionego tlenku glinu z dodatkiem kriolitu Na3AlFe w temperaturze 950'C. aluminium wydziela się na katodzie.

-zastosowanie:

-konstrukcyjne stopy Al., z Cu, Mg, Mn, Zn ( mniej plastyczne niż Al.) lekkie konstrukcje metalowe, elementy okienne, ściany osłonowe, drzwi, okładziny elewacji.

-odlewnicze stopy aluminium. Elementy wykończenia w mieszkaniach.

-powłoki Al. Na powierzchnie stali ( wzrasta odporność termiczna ułatwiająca odprowadzanie ciepła i opóźniają spadek wytrzymałość w czasie pożaru)

-pył Al. (pasta Al.) z CaO, CP, popiołem i piaskiem - beton komórkowy.

-mieszanina proszków Al., Fe w odpowiednim stosunku i mieszaniu po rozżarzeniu palnikiem acetylowo tlenowym w temp. 2200'C pozwala stopić beton, cegły ceramiczne.

-mieszanina opiłków Al i Fe pozwala spawać zbrojenie stalowe bez użycia energi elektrycznej.

• Cynk

-metal niebiesko-biały, dość twardy. Kruchy w temperaturze pokojowej, lecz plastyczny w temperaturze 100-150'C.

-metal aktywny, leży przed wodorem w szeregu napięciowym, jednak pokrywa się szarą pasywną warstewką w wilgotnym powietrzu i ulega szybko korozji.

-trzymuje się przez prażenie w powietrzu wzbogaconych rud siarczkowych i redukuje koksem. Proces prowadzi się w temperaturze powyżej Tw=907'C i czysty cynk otrzymuje się przez kondensację .

-główne zastosowanie cynku w budownictwie: blachy, powłoki dla blach stalowych stosowanych w blacharstwie, powłoki do drutów i siatek stalowych, stop z Al do otrzymywania okuć i armatury sanitarnej.

-inne zastosowanie : pigmenty zawierające sole cynku do farb, także świecących.

• Ołów

-metal o błękitno-szarym połysku, miękki i ciągliwy

-dość bierny chemiczne, środowisku zawierającym tlenki, chlorki, siarczany, siarczki i CO2

-nieodporny na działanie gruntów, zapraw cementowych i wapiennych

-otrzymuje się z rud siarczkowych przez prażenie w powietrzu, spiekanie na taśmie i redukcję węglem połączonym z wytapianiem

-ma zastosowanie do mocowania dybli stalowych w murach i elementach kamiennych, do obróbki blacharskiej, jako szczeliwo rur kanalizacyjnych.

-jego związki stosowane są jako pigmenty do produkcji farb, emalii, podkładowych farb i szpachlówek przeciwrdzeniowych.

Korozja metali:

-niszczące działanie środowiska w połączeniu z obciążeniami fizycznymi i mechanicznymi objawia się w różny sposób:

- obniżenie wytrzymałości

- powstanie wyżerów, pęknięć, deformacji

-całkowity rozpad

- korozja chemiczna - korozja metalu środowiskiem agresywnym nie przewodzącym prądu elektrycznego. Utlenianie metalu i redukcja utleniacza przebiega w tym samym miejscu powierzchni.

-środowisk - ropa naftowa i pochodne, stopiona siarka, substancje organiczne, suche aktywne gazy (przegrzana para wodna, 2, O2, CO, Cl2, H2S, HCl, NH3.

-temperatura ma duży wpływ na szybkość korozji. Szybciej przebiega w temperaturach wysokich.

-częsty typ korozji - korozja gazowa, warstwa produktów korozji - zgorzelina ma ona miejsce:

-w czasie pożaru, podczas spawania lub zgrzewania

-w konstrukcjach metalowych stosowanych w przemyśle. Niektóre metale ulegają pasywacji np. Al., Cr, Cu, Zn.

-aby warstewka była pasywa musi być szczelna i dobrze przylegać do metalu. Objętość produktu korozji i objętość przereagowanego metalu musi spełniać warunek Vpk > Vm.

---