KAPITOLA 9: KOVY Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
KAPITOLA 9: KOVY KLÍČOVÉ POJMY: železo, litina, ocel, legovaná ocel, nerezová ocel, zpracovávání za studena a za tepla, pevnost, mez kluzu, koroze, antikorozní ochrana, použití barevných kovů ve stavebnictví Cíle kapitoly: seznámit s technologií výroby železa a jednotlivými druhy oceli, jejím značením a vlastnostmi, podat přehled o dalších kovech používaných ve stavebnictví, s jejich výhodami a omezeními jejich použití.
9.1 ŽELEZO A OCEL Železo je v přírodě rozšířený kov, nevyskytuje se jako prvek, ale převážně ve formě sirníků a v celé řadě dalších nerostů. K získání surového železa je třeba provést redukci převážně oxidů železa. To se děje ve vysoké peci pomocí koksu, dále se do vsázky přidává Vápenec, který brání oxidaci tekutého železa vzdušným kyslíkem a spolu se zbytky železné rudy vytváří tekutou strusku. K redukci oxidů železa dochází za teploty 1700-1900 C. Jde o kontinuální proces, při kterém se pravidelně odpouští struska a surové železo, vysoké pece pracují bez přestávky i několik let. Získané železo je tvrdé, ale křehké, obsahuje větší množství rozpuštěného uhlíku.
9.1 ŽELEZO A OCEL Snižováním obsahu uhlíku dostáváme ze železa ocel. To se děje jeho oxidací v Siemens-Martinově peci, kyslíkovém konvertoru, nebo v elektrické peci. Uhlíková ocel obsahuje 1% uhlíku a jsou z ní odstraněny škodlivé prvky. Další zlepšování vlastností se děje pomocí legování záměrné přidávání manganu, nikl, chromu, kobaltu, wolframu, zinku a dalších prvků. Získá se tím tzv. Legovaná ocel, která má lepší pevnosti, meze kluzu, odolnost k chemickým látkám apod. Surová ocel se může použít na odlitky, nebo se dále upravuje tvářením za tepla a za studena, temperováním, popouštěním a žíháním.
9.1 ŽELEZO A OCEL - VLASTNOSTI Ocel je šedo-černý kov. Má vysokou pevnost a pružnost při relativně malé hmotnosti (hodí se pro náročné konstrukce), vysoké teploty způsobují ztrátu pevnosti (horší požární odolnost), vysoká tepelná vodivost (nevýhoda u plášťů budov) a délková tepelná roztažnost podobná betonu (umožňuje kombinaci s betonem bez vzniku trhlin od teplotních změn). Další významnou vlastností je koroze (opětovná přeměna železa na kysličníky). Dochází k ní vlivem vzdušného kyslíku a vlhkosti (případně kyslíku rozpuštěného ve vodě), koroze je urychlována působením solí, bludných proudů apod. Příznivou vlastností je snadná recyklovatelnost.
9.1 ŽELEZO A OCEL - DRUHY STAVEBNÍ OCELI A JEJICH ZNAČENÍ na ocelové konstrukce se většinou používá neuklidněná, nelegovaná, za tepla válcovaná. na výztuž do betonu se užívají neuklidněné, nelegované oceli tvářené za tepla, méně tažená či kroucená za studena na předpínání se užívá ocel nelegovaná za tepla válcovaná, za studena tažená, žíhaná a často protažená olověnou lázní na speciální výrobky (kolejnice, štětovnice, trubky ) nelegovaná i legovaná, za tepla válcovaná
9.1 ŽELEZO A OCEL - DRUHY STAVEBNÍ OCELI A JEJICH ZNAČENÍ Ocel označujeme pětimístným číselným znakem. První dvojčíslí značí složení a použití třídu 10 a 11 jsou obyčejné konstrukční nelegované oceli 12 nelegovaná konstrukční ocel se stanoveným obsahem uhlíku 13 až 17 konstrukční ocel legovaná Druhé dvojčíslí znamená u ocelí tříd 10 a 11 přibližně 1/10 meze pevnosti v Mpa, u betonářských výztuží 1/10 meze kluzu. U ocelí tříd 12-17 značí chemické složení. Pátá číslice u betonářské výztuže znamená 5 dobrá svařitelnost, 7 tyčová ocel k předpínání, 8 ocel tvářená za studena.
9.1 ŽELEZO A OCEL PEVNOST OCELI Pevnost je důležitá vlastnost, kterou zjišťujeme pomocí zkoušek. Nejrozšířenější je zkouška pevnosti v tahu. Probíhá tak, že do zkušebního lisu se upevní zkoušená ocel a měří se vztah napětí a deformace až do jejího porušení. Pevnost oceli klesá s rostoucí teplotou, klesá i modul pružnosti. Při dynamickém (opakovaném) namáhání klesá pevnost na hodnotu tzv. meze únavy, která je zhruba jednou třetinou meze pevnosti. Stavební oceli mají pevnost v tahu od 300 do 900 MPa, mez kluzu 210-500 Mpa, tažnost 10-30 % a modul pružnosti 200 000-230 000 MPa.
9.1 ŽELEZO A OCEL KOROZE OCELI Koroze je významnou negativní vlastností oceli. Jde o oxidaci. Je to děj, při kterém se uvolňuje energie a nestabilní železo se dostává do stabilní formy kysličníků, ze kterých bylo vyrobeno. Na korozi mají vliv teplota, vlhkost, charakter povrchu kovového prvku, chemické vlivy, elektrické vlivy a další. Prakticky vzdušná koroze probíhá pod tenkou vrstvičkou zkondenzované vody působením látek v ní rozpuštěných a kyslíku. Proto je důležitá relativní vlhkost a kondenzace a znečištění prostředí. Koroze oceli je limitní pro životnost ocelových konstrukcí. Ochrana se provádí pomocí ochranných nátěrů, úpravami povrchu, zinkování či legování.
9.2 MĚĎ A JEJÍ SLITINY Měď je poměrně drahá, ale má výbornou odolnost proti korozi a vysokou vodivost tepla a elektrického proudu. Měď má charakteristickou červeno hnědou barvu, je měkká a houževnatá. Vyrábí se pražením a elektrolýzou ze siřičitých a oxidových sloučen. Z mědi se válcují za tepla i za studena plechy, tyče a trubky. Měď je odolná proti korozi. V poměrně krátké době se působením vodní páry a kysličníku uhličitého pokryje slabou vrstvičkou zelenavé měděnky, která brání další korozi. Hlavní využití mědi ve stavebnictví je na střešní krytinu, klempířské prvky, fólie do asfaltové izolace, dráty, trubky na technické rozvody a na kabely elektrorozvodů.
9.2 MĚĎ A JEJÍ SLITINY Slitiny mědi vznikají přidáním dalších kovů k mědi. Slitiny mají lepší pevnostní vlastnosti, jejich vodivost je však horší. Označují se chemickým složením s udáním obsahu přidaného kovu a za písmenem R se uvádí minimální pevnost v tahu v MPa. mosaz slitina mědi a zinku, má zlatou barvu, časem tmavne. Používá se na umělecká kování, litá na armatury, jako tvrdá pájka a na stavební kování bronz je slitina mědi a cínu, charakteristické barvy, na povětrnosti stálejší než mosaz. Užívá se pro umělecká kování a architektonické prvky.
9.3 ZINEK A JEHO SLITINY Je bělavý kov, měkký, lehce tavitelný a křehký. Je velmi odolný proti povětrnostní korozi, na jeho povrchu se rychle vytvoří vrstvička uhličitanu zinečnatého, která brání další korozi. Odolný není proti vápnu, sádře, cementu a kyselinám. Poškozují jej i některé agresivní vody a nátěry. Zinek se používá hlavně na ochranu ocelových plechů a výrobků před korozí máčením, ocelové konstrukce se chrání žárovým nástřikem. Nejkvalitnější ochrana je galvanické pokovování. titanzinek je slitina čistého zinku, mědi a titanu (legováno). Má lepší mechanické vlastnosti než samotný zinek, používá se na klempířské práce a jako střešní kratina. Dodává se v tabulích a svitcích tloušťky 0,5-1,5 mm.
9.4 HLINÍK A JEHO SLITINY Hliník je třikrát lehčí než ocel a řadíme jej spolu s jeho slitinami mezi lehké kovy. Vyrábí se z bauxitu převážně elektrolyticky. Do slitin se používá Mn, Mg, Cu, Si, Zn. Cena slitin je vyšší než cena oceli. Zpracovává se žíháním, rychlým ochlazováním, a umělým stárnutím. Má vysokou odolnost proti atmosférické korozi vytváří se slabá vrstvička kysličníku. Výrobky: plechy, trubky, profily, fólie, dráty, lana a střešní krytina.
9.5 OLOVO, 9.6 ZLATO 9.5 Olovo je měkký a těžký kov. Bylo v čistém stavu používáno dříve na zasklívání mozaikových oken a dnes již hygienicky nevhodné vodovodní trubky. 9.6 Zlato je žlutavý drahý kov. Na stavby je používán pokud má vyjadřovat moc a bohatství. Málo kdy pak přežívá války. Dnes se většinou jen pozlacuje nanášejí se velice tenké plátky zlaté fólie. Z hlediska odolnosti proti vlivům koroze je jedinečné.
OTÁZKY A ÚKOLY Jak se liší litina a ocel? Nakresli a vysvětli pracovní diagram oceli. Co je to legovaná ocel? Co vyčtete z označení oceli 10335? Jak se liší ocel válcovaná za tepla a tažená za studena? Co způsobuje korozi železa? Za jakých podmínek koroze probíhá? Jaké povrchy má betonářská ocel? K čemu se používá ve stavebnictví měď a proč? Co to je titan-zinek? Kde má smysl používat hliník a jak se chrání proti korozi? Jaké znáš ochrany oceli proti korozi?