Раздел 1. Подготовительные операции

1.1. Материалы, применяемые для металлоконструкций

1.1.1. Стали и сплавы

Металлические конструкции грузоподъемных машин работают в сложных эксплуатационных условиях при действии переменных нагрузок ударного характера. Поэтому к металлам, предназначенным для изготовления крановых конструкций, предъявляют ряд определенных требований, от выполнения которых значительно зависит надежность и долговечность крана в целом. Согласно этим требованиям металлы должны обладать устойчивыми прочностными характеристиками, способностью воспринимать в течение длительного времени переменные нагрузки, способностью противостоять зарождению и распространению трещин. Количественная оценка соответствия металла указанным требованиям устанавливается на основе следующих показателей: механических свойств, химического состава, комплекса служебных свойств, под которыми подразумевается свариваемость, склонность металла и сварных соединений к хрупкому разрушению.

В зависимости от назначения металлоконструкций материалом для их изготовления служат прокатные углеродистые и низколеги­рованные стали и в некоторых случаях титановые и алюминиевые сплавы.

Стали, применяемые для изготовления металлоконструкций, должны удовлетворять требованиям государственных стандартов и иметь сертификаты.

Согласно ГОСТ 380—94 углеродистая сталь обыкновен­ного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы (А, Б, В) и по нормируемым показателям — на шесть категорий. Сталь группы А поставляется по механическим свой­ствам, группы Б — по химическому составу и группы В — по механическим свойствам и химическому составу. По степени раскисленности стали бывают спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Способ изготовления стали указан в сертификате. Обозначения марок углеродистой стали обыкновенного качества приняты буквенно-цифровыми. В обозначении марок сталей буквы Ст означают «сталь», цифры 2, 3, 4 — ус­ловный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Например, обозначение Ст3сп соответствует стали Ст3, спокойной, группы А; обозначение БСт3пс — стали Ст3, полуспокойной, группы Б; обозначение ВСт3кп — стали Ст3, кипящей, группы В.

Углеродистая сталь для изготовляемых с помощью сварки или привариваемых несущих металлических конструкций должна содержать углерода не более 0,22 %, а для привариваемых ли­тых деталей — не более 0,25%, так как с его увеличением повышается предел текучести при одновременном ухудшении пластических свойств стали. В то же время при малом его количестве в процессе сварки происходит интенсивное поглощение газов, ухудшающих свариваемость сталей. Поэтому нижний предел содержания углерода рекомендуется иметь не ниже 0,1 %. Приведенные пределы оптимального содержания углерода несколько условны, поскольку нельзя не учитывать действие других факторов, усиливающих или ослабляющих влияние углерода.

Наиболее распространенной сталью в металлоконструкциях является сталь Ст3, обладающая достаточно высокими механи­ческими свойствами, большой пластичностью, хорошей сваривае­мостью и не подвергающаяся закалке. Для несущих расчетных элементов металлоконструкций чаще применяют мартеновскую сталь группы В, поставляемую с гарантиями по механическим свойствам и по химическому составу.

Кипящие стали значительно дешевле спокойных сталей, однако вследствие неоднородной структуры они имеют большую склон­ность к старению и образованию трещин при низких температурах и обладают худшей свариваемостью. Эти стали в основном приме­няют в металлоконструкциях, работающих в условиях статиче­ских нагрузок и при температуре выше — 25 °С, для изготовле­ния различного рода ограждений (перил, лестниц, площадок и др.).

Ответственные металлоконструкции, работающие при темпера­турах ниже —25 °С, а также металлоконструкции, подверженные действию переменных динамических и вибрационных нагрузок, независимо от температуры эксплуатации целесообразно изготов­лять из спокойной мартеновской стали группы В марки ВСт3сп с дополнительными гарантиями в отношении ударной вязкости (для металлоконструкций, работающих при низких температурах).

Стали Ст5, Ст6 ввиду ограниченности и плохой свариваемости в металлоконструкциях не применяют, а используют их как стали повышенной прочности в качестве направляющих для ходовых колес тележек в козловых кранах.

Углеродистые качественные стали 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050—88) применяют для изготов­ления неответственных элементов. Для металлоконструкций кра­нов большой грузоподъемности, а также кранов северного испол­нения применяются низколегированные стали (10ХСНД, 15ХСНД, 10ХГСНД, 10Г2СД, 14ХГС и др.), имеющие по сравне­нию со сталью Ст3 более высокие механические свойства, повы­шенную стойкость против атмосферной коррозии и меньшую хлад­ноломкость. Применение низколегированных сталей приводит к уменьшению массы металлоконструкций примерно на 15 %.

В основу обозначения марок низколегированных сталей по­ложен их химический состав. Число, стоящее перед буквенными обозначениями, соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Отдельные компоненты, входящие в со­став сталей, имеют следующие обозначения: марганец — Г, крем­ний — С, хром — X, никель — Н, медь — Д, азот — А, вана­дий — Ф, молибден — М, алюминий — Ю, углерод — У. Ци­фры после букв указывают процентное содержание соответству­ющего элемента в целых единицах. Если количество какого-либо компонента составляет менее 0,3 %, то такой компонент в обо­значение стали не вносится.

Низколегированные стали, выплавляемые в мартеновских и электрических печах, поставляются одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Основными недостатками низко­легированных сталей являются большая чувствительность к кон­центрации напряжений и высокая стоимость (на 19—50 % больше стоимости стали Ст3).

По сравнению с углеродистыми сталями они имеют более высокие механические характеристики (временное сопротивление и предел текучести), повышенную хладостойкость, лучшую износостойкость, нормальную сваривае­мость, но большие значения эффективных коэффициентов кон­центрации напряжений. Поэтому часто при­менение низколегированных сталей неэффективно в случае, если определяющим является не прочность от действия наибольших на­грузок, а долговечность от действия переменных нагрузок.

Из легированных сталей повышенной прочности для кранов применяют стали 16Г2АФ, 18Г2АФ, 16Г2АФД и 18Г2АФД. В сравнении со сталью Ст3 легированные стали имеют большее значение предела текучести, менее склонны к хрупкому разрушению при пониженных температурах, обладают повышенной стойкостью против коррозии. Но эти стали более дороги и более чувствительны к концентрации напряжений при действии переменных нагрузок. При использовании низколегированных сталей вместо углеродистых значительно снижается масса деталей, размеры которых определяются статической прочностью. Когда же размеры деталей определяются сопротивлением усталости или жесткостью, экономия металла при переходе на легированные стали менее значительна, поскольку пределы выносливости таких сталей близки к пределу выносливости обычных сталей, а модули упругости одинаковы, следовательно, критические нагрузки при расчете на устойчивость не зависят от марки стали.

Учитывая их более высокую стоимость, низколегированные стали марок 10Г2СД и 09Г2ДТ целесообразно применять, если снижение массы составляет не менее чем 10 %, а стали 15ХСНД даже не менее чем 17 % по сравнению с конструкциями из стали Ст3.

Применение комплексного легирования и термического упроч­нения сталей дает возможность также снизить массу металло­конструкции благодаря увеличению прочности сталей. Так, комплексно-легированная сталь 15ХГ2СФМР, которая помимо обычных легирующих веществ содержит молибден (М) и бор (Р), имеет временное сопротивление 850—981 МПа (85—100 кгс/мм*).

Термическому упрочнению успешно подвергают малоуглеро­дистые стали Ст3, низколегированные и др. В результате терми­ческого упрочнения механические свойства малоуглеродистых сталей повышаются до 25 %, а у низколегированных сталей — до 50 %.

Большие перспективы также открываются перед алюминиевыми и титановыми сплавами. Главные достоинства титановых сплавов (ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ6, ОТ4, ВТ8 и др.) заключаются в сочетании высоких механических свойств ( =700 ... 1250 МПа) и корро­зионной стойкости с малой плотностью (4,52 г/см³) и малым коэффи­циентом линейного расширения. Они достаточно пластичны, под­даются обработке давлением без нагрева, обладают сравнительно хорошей свариваемостью и пригодны для изготовления изделий, работающих при температурах от —190 до +500 °С.

Из легких сплавов наиболее распространены алюминиевые. По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обладают следующими положительными свойствами:

1) приблизительно в три раза меньшей плотностью, чем у стали;

2) высокой коррозионной стой­костью, не требующей в обычных условиях покраски конструкций;

3) повышенной надежностью алюминиевых конструкций при ра­боте в условиях низких температур;

4) хорошей пластичностью и обрабатываемостью, позволяющей получать прессованием по­перечные сечения профилей практически любой формы.

К недостаткам этих сплавов следует отнести следующие:

1) относительно большую стоимость основного металла и сварки, требующей применения инертных газов;

2) почти в три раза мень­шее значение модуля продольной упругости, что влияет на уве­личение упругих деформаций и уменьшает критические напряже­ния при расчетах устойчивости стержней и балок;

3) возможность местной коррозии при контакте со сталью, что требует специаль­ных изолирующих покрытий и прокладок в местах соединений разнородных материалов;

4) почти в два раза большее значение коэффициента линейного расширения, приводящее к большим температурным деформациям при сварке;

5) низкие значения предела выносливости основного металла.

Несмотря на то, что механические свойства алюминиевых спла­вов значительно ниже ( = 320 ... 380 МПа и Е = 7 ГПа), чем у стали Ст3, тем не менее, имея малую плотность (2,7 г/см³), обладая достаточно высокой пластичностью при повышенных температурах и высокими механическими свойствами при отри­цательных температурах без изменения ударной вязкости и высо­кой коррозионной стойкостью, их успешно начинают применять для крановых металлоконструкций. В качестве примера их применения может служить 5-тонный мостовой электрический кран (пролет 9 м) с металлоконструкцией моста из алюминиевых сплавов, спроектированный и изготовленный во ВНИИПТмаше.

Переход от стали к алюминиевым сплавам позволяет снизить массу мостовых кранов примерно на 50—70 %; увеличить их грузоподъемность без увеличения давления ходовых колес на подкра­новый путь; облегчить поддерживающие строительные конструк­ции; уменьшить расход энергии и сократить эксплуатационные затраты, связанные с окраской конструкции и их ремонтом. Применение алюминиевых сплавов весьма эффективно и в стрело­вых конструкциях. Стрелы кранов и экскаваторов, изготовленные из алюминиевых сплавов, легче стальных на 50 % при неизменном вылете, а при равной массе и устойчивости машин возможно увеличение вылета стрелы на 15—20 % или их грузоподъемности на 20—25 %.

Применение стрелы из алюминиевых сплавов в башенных кра­нах снижает их массу в 1,5—1,7 раза по сравнению со стальными.

Для различных крановых металлоконструкций могут быть применены алюминиевые сплавы: АМгМ, АД31Т для малонапря­женных конструкций; АМг5М, АМгбМ, АДЗЗТ1 для средненапряженных конструкций и АМг61М, В95Т, АД35Т1 для сильно­напряженных конструкций.

Причины, сдерживающие внедрение алюминиевых сплавов взамен стали:

а) большая стоимость алюминиевых сплавов по сравнению со сталью Ст3. Так, стоимость опытного 5-тонного мостового крана оказалась в 4,95 раза больше стоимости крана, изготовленного из стали Ст3;

б) необходимость изготовлять металлические конструкции из алюминиевых сплавов на отдельных участках или цехах, так как данное производство требует соблюдения особых требований и более высокой культуры труда, чем изготовление стальных метал­локонструкций. Вследствие высокой чувствительности алюминие­вых сплавов к надрезам, царапинам и другим дефектам изготовле­ние металлоконструкций из алюминиевых сплавов требует специ­фических мер предосторожности.