Металлический бетон

Металлический бетон – это композиционный материал, состоящий из заполнителей (горные породы, шлаки, стекло и другие), добавок и металлов, выполняющих роль вяжущих (алюминий и его сплавы, чугун, сталь, медь, титан, свинец и другие).

Заполнители должны иметь высокую прочность, термостойкость, совместимость с металлом (см. гл.    ).

Добавки (растворы соляной, фосфорной, борной, уксусной кислот; растворы солей щелочных металлов; растворы оксидов кальция, селена, хрома, фосфора; растворы поваренной соли, хлористого кальция, сульфата лития, соды, поташа, нитрата натрия, жидкого стекла; поверхностно активные вещества и другие) вводятся для улучшения сцепления и совместимости заполнителей с металлом. Некоторые из них способны сами связывать заполнители, либо способствуют этому.

Для подбора состава метонов применяется экспериментальный метод. Оптимальный состав материала целесообразно устанавливать с использованием металлических методов и, в частности, метода математического планирования эксперимента.

В качестве примера ниже приведены некоторые составы метонов.

Табл. Составы алюминиевых метонов % по объему.

Табл. Составы метонов на основе чугуна и стали % по объему.

Табл. Составы свинцового метона, % по объему.

Прочность на сжатие алюминиевых метонов при обработке заполнителей раствором NaOH 250 МПа, на растяжение 60 МПа, модуль упругости       35000 МПа; стальных и чугунных метонов – на сжатие 250...310 МПа; на растяжение 22...34 МПа; свинцовых метонов – на сжатие до 38 МПа. Кроме того свинцовые метоны являются стойкими в растворах серной кислоты (3-х процентный раствор) и поваренной соли, имеют допустимую дозу облучения 10⁹ рад.

Метоны можно применять для изготовления колон и стоек промышленных зданий, ригелей, плит, свай, труб, тюбингов, опор мостов, полов в горячих цехах, покрытии аэродромов, радиационно стойких изделий АЭС, жаростойких конструкций, емкостей под агрессивные, радиоактивные  и абразивные жидкости и т.д.. Свинцовые метоны можно использовать для защиты объектов, излучающих радиацию. Введение в их состав магнентита и барита значительно повышает их радиационные характеристики. Конструкции из метонов могут выдерживать ударные, сжимающие и динамические нагрузки с одновременным воздействием нагрева, радиации и агрессивных сред.

Производство метонов – это металлургический процесс, связанный с расплавлением  металла и заполнением им межзернового пространства заполнителей.

Известно несколько способов изготовления изделий из метонов:

1.     Производство изделий из предварительно приготовленной смеси «металл - заполнитель» с последующим уплотнением ее на вибросите;

2.     Изготовление изделий методом предварительного заполнения форм обработанным наполнителем с последующим заполнением межзернового пространства расплавленным металлом под давлением 3...5 МПа;

3.     Технология изделий путем заполнения межзернового пространства предварительно обработанного наполнителя в расплавленным металлом с одновременным уплотнением на вибростенде;

4.     Получение изделий методом литья по выполненным моделям.

В качестве примера ниже излагается технология изделий из метонов по третьему способу.

Основные технологические операции:

1.     Мойка и отсев заполнителя;

2.     Обработка заполнителя добавками;

3.     Заполнение специально подготовленной формы заполнителем и его виброуплотнение;

4.     Нагрев формы с заполнителем до 600...700 ⁰С;

5.     Расплавление металла, дегазация, рафинирование и легирование расплава;

6.     Заливка формы заполнителем расплавленным металлом на работающем вибростенде, который включается при остывании металла;

7.     Охлаждение нижней части формы для создания направленной кристаллизации структуры метона;

8.     Распалубка изделия и добавление его до товарного вида.

Качество изделий во многом зависит от режима заполнения металлом межзернового пространства заполнителей. Определение оптимальных тепловых условий формирования и охлаждения металла – одна из основных задач технологии изделий. Например, для метона на алюминиевой связке     (AL – 9В) температура литья 690...740 ⁰С. После отливки изделие находится в форме 20...30 минут и охлаждается до температуры 250...350  ⁰С, при которой его можно распалубливать. При резком охлаждении в материале возникают внутренние напряжения, что приводит к короблению изделий, образованию трещин. Ввиду разницы коэффициентов температурного расширения металла и заполнителя возникновение внутренних напряжений в метоне неизбежно. Поэтому следует тщательно подбирать металл и заполнитель. К металлу также предъявляется требование жидкотекучести, чтобы он мог проникать в мельчайшие поры и капилляры. Для этого его надо хорошо нагреть, но не перекалить. В противном случае структура метона окажется рыхлой и непрочной. При недогреве металл будет достаточно вязким и не заполнит в достаточной степени межзерновое пространство заполнителя, что негативно скажется на свойствах материала.