Железо-чугун | ТМ 1938-06

И. ФРЕЙБЕРГ

Несколько лет назад советский инженер-конструктор Н. М. Леванов, работая на чугунолитейном заводе, обратил внимание на способ транспортировки чугунных отливок. Для удобства в отливки предварительно заплавлялись согнутые петлей железные стержни так, что из болванки выходила наружу только верхняя часть петли, образуя ушко. Подъемный кран захватывал отливку за это ушко и переносил ее в требуемое место.

Это наблюдение натолкнуло инженера на мысль соединить железо и чугун в одно целое. Подобные соединения разных по свойствам материалов с успехом применяются в технике. Так, например, небьющееся стекло — триплекс — есть не что иное, как обычное хрупкое стекло, склеенное с вязким целлулоидом. Широко известный в машиностроении текстолит, из которого изготовляются бесшумные, легкие и прочные шестерни и прокладки, представляет собой хрупкие огнестойкие смолы, соединенные с хлопчатобумажными тканями.

Таким же соединением является и железо-бетон, этот прочнейший строительный материал, из которого изготовляют колонны, балки, стены зданий, 100-метровые пролеты мостов и крепостные сооружения. Железо-бетон — классический пример того, как, сочетая в одно целое два различных по своим свойствам материала, получают новый, обладающий всеми их лучшими качествами.

Так, по аналогии с железо-бетоном, случайное наблюдение над транспортировкой чугунных отливок навело на счастливую мысль создать новый материал — железо-чугун.

Процесс изготовления железо-чугуна крайне прост. Он отличается от обычного чугунного литья лишь тем, что в форму перед ее заливкой укладывается заранее изготовленная арматура из обычного малоуглеродистого железа. При этом происходит взаимное облагораживание металлов. Часть углерода переходит из расплавленного чугуна в железо, которое несколько науглероживается и делается прочнее. В свою очередь чугун, прилегающий к железу, становится мелкозернистым, причем прочность его повышается до двух раз. Расплавленный чугун частично сваривается с поверхностью железной арматуры. Охлаждаясь, чугун претерпевает «усадку», сжимаясь несколько больше, чем железо, и крепко схватывает его.

Балочка из железо-чугуна. В нижней ее части вплавлены стержни железной арматуры. При изгибе они будут сопротивляться растягивающим усилиям.

Таким образом, по характеру строения новый материал весьма напоминает железо-бетон.

Каждый из металлов, составляющих железо-чугун, имеет свои достоинства и свои недостатки. Так, например, чугун хорошо работает на сжатие и не поддается деформации, выдерживая давления от 6 до 10 тыс. кг на 1 кв. см. Но чугун значительно хуже, чем железо, выдерживает растяжение, он более хрупок, подвержен разрывам и трещинам.

Железо-чугунный стержень, подвергнутый испытанию на изгиб. Нижние волокна чугуна, подвергнувшиеся растяжению, оказались разорванными. Железный стержень арматуры остался цел. Верхняя чугунная часть, испытывающая сжатие, почти не изменила формы.

Соединение железа с чугуном дает новый монолитный материал, который, так же, как и железо-бетон, хорошо работает и на сжатие и на растяжение. Железо-чугунные конструкции имеют большое преимущество перед железо-бетонными. При одинаковой несущей способности они почти в пять раза легче и обходятся в полтора раз дешевле.

Железо-чугунный стержень, подвергнутый растяжению. Хрупкий чугун разорвался. Железная арматура — сердцевина — осталась цела.

Новый материал обладает еще одним замечательным свойством. Известно, что чугун не поддается разрушающему действию кислот и газов. До нашего времени дошли полностью сохранившиеся чугунные крыши китайских пагод, простоявших более 500 лет. Это свое качество чугун передает и новому материалу. Охватывая со всех сторон железный костяк, чугун предохраняет железо от разрушающего действия кислот и газов. Железо-чугун не будет поддаваться гибельной коррозии, разъедающей многие железные и стальные конструкции.

Железо-чугун оказался также исключительно устойчивым противопожарным материалом. И это свое качество он перенял от чугуна. В США, в городе Сан-Франциско, есть трехэтажный дом, часть конструкций которого сделана из чугуна. Эти конструкции выдержали два больших землетрясения и два пожара, во время которых все деревянные, каменные и железные части здания были разрушены.

Может возникнуть вопрос: почему чугун переносит пожар лучше железа, хотя известно, что чугун плавится при температуре в 1050—1200°, в то время как железо выдерживает свыше 1500°? Дело в том, что задолго до плавления, уже при температуре в 600°, железо начинает размягчаться, и железные конструкции разрушаются. Чугун не имеет этого переходного тестообразного состояния и «преданно» работает в конструкции вплоть до самого последнего момента, пока температура не дойдет до точки его плавления.

*

Новый материал наряду с железо-бетоном найдет самое широкое применение в строительстве, особенно при сооружении промышленных и производственных зданий. Железо-чугунные сооружения окажутся не только дешевле железо-бетонных, но во многих случаях будут легче по выполнению, особенно там, где нет местных материалов для составления бетона. Заранее спроектированный железо-чугунный каркас здания можно отливать на заводе небольшими частями, которые легко доставить к месту постройки. Сборка этих частей производится очень быстро и совершенно не зависит от климата, от времени года и прочих местных условий.

Сейчас у нас в Союзе впервые в мировой строительной практике проектируется железо-чугунный каркас текстильного комбината в городе Барнауле (Западная Сибирь).

Появление железо-чугуна может изменить технику строительства мостов. Еще недавно в учебниках по металлургии чугуна говорилось: «Хрупкость чугуна сильно сокращает сферу его применения. До 1850 г. мосты делались чугунными, теперь же из чугуна отливаются для мостов лишь опорные подушки, подушки деревянных мостов Гау и изредка металлические опоры».

Ныне чугун в сочетании с железом снова прочно войдет в эту важную отрасль строительства. Для Азовстали уже проектируются два железо-чугунных моста длиной по 138 м. Несомненно, что это только начало.

Из железо-чугуна будут строиться также всякого рода подземные сооружения, в том числе и тюбинги для тоннелей метро третьей очереди. Тюбинги для второй очереди были отлиты из чугуна. Они хорошо работали в тоннелях, выдерживали колоссальные давления грунта, но были очень «нежны» до укладки в тоннель. Их нужно было всячески оберегать от резких толчков и ударов на заводе, при перевозке и т. д. Из-за хрупкости чугуна тюбинги приходилось делать с очень толстыми стенками.

На железо-чугунные тюбинги уйдет гораздо меньше металла. Каждый километр тоннеля обойдется на 2 млн. руб. дешевле. В верхней части тюбинга, соприкасающейся с грунтом, будет уложена арматура из железных стержней, что позволит, не снижая прочности, сделать тюбинг более тонкостенным и, следовательно, более легким. Новые тюбинги не будут страдать хрупкостью. Это позволит сделать их крупнее, что значительно ускорит прокладку тюбингов в тоннеле.

В ребрах тюбингов, в местах их скрепления между собой, укладывается тавровое железо, так что его поверхность будет выступать наружу. Таким образом, можно будет производить сварку соединяющихся тюбингов, что сделает швы совершенно непроницаемыми. Чугунные тюбинги второй очереди не поддавались сварке.

Железо-чугунные тюбинги третьей очереди метро. В разрезе показаны круглые стержни железной арматуры и тавровые стержни, заплавленные в соединительные ребра. Выступающие наружу железные полочки тавров позволяют производить сварку тюбингов. Вес железо-чугунного тюбинга 312,1 кг. Чугунные тюбинги, применявшиеся на второй очереди метро, весили 636 кг. Экономия чугуна на 1 км тоннеля составит 4800 т.

С таким же успехом железо-чугун может применяться для различных крупных и ответственных деталей в машиностроении, как, например, для больших станин, рам, рычагов и так далее. Этот материал может оказаться исключительно ценным в самых различных условиях. Сейчас, например, в массовом количестве проектируется изготовление железо-чугунных подножников для мачт, поддерживающих линии высокого напряжения. Каждая такая мачта испытывает большие усилия и должна иметь изрядный запас прочности. Подножники из железо-чугуна проектируются в разборном виде. Их легко будет перевозить по частям в самые бездорожные места. Поверхность этих башмаков не боится коррозии и, даже находясь в сыром грунте, не будет подвергаться вредному действию окисления.

*

В Центральном научно-исследовательском институте промышленных сооружений открылась новая секция железочугунных конструкций. Эта молодая организация, руководимая инженером Н. М. Левановым, ведет непрестанные работы над дальнейшим изучением нового материала. Трудно сейчас наметить границы его применения. Несомненно одно — будущее у железо-чугуна огромно. Об этом свидетельствуют многочисленные письма, которые получает секция от разных предприятий с просьбой внедрить в производство новые и новые изделия из этого замечательного материала, впервые открытого и примененного в нашей стране.