Odlewanie metali nieżelaznych

Metale żelazne są szeroko stosowane w przemyśle maszynowym ze względu na ich wyższość, zakres właściwości mechanicznych i niższe koszty. Mimo to metale nieżelazne są również wykorzystywane w różnych zastosowaniach ze względu na ich specyficzne właściwości w porównaniu ze stopami żelaza, pomimo ich ogólnie wysokiego kosztu. Pożądane właściwości mechaniczne można uzyskać w tych stopach poprzez utwardzanie przez zgniot, utwardzanie wydzieleniowe itp., ale nie poprzez normalne procesy obróbki cieplnej stosowane w przypadku stopów żelaza. Niektóre z głównych materiałów nieżelaznych będących przedmiotem zainteresowania to aluminium, miedź, cynk i magnez

1. Aluminium

Ze wszystkich stopów metali nieżelaznych aluminium i jego stopy są najważniejsze ze względu na swoje doskonałe właściwości. Niektóre właściwości czystego aluminium, dla którego jest ono wykorzystywane w przemyśle maszynowym, to:

• 1) Doskonała przewodność cieplna (0,53 cal/cm/C)
• 2) Doskonała przewodność elektryczna (376 600/ohm/cm)
• 3) Niska gęstość masy (2,7 g/cm)
• 4) Niska temperatura topnienia (658C)
• 5) Doskonała odporność na korozję
• 6) Jest nietoksyczny.
• 7) Ma jeden z najwyższych współczynników odbicia (85 do 95%) i bardzo niską emisyjność (4 do 5%)
• 8) Jest bardzo miękki i plastyczny, dzięki czemu posiada bardzo dobre właściwości produkcyjne.

Niektóre zastosowania, w których powszechnie stosuje się czyste aluminium, to przewodniki elektryczne, materiały żeberek grzejników, urządzenia klimatyzacyjne, reflektory optyczne i świetlne oraz folie i materiały opakowaniowe.

Pomimo powyższych przydatnych zastosowań, czyste aluminium nie jest powszechnie stosowane ze względu na następujące problemy:

• 1) Ma niską wytrzymałość na rozciąganie (65 MPa) i twardość (20 BHN)
• 2. Bardzo trudno jest spawać lub lutować.

Właściwości mechaniczne aluminium można znacznie poprawić poprzez dodanie stopu. Głównymi stosowanymi pierwiastkami stopowymi są miedź, mangan, krzem, nikiel i cynk.

Aluminium i miedź tworzą związek chemiczny CuAl2. Powyżej temperatury 548 C rozpuszcza się całkowicie w ciekłym aluminium. Po hartowaniu i sztucznym starzeniu (długotrwałe przetrzymywanie w temperaturze 100 - 150°C) otrzymuje się utwardzony stop. CuAl2, który nie jest postarzony, nie ma czasu na wytrącenie się ze stałego roztworu aluminium i miedzi, a zatem znajduje się w niestabilnej pozycji (przesycenie w temperaturze pokojowej). W procesie starzenia wytrącają się bardzo drobne cząstki CuAl2, co powoduje wzmocnienie stopu. Proces ten nazywany jest utwardzaniem w roztworze.

Pozostałe stosowane pierwiastki stopowe to do 7% magnezu, do 1,5% manganu, do 13% krzemu, do 2% niklu, do 5% cynku i do 1,5% żelaza. Poza tym w małych ilościach można dodać także tytan, chrom i kolumb. Skład niektórych typowych stopów aluminium stosowanych w formowaniu trwałym i odlewaniu ciśnieniowym podano w tabeli 2.10 wraz z ich zastosowaniami. Oczekiwane właściwości mechaniczne tych materiałów po odlaniu w formach trwałych lub odlewaniu ciśnieniowym przedstawiono w tabeli 2.1

2. Miedź

Podobnie jak aluminium, czysta miedź również znajduje szerokie zastosowanie ze względu na swoje następujące właściwości

• 1) Przewodność elektryczna czystej miedzi jest wysoka (5,8 x 105 /ohm/cm) w jej najczystszej postaci. Wszelkie małe zanieczyszczenia drastycznie obniżają przewodność. Na przykład 0,1% fosforu zmniejsza przewodność o 40%.
• 2) Ma bardzo wysoką przewodność cieplną (0,92 cal/cm/C)
• 3) Jest metalem ciężkim (ciężar właściwy 8,93)
• 4) Można go łatwo połączyć za pomocą lutowania twardego
• 5) Jest odporny na korozję,
• 6) Ma przyjemny kolor.

Czystą miedź wykorzystuje się do produkcji przewodów elektrycznych, szyn zbiorczych, kabli przesyłowych, rur i rurociągów do lodówek.

Właściwości mechaniczne miedzi w najczystszej postaci nie są zbyt dobre. Jest miękki i stosunkowo słaby. Można go korzystnie dodawać stopowo, aby poprawić właściwości mechaniczne. Głównymi stosowanymi pierwiastkami stopowymi są cynk, cyna, ołów i fosfor.

Stopy miedzi i cynku nazywane są mosiądzami. Przy zawartości cynku do 39% miedź tworzy strukturę jednofazową (fazę α). Takie stopy mają wysoką ciągliwość. Kolor stopu pozostaje czerwony aż do zawartości cynku wynoszącej 20%, ale powyżej tego staje się żółty. Drugi składnik strukturalny zwany fazą β występuje w ilości od 39 do 46% cynku. Tak naprawdę za zwiększoną twardość odpowiada związek międzymetaliczny CuZn. Wytrzymałość mosiądzu ulega dalszemu zwiększeniu po dodaniu niewielkich ilości manganu i niklu.

Stopy miedzi z cyną nazywane są brązami. Twardość i wytrzymałość brązu wzrasta wraz ze wzrostem zawartości cyny. Plastyczność również zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości cyny powyżej 5. Gdy dodaje się również aluminium (4 do 11%), powstały stop nazywany jest brązem aluminiowym, który ma znacznie wyższą odporność na korozję. Brązy są stosunkowo drogie w porównaniu do mosiądzów ze względu na obecność cyny, która jest drogim metalem.

3. Inne metale nieżelazne

Cynk

Cynk jest stosowany głównie w inżynierii ze względu na jego niską temperaturę topnienia (419,4 C) i wyższą odporność na korozję, która wzrasta wraz z czystością cynku. Odporność na korozję wynika z utworzenia na powierzchni ochronnej powłoki tlenkowej. Główne zastosowania cynku to cynkowanie w celu ochrony stali przed korozją, przemysł poligraficzny i odlewanie ciśnieniowe.

Wadami cynku są: silna anizotropia występująca w warunkach odkształcenia, brak stabilności wymiarowej w warunkach starzenia, zmniejszenie udarności w niższych temperaturach oraz podatność na korozję międzykrystaliczną. Nie można go używać do pracy w temperaturze powyżej 95°C, ponieważ spowoduje to znaczne zmniejszenie wytrzymałości na rozciąganie i twardości.

Jego powszechne zastosowanie w odlewach ciśnieniowych wynika z tego, że wymaga niższego ciśnienia, co skutkuje dłuższą żywotnością matrycy w porównaniu z innymi stopami do odlewania ciśnieniowego. Ponadto charakteryzuje się bardzo dobrą obrabialnością. Wykończenie uzyskane w wyniku odlewania ciśnieniowego cynku jest często wystarczające, aby uzasadnić dalszą obróbkę, z wyjątkiem usunięcia wypływki obecnej w płaszczyźnie podziału.

Magnez

Ze względu na niewielką wagę i dobrą wytrzymałość mechaniczną stopy magnezu są stosowane przy bardzo dużych prędkościach. Przy tej samej sztywności stopy magnezu wymagają jedynie 37,2% masy stali C25, co pozwala zaoszczędzić na wadze. Dwa główne stosowane pierwiastki stopowe to aluminium i cynk. Stopy magnezu mogą być odlewane w formach piaskowych, w formach trwałych lub w formie odlewów ciśnieniowych. Właściwości elementów ze stopów magnezu odlewanych w piasku są porównywalne z właściwościami elementów odlewanych w formach trwałych lub odlewanych ciśnieniowo. Stopy do odlewania ciśnieniowego zazwyczaj mają wysoką zawartość miedzi, co umożliwia ich wytwarzanie z metali wtórnych w celu zmniejszenia kosztów. Stosuje się je do produkcji kół samochodowych, skrzyń korbowych itp. Im wyższa zawartość, tym wyższa wytrzymałość mechaniczna stopów magnezu, takich jak elementy walcowane i kute. Stopy magnezu można łatwo spawać większością tradycyjnych procesów spawania. Bardzo przydatną właściwością stopów magnezu jest ich wysoka skrawalność. Wymagają jedynie około 15% mocy do obróbki w porównaniu ze stalą niskowęglową.