Χύτευση μη σιδηρούχων μετάλλων

Τα σιδηρούχα μέταλλα χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία μηχανικής λόγω της υπεροχής τους, του εύρους των μηχανικών τους ιδιοτήτων και του χαμηλότερου κόστους. Ακόμα, τα μη σιδηρούχα μέταλλα χρησιμοποιούνται επίσης σε διάφορες εφαρμογές για τις ειδικές ιδιότητές τους σε σύγκριση με τα σιδηρούχα κράματα παρά το γενικά υψηλό κόστος τους. Οι επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν σε αυτά τα κράματα με κατεργασία, σκλήρυνση με γήρανση κ.λπ., αλλά όχι μέσω κανονικών διεργασιών θερμικής επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται για κράματα σιδήρου. Μερικά από τα κύρια μη σιδηρούχα υλικά που ενδιαφέρουν είναι το αλουμίνιο, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και το μαγνήσιο

1. Αλουμίνιο

Από όλα τα μη σιδηρούχα κράματα, το αλουμίνιο και τα κράματά του είναι τα πιο σημαντικά λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Μερικές από τις ιδιότητες του καθαρού αλουμινίου για τις οποίες χρησιμοποιείται στη μηχανική βιομηχανία είναι:

• 1) Εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα (0,53 cal/cm/C)
• 2) Εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα (376 600/ohm/cm)
• 3) Χαμηλή πυκνότητα μάζας (2,7 g/cm)
• 4) Χαμηλό σημείο τήξης (658C)
• 5) Εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση
• 6) Είναι μη τοξικό.
• 7) Έχει μια από τις υψηλότερες ανακλαστικότητα (85 έως 95%) και πολύ χαμηλή εκπομπή (4 έως 5%)
• 8) Είναι πολύ μαλακό και όλκιμο με αποτέλεσμα να έχει πολύ καλές κατασκευαστικές ιδιότητες.

Μερικές από τις εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται γενικά το καθαρό αλουμίνιο είναι σε ηλεκτρικούς αγωγούς, υλικά πτερυγίων καλοριφέρ, μονάδες κλιματισμού, οπτικούς ανακλαστήρες και φωτός, καθώς και σε φύλλα και υλικά συσκευασίας.

Παρά τις παραπάνω χρήσιμες εφαρμογές, το καθαρό αλουμίνιο δεν χρησιμοποιείται ευρέως λόγω των παρακάτω προβλημάτων:

• 1) Έχει χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό (65 MPa) και σκληρότητα (20 BHN)
• 2. Είναι πολύ δύσκολη η συγκόλληση ή η συγκόλληση.

Οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με το κράμα. Τα κύρια κράματα που χρησιμοποιούνται είναι ο χαλκός, το μαγγάνιο, το πυρίτιο, το νικέλιο και ο ψευδάργυρος.

Το αλουμίνιο και ο χαλκός σχηματίζουν τη χημική ένωση CuAl2. Σε θερμοκρασία 548 C διαλύεται πλήρως σε υγρό αλουμίνιο. Όταν αυτό σβήσει και παλαιωθεί τεχνητά (παρατεταμένη διατήρηση στους 100 - 150 C), λαμβάνεται ένα σκληρυμένο κράμα. Το CuAl2, το οποίο δεν παλαιώνεται, δεν έχει χρόνο να κατακρημνιστεί από το στερεό διάλυμα αλουμινίου και χαλκού και έτσι βρίσκεται σε ασταθή θέση (υπερκορεσμένο σε θερμοκρασία δωματίου). Η διαδικασία γήρανσης καθιζάνει πολύ λεπτά σωματίδια CuAl2, γεγονός που προκαλεί την ενίσχυση του κράματος. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται σκλήρυνση διαλύματος.

Τα άλλα στοιχεία κράματος που χρησιμοποιούνται είναι έως 7% μαγνήσιο, έως 1,5% μαγγάνιο, έως 13% πυρίτιο, έως 2% νικέλιο, έως 5% ψευδάργυρος και έως 1,5% σίδηρος. Εκτός από αυτά, τιτάνιο, χρώμιο και κολόμβιο μπορούν επίσης να προστεθούν σε μικρά ποσοστά. Η σύνθεση ορισμένων τυπικών κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στη μόνιμη χύτευση και χύτευση με μήτρα δίνεται στον Πίνακα 2. 10 με τις εφαρμογές τους. Οι μηχανικές ιδιότητες που αναμένονται από αυτά τα υλικά μετά τη χύτευση με μόνιμα καλούπια ή χύτευση υπό πίεση παρουσιάζονται στον Πίνακα 2.1

2. Χαλκός

Παρόμοια με το αλουμίνιο, ο καθαρός χαλκός βρίσκει επίσης ευρεία εφαρμογή λόγω των ακόλουθων ιδιοτήτων του

• 1) Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του καθαρού χαλκού είναι υψηλή (5,8 x 105 /ohm/cm) στην καθαρότερη μορφή του. Οποιαδήποτε μικρή ακαθαρσία μειώνει δραστικά την αγωγιμότητα. Για παράδειγμα, 0,1% φώσφορος μειώνει την αγωγιμότητα κατά 40%.
• 2) Έχει πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα (0.92 cal/cm/C)
• 3) Είναι βαρύ μέταλλο (ειδικό βάρος 8,93)
• 4) Μπορεί εύκολα να ενωθεί μεταξύ τους με συγκόλληση
• 5) Αντιστέκεται στη διάβρωση,
• 6) Έχει ένα ευχάριστο χρώμα.

Ο καθαρός χαλκός χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτρικών καλωδίων, ράβδων διαύλου, καλωδίων μετάδοσης, σωλήνων ψυγείου και σωληνώσεων.

Οι μηχανικές ιδιότητες του χαλκού στην πιο καθαρή του κατάσταση δεν είναι πολύ καλές. Είναι μαλακό και σχετικά αδύναμο. Μπορεί να κραματοποιηθεί επικερδώς για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων. Τα κύρια κράματα που χρησιμοποιούνται είναι ο ψευδάργυρος, ο κασσίτερος, ο μόλυβδος και ο φώσφορος.

Τα κράματα χαλκού και ψευδαργύρου ονομάζονται ορείχαλκος. Με περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο έως και 39%, ο χαλκός σχηματίζει μια μονοφασική (α-φάση) δομή. Τέτοια κράματα έχουν υψηλή ολκιμότητα. Το χρώμα του κράματος παραμένει κόκκινο μέχρι περιεκτικότητας σε ψευδάργυρο 20%, αλλά από εκεί και πέρα ​​γίνεται κίτρινο. Ένα δεύτερο δομικό συστατικό που ονομάζεται β-φάση εμφανίζεται μεταξύ 39 και 46% του ψευδαργύρου. Είναι στην πραγματικότητα η διαμεταλλική ένωση CuZn που είναι υπεύθυνη για την αυξημένη σκληρότητα. Η αντοχή του ορείχαλκου αυξάνεται περαιτέρω όταν προστίθενται μικρές ποσότητες μαγγανίου και νικελίου.

Τα κράματα του χαλκού με τον κασσίτερο ονομάζονται μπρούτζοι. Η σκληρότητα και η αντοχή του μπρούτζου αυξάνονται με μια πτυχή της περιεκτικότητας σε κασσίτερο. Η ολκιμότητα μειώνεται επίσης με την αύξηση του ποσοστού κασσίτερου πάνω από 5. Όταν προστίθεται επίσης αλουμίνιο (4 έως 11%), το κράμα που προκύπτει ονομάζεται μπρούντζος αλουμινίου, το οποίο έχει σημαντικά υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Οι μπρούτζοι είναι συγκριτικά δαπανηροί σε σύγκριση με τους ορείχαλκους λόγω της παρουσίας κασσίτερου που είναι ένα ακριβό μέταλλο.

3. Άλλα μη σιδηρούχα μέταλλα

Ψευδάργυρος

Ο ψευδάργυρος χρησιμοποιείται κυρίως στη μηχανική λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας τήξης (419,4 C) και της υψηλότερης αντοχής στη διάβρωση, η οποία αυξάνεται με την καθαρότητα του ψευδαργύρου. Η αντίσταση στη διάβρωση προκαλείται από το σχηματισμό προστατευτικής επίστρωσης οξειδίου στην επιφάνεια. Οι κύριες εφαρμογές του ψευδαργύρου είναι στον γαλβανισμό για την προστασία του χάλυβα από τη διάβρωση, στη βιομηχανία εκτύπωσης και στη χύτευση.

Τα μειονεκτήματα του ψευδαργύρου είναι η ισχυρή ανισοτροπία που επιδεικνύεται υπό παραμορφωμένες συνθήκες, η έλλειψη σταθερότητας διαστάσεων υπό συνθήκες γήρανσης, η μείωση της αντοχής σε κρούση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και η ευαισθησία σε διακοκκώδη διάβρωση. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σέρβις πάνω από 95.C γιατί θα προκαλέσει σημαντική μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό και της σκληρότητας.

Η ευρεία χρήση του σε χύτευση χύτευσης οφείλεται στο ότι απαιτεί χαμηλότερη πίεση, η οποία έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μήτρας σε σύγκριση με άλλα κράματα χύτευσης. Επιπλέον, έχει πολύ καλή μηχανική ικανότητα. Το φινίρισμα που επιτυγχάνεται με χύτευση με ψευδάργυρο είναι συχνά επαρκές για να δικαιολογήσει οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία, εκτός από την αφαίρεση του φλας που υπάρχει στο επίπεδο διαχωρισμού.

Μαγνήσιο

Λόγω του μικρού βάρους και της καλής μηχανικής τους αντοχής, τα κράματα μαγνησίου χρησιμοποιούνται σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Για την ίδια ακαμψία, τα κράματα μαγνησίου απαιτούν μόνο το 37,2% του βάρους του χάλυβα C25, εξοικονομώντας έτσι βάρος. Τα δύο κύρια στοιχεία κράματος που χρησιμοποιούνται είναι το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Τα κράματα μαγνησίου μπορούν να είναι χυτά με άμμο, μόνιμα χυτά καλούπια ή χυτά. Οι ιδιότητες των εξαρτημάτων από κράμα μαγνησίου που χυτεύονται με άμμο είναι συγκρίσιμες με εκείνες των εξαρτημάτων μόνιμου χυτού ή χυτού χυτού. Τα κράματα χύτευσης με χύτευση γενικά έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε χαλκό, έτσι ώστε να επιτρέπεται η κατασκευή τους από δευτερεύοντα μέταλλα για μείωση του κόστους. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τροχών αυτοκινήτων, στροφάλων, κ.λπ. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μηχανική αντοχή των κραμάτων από σφυρήλατο μαγνήσιο, όπως έλασης και σφυρήλατα εξαρτήματα. Τα κράματα μαγνησίου μπορούν να συγκολληθούν εύκολα με τις περισσότερες από τις παραδοσιακές διαδικασίες συγκόλλησης. Μια πολύ χρήσιμη ιδιότητα των κραμάτων μαγνησίου είναι η υψηλή μηχανική τους ικανότητα. Απαιτούν μόνο περίπου το 15% της ισχύος για κατεργασία σε σύγκριση με τον χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα.