Ulivanje neželeznih kovin

Železne kovine se obširno uporabljajo v inženirski industriji zaradi njihove superiornosti, niza mehanskih lastnosti in nižjih stroškov. Kljub temu se neželezne kovine uporabljajo tudi v različnih aplikacijah zaradi njihovih posebnih lastnosti v primerjavi z železovimi zlitinami kljub njihovi na splošno visoki ceni. Želene mehanske lastnosti je mogoče doseči pri teh zlitinah z delovnim utrjevanjem, staranjem itd., vendar ne z običajnimi postopki toplotne obdelave, ki se uporabljajo za železove zlitine. Nekateri glavni zanimivi neželezni materiali so aluminij, baker, cink in magnezij

1. Aluminij

Od vseh barvnih zlitin so aluminij in njegove zlitine najpomembnejši zaradi svojih odličnih lastnosti. Nekatere lastnosti čistega aluminija, zaradi katerih se uporablja v inženirski industriji, so:

• 1) Odlična toplotna prevodnost (0,53 cal/cm/C)
• 2) Odlična električna prevodnost (376 600/ohm/cm)
• 3) Nizka masna gostota (2,7 g/cm)
• 4) Nizko tališče (658C)
• 5) Odlična odpornost proti koroziji
• 6) Je netoksičen.
• 7) Ima eno najvišjih odbojnosti (85 do 95 %) in zelo nizko emisivnost (4 do 5 %)
• 8) Je zelo mehak in duktilen, zaradi česar ima zelo dobre proizvodne lastnosti.

Nekatere aplikacije, kjer se na splošno uporablja čisti aluminij, so v električnih vodnikih, materialih za radiatorje, klimatskih napravah, optičnih in svetlobnih reflektorjih ter folijah in embalažnih materialih.

Kljub zgornjim uporabnim aplikacijam se čisti aluminij ne uporablja široko zaradi naslednjih težav:

• 1) Ima nizko natezno trdnost (65 MPa) in trdoto (20 BHN)
• 2. Zelo težko ga je variti ali spajkati.

Mehanske lastnosti aluminija je mogoče bistveno izboljšati z legiranjem. Glavni uporabljeni legirni elementi so baker, mangan, silicij, nikelj in cink.

Aluminij in baker tvorita kemično spojino CuAl2. Nad temperaturo 548 C se popolnoma raztopi v tekočem aluminiju. Ko se ta pogasi in umetno stara (dolgotrajno držanje pri 100 - 150C), dobimo utrjeno zlitino. CuAl2, ki se ne stara, nima časa, da bi se izločil iz trdne raztopine aluminija in bakra, zato je v nestabilnem položaju (prenasičen pri sobni temperaturi). Pri staranju se izločajo zelo drobni delci CuAl2, ki povzročijo ojačitev zlitine. Ta postopek se imenuje utrjevanje raztopine.

Drugi uporabljeni legirni elementi so do 7 % magnezija, do 1,5 % mangana, do 13 % silicija, do 2 % niklja, do 5 % cinka in do 1,5 % železa. Poleg teh se lahko v majhnih odstotkih dodajo tudi titan, krom in kolumbij. Sestava nekaterih tipičnih aluminijevih zlitin, ki se uporabljajo pri trajnem oblikovanju in tlačnem litju, je podana v tabeli 2. 10 z njihovimi aplikacijami. Mehanske lastnosti, ki se pričakujejo od teh materialov po ulivanju s trajnimi kalupi ali tlačnim litjem, so prikazane v tabeli 2.1.

2. Baker

Podobno kot aluminij najde tudi čisti baker široko uporabo zaradi naslednjih lastnosti

• 1) Električna prevodnost čistega bakra je visoka (5,8 x 105 /ohm/cm) v najčistejši obliki. Vsaka majhna nečistoča drastično zmanjša prevodnost. Na primer, 0,1 % fosforja zmanjša prevodnost za 40 %.
• 2) Ima zelo visoko toplotno prevodnost (0,92 cal/cm/C)
• 3) Je težka kovina (specifična teža 8,93)
• 4) Z lahkoto ga je mogoče povezati s spajkanjem
• 5) Odporen je proti koroziji,
• 6) Je prijetne barve.

Čisti baker se uporablja pri izdelavi električne žice, vodil, prenosnih kablov, cevi za hladilnike in cevi.

Mehanske lastnosti bakra v najčistejšem stanju niso zelo dobre. Je mehka in razmeroma šibka. Lahko se donosno legira za izboljšanje mehanskih lastnosti. Glavni uporabljeni legirni elementi so cink, kositer, svinec in fosfor.

Zlitine bakra in cinka imenujemo medenine. Z vsebnostjo cinka do 39 % baker tvori enofazno (α-fazo) strukturo. Takšne zlitine imajo visoko duktilnost. Barva zlitine ostane rdeča do vsebnosti cinka 20 %, po tem pa postane rumena. Druga strukturna komponenta, imenovana β-faza, se pojavi med 39 do 46 % cinka. Pravzaprav je intermetalna spojina CuZn tista, ki je odgovorna za povečano trdoto. Trdnost medenine se dodatno poveča, če ji dodamo majhne količine mangana in niklja.

Zlitine bakra s kositrom se imenujejo bron. Trdota in moč brona se povečata z večanjem vsebnosti kositra. Tudi duktilnost se zmanjša s povečanjem deleža kositra nad 5. Če dodamo še aluminij (4 do 11 %), nastalo zlitino imenujemo aluminijev bron, ki ima bistveno večjo odpornost proti koroziji. Bronze so v primerjavi z medeninami sorazmerno drage zaradi prisotnosti kositra, ki je draga kovina.

3. Druge neželezne kovine

Cink

Cink se uporablja predvsem v tehniki zaradi njegove nizke temperature taljenja (419,4 C) in višje odpornosti proti koroziji, ki se povečuje s čistostjo cinka. Odpornost proti koroziji je posledica tvorbe zaščitne oksidne prevleke na površini. Glavne uporabe cinka so pri cinkanju za zaščito jekla pred korozijo, v tiskarski industriji in za tlačno litje.

Slabosti cinka so močna anizotropija, ki se kaže v deformiranih pogojih, pomanjkanje dimenzijske stabilnosti v pogojih staranja, zmanjšanje udarne trdnosti pri nižjih temperaturah in dovzetnost za intergranularno korozijo. Ni ga mogoče uporabljati pri temperaturah nad 95.C, ker bo povzročil znatno zmanjšanje natezne trdnosti in trdote.

Njegova široka uporaba v tlačnih ulitkih je posledica nižjega tlaka, kar ima za posledico daljšo življenjsko dobo kalupa v primerjavi z drugimi zlitinami za tlačno litje. Poleg tega ima zelo dobro obdelovalnost. Končna obdelava, dobljena s tlačnim litjem cinka, je pogosto ustrezna, da upraviči kakršno koli nadaljnjo obdelavo, razen za odstranitev skorje, ki je prisotna v ločilni ravnini.

magnezij

Zaradi majhne teže in dobre mehanske trdnosti se magnezijeve zlitine uporabljajo pri zelo visokih hitrostih. Za enako togost potrebujejo magnezijeve zlitine le 37,2 % teže jekla C25, kar prihrani težo. Dva glavna uporabljena legirna elementa sta aluminij in cink. Magnezijeve zlitine so lahko ulite v pesek, trajni kalup ali tlačno ulite. Lastnosti komponent iz magnezijeve zlitine, ulite v pesek, so primerljive z lastnostmi komponent iz trajne litine ali tlačne litine. Zlitine za tlačno litje imajo na splošno visoko vsebnost bakra, kar omogoča njihovo izdelavo iz sekundarnih kovin za zmanjšanje stroškov. Uporabljajo se za izdelavo avtomobilskih koles, ohišij motorjev itd. Višja kot je vsebnost, večja je mehanska trdnost zlitin, obdelanih z magnezijem, kot so valjani in kovani deli. Magnezijeve zlitine je mogoče enostavno variti z večino tradicionalnih varilnih postopkov. Zelo uporabna lastnost magnezijevih zlitin je njihova visoka obdelovalnost. V primerjavi z jeklom z nizko vsebnostjo ogljika potrebujejo le približno 15 % moči za obdelavo.