Odlievanie neželezných kovov

Železné kovy sa vo veľkej miere používajú v strojárskom priemysle kvôli ich nadradenosti, rozsahu mechanických vlastností a nižším nákladom. Napriek tomu sa neželezné kovy používajú v rôznych aplikáciách aj pre ich špecifické vlastnosti v porovnaní so železnými zliatinami napriek ich všeobecne vysokým nákladom. Požadované mechanické vlastnosti je možné v týchto zliatinách získať mechanickým spevnením, starnutím atď., ale nie normálnymi procesmi tepelného spracovania, ktoré sa používajú pre zliatiny železa. Niektoré z hlavných zaujímavých neželezných materiálov sú hliník, meď, zinok a horčík

1. Hliník

Zo všetkých neželezných zliatin je hliník a jeho zliatiny najdôležitejšie pre svoje vynikajúce vlastnosti. Niektoré z vlastností čistého hliníka, pre ktoré sa používa v strojárskom priemysle, sú:

• 1) Vynikajúca tepelná vodivosť (0,53 cal/cm/C)
• 2) Vynikajúca elektrická vodivosť (376 600/ohm/cm)
• 3) Nízka hustota hmotnosti (2,7 g/cm)
• 4) Nízka teplota topenia (658 °C)
• 5) Vynikajúca odolnosť proti korózii
• 6) Je netoxický.
• 7) Má jednu z najvyšších odrazivosti (85 až 95 %) a veľmi nízku emisivitu (4 až 5 %)
• 8) Je veľmi mäkký a tvárny, vďaka čomu má veľmi dobré výrobné vlastnosti.

Niektoré z aplikácií, kde sa vo všeobecnosti používa čistý hliník, sú elektrické vodiče, materiály rebier radiátorov, klimatizačné jednotky, optické a svetelné reflektory a fólie a obalové materiály.

Napriek vyššie uvedeným užitočným aplikáciám nie je čistý hliník široko používaný kvôli nasledujúcim problémom:

• 1) Má nízku pevnosť v ťahu (65 MPa) a tvrdosť (20 BHN)
• 2. Je veľmi ťažké zvárať alebo spájkovať.

Mechanické vlastnosti hliníka možno podstatne zlepšiť legovaním. Hlavnými použitými legovacími prvkami sú meď, mangán, kremík, nikel a zinok.

Hliník a meď tvoria chemickú zlúčeninu CuAl2. Nad teplotou 548 C sa úplne rozpúšťa v tekutom hliníku. Keď sa tento kalí a umelo starne (dlhodobé udržiavanie pri 100 - 150 °C), získa sa vytvrdená zliatina. CuAl2, ktorý nie je zostarnutý, sa nestihne vyzrážať z tuhého roztoku hliníka a medi, a preto je v nestabilnej polohe (presýtený pri izbovej teplote). Procesom starnutia sa vyzrážajú veľmi jemné častice CuAl2, čo spôsobuje spevnenie zliatiny. Tento proces sa nazýva vytvrdzovanie roztoku.

Ďalšími použitými legovacími prvkami sú do 7 % horčíka, do 1,5 % mangánu, do 13 % kremíka, do 2 % niklu, do 5 % zinku a do 1,5 % železa. Okrem toho môžu byť v malých percentách pridané aj titán, chróm a kolumbium. Zloženie niektorých typických hliníkových zliatin používaných pri stálom lisovaní a tlakovom liatí je uvedené v tabuľke 2. 10 s ich aplikáciami. Mechanické vlastnosti očakávané od týchto materiálov po ich odliatí pomocou trvalých foriem alebo tlakového liatia sú uvedené v tabuľke 2.1

2. Meď

Podobne ako hliník, aj čistá meď nachádza široké uplatnenie vďaka svojim nasledujúcim vlastnostiam

• 1) Elektrická vodivosť čistej medi je vysoká (5,8 x 105 /ohm/cm) v jej najčistejšej forme. Akákoľvek malá nečistota drasticky znižuje vodivosť. Napríklad 0,1 % fosforu znižuje vodivosť o 40 %.
• 2) Má veľmi vysokú tepelnú vodivosť (0,92 cal/cm/C)
• 3) Je to ťažký kov (špecifická hmotnosť 8,93)
• 4) Dá sa ľahko spojiť spájkovaním
• 5) Odoláva korózii,
• 6) Má príjemnú farbu.

Čistá meď sa používa pri výrobe elektrických drôtov, zberníc, prenosových káblov, chladničiek a potrubí.

Mechanické vlastnosti medi v jej najčistejšom stave nie sú príliš dobré. Je mäkký a pomerne slabý. Môže sa výhodne legovať, aby sa zlepšili mechanické vlastnosti. Hlavnými používanými legovacími prvkami sú zinok, cín, olovo a fosfor.

Zliatiny medi a zinku sa nazývajú mosadze. S obsahom zinku do 39% tvorí meď jednofázovú (α-fázovú) štruktúru. Takéto zliatiny majú vysokú ťažnosť. Farba zliatiny zostáva červená až do obsahu zinku 20 %, ale potom sa stáva žltou. Druhá štruktúrna zložka nazývaná β-fáza sa objavuje medzi 39 až 46 % zinku. Je to vlastne intermetalická zlúčenina CuZn, ktorá je zodpovedná za zvýšenú tvrdosť. Pevnosť mosadze sa ešte zvýši pridaním malého množstva mangánu a niklu.

Zliatiny medi s cínom sa nazývajú bronzy. Tvrdosť a pevnosť bronzu sa zvyšuje so záhybom v obsahu cínu. Ťažnosť sa tiež znižuje so zvýšením percenta cínu nad 5. Keď sa pridá aj hliník (4 až 11 %), výsledná zliatina sa nazýva hliníkový bronz, ktorý má podstatne vyššiu odolnosť proti korózii. Bronzy sú v porovnaní s mosadzami pomerne drahé kvôli prítomnosti cínu, ktorý je drahý kov.

3. Ostatné neželezné kovy

Zinok

Zinok sa používa hlavne v strojárstve kvôli nízkej teplote topenia (419,4 C) a vyššej odolnosti proti korózii, ktorá sa zvyšuje s čistotou zinku. Odolnosť proti korózii je spôsobená tvorbou ochranného oxidového povlaku na povrchu. Hlavné aplikácie zinku sú v galvanizácii na ochranu ocele pred koróziou, v polygrafickom priemysle a na tlakové liatie.

Nevýhodou zinku je silná anizotropia prejavujúca sa v deformovaných podmienkach, nedostatok rozmerovej stability v podmienkach starnutia, zníženie rázovej húževnatosti pri nižších teplotách a náchylnosť na medzikryštalickú koróziu. Nemožno ho použiť na prevádzku nad teplotou 95 °C, pretože spôsobí podstatné zníženie pevnosti v ťahu a tvrdosti.

Jeho rozšírené použitie pri odlievaní pod tlakom je spôsobené tým, že vyžaduje nižší tlak, čo má za následok vyššiu životnosť formy v porovnaní s inými zliatinami na tlakové liatie. Okrem toho má veľmi dobrú opracovateľnosť. Povrchová úprava získaná tlakovým liatím zinku je často dostatočná na to, aby zaručila akékoľvek ďalšie spracovanie, s výnimkou odstránenia odrezkov prítomných v deliacej rovine.

horčík

Vďaka svojej nízkej hmotnosti a dobrej mechanickej pevnosti sa horčíkové zliatiny používajú pri veľmi vysokých rýchlostiach. Pre rovnakú tuhosť vyžadujú horčíkové zliatiny len 37,2 % hmotnosti ocele C25, čím sa ušetrí na hmotnosti. Dva hlavné použité legujúce prvky sú hliník a zinok. Zliatiny horčíka môžu byť odlievané do piesku, odlievané do stálej formy alebo odlievané pod tlakom. Vlastnosti komponentov horčíkovej zliatiny odlievaných do piesku sú porovnateľné s vlastnosťami komponentov odlievaných do stálej formy alebo tlakovo odlievaných komponentov. Zliatiny na tlakové liatie majú vo všeobecnosti vysoký obsah medi, čo umožňuje ich výrobu zo sekundárnych kovov na zníženie nákladov. Používajú sa na výrobu automobilových kolies, kľukových skríň atď. Čím vyšší je obsah, tým vyššia je mechanická pevnosť zliatin vyrobených horčíkom, ako sú valcované a kované komponenty. Zliatiny horčíka sa dajú ľahko zvárať väčšinou tradičných zváracích procesov. Veľmi užitočnou vlastnosťou horčíkových zliatin je ich vysoká obrobiteľnosť. V porovnaní s nízkouhlíkovou oceľou vyžadujú len asi 15 % energie na obrábanie.