Ei-rautametallien valu

Rautametalleja käytetään laajasti konepajateollisuudessa niiden paremmuuden, mekaanisten ominaisuuksien valikoiman ja alhaisempien kustannusten vuoksi.Silti ei-rautametalleja käytetään myös erilaisissa sovelluksissa niiden erityisominaisuuksien vuoksi verrattuna rautaseoksiin niiden yleisesti korkeista kustannuksista huolimatta.Halutut mekaaniset ominaisuudet voidaan saavuttaa näissä seoksissa työkarkaisulla, ikääntymiskarkaisulla jne., mutta ei normaaleilla rautaseosten lämpökäsittelyprosesseilla.Eräitä tärkeimpiä kiinnostavia ei-rautapitoisia materiaaleja ovat alumiini, kupari, sinkki ja magnesium

1. Alumiini

Kaikista ei-rautametalliseoksista alumiini ja sen seokset ovat tärkeimmät erinomaisten ominaisuuksiensa vuoksi.Jotkut puhtaan alumiinin ominaisuuksista, joihin sitä käytetään konepajateollisuudessa, ovat:

• 1) Erinomainen lämmönjohtavuus (0,53 cal/cm/C)
• 2) Erinomainen sähkönjohtavuus (376 600/ohm/cm)
• 3) Pieni massatiheys (2,7 g/cm)
• 4) Matala sulamispiste (658C)
• 5) Erinomainen korroosionkestävyys
• 6) Se on myrkytön.
• 7) Sillä on yksi korkeimmista heijastavuudesta (85 - 95 %) ja erittäin alhainen emissiokyky (4 - 5 %)
• 8) Se on erittäin pehmeä ja taipuisa, minkä seurauksena sillä on erittäin hyvät valmistusominaisuudet.

Jotkut sovellukset, joissa käytetään yleisesti puhdasta alumiinia, ovat sähköjohtimissa, lämpöpatterien ripamateriaaleissa, ilmastointiyksiköissä, optisissa ja valoheijastimissa sekä kalvoissa ja pakkausmateriaaleissa.

Huolimatta yllä olevista hyödyllisistä sovelluksista, puhdasta alumiinia ei käytetä laajalti seuraavien ongelmien vuoksi:

• 1) Sillä on alhainen vetolujuus (65 MPa) ja kovuus (20 BHN)
• 2. Hitsaus tai juottaminen on erittäin vaikeaa.

Alumiinin mekaanisia ominaisuuksia voidaan merkittävästi parantaa seostamalla.Tärkeimmät käytetyt seosaineet ovat kupari, mangaani, pii, nikkeli ja sinkki.

Alumiini ja kupari muodostavat kemiallisen yhdisteen CuAl2.Yli 548 C:n lämpötilassa se liukenee täysin nestemäiseen alumiiniin.Kun tämä sammutetaan ja keinotekoisesti vanhennetaan (pitkäaikainen pito 100 - 150 C:ssa), saadaan kovettunut seos.Vanhentamaton CuAl2 ei ehdi saostua kiinteästä alumiinin ja kuparin liuoksesta ja on siten epävakaassa asennossa (ylikyllästynyt huoneenlämmössä).Vanhenemisprosessi saostaa erittäin hienoja CuAl2-hiukkasia, mikä saa aikaan lejeeringin vahvistumisen.Tätä prosessia kutsutaan liuoskarkaisuksi.

Muut käytetyt seosaineet ovat korkeintaan 7 % magnesiumia, 1,5 % mangaania, 13 % piitä, 2 % nikkeliä, 5 % sinkkiä ja 1,5 % rautaa.Näiden lisäksi titaania, kromia ja kolumbiumia voidaan myös lisätä pieninä prosenttiosuuksina.Joidenkin kestomuovauksessa ja painevalussa käytettävien tyypillisten alumiiniseosten koostumus on esitetty taulukossa 2. 10 sovelluksineen.Näiltä materiaaleilta odotettavissa olevat mekaaniset ominaisuudet kestomuottien tai painevalun jälkeen on esitetty taulukossa 2.1.

2. Kupari

Samoin kuin alumiinia, puhdasta kuparia käytetään laajasti seuraavien ominaisuuksiensa vuoksi

• 1) Puhtaan kuparin sähkönjohtavuus on korkea (5,8 x 105 /ohm/cm) puhtaimmassa muodossaan.Kaikki pienet epäpuhtaudet heikentävät johtavuutta rajusti.Esimerkiksi 0,1 % fosforia alentaa johtavuutta 40 %.
• 2) Sillä on erittäin korkea lämmönjohtavuus (0,92 cal/cm/C)
• 3) Se on raskasmetalli (ominaispaino 8,93)
• 4) Se voidaan helposti liittää yhteen juottamalla
• 5) Se kestää korroosiota,
• 6) Sillä on miellyttävä väri.

Puhdasta kuparia käytetään sähköjohtojen, kiskojen, siirtokaapeleiden, jääkaapin putkien ja putkien valmistukseen.

Kuparin mekaaniset ominaisuudet puhtaimmassa tilassaan eivät ole kovin hyviä.Se on pehmeä ja suhteellisen heikko.Se voidaan seostaa kannattavasti mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi.Tärkeimmät käytetyt seosaineet ovat sinkki, tina, lyijy ja fosfori.

Kuparin ja sinkin seoksia kutsutaan messingiksi.Jopa 39 % sinkkipitoisuudella kupari muodostaa yksifaasisen (α-faasi) rakenteen.Tällaisilla seoksilla on korkea sitkeys.Seoksen väri pysyy punaisena 20 % sinkkipitoisuuteen asti, mutta sen jälkeen se muuttuu keltaiseksi.Toista rakennekomponenttia, jota kutsutaan β-faasiksi, esiintyy 39-46 % sinkistä.Se on itse asiassa metallien välinen yhdiste CuZn, joka on vastuussa lisääntyneestä kovuudesta.Messingin lujuus kasvaa entisestään, kun siihen lisätään pieniä määriä mangaania ja nikkeliä.

Kuparin ja tinan seoksia kutsutaan pronsseiksi.Pronssin kovuus ja lujuus kasvavat tinapitoisuuden rypistyessä.Myös sitkeys heikkenee, kun tinaprosentti nousee yli 5:een. Kun myös alumiinia lisätään (4-11 %), tuloksena olevaa metalliseosta kutsutaan alumiinipronssiksi, jolla on huomattavasti korkeampi korroosionkestävyys.Pronssit ovat verrattain kalliita messingeihin verrattuna, koska niissä on tinaa, joka on kallis metalli.

3. Muut ei-rautametallit

Sinkki

Sinkkiä käytetään pääasiassa konepajateollisuudessa sen alhaisen sulamislämpötilan (419,4 C) ja korkeamman korroosionkestävyyden vuoksi, mikä lisääntyy sinkin puhtauden myötä.Korroosionkestävyys johtuu suojaavan oksidipinnoitteen muodostumisesta pinnalle.Sinkin pääasialliset käyttökohteet ovat galvanointi teräksen suojaamiseksi korroosiolta, painoteollisuus ja painevalu.

Sinkin haittoja ovat epämuodostuneissa olosuhteissa ilmennyt vahva anisotropia, mittojen stabiilisuuden puute ikääntymisolosuhteissa, iskunkestävyyden heikkeneminen alhaisemmissa lämpötiloissa ja herkkyys rakeiden väliselle korroosiolle.Sitä ei voida käyttää huoltoon yli 95 °C:n lämpötilassa, koska se heikentää merkittävästi vetolujuutta ja kovuutta.

Sen laaja käyttö painevaluissa johtuu siitä, että se vaatii pienempää painetta, mikä johtaa pidemmän muotin käyttöikään verrattuna muihin painevaluseoksiin.Lisäksi sillä on erittäin hyvä työstettävyys.Sinkkipainevalulla saatu viimeistely on usein riittävä takaamaan kaiken jatkokäsittelyn, lukuun ottamatta erotustasossa olevan välähdyksen poistamista.

Magnesium

Kevyen painonsa ja hyvän mekaanisen lujuutensa vuoksi magnesiumseoksia käytetään erittäin suurilla nopeuksilla.Saman jäykkyyden saavuttamiseksi magnesiumseokset vaativat vain 37,2 % C25-teräksen painosta, mikä säästää painoa.Kaksi pääasiallista käytettyä seostuselementtiä ovat alumiini ja sinkki.Magnesiumlejeeringit voivat olla hiekkavalettua, kestomuottivalettua tai painevalettua.Hiekkavalettujen magnesiumseoskomponenttien ominaisuudet ovat verrattavissa kestomuotti- tai painevalukomponenttien ominaisuuksiin.Painevalulejeeringeillä on yleensä korkea kuparipitoisuus, jotta ne voidaan valmistaa toissijaisista metalleista kustannusten alentamiseksi.Niitä käytetään autojen pyörien, kampikammioiden jne. valmistukseen. Mitä suurempi pitoisuus on, sitä korkeampi on magnesiumvalssattujen ja taottujen metalliseosten mekaaninen lujuus.Magnesiumlejeeringit voidaan hitsata helposti useimmilla perinteisillä hitsausmenetelmillä.Magnesiumseosten erittäin hyödyllinen ominaisuus on niiden korkea työstettävyys.Ne vaativat vain noin 15 % tehoa koneistukseen verrattuna vähähiiliseen teräkseen.