Turnarea metalelor neferoase

Metalele feroase sunt utilizate pe scară largă în industria ingineriei datorită superiorității, gamei de proprietăți mecanice și costurilor mai mici. Cu toate acestea, metalele neferoase sunt, de asemenea, utilizate în diferite aplicații pentru proprietățile lor specifice în comparație cu aliajele feroase, în ciuda costului lor în general ridicat. Proprietățile mecanice dorite pot fi obținute în aceste aliaje prin călire prin lucru, călire prin îmbătrânire etc., dar nu prin procese normale de tratare termică utilizate pentru aliajele feroase. Unele dintre principalele materiale neferoase de interes sunt aluminiul, cuprul, zincul și magneziul

1. Aluminiu

Dintre toate aliajele neferoase, aluminiul și aliajele sale sunt cele mai importante datorită proprietăților lor excelente. Unele dintre proprietățile aluminiului pur pentru care este utilizat în industria ingineriei sunt:

• 1) Conductivitate termică excelentă (0,53 cal/cm/C)
• 2) Conductivitate electrică excelentă (376 600/ohm/cm)
• 3) Densitate mică de masă (2,7 g/cm)
• 4) Punct de topire scăzut (658C)
• 5) Rezistență excelentă la coroziune
• 6) Este netoxic.
• 7) Are una dintre cele mai mari reflectivitati (85 până la 95%) și emisivitate foarte scăzută (4 până la 5%)
• 8) Este foarte moale și ductil, drept urmare are proprietăți de fabricație foarte bune.

Unele dintre aplicațiile în care aluminiul pur este în general utilizat sunt în conductorii electrici, materialele radiatoarelor, unitățile de aer condiționat, reflectoarele optice și de lumină și foliile și materialele de ambalare.

În ciuda aplicațiilor utile de mai sus, aluminiul pur nu este utilizat pe scară largă din cauza următoarelor probleme:

• 1) Are rezistență scăzută la tracțiune (65 MPa) și duritate (20 BHN)
• 2. Este foarte dificil de sudat sau lipit.

Proprietățile mecanice ale aluminiului pot fi îmbunătățite substanțial prin aliere. Principalele elemente de aliere utilizate sunt cuprul, manganul, siliciul, nichelul și zincul.

Aluminiul și cuprul formează compusul chimic CuAl2. Peste o temperatură de 548 C se dizolvă complet în aluminiu lichid. Când acesta este stins și îmbătrânit artificial (reținere prelungită la 100 - 150C), se obține un aliaj întărit. CuAl2, care nu este îmbătrânit, nu are timp să precipite din soluția solidă de aluminiu și cupru și astfel se află într-o poziție instabilă (supersaturată la temperatura camerei). Procesul de îmbătrânire precipită particule foarte fine de CuAl2, ceea ce determină întărirea aliajului. Acest proces se numește întărire în soluție.

Celelalte elemente de aliere folosite sunt până la 7% magneziu, până la 1,5% mangan, până la 13% siliciu, până la 2% nichel, până la 5% zinc și până la 1,5% fier. Pe lângă acestea, se mai pot adăuga titan, crom și columbiu în procente mici. Compoziția unor aliaje tipice de aluminiu utilizate în turnarea permanentă și turnarea sub presiune este dată în Tabelul 2. 10 cu aplicațiile acestora. Proprietățile mecanice așteptate ale acestor materiale după ce acestea sunt turnate folosind matrițe permanente sau turnare sub presiune sunt prezentate în Tabelul 2.1.

2. Cupru

Similar cu aluminiul, cuprul pur își găsește, de asemenea, o aplicare largă datorită proprietăților sale următoare

• 1) Conductivitatea electrică a cuprului pur este ridicată (5,8 x 105 /ohm/cm) în forma sa cea mai pură. Orice impuritate mică scade conductivitatea drastic. De exemplu, 0, 1% fosfor reduce conductivitatea cu 40%.
• 2) Are o conductivitate termică foarte mare (0.92 cal/cm/C)
• 3) Este un metal greu (gravitate specifică 8,93)
• 4) Poate fi îmbinat cu ușurință prin lipire
• 5) Rezistă la coroziune,
• 6) Are o culoare plăcută.

Cuprul pur este utilizat la fabricarea firelor electrice, a barelor de distribuție, a cablurilor de transmisie, a tuburilor și a conductelor pentru frigider.

Proprietățile mecanice ale cuprului în stare pură nu sunt foarte bune. Este moale și relativ slabă. Poate fi aliat profitabil pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice. Principalele elemente de aliere utilizate sunt zincul, staniul, plumbul și fosforul.

Aliajele de cupru și zinc se numesc alamă. Cu un conținut de zinc de până la 39%, cuprul formează o structură cu o singură fază (faza α). Astfel de aliaje au o ductilitate ridicată. Culoarea aliajului rămâne roșie până la un conținut de zinc de 20%, dar dincolo de aceasta devine galbenă. O a doua componentă structurală numită fază β apare între 39 și 46% din zinc. De fapt, compusul intermetalic CuZn este responsabil pentru duritatea crescută. Rezistența alamei crește și mai mult atunci când se adaugă cantități mici de mangan și nichel.

Aliajele de cupru cu staniu se numesc bronzuri. Duritatea și rezistența bronzului cresc odată cu creșterea conținutului de staniu. Ductilitatea este, de asemenea, redusă odată cu creșterea procentului de staniu peste 5. Când se adaugă și aluminiu (4 până la 11%), aliajul rezultat este denumit bronz de aluminiu, care are o rezistență la coroziune considerabil mai mare. Bronzurile sunt relativ costisitoare în comparație cu alama datorită prezenței staniului, care este un metal scump.

3. Alte metale neferoase

Zinc

Zincul este utilizat în principal în inginerie datorită temperaturii scăzute de topire (419,4 C) și rezistenței mai mari la coroziune, care crește odată cu puritatea zincului. Rezistența la coroziune este cauzată de formarea unui strat protector de oxid pe suprafață. Principalele aplicații ale zincului sunt în galvanizare pentru a proteja oțelul împotriva coroziunii, în industria tipografică și pentru turnarea sub presiune.

Dezavantajele zincului sunt anizotropia puternică manifestată în condiții de deformare, lipsa stabilității dimensionale în condiții de îmbătrânire, o reducere a rezistenței la impact la temperaturi mai scăzute și susceptibilitatea la coroziune intergranulară. Nu poate fi folosit pentru service peste o temperatură de 95 °C, deoarece va cauza o reducere substanțială a rezistenței la tracțiune și a durității.

Utilizarea sa pe scară largă în turnarea sub presiune se datorează faptului că necesită o presiune mai mică, ceea ce are ca rezultat o durată de viață mai mare a matriței în comparație cu alte aliaje de turnare sub presiune. În plus, are o prelucrabilitate foarte bună. Finisajul obținut prin turnarea sub presiune a zincului este adesea adecvat pentru a garanta orice prelucrare ulterioară, cu excepția îndepărtării fulgerului prezent în planul de separare.

Magneziu

Datorită greutății reduse și rezistenței mecanice bune, aliajele de magneziu sunt folosite la viteze foarte mari. Pentru aceeași rigiditate, aliajele de magneziu necesită doar 37,2% din greutatea oțelului C25, economisind astfel greutatea. Cele două elemente de aliere principale utilizate sunt aluminiul și zincul. Aliajele de magneziu pot fi turnate pe nisip, turnate permanent sau turnate sub presiune. Proprietățile componentelor din aliaj de magneziu turnate în nisip sunt comparabile cu cele ale componentelor turnate în turnare permanentă sau turnate sub presiune. Aliajele de turnare sub presiune au în general un conținut ridicat de cupru, astfel încât să le permită să fie fabricate din metale secundare pentru a reduce costurile. Ele sunt utilizate pentru fabricarea roților de automobile, carterului manivelelor etc. Cu cât conținutul este mai mare, cu atât rezistența mecanică a aliajelor forjate cu magneziu este mai mare, cum ar fi componentele laminate și forjate. Aliajele de magneziu pot fi sudate cu ușurință prin majoritatea proceselor tradiționale de sudare. O proprietate foarte utilă a aliajelor de magneziu este prelucrabilitatea lor ridicată. Acestea necesită doar aproximativ 15% din putere pentru prelucrare în comparație cu oțelul cu conținut scăzut de carbon.