Színesfémek öntése

A vasfémeket széles körben használják a mérnöki iparban felsőbbrendűségük, mechanikai tulajdonságaik széles skálája és alacsonyabb költségük miatt. Ennek ellenére a színesfémeket a vasötvözetekhez képest sajátos tulajdonságaik miatt különféle alkalmazásokban is használják, általában magas költségük ellenére. A kívánt mechanikai tulajdonságokat ezekben az ötvözetekben munkaedzéssel, öregedéssel stb. lehet elérni, de nem a vasötvözetekhez használt normál hőkezelési eljárásokkal. A legfontosabb színesfém anyagok közül néhány az alumínium, a réz, a cink és a magnézium

1. Alumínium

Az összes színesfém ötvözet közül az alumínium és ötvözetei a legfontosabbak kiváló tulajdonságaik miatt. A mérnöki iparban használt tiszta alumínium néhány tulajdonsága:

• 1) Kiváló hővezető képesség (0,53 cal/cm/C)
• 2) Kiváló elektromos vezetőképesség (376 600/ohm/cm)
• 3) Alacsony tömegsűrűség (2,7 g/cm)
• 4) Alacsony olvadáspont (658 C)
• 5) Kiváló korrózióállóság
• 6) Nem mérgező.
• 7) Az egyik legnagyobb fényvisszaverő képességgel (85-95%) és nagyon alacsony emissziós képességgel rendelkezik (4-5%)
• 8) Nagyon puha és hajlékony, ennek köszönhetően nagyon jó gyártási tulajdonságokkal rendelkezik.

Néhány olyan alkalmazási terület, ahol általában tiszta alumíniumot használnak, az elektromos vezetők, radiátorok bordázatai, légkondicionáló egységek, optikai és fényvisszaverők, valamint fóliák és csomagolóanyagok.

A fenti hasznos alkalmazások ellenére a tiszta alumíniumot nem használják széles körben a következő problémák miatt:

• 1) Alacsony szakítószilárdsága (65 MPa) és keménysége (20 BHN)
• 2. Nagyon nehéz hegeszteni vagy forrasztani.

Az alumínium mechanikai tulajdonságai lényegesen javíthatók ötvözéssel. A fő ötvözőelemek a réz, mangán, szilícium, nikkel és cink.

Az alumínium és a réz a CuAl2 kémiai vegyületet alkotja. 548 C felett teljesen feloldódik folyékony alumíniumban. Ha ezt lehűtjük és mesterségesen öregítjük (hosszabb ideig tartó 100-150 °C-on), edzett ötvözetet kapunk. A nem öregített CuAl2-nek nincs ideje kicsapódni az alumínium és a réz szilárd oldatából, ezért instabil helyzetben van (szobahőmérsékleten túltelített). Az öregedési folyamat során nagyon finom CuAl2 részecskék válnak ki, ami az ötvözet megerősödését okozza. Ezt a folyamatot oldatos keményítésnek nevezik.

A további felhasznált ötvözőelemek legfeljebb 7% magnéziumot, 1,5% mangánt, 13% szilíciumot, 2% nikkelt, 5% cinket és 1,5% vasat tartalmaznak. Ezek mellett kis százalékban titán, króm és kolumbium is adható hozzá. Az állandó öntéshez és fröccsöntéshez használt néhány tipikus alumíniumötvözet összetételét a 2. 10. táblázat tartalmazza az alkalmazási területekkel együtt. Az ezektől az anyagoktól elvárt mechanikai tulajdonságok tartós öntőformával vagy présöntéssel történő öntés után a 2.1. táblázatban láthatók.

2. Réz

Az alumíniumhoz hasonlóan a tiszta réz is széles körben alkalmazható a következő tulajdonságai miatt

• 1) A tiszta réz elektromos vezetőképessége a legtisztább formájában magas (5,8 x 105 /ohm/cm). Bármilyen kis szennyeződés drasztikusan csökkenti a vezetőképességet. Például 0,1% foszfor 40%-kal csökkenti a vezetőképességet.
• 2) Nagyon magas hővezető képességgel rendelkezik (0,92 cal/cm/C)
• 3) Ez egy nehézfém (fajsúlya 8,93)
• 4) Forrasztással könnyen összeilleszthető
• 5) Ellenáll a korróziónak,
• 6) Kellemes színe van.

A tiszta rezet elektromos vezetékek, gyűjtősínek, átviteli kábelek, hűtőcsövek és csövek gyártásához használják.

A réz mechanikai tulajdonságai a legtisztább állapotában nem túl jók. Puha és viszonylag gyenge. A mechanikai tulajdonságok javítása érdekében nyereségesen ötvözhető. A felhasznált fő ötvözőelemek a cink, ón, ólom és foszfor.

A réz és a cink ötvözeteit sárgaréznek nevezzük. Akár 39%-os cinktartalommal a réz egyfázisú (α-fázisú) szerkezetet alkot. Az ilyen ötvözetek nagy rugalmassággal rendelkeznek. Az ötvözet színe 20%-os cinktartalomig vörös marad, de ezen túl sárgává válik. Egy második szerkezeti komponens, az úgynevezett β-fázis, a cink 39-46%-a között jelenik meg. Valójában a CuZn intermetallikus vegyület a felelős a megnövekedett keménységért. A sárgaréz szilárdsága tovább növekszik, ha kis mennyiségű mangánt és nikkelt adunk hozzá.

A réz ón ötvözeteit bronznak nevezzük. A bronz keménysége és szilárdsága az óntartalom gyűrődésével nő. A hajlékonyság is csökken, ha az ón százalékos aránya 5 fölé emelkedik. Ha alumíniumot is adunk hozzá (4-11%), a kapott ötvözetet alumíniumbronznak nevezik, amely lényegesen nagyobb korrózióállósággal rendelkezik. A bronzok viszonylag költségesek a sárgarézekhez képest az ón jelenléte miatt, amely drága fém.

3. Egyéb színesfémek

Cink

A cinket elsősorban a mérnöki iparban használják alacsony olvadáspontja (419,4 C) és magasabb korrózióállósága miatt, amely a cink tisztaságával növekszik. A korrózióállóságot a felületen védő oxidréteg képződése okozza. A cink fő alkalmazásai a horganyzásban, az acél korrózió elleni védelmében, a nyomdaiparban és a présöntésben.

A cink hátránya a deformált körülmények között fellépő erős anizotrópia, az öregedési körülmények közötti méretstabilitás hiánya, az ütési szilárdság csökkenése alacsonyabb hőmérsékleten és a szemcsék közötti korrózióra való érzékenység. Nem használható 95 °C feletti hőmérsékleten, mert jelentősen csökkenti a szakítószilárdságot és a keménységet.

A présöntvényekben elterjedt alkalmazása azért van, mert kisebb nyomást igényel, ami a többi présöntvény-ötvözethez képest magasabb szerszámélettartamot eredményez. Ráadásul nagyon jó a megmunkálhatósága. A cink fröccsöntéssel nyert felület gyakran elegendő további feldolgozásra, kivéve a szétválási síkban jelen lévő villanás eltávolítását.

Magnézium

Könnyű súlyuk és jó mechanikai szilárdságuk miatt a magnéziumötvözeteket nagyon nagy sebességgel használják. Ugyanilyen merevséghez a magnéziumötvözetek csak a C25-ös acél tömegének 37,2%-át teszik ki, így tömeget takarítanak meg. A két fő ötvözőelem az alumínium és a cink. A magnéziumötvözetek lehetnek homoköntvények, tartós öntvények vagy présöntvények. A homoköntött magnéziumötvözet komponensek tulajdonságai összehasonlíthatók az állandó öntött vagy fröccsöntött alkatrészek tulajdonságaival. A fröccsöntő ötvözetek általában magas réztartalmúak, így lehetővé válik a másodlagos fémekből történő előállításuk a költségek csökkentése érdekében. Gépjárműkerekek, forgattyúházak stb. gyártására használják őket. Minél magasabb a tartalom, annál nagyobb a mechanikai szilárdsága a magnéziummal megmunkált ötvözetek, például a hengerelt és kovácsolt alkatrészek. A magnéziumötvözetek a legtöbb hagyományos hegesztési eljárással könnyen hegeszthetők. A magnéziumötvözetek nagyon hasznos tulajdonsága a nagy megmunkálhatóságuk. Csak körülbelül 15%-os teljesítményt igényelnek a megmunkáláshoz az alacsony széntartalmú acélhoz képest.