Gieten van non-ferrometalen

Ferrometalen worden op grote schaal gebruikt in de technische industrie vanwege hun superioriteit, scala aan mechanische eigenschappen en lagere kosten. Toch worden non-ferrometalen ook in verschillende toepassingen gebruikt vanwege hun specifieke eigenschappen in vergelijking met ferrolegeringen, ondanks hun doorgaans hoge kosten. De gewenste mechanische eigenschappen kunnen in deze legeringen worden verkregen door harden door vervorming, harden door veroudering, enz., maar niet door normale warmtebehandelingsprocessen die worden gebruikt voor ferrolegeringen. Enkele van de belangrijkste non-ferromaterialen die van belang zijn, zijn aluminium, koper, zink en magnesium

1. Aluminium

Van alle non-ferrolegeringen zijn aluminium en zijn legeringen het belangrijkst vanwege hun uitstekende eigenschappen. Enkele eigenschappen van puur aluminium waarvoor het in de technische industrie wordt gebruikt, zijn:

• 1) Uitstekende thermische geleidbaarheid (0,53 cal/cm/C)
• 2) Uitstekende elektrische geleidbaarheid (376.600/ohm/cm)
• 3) Lage massadichtheid (2,7 g/cm3)
• 4) Laag smeltpunt (658C)
• 5) Uitstekende corrosieweerstand
• 6) Het is niet giftig.
• 7) Het heeft een van de hoogste reflectiviteiten (85 tot 95%) en een zeer lage emissiviteit (4 tot 5%)
• 8) Het is zeer zacht en taai waardoor het zeer goede productie-eigenschappen heeft.

Enkele van de toepassingen waar puur aluminium over het algemeen wordt gebruikt, zijn in elektrische geleiders, vinmaterialen voor radiatoren, airconditioningunits, optische en lichtreflectoren, en folie- en verpakkingsmaterialen.

Ondanks de bovengenoemde nuttige toepassingen wordt puur aluminium niet veel gebruikt vanwege de volgende problemen:

• 1) Het heeft een lage treksterkte (65 MPa) en hardheid (20 BHN)
• 2. Het is erg moeilijk om te lassen of solderen.

De mechanische eigenschappen van aluminium kunnen aanzienlijk worden verbeterd door te legeren. De belangrijkste gebruikte legeringselementen zijn koper, mangaan, silicium, nikkel en zink.

Aluminium en koper vormen de chemische verbinding CuAl2. Boven een temperatuur van 548 C lost het volledig op in vloeibaar aluminium. Wanneer dit wordt geblust en kunstmatig verouderd (langdurig vasthouden bij 100 - 150°C), wordt een geharde legering verkregen. Het CuAl2, dat niet verouderd is, heeft geen tijd om uit de vaste oplossing van aluminium en koper neer te slaan en bevindt zich dus in een onstabiele positie (oververzadigd bij kamertemperatuur). Bij het verouderingsproces worden zeer fijne deeltjes CuAl2 neergeslagen, waardoor de legering sterker wordt. Dit proces wordt oplossingsharden genoemd.

De overige gebruikte legeringselementen zijn maximaal 7% magnesium, maximaal 1,5% mangaan, maximaal 13% silicium, maximaal 2% nikkel, maximaal 5% zink en maximaal 1,5% ijzer. Daarnaast kunnen titanium, chroom en columbium ook in kleine percentages worden toegevoegd. De samenstelling van enkele typische aluminiumlegeringen die worden gebruikt bij permanent gieten en spuitgieten wordt gegeven in Tabel 2.10 met hun toepassingen. De mechanische eigenschappen die van deze materialen worden verwacht nadat ze zijn gegoten met behulp van permanente mallen of drukgieten, worden weergegeven in Tabel 2.1

2. Koper

Net als aluminium vindt puur koper ook een brede toepassing vanwege de volgende eigenschappen

• 1) De elektrische geleidbaarheid van puur koper is hoog (5,8 x 105 /ohm/cm) in zijn puurste vorm. Elke kleine onzuiverheid brengt de geleidbaarheid drastisch omlaag. 0,1% fosfor vermindert bijvoorbeeld de geleidbaarheid met 40%.
• 2) Het heeft een zeer hoge thermische geleidbaarheid (0,92 cal/cm/C)
• 3) Het is een zwaar metaal (soortelijk gewicht 8,93)
• 4) Het kan gemakkelijk met elkaar worden verbonden door solderen
• 5) Het is bestand tegen corrosie,
• 6) Het heeft een aangename kleur.

Zuiver koper wordt gebruikt bij de vervaardiging van elektrische draden, stroomrails, transmissiekabels, koelbuizen en leidingen.

De mechanische eigenschappen van koper in zijn puurste staat zijn niet erg goed. Het is zacht en relatief zwak. Het kan op winstgevende wijze worden gelegeerd om de mechanische eigenschappen te verbeteren. De belangrijkste gebruikte legeringselementen zijn zink, tin, lood en fosfor.

De legeringen van koper en zink worden messing genoemd. Met een zinkgehalte tot 39% vormt koper een enkelfasige (α-fase) structuur. Dergelijke legeringen hebben een hoge ductiliteit. Tot een zinkgehalte van 20% blijft de kleur van de legering rood, maar daarna wordt deze geel. Een tweede structurele component, de β-fase genaamd, komt voor tussen 39 en 46% zink. Het is eigenlijk de intermetaalverbinding CuZn die verantwoordelijk is voor de verhoogde hardheid. De sterkte van messing wordt nog verder vergroot als kleine hoeveelheden mangaan en nikkel worden toegevoegd.

De legeringen van koper met tin worden brons genoemd. De hardheid en sterkte van brons nemen toe met een stijging van het tingehalte. De taaiheid neemt ook af naarmate het tinpercentage boven de 5 stijgt. Wanneer ook aluminium wordt toegevoegd (4 tot 11%), wordt de resulterende legering aluminiumbrons genoemd, die een aanzienlijk hogere corrosieweerstand heeft. Brons is relatief duur in vergelijking met messing vanwege de aanwezigheid van tin, een duur metaal.

3. Andere non-ferrometalen

Zink

Zink wordt voornamelijk in de techniek gebruikt vanwege zijn lage smelttemperatuur (419,4 C) en hogere corrosieweerstand, die toeneemt met de zuiverheid van zink. De corrosieweerstand wordt veroorzaakt door de vorming van een beschermende oxidelaag op het oppervlak. De belangrijkste toepassingen van zink zijn het galvaniseren om staal tegen corrosie te beschermen, in de grafische industrie en bij het spuitgieten.

De nadelen van zink zijn de sterke anisotropie die wordt vertoond onder vervormde omstandigheden, het gebrek aan maatvastheid onder verouderingsomstandigheden, een vermindering van de slagsterkte bij lagere temperaturen en de gevoeligheid voor intergranulaire corrosie. Het kan niet worden gebruikt voor gebruik boven een temperatuur van 95 °C, omdat het een aanzienlijke vermindering van de treksterkte en hardheid zal veroorzaken.

Het wijdverbreide gebruik ervan in spuitgietstukken is omdat het een lagere druk vereist, wat resulteert in een langere levensduur van de matrijs in vergelijking met andere spuitgietlegeringen. Verder heeft het een zeer goede bewerkbaarheid. De afwerking verkregen door het spuitgieten van zink is vaak voldoende om verdere verwerking te rechtvaardigen, behalve het verwijderen van de flash die aanwezig is in het scheidingsvlak.

Magnesium

Vanwege hun lichte gewicht en goede mechanische sterkte worden magnesiumlegeringen bij zeer hoge snelheden gebruikt. Voor dezelfde stijfheid hebben magnesiumlegeringen slechts 37,2% van het gewicht van C25-staal nodig, waardoor er gewicht wordt bespaard. De twee belangrijkste gebruikte legeringselementen zijn aluminium en zink. Magnesiumlegeringen kunnen zandgegoten, permanent gegoten of gegoten zijn. De eigenschappen van zandgegoten componenten van magnesiumlegering zijn vergelijkbaar met die van permanent gegoten of gegoten componenten. De spuitgietlegeringen hebben over het algemeen een hoog kopergehalte, zodat ze uit de secundaire metalen kunnen worden gemaakt om de kosten te verlagen. Ze worden gebruikt voor het maken van autowielen, carters, enz. Hoe hoger het gehalte, hoe hoger de mechanische sterkte van met magnesium bewerkte legeringen, zoals gewalste en gesmede componenten. Magnesiumlegeringen kunnen gemakkelijk worden gelast met de meeste traditionele lasprocessen. Een zeer nuttige eigenschap van magnesiumlegeringen is hun hoge bewerkbaarheid. Ze vereisen slechts ongeveer 15% vermogen voor de bewerking vergeleken met koolstofarm staal.