ریخته گری فلزات غیر آهنی

فلزات آهنی به دلیل برتری، دامنه خواص مکانیکی و هزینه کمتر، به طور گسترده در صنایع مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، فلزات غیرآهنی نیز به دلیل خواص خاص خود در مقایسه با آلیاژهای آهنی علیرغم هزینه به طور کلی بالا، در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. خواص مکانیکی مطلوب را می توان در این آلیاژها با سخت کاری، سخت شدن سن و غیره به دست آورد، اما نه از طریق فرآیندهای عملیات حرارتی معمولی که برای آلیاژهای آهنی استفاده می شود. برخی از اصلی ترین مواد غیر آهنی مورد علاقه عبارتند از آلومینیوم، مس، روی و منیزیم.

1. آلومینیوم

در بین همه آلیاژهای غیر آهنی، آلومینیوم و آلیاژهای آن به دلیل خواص عالیشان از همه مهمتر هستند. برخی از خواص آلومینیوم خالص که برای آن در صنایع مهندسی استفاده می شود عبارتند از:

• 1) هدایت حرارتی عالی (0.53 کالری بر سانتی متر / سانتی متر)
• 2) هدایت الکتریکی عالی (376 600/اهم/سانتی متر)
• 3) چگالی جرمی کم (2.7 گرم بر سانتی متر)
• 4) نقطه ذوب پایین (658C)
• 5) مقاومت در برابر خوردگی عالی
• 6) غیر سمی است.
• 7) دارای یکی از بالاترین انعکاس (85 تا 95%) و گسیل بسیار کم (4 تا 5%) است.
• 8) بسیار نرم و انعطاف پذیر است که در نتیجه خواص ساخت بسیار خوبی دارد.

برخی از کاربردهایی که در آن آلومینیوم خالص به طور کلی استفاده می شود در هادی های الکتریکی، مواد پره رادیاتور، واحدهای تهویه مطبوع، بازتابنده های نوری و نور، و فویل ها و مواد بسته بندی است.

با وجود کاربردهای مفید فوق، آلومینیوم خالص به دلیل مشکلات زیر به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد:

• 1) دارای استحکام کششی کم (65 مگاپاسکال) و سختی (20 BHN)
• 2. جوش یا لحیم کاری بسیار مشکل است.

خواص مکانیکی آلومینیوم را می توان به طور قابل ملاحظه ای با آلیاژسازی بهبود بخشید. عناصر آلیاژی اصلی مورد استفاده عبارتند از مس، منگنز، سیلیکون، نیکل و روی.

آلومینیوم و مس ترکیب شیمیایی CuAl2 را تشکیل می دهند. در دمای بالای 548 درجه سانتیگراد به طور کامل در آلومینیوم مایع حل می شود. هنگامی که این ماده خاموش شد و به طور مصنوعی پیر شد (نگهداری طولانی مدت در دمای 100 تا 150 درجه سانتیگراد)، آلیاژ سخت شده به دست می آید. CuAl2 که پیر نشده است زمان لازم برای رسوب از محلول جامد آلومینیوم و مس را ندارد و بنابراین در موقعیت ناپایدار قرار می گیرد (در دمای اتاق فوق العاده اشباع شده است). فرآیند پیری ذرات بسیار ریز CuAl2 را رسوب می دهد که باعث تقویت آلیاژ می شود. این فرآیند سخت شدن محلول نامیده می شود.

سایر عناصر آلیاژی مورد استفاده تا 7 درصد منیزیم، تا 1.5 درصد منگنز، تا 13 درصد سیلیکون، تا 2 درصد نیکل، تا 5 درصد روی و تا 1.5 درصد آهن هستند. علاوه بر اینها، تیتانیوم، کروم و کلمبیوم نیز ممکن است در درصدهای کمی اضافه شوند. ترکیب برخی از آلیاژهای آلومینیوم معمولی مورد استفاده در قالب گیری دائمی و ریخته گری دایکست در جدول 2. 10 به همراه کاربردهای آنها آورده شده است. خواص مکانیکی مورد انتظار از این مواد پس از ریخته گری با استفاده از قالب های دائمی یا ریخته گری تحت فشار در جدول 2.1 نشان داده شده است.

2. مس

مشابه آلومینیوم، مس خالص نیز به دلیل خواص زیر کاربرد وسیعی پیدا می کند

• 1) رسانایی الکتریکی مس خالص در خالص ترین شکل آن بالا است (5.8 x 105 / اهم / سانتی متر). هر ناخالصی کوچک رسانایی را به شدت کاهش می دهد. به عنوان مثال، 0.1٪ فسفر رسانایی را تا 40٪ کاهش می دهد.
• 2) هدایت حرارتی بسیار بالایی دارد (0.92 cal/cm/C)
• 3) یک فلز سنگین است (وزن مخصوص 8.93)
• 4) با لحیم کاری می توان آن را به راحتی به یکدیگر متصل کرد
• 5) در برابر خوردگی مقاومت می کند،
• 6) رنگ دلپذیری دارد.

مس خالص در ساخت سیم برق، باس بار، کابل های انتقال، لوله های یخچال و لوله کشی استفاده می شود.

خواص مکانیکی مس در خالص ترین حالت آن چندان خوب نیست. نرم و نسبتا ضعیف است. می توان آن را به طور سودآوری برای بهبود خواص مکانیکی آلیاژ کرد. عناصر آلیاژی اصلی مورد استفاده روی، قلع، سرب و فسفر هستند.

آلیاژهای مس و روی را برنج می نامند. با محتوای روی تا 39٪، مس یک ساختار تک فاز (α-فاز) را تشکیل می دهد. چنین آلیاژهایی شکل پذیری بالایی دارند. رنگ آلیاژ تا 20 درصد روی قرمز باقی می ماند، اما بیشتر از آن زرد می شود. دومین جزء ساختاری به نام فاز β بین 39 تا 46 درصد روی ظاهر می شود. این در واقع ترکیب بین فلزی CuZn است که مسئول افزایش سختی است. هنگامی که مقادیر کمی منگنز و نیکل به آن اضافه می شود، استحکام برنج بیشتر می شود.

آلیاژهای مس با قلع را برنز می نامند. سختی و استحکام برنز با کاهش محتوای قلع افزایش می یابد. شکل پذیری نیز با افزایش درصد قلع بالای 5 کاهش می یابد. هنگامی که آلومینیوم نیز اضافه می شود (4 تا 11%)، آلیاژ حاصل را آلومینیوم برنز می نامند که مقاومت به خوردگی قابل توجهی بیشتری دارد. برنزها به دلیل وجود قلع که یک فلز گران قیمت است در مقایسه با برنج گران هستند.

3. سایر فلزات غیر آهنی

روی

روی به دلیل دمای ذوب پایین (419.4 درجه سانتیگراد) و مقاومت در برابر خوردگی بالاتر، که با خلوص روی افزایش می یابد، عمدتاً در مهندسی استفاده می شود. مقاومت در برابر خوردگی به دلیل تشکیل یک پوشش اکسید محافظ روی سطح ایجاد می شود. کاربردهای اصلی روی در گالوانیزه کردن برای محافظت از فولاد در برابر خوردگی، در صنعت چاپ و ریخته گری دایکاست.

از معایب روی می توان به ناهمسانگردی قوی در شرایط تغییر شکل، عدم ثبات ابعادی در شرایط پیری، کاهش مقاومت ضربه در دماهای پایین تر و حساسیت به خوردگی بین دانه ای اشاره کرد. برای سرویس دهی بالاتر از 95 درجه سانتیگراد نمی توان از آن استفاده کرد زیرا باعث کاهش قابل توجه استحکام کششی و سختی می شود.

استفاده گسترده از آن در ریخته گری به این دلیل است که به فشار کمتری نیاز دارد که در مقایسه با سایر آلیاژهای دایکاست، عمر قالب بیشتری را به همراه دارد. علاوه بر این، ماشین کاری بسیار خوبی دارد. پایان به دست آمده توسط دایکاست روی اغلب برای تضمین هر گونه پردازش بیشتر کافی است، به جز حذف فلاش موجود در صفحه جداسازی.

منیزیم

آلیاژهای منیزیم به دلیل وزن سبک و استحکام مکانیکی خوب در سرعت های بسیار بالا مورد استفاده قرار می گیرند. برای سختی یکسان، آلیاژهای منیزیم تنها به 2/37 درصد از وزن فولاد C25 نیاز دارند، بنابراین در وزن صرفه جویی می شود. دو عنصر آلیاژی اصلی مورد استفاده آلومینیوم و روی هستند. آلیاژهای منیزیم می توانند ماسه ریخته گری، قالب دائمی یا دایکاست باشند. خواص اجزای آلیاژ منیزیم ریخته گری شن و ماسه قابل مقایسه با اجزای قالب دائمی یا دایکاست است. آلیاژهای دایکاست معمولاً دارای محتوای مس بالایی هستند به طوری که به آنها اجازه می دهد از فلزات ثانویه برای کاهش هزینه ها ساخته شوند. از آنها برای ساخت چرخ خودرو، جعبه میل لنگ و غیره استفاده می شود. هر چه محتوای آن بیشتر باشد، استحکام مکانیکی آلیاژهای منیزیم کاری شده مانند قطعات نورد شده و آهنگری بیشتر است. آلیاژهای منیزیم را می توان به راحتی توسط اکثر فرآیندهای جوشکاری سنتی جوش داد. یکی از خواص بسیار مفید آلیاژهای منیزیم، ماشین کاری بالای آنها است. آنها در مقایسه با فولاد کم کربن، تنها به حدود 15 درصد نیرو برای ماشینکاری نیاز دارند.