Lití neželezných kovů

Železné kovy jsou široce používány ve strojírenském průmyslu kvůli jejich nadřazenosti, řadě mechanických vlastností a nižším nákladům. Neželezné kovy se však také používají v různých aplikacích pro jejich specifické vlastnosti ve srovnání se železnými slitinami, a to i přes jejich obecně vysokou cenu. Požadované mechanické vlastnosti lze u těchto slitin získat mechanickým zpevněním, stárnutím atd., ale ne normálními procesy tepelného zpracování používaných pro slitiny železa. Některé z hlavních zajímavých neželezných materiálů jsou hliník, měď, zinek a hořčík

1. Hliník

Ze všech neželezných slitin je hliník a jeho slitiny nejdůležitější pro své vynikající vlastnosti. Některé z vlastností čistého hliníku, pro které se používá ve strojírenském průmyslu, jsou:

• 1) Vynikající tepelná vodivost (0,53 cal/cm/C)
• 2) Vynikající elektrická vodivost (376 600/ohm/cm)
• 3) Nízká hmotnostní hustota (2,7 g/cm)
• 4) Nízký bod tání (658 °C)
• 5) Vynikající odolnost proti korozi
• 6) Je netoxický.
• 7) Má jednu z nejvyšších odrazivostí (85 až 95 %) a velmi nízkou emisivitu (4 až 5 %)
• 8) Je velmi měkký a tažný, díky čemuž má velmi dobré výrobní vlastnosti.

Některé z aplikací, kde se obecně používá čistý hliník, jsou elektrické vodiče, materiály žeber radiátorů, klimatizační jednotky, optické a světelné reflektory a fólie a obalové materiály.

Navzdory výše uvedeným užitečným aplikacím není čistý hliník široce používán kvůli následujícím problémům:

• 1) Má nízkou pevnost v tahu (65 MPa) a tvrdost (20 BHN)
• 2. Je velmi obtížné svařovat nebo pájet.

Mechanické vlastnosti hliníku lze podstatně zlepšit legováním. Hlavními používanými legujícími prvky jsou měď, mangan, křemík, nikl a zinek.

Hliník a měď tvoří chemickou sloučeninu CuAl2. Nad teplotou 548 C se zcela rozpouští v tekutém hliníku. Když je tento kalen a uměle stárnut (dlouhodobá výdrž při 100 - 150 C), získá se vytvrzená slitina. CuAl2, který není stárnutý, se nestihne vysrážet z tuhého roztoku hliníku a mědi a je tak v nestabilní poloze (přesycený při pokojové teplotě). Procesem stárnutí se vysrážejí velmi jemné částice CuAl2, což způsobuje zpevnění slitiny. Tento proces se nazývá vytvrzování roztokem.

Dalšími použitými legujícími prvky jsou do 7 % hořčíku, do 1,5 % manganu, do 13 % křemíku, do 2 % niklu, do 5 % zinku a do 1,5 % železa. Kromě toho lze v malých procentech přidat také titan, chrom a kolumbium. Složení některých typických hliníkových slitin používaných při trvalém tváření a tlakovém lití je uvedeno v tabulce 2. 10 s jejich aplikacemi. Mechanické vlastnosti očekávané od těchto materiálů po jejich odlití pomocí trvalých forem nebo tlakového lití jsou uvedeny v tabulce 2.1

2. Měď

Podobně jako hliník nachází i čistá měď široké uplatnění díky svým následujícím vlastnostem

• 1) Elektrická vodivost čisté mědi je vysoká (5,8 x 105 /ohm/cm) v její nejčistší formě. Jakákoli malá nečistota drasticky snižuje vodivost. Například 0,1 % fosforu snižuje vodivost o 40 %.
• 2) Má velmi vysokou tepelnou vodivost (0,92 cal/cm/C)
• 3) Je to těžký kov (měrná hmotnost 8,93)
• 4) Lze je snadno spojit pájením
• 5) Odolává korozi,
• 6) Má příjemnou barvu.

Čistá měď se používá při výrobě elektrických vodičů, sběrnic, přenosových kabelů, trubek a potrubí chladniček.

Mechanické vlastnosti mědi v jejím nejčistším stavu nejsou příliš dobré. Je měkký a poměrně slabý. Pro zlepšení mechanických vlastností jej lze výhodně legovat. Hlavními používanými legujícími prvky jsou zinek, cín, olovo a fosfor.

Slitiny mědi a zinku se nazývají mosaz. S obsahem zinku do 39 % tvoří měď jednofázovou (α-fázovou) strukturu. Takové slitiny mají vysokou tažnost. Barva slitiny zůstává červená až do obsahu zinku 20 %, ale poté se stává žlutou. Druhá strukturální složka zvaná β-fáze se objevuje mezi 39 až 46 % zinku. Je to vlastně intermetalická sloučenina CuZn, která je zodpovědná za zvýšenou tvrdost. Pevnost mosazi se dále zvýší přidáním malého množství manganu a niklu.

Slitiny mědi s cínem se nazývají bronzy. Tvrdost a pevnost bronzu se zvyšuje se záhybem v obsahu cínu. Tažnost se také snižuje se zvýšením procenta cínu nad 5. Když se přidá také hliník (4 až 11 %), výsledná slitina se nazývá hliníkový bronz, který má podstatně vyšší odolnost proti korozi. Bronzy jsou ve srovnání s mosazi poměrně drahé kvůli přítomnosti cínu, který je drahý kov.

3. Ostatní neželezné kovy

Zinek

Zinek se používá hlavně ve strojírenství kvůli jeho nízké teplotě tání (419,4 C) a vyšší odolnosti proti korozi, která se zvyšuje s čistotou zinku. Odolnost proti korozi je způsobena tvorbou ochranného oxidového povlaku na povrchu. Hlavní aplikace zinku jsou v galvanizaci k ochraně oceli před korozí, v polygrafickém průmyslu a pro tlakové lití.

Nevýhody zinku jsou silná anizotropie projevující se za deformovaných podmínek, nedostatečná rozměrová stabilita za podmínek stárnutí, snížení rázové houževnatosti při nižších teplotách a náchylnost k mezikrystalové korozi. Nelze jej použít pro provoz nad teplotou 95 °C, protože způsobí podstatné snížení pevnosti v tahu a tvrdosti.

Jeho široké použití při tlakovém lití je způsobeno tím, že vyžaduje nižší tlak, což má za následek vyšší životnost formy ve srovnání s jinými slitinami pro tlakové lití. Dále má velmi dobrou obrobitelnost. Povrchová úprava získaná tlakovým litím zinku je často dostatečná k tomu, aby zaručila jakékoli další zpracování, s výjimkou odstranění otřepů přítomných v dělicí rovině.

Hořčík

Díky své nízké hmotnosti a dobré mechanické pevnosti se slitiny hořčíku používají při velmi vysokých rychlostech. Pro stejnou tuhost vyžadují slitiny hořčíku pouze 37,2 % hmotnosti oceli C25, čímž se ušetří na hmotnosti. Dva hlavní použité legující prvky jsou hliník a zinek. Slitiny hořčíku mohou být lité do písku, lité do formy nebo tlakové lití. Vlastnosti součástí z hořčíkové slitiny odlévané do písku jsou srovnatelné s vlastnostmi součástí litých do stálých forem nebo tlakově litých součástí. Slitiny pro tlakové lití mají obecně vysoký obsah mědi, takže je lze vyrábět ze sekundárních kovů, aby se snížily náklady. Používají se pro výrobu automobilových kol, klikových skříní atd. Čím vyšší je obsah, tím vyšší je mechanická pevnost slitin hořčíku tvářených, jako jsou válcované a kované součásti. Hořčíkové slitiny lze snadno svařovat většinou tradičních svařovacích procesů. Velmi užitečnou vlastností hořčíkových slitin je jejich vysoká obrobitelnost. Ve srovnání s nízkouhlíkovou ocelí vyžadují pouze asi 15 % výkonu pro obrábění.