Lijevanje obojenih metala

Crni metali se intenzivno koriste u inženjerskoj industriji zbog svoje superiornosti, raspona mehaničkih svojstava i nižih troškova. Ipak, obojeni metali se također koriste u raznim primjenama zbog svojih specifičnih svojstava u poređenju sa legurama željeza, uprkos njihovoj općenito visokoj cijeni. Željena mehanička svojstva se mogu postići u ovim legurama radnim kaljenjem, starenjem, itd., ali ne i normalnim procesima termičke obrade koji se koriste za legure željeza. Neki od glavnih obojenih materijala od interesa su aluminijum, bakar, cink i magnezijum

1. Aluminijum

Od svih obojenih legura, aluminijum i njegove legure su najvažniji zbog svojih odličnih svojstava. Neka od svojstava čistog aluminijuma za koje se koristi u mašinskoj industriji su:

• 1) Odlična toplotna provodljivost (0,53 cal/cm/C)
• 2) Odlična električna provodljivost (376 600/ohm/cm)
• 3) Mala gustina mase (2,7 g/cm)
• 4) Niska tačka topljenja (658C)
• 5) Odlična otpornost na koroziju
• 6) Netoksičan je.
• 7) Ima jednu od najvećih refleksivnih sposobnosti (85 do 95%) i vrlo nisku emisivnost (4 do 5%)
• 8) Veoma je mekan i duktilan zbog čega ima vrlo dobra proizvodna svojstva.

Neke od aplikacija u kojima se generalno koristi čisti aluminij su u električnim provodnicima, materijalima za rebra radijatora, jedinicama za klimatizaciju, optičkim i svjetlosnim reflektorima, te foliji i materijalima za pakovanje.

Unatoč gore navedenim korisnim primjenama, čisti aluminij nije u širokoj upotrebi zbog sljedećih problema:

• 1) Ima nisku vlačnu čvrstoću (65 MPa) i tvrdoću (20 BHN)
• 2. Veoma je teško zavariti ili lemiti.

Mehanička svojstva aluminijuma mogu se značajno poboljšati legiranjem. Glavni korišćeni legirajući elementi su bakar, mangan, silicijum, nikal i cink.

Aluminij i bakar formiraju hemijsko jedinjenje CuAl2. Iznad temperature od 548 C potpuno se rastvara u tekućem aluminijumu. Kada se ovo ugasi i veštački odleži (dugo držanje na 100 - 150C), dobija se očvrsla legura. CuAl2, koji nije ostario, nema vremena da se istaloži iz čvrstog rastvora aluminijuma i bakra i stoga je u nestabilnom položaju (superzasićen na sobnoj temperaturi). Proces starenja taloži vrlo fine čestice CuAl2, što uzrokuje jačanje legure. Ovaj proces se naziva otvrdnjavanje rastvorom.

Ostali korišćeni legirajući elementi su do 7% magnezijuma, do 1,5% mangana, do 13% silicijuma, do 2% nikla, do 5% cinka i do 1,5% gvožđa. Osim njih, u malim procentima se mogu dodati i titanijum, hrom i kolumijum. Sastav nekih tipičnih aluminijskih legura koje se koriste u trajnom kalupu i tlačnom livenju dat je u Tabeli 2. 10 s njihovom primjenom. Mehanička svojstva koja se očekuju od ovih materijala nakon livenja pomoću trajnih kalupa ili tlačnog tlačnog livenja prikazana su u tabeli 2.1.

2. Bakar

Slično aluminijumu, čisti bakar takođe nalazi široku primenu zbog svojih sledećih svojstava

• 1) Električna provodljivost čistog bakra je visoka (5,8 x 105 /ohm/cm) u svom najčistijem obliku. Svaka mala nečistoća drastično smanjuje provodljivost. Na primjer, 0,1% fosfora smanjuje provodljivost za 40%.
• 2) Ima veoma visoku toplotnu provodljivost (0,92 cal/cm/C)
• 3) To je teški metal (specifična težina 8,93)
• 4) Može se lako spojiti lemljenjem
• 5) Otporan je na koroziju,
• 6) Ima ugodnu boju.

Čisti bakar se koristi u proizvodnji električnih žica, sabirnica, prijenosnih kablova, cijevi za hladnjake i cjevovoda.

Mehanička svojstva bakra u njegovom najčistijem stanju nisu baš dobra. Mekan je i relativno slab. Može se profitabilno legirati radi poboljšanja mehaničkih svojstava. Glavni korišćeni legirajući elementi su cink, kalaj, olovo i fosfor.

Legure bakra i cinka nazivaju se mesingi. Sa sadržajem cinka do 39%, bakar formira jednofaznu (α-fazu) strukturu. Takve legure imaju visoku duktilnost. Boja legure ostaje crvena do sadržaja cinka od 20%, ali nakon toga postaje žuta. Druga strukturna komponenta koja se zove β-faza pojavljuje se između 39 do 46% cinka. To je zapravo intermetalno jedinjenje CuZn koje je odgovorno za povećanu tvrdoću. Čvrstoća mesinga se dodatno povećava kada se dodaju male količine mangana i nikla.

Legure bakra i kalaja nazivaju se bronzama. Tvrdoća i čvrstoća bronze se povećavaju sa smanjenjem sadržaja kalaja. Duktilnost se takođe smanjuje sa povećanjem procenta kalaja iznad 5. Kada se doda i aluminijum (4 do 11%), rezultujuća legura se naziva aluminijumska bronza, koja ima znatno veću otpornost na koroziju. Bronze su relativno skupe u poređenju sa mesingom zbog prisustva kalaja koji je skup metal.

3. Ostali obojeni metali

Cink

Cink se uglavnom koristi u inženjerstvu zbog niske temperature topljenja (419,4 C) i veće otpornosti na koroziju, koja se povećava sa čistoćom cinka. Otpornost na koroziju je uzrokovana stvaranjem zaštitnog oksidnog premaza na površini. Glavne primjene cinka su u pocinčavanju za zaštitu čelika od korozije, u štamparskoj industriji i za livenje pod pritiskom.

Nedostaci cinka su jaka anizotropija koja se ispoljava u deformisanim uslovima, nedostatak dimenzionalne stabilnosti u uslovima starenja, smanjenje udarne čvrstoće na nižim temperaturama i podložnost intergranularnoj koroziji. Ne može se koristiti za rad na temperaturi iznad 95.C jer će uzrokovati značajno smanjenje vlačne čvrstoće i tvrdoće.

Njegova široka upotreba u odljevcima pod tlakom je zato što zahtijeva niži pritisak, što rezultira dužim vijekom trajanja u usporedbi s drugim legurama za tlačno livenje. Nadalje, ima vrlo dobru obradivost. Završna obrada dobijena livenjem cinka često je adekvatna da opravda bilo kakvu dalju obradu, osim uklanjanja blica prisutne u ravni razdvajanja.

Magnezijum

Zbog svoje male težine i dobre mehaničke čvrstoće, legure magnezija se koriste pri vrlo velikim brzinama. Za istu krutost, legure magnezijuma zahtijevaju samo 37,2% težine čelika C25 čime se štedi na težini. Dva glavna korišćena legirajuća elementa su aluminijum i cink. Legure magnezija mogu biti livene u pijesku, trajne kalupe ili livene pod pritiskom. Svojstva komponenata legure magnezijuma livenih u pesak su uporedive sa osobinama trajnih livenih ili livenih komponenti pod pritiskom. Legure za tlačno livenje generalno imaju visok sadržaj bakra kako bi im se omogućilo da budu napravljene od sekundarnih metala kako bi se smanjili troškovi. Koriste se za izradu automobilskih točkova, kućišta radilice itd. Što je veći sadržaj, veća je mehanička čvrstoća legura kovanih magnezijumom kao što su valjane i kovane komponente. Legure magnezija mogu se lako zavariti većinom tradicionalnih procesa zavarivanja. Vrlo korisno svojstvo legura magnezijuma je njihova visoka obradivost. Oni zahtevaju samo oko 15% snage za mašinsku obradu u poređenju sa niskougljičnim čelikom.