การหล่อโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก

โลหะกลุ่มเหล็กถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมวิศวกรรม เนื่องจากมีความเหนือกว่า มีคุณสมบัติทางกลที่หลากหลาย และต้นทุนที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม โลหะที่ไม่ใช่เหล็กยังถูกนำมาใช้ในการใช้งานต่างๆ เพื่อให้ได้คุณสมบัติเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมที่เป็นเหล็ก แม้ว่าโดยทั่วไปจะมีราคาสูงก็ตาม คุณสมบัติทางกลที่ต้องการสามารถหาได้ในโลหะผสมเหล่านี้โดยการชุบแข็งในงาน การชุบแข็งตามอายุ ฯลฯ แต่ไม่ผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนตามปกติที่ใช้สำหรับโลหะผสมเหล็ก วัสดุหลักที่ไม่ใช่เหล็กบางชนิดที่น่าสนใจ ได้แก่ อะลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี และแมกนีเซียม

1.อลูมิเนียม

ในบรรดาโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็กทั้งหมด อลูมิเนียมและโลหะผสมของอลูมิเนียมมีความสำคัญมากที่สุดเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติบางประการของอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมวิศวกรรม ได้แก่:

• 1) การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม (0.53 cal/cm/C)
• 2) การนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม (376 600/โอห์ม/ซม.)
• 3) ความหนาแน่นมวลต่ำ (2.7 กรัม/ซม.)
• 4) จุดหลอมเหลวต่ำ (658C)
• 5) ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม
• 6) ไม่เป็นพิษ
• 7) มีอัตราการสะท้อนแสงสูงสุด (85 ถึง 95%) และมีการแผ่รังสีต่ำมาก (4 ถึง 5%)
• 8) มันนุ่มและเหนียวมากซึ่งเป็นผลมาจากคุณสมบัติการผลิตที่ดีมาก

การใช้งานบางอย่างที่อลูมิเนียมบริสุทธิ์โดยทั่วไปถูกนำมาใช้ในตัวนำไฟฟ้า วัสดุครีบหม้อน้ำ หน่วยเครื่องปรับอากาศ ตัวสะท้อนแสงและแสง รวมถึงวัสดุฟอยล์และบรรจุภัณฑ์

แม้ว่าการใช้งานดังกล่าวจะมีประโยชน์ข้างต้น แต่อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ก็ยังไม่มีการใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากปัญหาต่อไปนี้:

• 1) มีความต้านทานแรงดึงต่ำ (65 MPa) และความแข็ง (20 BHN)
• 2. การเชื่อมหรือบัดกรีเป็นเรื่องยากมาก

คุณสมบัติทางกลของอลูมิเนียมสามารถปรับปรุงได้อย่างมากโดยการผสม ธาตุผสมหลักที่ใช้ ได้แก่ ทองแดง แมงกานีส ซิลิคอน นิกเกิล และสังกะสี

อลูมิเนียมและทองแดงเกิดเป็นสารประกอบทางเคมี CuAl2 เหนืออุณหภูมิ 548 C จะละลายหมดในอะลูมิเนียมเหลว เมื่อสิ่งนี้ดับลงและมีอายุเทียม (คงไว้ที่อุณหภูมิ 100 - 150C เป็นเวลานาน) จะได้โลหะผสมที่แข็งตัวแล้ว CuAl2 ซึ่งไม่บ่มจะไม่มีเวลาตกตะกอนจากสารละลายของแข็งของอะลูมิเนียมและทองแดง ดังนั้นจึงอยู่ในตำแหน่งที่ไม่เสถียร (อิ่มตัวมากที่อุณหภูมิห้อง) กระบวนการชราภาพจะตกตะกอนอนุภาคที่ละเอียดมากของ CuAl2 ซึ่งทำให้เกิดการเสริมความแข็งแกร่งของโลหะผสม กระบวนการนี้เรียกว่าการชุบแข็งสารละลาย

ธาตุผสมอื่นๆ ที่ใช้ได้แก่ แมกนีเซียม สูงสุด 7% แมงกานีส สูงสุด 1.5% ซิลิคอน สูงสุด 13% นิกเกิล สูงสุด 2% สังกะสี สูงสุด 5% และเหล็ก สูงสุด 1.5% นอกจากนี้ อาจเติมไทเทเนียม โครเมียม และโคลัมเบียมเป็นเปอร์เซ็นต์เล็กน้อย องค์ประกอบของโลหะผสมอะลูมิเนียมทั่วไปบางชนิดที่ใช้ในการขึ้นรูปถาวรและการหล่อแบบตายตัวแสดงไว้ในตารางที่ 2 10 พร้อมการใช้งาน สมบัติทางกลที่คาดหวังของวัสดุเหล่านี้หลังจากหล่อโดยใช้แม่พิมพ์ถาวรหรือการหล่อด้วยแรงดันแสดงไว้ในตารางที่ 2.1

2. ทองแดง

เช่นเดียวกับอะลูมิเนียม ทองแดงบริสุทธิ์ยังพบการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

• 1) ค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงบริสุทธิ์สูง (5.8 x 105 /โอห์ม/ซม.) ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุด สิ่งเจือปนเล็กๆ น้อยๆ จะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าลดลงอย่างมาก ตัวอย่างเช่น 0. 1% ฟอสฟอรัสจะลดค่าการนำไฟฟ้าลง 40%
• 2) มีค่าการนำความร้อนสูงมาก (0.92 cal/cm/C)
• 3) เป็นโลหะหนัก (ความถ่วงจำเพาะ 8.93)
• 4) สามารถต่อเข้าด้วยกันได้โดยการบัดกรี
• 5) ต้านทานการกัดกร่อน
• 6) มีสีสันสวยงาม

ทองแดงบริสุทธิ์ใช้ในการผลิตสายไฟ บัสบาร์ สายส่ง ท่อและท่อตู้เย็น

สมบัติทางกลของทองแดงในสถานะที่บริสุทธิ์ที่สุดนั้นไม่ค่อยดีนัก มันอ่อนและค่อนข้างอ่อนแอ สามารถผสมได้อย่างมีกำไรเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล ธาตุผสมหลักที่ใช้ ได้แก่ สังกะสี ดีบุก ตะกั่ว และฟอสฟอรัส

โลหะผสมของทองแดงและสังกะสีเรียกว่าทองเหลือง ด้วยปริมาณสังกะสีสูงถึง 39% ทองแดงจึงสร้างโครงสร้างเฟสเดียว (เฟสα) โลหะผสมดังกล่าวมีความเหนียวสูง สีของโลหะผสมยังคงเป็นสีแดงจนถึงปริมาณสังกะสี 20% แต่เกินกว่านั้นจะกลายเป็นสีเหลือง ส่วนประกอบโครงสร้างที่สองที่เรียกว่า β-phase จะปรากฏระหว่าง 39 ถึง 46% ของสังกะสี จริงๆ แล้วมันคือสารประกอบระหว่างโลหะ CuZn ซึ่งมีหน้าที่เพิ่มความแข็ง ความแข็งแรงของทองเหลืองจะเพิ่มขึ้นอีกเมื่อเติมแมงกานีสและนิกเกิลในปริมาณเล็กน้อย

โลหะผสมของทองแดงกับดีบุกเรียกว่าสัมฤทธิ์ ความแข็งและความแข็งแรงของทองแดงจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีรอยพับของดีบุก ความเหนียวก็ลดลงเช่นกันเมื่อเปอร์เซ็นต์ดีบุกเพิ่มขึ้นมากกว่า 5 เมื่อเติมอะลูมิเนียมด้วย (4 ถึง 11%) โลหะผสมที่ได้จะเรียกว่าอลูมิเนียมบรอนซ์ ซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่ามาก บรอนซ์มีราคาค่อนข้างแพงเมื่อเทียบกับทองเหลืองเนื่องจากมีดีบุกซึ่งเป็นโลหะที่มีราคาแพง

3. โลหะที่ไม่ใช่เหล็กอื่นๆ

สังกะสี

สังกะสีถูกใช้ในงานวิศวกรรมเป็นหลัก เนื่องจากมีอุณหภูมิหลอมละลายต่ำ (419.4 C) และมีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่า ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามความบริสุทธิ์ของสังกะสี ความต้านทานการกัดกร่อนเกิดจากการก่อตัวของสารเคลือบออกไซด์ป้องกันบนพื้นผิว การใช้งานหลักของสังกะสีคือการชุบสังกะสีเพื่อปกป้องเหล็กจากการกัดกร่อน ในอุตสาหกรรมการพิมพ์ และการหล่อแบบตายตัว

ข้อเสียของสังกะสีคือแอนไอโซโทรปีที่แข็งแกร่งซึ่งแสดงภายใต้สภาวะที่ผิดรูป การขาดความเสถียรของมิติภายใต้สภาวะการเสื่อมสภาพ ความต้านทานแรงกระแทกที่ลดลงที่อุณหภูมิต่ำลง และความไวต่อการกัดกร่อนระหว่างเม็ดเล็ก ไม่สามารถใช้บริการที่อุณหภูมิสูงกว่า 95.C ได้ เนื่องจากจะทำให้ความต้านทานแรงดึงและความแข็งลดลงอย่างมาก

การใช้กันอย่างแพร่หลายในการหล่อแบบตายตัวเป็นเพราะต้องใช้แรงดันต่ำกว่า ซึ่งส่งผลให้อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ยาวนานขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมแบบหล่อแบบอื่น นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการแปรรูปที่ดีมาก ผิวสำเร็จที่ได้จากการหล่อด้วยสังกะสีมักจะเพียงพอที่จะรับประกันการประมวลผลเพิ่มเติม ยกเว้นการถอดแฟลชที่อยู่ในระนาบการแยกออก

แมกนีเซียม

เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี แมกนีเซียมอัลลอยด์จึงถูกนำมาใช้ที่ความเร็วสูงมาก แมกนีเซียมอัลลอยด์ต้องการเพียง 37.2% ของน้ำหนักของเหล็ก C25 เพื่อให้มีความแข็งเท่ากัน จึงช่วยลดน้ำหนักได้ ธาตุผสมหลักสองชนิดที่ใช้คืออะลูมิเนียมและสังกะสี โลหะผสมแมกนีเซียมสามารถเป็นแบบหล่อทราย แบบหล่อถาวร หรือแบบหล่อแบบไดคาส คุณสมบัติของส่วนประกอบแมกนีเซียมอัลลอยด์ที่หล่อด้วยทรายนั้นเทียบได้กับคุณสมบัติของส่วนประกอบที่หล่อแบบถาวรหรือแบบหล่อขึ้นรูป โดยทั่วไปโลหะผสมหล่อขึ้นรูปจะมีปริมาณทองแดงสูงเพื่อให้สามารถทำจากโลหะทุติยภูมิเพื่อลดต้นทุน ใช้สำหรับทำล้อรถยนต์ กล่องข้อเหวี่ยง ฯลฯ ยิ่งมีปริมาณมาก ความแข็งแรงทางกลของโลหะผสมแมกนีเซียมที่ทำขึ้น เช่น ส่วนประกอบที่รีดและหลอมก็จะยิ่งสูงขึ้น โลหะผสมแมกนีเซียมสามารถเชื่อมได้อย่างง่ายดายด้วยกระบวนการเชื่อมแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ คุณสมบัติที่มีประโยชน์มากของแมกนีเซียมอัลลอยด์คือความสามารถในการแปรรูปสูง พวกเขาต้องการกำลังงานตัดเฉือนเพียงประมาณ 15% เท่านั้น เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ