Đúc kim loại màu

Kim loại màu được sử dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật vì tính ưu việt, nhiều tính chất cơ học và chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, kim loại màu cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ các đặc tính cụ thể của chúng so với hợp kim sắt mặc dù giá thành của chúng thường cao. Các tính chất cơ học mong muốn có thể đạt được trong các hợp kim này bằng cách làm cứng, làm cứng do lão hóa, v.v., nhưng không phải thông qua các quy trình xử lý nhiệt thông thường được sử dụng cho hợp kim sắt. Một số vật liệu kim loại màu được quan tâm chính là nhôm, đồng, kẽm và magie

1. Nhôm

Trong số tất cả các hợp kim màu, nhôm và hợp kim của nó là quan trọng nhất vì tính chất tuyệt vời của chúng. Một số tính chất của nhôm nguyên chất được sử dụng trong ngành kỹ thuật là:

• 1) Độ dẫn nhiệt tuyệt vời (0,53 cal/cm/C)
• 2) Độ dẫn điện tốt (376 600/ohm/cm)
• 3) Mật độ khối lượng thấp (2,7 g/cm3)
• 4) Điểm nóng chảy thấp (658C)
• 5) Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời
• 6) Nó không độc hại.
• 7) Nó có một trong những độ phản xạ cao nhất (85 đến 95%) và độ phát xạ rất thấp (4 đến 5%)
• 8) Nó rất mềm và dẻo do đó nó có đặc tính sản xuất rất tốt.

Một số ứng dụng mà nhôm nguyên chất thường được sử dụng là làm dây dẫn điện, vật liệu tản nhiệt, bộ điều hòa không khí, gương phản xạ quang học và ánh sáng, giấy bạc và vật liệu đóng gói.

Mặc dù có những ứng dụng hữu ích nêu trên nhưng nhôm nguyên chất không được sử dụng rộng rãi vì những vấn đề sau:

• 1) Nó có độ bền kéo thấp (65 MPa) và độ cứng (20 BHN)
• 2. Rất khó hàn hoặc hàn.

Các tính chất cơ học của nhôm có thể được cải thiện đáng kể bằng cách hợp kim hóa. Các nguyên tố hợp kim chính được sử dụng là đồng, mangan, silicon, niken và kẽm.

Nhôm và đồng tạo thành hợp chất hóa học CuAl2. Trên nhiệt độ 548 C nó hòa tan hoàn toàn trong nhôm lỏng. Khi chất này được làm nguội và già đi một cách nhân tạo (giữ lâu ở nhiệt độ 100 - 150C), sẽ thu được hợp kim cứng. CuAl2 chưa già đi nên không có thời gian kết tủa từ dung dịch rắn của nhôm và đồng và do đó ở trạng thái không ổn định (siêu bão hòa ở nhiệt độ phòng). Quá trình lão hóa kết tủa các hạt CuAl2 rất mịn, gây ra sự tăng cường độ bền của hợp kim. Quá trình này được gọi là làm cứng dung dịch.

Các nguyên tố hợp kim khác được sử dụng lên tới 7% magie, 1,5% mangan, 13% silicon, 2% niken, 5% kẽm và 1,5% sắt. Ngoài ra, titan, crom và columbium cũng có thể được thêm vào với tỷ lệ nhỏ. Thành phần của một số hợp kim nhôm điển hình được sử dụng trong đúc cố định và đúc khuôn được nêu trong Bảng 2.10 cùng với các ứng dụng của chúng. Các tính chất cơ học mong đợi của các vật liệu này sau khi được đúc bằng khuôn cố định hoặc đúc áp lực được thể hiện trong Bảng 2.1

2. Đồng

Tương tự như nhôm, đồng nguyên chất cũng được ứng dụng rộng rãi vì nó có những đặc tính sau:

• 1) Độ dẫn điện của đồng nguyên chất cao (5,8 x 105 /ohm/cm) ở dạng nguyên chất. Bất kỳ tạp chất nhỏ nào cũng làm giảm độ dẫn điện một cách đáng kể. Ví dụ, 0,1% phốt pho làm giảm độ dẫn điện 40%.
• 2) Nó có độ dẫn nhiệt rất cao (0,92 cal/cm/C)
• 3) Nó là kim loại nặng (trọng lượng riêng 8,93)
• 4) Nó có thể dễ dàng được nối với nhau bằng cách hàn
• 5) Nó chống ăn mòn,
• 6) Nó có màu sắc dễ chịu.

Đồng nguyên chất được sử dụng trong sản xuất dây điện, thanh cái, cáp truyền tải, ống tủ lạnh và đường ống.

Tính chất cơ học của đồng ở trạng thái tinh khiết nhất không tốt lắm. Nó mềm và tương đối yếu. Nó có thể được hợp kim hóa một cách có lợi để cải thiện tính chất cơ học. Các nguyên tố hợp kim chính được sử dụng là kẽm, thiếc, chì và phốt pho.

Hợp kim của đồng và kẽm được gọi là đồng thau. Với hàm lượng kẽm lên tới 39%, đồng tạo thành cấu trúc một pha (pha α). Hợp kim như vậy có độ dẻo cao. Màu của hợp kim vẫn là màu đỏ cho đến hàm lượng kẽm là 20%, nhưng sau đó nó sẽ chuyển sang màu vàng. Thành phần cấu trúc thứ hai được gọi là pha β xuất hiện trong khoảng 39 đến 46% kẽm. Nó thực sự là hợp chất liên kim loại CuZn chịu trách nhiệm làm tăng độ cứng. Độ bền của đồng thau sẽ tăng hơn nữa khi thêm một lượng nhỏ mangan và niken.

Hợp kim của đồng với thiếc được gọi là đồng thau. Độ cứng và độ bền của đồng tăng lên khi hàm lượng thiếc tăng lên. Độ dẻo cũng giảm khi tăng tỷ lệ thiếc trên 5. Khi nhôm cũng được thêm vào (4 đến 11%), hợp kim thu được được gọi là đồng nhôm, có khả năng chống ăn mòn cao hơn đáng kể. Đồ đồng tương đối đắt so với đồng thau do có chứa thiếc, một kim loại đắt tiền.

3. Kim loại màu khác

kẽm

Kẽm chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật vì nhiệt độ nóng chảy thấp (419,4 C) và khả năng chống ăn mòn cao hơn, tăng theo độ tinh khiết của kẽm. Khả năng chống ăn mòn là do sự hình thành lớp phủ oxit bảo vệ trên bề mặt. Các ứng dụng chính của kẽm là mạ kẽm để bảo vệ thép khỏi bị ăn mòn, trong ngành in và đúc khuôn.

Nhược điểm của kẽm là tính dị hướng mạnh biểu hiện trong điều kiện biến dạng, thiếu ổn định kích thước trong điều kiện lão hóa, giảm độ bền va đập ở nhiệt độ thấp hơn và dễ bị ăn mòn giữa các hạt. Nó không thể được sử dụng cho dịch vụ ở nhiệt độ trên 95.C vì nó sẽ làm giảm đáng kể độ bền kéo và độ cứng.

Việc sử dụng rộng rãi nó trong đúc khuôn là vì nó đòi hỏi áp suất thấp hơn, dẫn đến tuổi thọ khuôn cao hơn so với các hợp kim đúc khuôn khác. Hơn nữa, nó có khả năng gia công rất tốt. Lớp hoàn thiện thu được bằng phương pháp đúc khuôn kẽm thường đủ để đảm bảo cho bất kỳ quá trình xử lý nào tiếp theo, ngoại trừ việc loại bỏ tia chớp có trong mặt phẳng phân khuôn.

Magie

Do trọng lượng nhẹ và độ bền cơ học tốt nên hợp kim magiê được sử dụng ở tốc độ rất cao. Với cùng độ cứng, hợp kim magie chỉ cần 37,2% trọng lượng của thép C25 do đó tiết kiệm trọng lượng. Hai nguyên tố hợp kim chính được sử dụng là nhôm và kẽm. Hợp kim magiê có thể được đúc bằng cát, đúc khuôn cố định hoặc đúc khuôn. Các đặc tính của các thành phần hợp kim magiê đúc trong cát có thể so sánh với các đặc tính của các thành phần đúc khuôn cố định hoặc đúc khuôn. Các hợp kim đúc thường có hàm lượng đồng cao nên có thể chế tạo chúng từ kim loại thứ cấp để giảm chi phí. Chúng được sử dụng để chế tạo bánh xe ô tô, hộp trục khuỷu, v.v. Hàm lượng càng cao thì độ bền cơ học của hợp kim magie rèn như các bộ phận được cán và rèn càng cao. Hợp kim magiê có thể được hàn dễ dàng bằng hầu hết các quy trình hàn truyền thống. Một đặc tính rất hữu ích của hợp kim magiê là khả năng gia công cao. Chúng chỉ cần khoảng 15% năng lượng để gia công so với thép cacbon thấp.