Fosa de metalls no fèrrics

Els metalls ferrosos s'utilitzen àmpliament a la indústria de l'enginyeria per la seva superioritat, la seva gamma de propietats mecàniques i els seus costos més baixos. Tot i així, els metalls no fèrrics també s'utilitzen en diverses aplicacions per les seves propietats específiques en comparació amb els aliatges ferrosos malgrat el seu cost generalment elevat. Les propietats mecàniques desitjades es poden obtenir en aquests aliatges mitjançant enduriment per treball, enduriment per envelliment, etc., però no mitjançant processos de tractament tèrmic normals utilitzats per als aliatges ferrosos. Alguns dels principals materials no fèrrics d'interès són l'alumini, el coure, el zinc i el magnesi

1. Alumini

De tots els aliatges no fèrrics, l'alumini i els seus aliatges són els més importants per les seves excel·lents propietats. Algunes de les propietats de l'alumini pur per a les quals s'utilitza a la indústria de l'enginyeria són:

• 1) Excel·lent conductivitat tèrmica (0,53 cal/cm/C)
• 2) Excel·lent conductivitat elèctrica (376 600/ohm/cm)
• 3) Baixa densitat de massa (2,7 g/cm)
• 4) Punt de fusió baix (658C)
• 5) Excel·lent resistència a la corrosió
• 6) No és tòxic.
• 7) Té una de les reflectivitats més altes (del 85 al 95%) i una emissivitat molt baixa (del 4 al 5%)
• 8) És molt suau i dúctil com a resultat de la qual cosa té molt bones propietats de fabricació.

Algunes de les aplicacions on s'utilitza generalment l'alumini pur són en conductors elèctrics, materials d'aleta de radiadors, unitats d'aire condicionat, reflectors òptics i de llum i materials d'embalatge i làmines.

Malgrat les aplicacions útils anteriors, l'alumini pur no s'utilitza àmpliament a causa dels problemes següents:

• 1) Té una resistència a la tracció baixa (65 MPa) i duresa (20 BHN)
• 2. És molt difícil de soldar o soldar.

Les propietats mecàniques de l'alumini es poden millorar substancialment mitjançant l'aliatge. Els principals elements d'aliatge utilitzats són coure, manganès, silici, níquel i zinc.

L'alumini i el coure formen el compost químic CuAl2. Per sobre d'una temperatura de 548 C es dissol completament en alumini líquid. Quan s'apaga i s'envelleix artificialment (mantenció prolongada a 100 - 150ºC), s'obté un aliatge endurit. El CuAl2, que no està envellit, no té temps de precipitar de la solució sòlida d'alumini i coure i, per tant, es troba en una posició inestable (sobre-saturat a temperatura ambient). El procés d'envelliment precipita partícules molt fines de CuAl2, que provoca l'enfortiment de l'aliatge. Aquest procés s'anomena enduriment de la solució.

Els altres elements d'aliatge utilitzats són fins a un 7% de magnesi, fins a un 1,5% de manganès, fins a un 13% de silici, fins a un 2% de níquel, fins a un 5% de zinc i fins a un 1,5% de ferro. A més d'aquests, també es poden afegir titani, crom i columbi en petits percentatges. La composició d'alguns aliatges d'alumini típics utilitzats en l'emmotllament permanent i la fosa a pressió es mostra a la Taula 2.10 amb les seves aplicacions. A la taula 2.1 es mostren les propietats mecàniques que s'esperen d'aquests materials després d'haver estat fosos mitjançant motlles permanents o fosa a pressió.

2. Coure

Igual que l'alumini, el coure pur també té una àmplia aplicació a causa de les seves propietats següents

• 1) La conductivitat elèctrica del coure pur és alta (5,8 x 105 /ohm/cm) en la seva forma més pura. Qualsevol petita impuresa redueix dràsticament la conductivitat. Per exemple, 0, 1% de fòsfor redueix la conductivitat en un 40%.
• 2) Té una conductivitat tèrmica molt alta (0,92 cal/cm/C)
• 3) És un metall pesat (gravetat específica 8,93)
• 4) Es pot unir fàcilment mitjançant soldadura
• 5) Resistent a la corrosió,
• 6) Té un color agradable.

El coure pur s'utilitza en la fabricació de cables elèctrics, barres de bus, cables de transmissió, tubs de refrigeració i canonades.

Les propietats mecàniques del coure en estat pur no són gaire bones. És suau i relativament feble. Es pot aliar de manera rendible per millorar les propietats mecàniques. Els principals elements d'aliatge utilitzats són zinc, estany, plom i fòsfor.

Els aliatges de coure i zinc s'anomenen llautons. Amb un contingut de zinc de fins a un 39%, el coure forma una estructura d'una sola fase (fase α). Aquests aliatges tenen una alta ductilitat. El color de l'aliatge es manté vermell fins a un contingut de zinc del 20%, però més enllà es torna groc. Un segon component estructural anomenat fase β apareix entre el 39 i el 46% de zinc. En realitat, és el compost intermetàl·lic CuZn el responsable de l'augment de la duresa. La força del llautó augmenta encara més quan s'afegeixen petites quantitats de manganès i níquel.

Els aliatges de coure amb estany s'anomenen bronzes. La duresa i la resistència del bronze augmenten amb un plec del contingut d'estany. La ductilitat també es redueix amb l'augment del percentatge d'estany per sobre de 5. Quan també s'afegeix alumini (4 a 11%), l'aliatge resultant s'anomena bronze d'alumini, que té una resistència a la corrosió considerablement més alta. Els bronzes són comparativament costosos en comparació amb els llautons a causa de la presència d'estany que és un metall car.

3. Altres metalls no ferrosos

Zinc

El zinc s'utilitza principalment en enginyeria a causa de la seva baixa temperatura de fusió (419,4 C) i una major resistència a la corrosió, que augmenta amb la puresa del zinc. La resistència a la corrosió és causada per la formació d'un recobriment protector d'òxid a la superfície. Les principals aplicacions del zinc són la galvanització per protegir l'acer de la corrosió, la indústria d'impressió i la fosa a pressió.

Els desavantatges del zinc són la forta anisotropia que s'exhibeix en condicions deformades, la manca d'estabilitat dimensional en condicions d'envelliment, una reducció de la resistència a l'impacte a temperatures més baixes i la susceptibilitat a la corrosió intergranular. No es pot utilitzar per al servei per sobre d'una temperatura de 95 °C perquè provocarà una reducció substancial de la resistència a la tracció i la duresa.

El seu ús generalitzat en peces de fosa a pressió es deu al fet que requereix una pressió més baixa, la qual cosa resulta en una vida útil més alta de la matriu en comparació amb altres aliatges de fosa a pressió. A més, té una molt bona mecanització. L'acabat obtingut per fosa a pressió de zinc sovint és adequat per garantir qualsevol processament posterior, excepte per a l'eliminació del flaix present al pla de separació.

Magnesi

A causa del seu pes lleuger i bona resistència mecànica, els aliatges de magnesi s'utilitzen a velocitats molt elevades. Per a la mateixa rigidesa, els aliatges de magnesi requereixen només un 37,2% del pes de l'acer C25, estalviant així en pes. Els dos principals elements d'aliatge utilitzats són l'alumini i el zinc. Els aliatges de magnesi poden ser fosos a sorra, fosos de motlle permanent o fosos a pressió. Les propietats dels components d'aliatge de magnesi de fosa de sorra són comparables amb les dels components de fosa de motlle permanent o de fosa a pressió. Els aliatges de fosa a pressió generalment tenen un alt contingut de coure per permetre que es facin a partir dels metalls secundaris per reduir costos. S'utilitzen per a la fabricació de rodes d'automòbils, carters, etc. Com més gran sigui el contingut, més gran és la resistència mecànica dels aliatges forjats de magnesi com els components laminats i forjats. Els aliatges de magnesi es poden soldar fàcilment mitjançant la majoria dels processos de soldadura tradicionals. Una propietat molt útil dels aliatges de magnesi és la seva alta mecanització. Només requereixen aproximadament un 15% de potència per a la mecanització en comparació amb l'acer baix en carboni.