صب المعادن غير الحديدية

تستخدم المعادن الحديدية على نطاق واسع في الصناعة الهندسية بسبب تفوقها ونطاق خواصها الميكانيكية وانخفاض تكاليفها. ومع ذلك، تُستخدم المعادن غير الحديدية أيضًا في تطبيقات مختلفة نظرًا لخصائصها المحددة مقارنة بالسبائك الحديدية على الرغم من تكلفتها العالية بشكل عام. يمكن الحصول على الخواص الميكانيكية المطلوبة في هذه السبائك عن طريق تصلب العمل، أو تصلب العمر، وما إلى ذلك، ولكن ليس من خلال عمليات المعالجة الحرارية العادية المستخدمة في السبائك الحديدية. بعض المواد غير الحديدية الرئيسية ذات الاهتمام هي الألومنيوم والنحاس والزنك والمغنيسيوم

1. الألومنيوم

من بين جميع السبائك غير الحديدية، يعد الألومنيوم وسبائكه الأكثر أهمية بسبب خصائصه الممتازة. بعض خصائص الألمنيوم النقي التي يستخدم فيها في الصناعة الهندسية هي:

• 1) التوصيل الحراري الممتاز (0.53 كالوري / سم / سي)
• 2) التوصيل الكهربائي الممتاز (376600/أوم/سم3)
• 3) كثافة الكتلة منخفضة (2.7 جم/سم3)
• 4) نقطة انصهار منخفضة (658C)
• 5) مقاومة ممتازة للتآكل
• 6) أنها غير سامة.
• 7) لديها واحدة من أعلى الانعكاسات (85 إلى 95٪) وانبعاثية منخفضة جدًا (4 إلى 5٪)
• 8) أنها لينة جداً وقابلة للسحب ونتيجة لذلك فهي تتمتع بخصائص تصنيعية جيدة جداً.

بعض التطبيقات التي يستخدم فيها الألمنيوم النقي بشكل عام هي في الموصلات الكهربائية، ومواد زعانف المشعات، ووحدات تكييف الهواء، والعاكسات الضوئية والضوء، والرقائق ومواد التعبئة والتغليف.

على الرغم من التطبيقات المفيدة المذكورة أعلاه، إلا أن الألومنيوم النقي لا يستخدم على نطاق واسع بسبب المشاكل التالية:

• 1) لديها قوة شد منخفضة (65 ميجا باسكال) وصلابة (20 BHN)
• 2. من الصعب جدًا اللحام أو اللحام.

يمكن تحسين الخواص الميكانيكية للألمنيوم بشكل كبير عن طريق صناعة السبائك. عناصر صناعة السبائك الرئيسية المستخدمة هي النحاس والمنغنيز والسيليكون والنيكل والزنك.

يشكل الألومنيوم والنحاس المركب الكيميائي CuAl2. فوق درجة حرارة 548 مئوية يذوب بالكامل في الألومنيوم السائل. وعندما يتم إخمادها وتعتيقها صناعيًا (الاحتجاز لفترة طويلة عند درجة حرارة 100 - 150 درجة مئوية)، يتم الحصول على سبيكة صلبة. إن CuAl2، الذي لم يتقادم، ليس لديه الوقت للترسيب من المحلول الصلب للألمنيوم والنحاس، وبالتالي فهو في وضع غير مستقر (مشبع للغاية في درجة حرارة الغرفة). تؤدي عملية التعتيق إلى ترسيب جزيئات دقيقة جدًا من CuAl2، مما يؤدي إلى تقوية السبيكة. وتسمى هذه العملية تصلب الحل.

عناصر السبائك الأخرى المستخدمة هي ما يصل إلى 7٪ مغنيسيوم، ما يصل إلى 1.5٪ منجنيز، ما يصل إلى 13٪ سيليكون، ما يصل إلى 2٪ نيكل، ما يصل إلى 5٪ زنك وما يصل إلى 1.5٪ حديد. إلى جانب هذه، يمكن أيضًا إضافة التيتانيوم والكروم والكولومبيوم بنسب صغيرة. يتم عرض تركيبة بعض سبائك الألومنيوم النموذجية المستخدمة في القولبة الدائمة والصب في الجدول 2. 10 مع تطبيقاتها. الخواص الميكانيكية المتوقعة لهذه المواد بعد صبها باستخدام القوالب الدائمة أو الصب بالضغط موضحة في الجدول 2.1

2. النحاس

كما هو الحال مع الألومنيوم، يجد النحاس النقي أيضًا تطبيقًا واسع النطاق بسبب خصائصه التالية

• 1) الموصلية الكهربائية للنحاس النقي عالية (5.8 × 105 / أوم / سم ) في أنقى صوره. أي شوائب صغيرة تؤدي إلى انخفاض الموصلية بشكل كبير. على سبيل المثال، 0.1% فوسفور يقلل من الموصلية بنسبة 40%.
• 2) لديها موصلية حرارية عالية جدًا (0.92 كالوري / سم / سي)
• 3) وهو معدن ثقيل (الثقل النوعي 8.93)
• 4) يمكن ربطها بسهولة بالنحاس
• 5) يقاوم التآكل،
• 6) أن يكون لونه جميلاً.

يستخدم النحاس النقي في صناعة الأسلاك الكهربائية، وقضبان الحافلات، وكابلات النقل، وأنابيب الثلاجة والأنابيب.

الخواص الميكانيكية للنحاس في أنقى حالاته ليست جيدة جدًا. أنها لينة وضعيفة نسبيا. يمكن مزجه بشكل مربح لتحسين الخواص الميكانيكية. عناصر صناعة السبائك الرئيسية المستخدمة هي الزنك والقصدير والرصاص والفوسفور.

تسمى سبائك النحاس والزنك بالنحاس. مع محتوى الزنك الذي يصل إلى 39%، يشكل النحاس بنية أحادية الطور (α-phase). هذه السبائك لديها ليونة عالية. يظل لون السبيكة أحمرًا حتى نسبة الزنك 20%، ولكن بعد ذلك يصبح أصفر. ويظهر مكون هيكلي ثانٍ يسمى الطور بيتا بنسبة تتراوح بين 39 إلى 46% من الزنك. إنه في الواقع المركب المعدني CuZn المسؤول عن زيادة الصلابة. تزداد قوة النحاس بشكل أكبر عند إضافة كميات صغيرة من المنغنيز والنيكل.

تسمى سبائك النحاس مع القصدير بالبرونز. تزداد صلابة وقوة البرونز مع زيادة محتوى القصدير. تقل الليونة أيضًا مع زيادة نسبة القصدير فوق 5. عند إضافة الألومنيوم أيضًا (4 إلى 11%)، تسمى السبيكة الناتجة برونز الألومنيوم، الذي يتمتع بمقاومة أعلى للتآكل. يعتبر البرونز مكلفًا نسبيًا مقارنة بالنحاس الأصفر بسبب وجود القصدير وهو معدن باهظ الثمن.

3. المعادن غير الحديدية الأخرى

الزنك

يستخدم الزنك بشكل أساسي في الهندسة بسبب انخفاض درجة حرارة انصهاره (419.4 درجة مئوية) ومقاومته العالية للتآكل، والتي تزداد مع نقاء الزنك. مقاومة التآكل ناتجة عن تكوين طبقة أكسيد واقية على السطح. التطبيقات الرئيسية للزنك هي في الجلفنة لحماية الفولاذ من التآكل، وفي صناعة الطباعة والصب بالقالب.

تتمثل عيوب الزنك في التباين القوي الذي يظهر في ظل الظروف المشوهة، وعدم استقرار الأبعاد في ظل ظروف الشيخوخة، وانخفاض قوة التأثير عند درجات حرارة منخفضة، والقابلية للتآكل بين الحبيبات. لا يمكن استخدامه للخدمة فوق درجة حرارة 95.C لأنه سيؤدي إلى انخفاض كبير في قوة الشد والصلابة.

ويرجع استخدامه على نطاق واسع في المسبوكات إلى أنه يتطلب ضغطًا أقل، مما يؤدي إلى عمر أطول للقالب مقارنةً بالسبائك الأخرى. علاوة على ذلك، فهي تتمتع بقابلية تصنيع جيدة جدًا. غالبًا ما تكون اللمسة النهائية التي يتم الحصول عليها عن طريق صب الزنك بالقالب كافية لضمان أي معالجة إضافية، باستثناء إزالة الوميض الموجود في مستوى الفراق.

المغنيسيوم

بسبب وزنها الخفيف وقوتها الميكانيكية الجيدة، يتم استخدام سبائك المغنيسيوم بسرعات عالية جدًا. للحصول على نفس الصلابة، تتطلب سبائك المغنيسيوم 37.2% فقط من وزن الفولاذ C25 وبالتالي توفير الوزن. العنصران الرئيسيان المستخدمان في صناعة السبائك هما الألومنيوم والزنك. يمكن أن تكون سبائك المغنيسيوم مصبوبة بالرمل أو مصبوبة بالقالب الدائم أو مصبوبة بالقالب. إن خصائص مكونات سبائك المغنيسيوم المصبوبة بالرمل قابلة للمقارنة مع خصائص مكونات القالب الدائم أو المكونات المصبوبة بالقالب. تحتوي السبائك المصبوبة عمومًا على نسبة عالية من النحاس حتى تتمكن من تصنيعها من المعادن الثانوية لتقليل التكاليف. يتم استخدامها لصنع عجلات السيارات، وصناديق الكرنك، وما إلى ذلك. كلما زاد المحتوى، زادت القوة الميكانيكية لسبائك المغنيسيوم المطاوع مثل المكونات المدرفلة والمزورة. يمكن لحام سبائك المغنيسيوم بسهولة من خلال معظم عمليات اللحام التقليدية. من الخصائص المفيدة جدًا لسبائك المغنيسيوم قابليتها العالية للتصنيع. إنها تتطلب فقط حوالي 15% من الطاقة للتصنيع مقارنة بالفولاذ منخفض الكربون.