Gießen von Nichteisenmetallen

Eisenmetalle werden in der Maschinenbauindustrie aufgrund ihrer Überlegenheit, Bandbreite an mechanischen Eigenschaften und geringeren Kosten häufig verwendet. Dennoch werden Nichteisenmetalle aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften im Vergleich zu Eisenlegierungen trotz ihrer im Allgemeinen hohen Kosten auch in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Die gewünschten mechanischen Eigenschaften können in diesen Legierungen durch Kaltverfestigung, Aushärtung usw. erreicht werden, jedoch nicht durch normale Wärmebehandlungsverfahren, die für Eisenlegierungen verwendet werden. Einige der wichtigsten Nichteisenmaterialien von Interesse sind Aluminium, Kupfer, Zink und Magnesium

1. Aluminium

Von allen Nichteisenlegierungen sind Aluminium und seine Legierungen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften die wichtigsten. Einige der Eigenschaften von reinem Aluminium, aufgrund derer es in der Maschinenbauindustrie verwendet wird, sind:

• 1) Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit (0,53 cal/cm/C)
• 2) Hervorragende elektrische Leitfähigkeit (376 600/Ohm/cm)
• 3) Geringe Massendichte (2,7 g/cm)
• 4) Niedriger Schmelzpunkt (658C)
• 5) Hervorragende Korrosionsbeständigkeit
• 6) Es ist ungiftig.
• 7) Es hat eines der höchsten Reflexionsvermögen (85 bis 95 %) und ein sehr niedriges Emissionsvermögen (4 bis 5 %).
• 8) Es ist sehr weich und dehnbar und weist daher sehr gute Verarbeitungseigenschaften auf.

Einige der Anwendungen, bei denen reines Aluminium im Allgemeinen verwendet wird, sind elektrische Leiter, Kühlrippenmaterialien, Klimaanlagen, optische und Lichtreflektoren sowie Folien- und Verpackungsmaterialien.

Trotz der oben genannten nützlichen Anwendungen wird reines Aluminium aufgrund der folgenden Probleme nicht häufig verwendet:

• 1) Es hat eine geringe Zugfestigkeit (65 MPa) und Härte (20 BHN)
• 2. Es ist sehr schwierig zu schweißen oder zu löten.

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminium können durch Legieren wesentlich verbessert werden. Die wichtigsten verwendeten Legierungselemente sind Kupfer, Mangan, Silizium, Nickel und Zink.

Aluminium und Kupfer bilden die chemische Verbindung CuAl2. Ab einer Temperatur von 548 °C löst es sich vollständig in flüssigem Aluminium auf. Wenn diese abgeschreckt und künstlich gealtert wird (längeres Halten bei 100–150 °C), erhält man eine gehärtete Legierung. Das nicht gealterte CuAl2 hat keine Zeit, aus der festen Lösung von Aluminium und Kupfer auszufallen und befindet sich daher in einer instabilen Position (bei Raumtemperatur übersättigt). Durch den Alterungsprozess werden sehr feine CuAl2-Partikel ausgeschieden, was zu einer Verfestigung der Legierung führt. Dieser Vorgang wird als Lösungshärtung bezeichnet.

Als weitere Legierungselemente kommen bis zu 7 % Magnesium, bis zu 1,5 % Mangan, bis zu 13 % Silizium, bis zu 2 % Nickel, bis zu 5 % Zink und bis zu 1,5 % Eisen zum Einsatz. Daneben können in geringen Anteilen auch Titan, Chrom und Columbium zugesetzt werden. Die Zusammensetzung einiger typischer Aluminiumlegierungen, die beim Dauerformen und Druckgießen verwendet werden, ist in Tabelle 2.10 mit ihren Anwendungen aufgeführt. Die erwarteten mechanischen Eigenschaften dieser Materialien nach dem Gießen in Dauerformen oder Druckguss sind in Tabelle 2.1 aufgeführt

2. Kupfer

Ähnlich wie Aluminium findet auch reines Kupfer aufgrund seiner folgenden Eigenschaften breite Anwendung

• 1) Die elektrische Leitfähigkeit von reinem Kupfer ist in seiner reinsten Form hoch (5,8 x 105 /Ohm/cm). Jede kleine Verunreinigung verringert die Leitfähigkeit drastisch. Beispielsweise verringert 0,1 % Phosphor die Leitfähigkeit um 40 %.
• 2) Es hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (0,92 cal/cm/C)
• 3) Es ist ein Schwermetall (spezifisches Gewicht 8,93)
• 4) Es kann leicht durch Löten zusammengefügt werden
• 5) Es ist korrosionsbeständig,
• 6) Es hat eine angenehme Farbe.

Reines Kupfer wird bei der Herstellung von Elektrokabeln, Stromschienen, Übertragungskabeln, Kühlschrankschläuchen und Rohrleitungen verwendet.

Die mechanischen Eigenschaften von Kupfer im reinsten Zustand sind nicht sehr gut. Es ist weich und relativ schwach. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann es gewinnbringend legiert werden. Die wichtigsten verwendeten Legierungselemente sind Zink, Zinn, Blei und Phosphor.

Die Legierungen aus Kupfer und Zink werden Messing genannt. Mit einem Zinkgehalt von bis zu 39 % bildet Kupfer eine einphasige (α-Phase) Struktur. Solche Legierungen weisen eine hohe Duktilität auf. Bis zu einem Zinkgehalt von 20 % bleibt die Farbe der Legierung rot, darüber hinaus wird sie gelb. Eine zweite Strukturkomponente namens β-Phase kommt zwischen 39 und 46 % des Zinks vor. Tatsächlich ist es die intermetallische Verbindung CuZn, die für die erhöhte Härte verantwortlich ist. Die Festigkeit von Messing wird durch die Zugabe geringer Mengen Mangan und Nickel weiter erhöht.

Die Legierungen von Kupfer und Zinn werden Bronzen genannt. Die Härte und Festigkeit von Bronze nehmen mit steigendem Zinngehalt zu. Mit zunehmendem Zinnanteil über 5 nimmt auch die Duktilität ab. Wenn zusätzlich Aluminium hinzugefügt wird (4 bis 11 %), wird die resultierende Legierung als Aluminiumbronze bezeichnet, die eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Bronzen sind im Vergleich zu Messing vergleichsweise teuer, da Zinn ein teures Metall ist.

3. Andere Nichteisenmetalle

Zink

Aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur (419,4 °C) und seiner höheren Korrosionsbeständigkeit, die mit zunehmender Reinheit des Zinks zunimmt, wird Zink vor allem im Maschinenbau eingesetzt. Die Korrosionsbeständigkeit entsteht durch die Bildung einer schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche. Hauptanwendungsgebiete von Zink sind die Verzinkung zum Korrosionsschutz von Stahl, die Druckindustrie und der Druckguss.

Die Nachteile von Zink sind die starke Anisotropie unter Verformungsbedingungen, mangelnde Dimensionsstabilität unter Alterungsbedingungen, eine Verringerung der Schlagzähigkeit bei niedrigeren Temperaturen und die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion. Es kann nicht für den Einsatz bei Temperaturen über 95 °C verwendet werden, da es zu einer erheblichen Verringerung der Zugfestigkeit und Härte führt.

Die weitverbreitete Verwendung in Druckgussteilen ist darauf zurückzuführen, dass ein geringerer Druck erforderlich ist, was im Vergleich zu anderen Druckgusslegierungen zu einer längeren Lebensdauer der Gussform führt. Darüber hinaus ist es sehr gut bearbeitbar. Die beim Zinkdruckguss erzielte Oberfläche ist oft ausreichend, um eine weitere Bearbeitung zu rechtfertigen, mit Ausnahme der Entfernung des in der Trennebene vorhandenen Grats.

Magnesium

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer guten mechanischen Festigkeit werden Magnesiumlegierungen bei sehr hohen Geschwindigkeiten eingesetzt. Bei gleicher Steifigkeit benötigen Magnesiumlegierungen nur 37,2 % des Gewichts von C25-Stahl und sparen somit Gewicht. Die beiden wichtigsten verwendeten Legierungselemente sind Aluminium und Zink. Magnesiumlegierungen können im Sandguss, Kokillenguss oder Druckguss hergestellt werden. Die Eigenschaften sandgegossener Magnesiumlegierungsbauteile sind vergleichbar mit denen von Kokillenguss- oder Druckgussbauteilen. Die Druckgusslegierungen weisen im Allgemeinen einen hohen Kupfergehalt auf, so dass sie kostensparend aus den Sekundärmetallen hergestellt werden können. Sie werden zur Herstellung von Autorädern, Kurbelgehäusen usw. verwendet. Je höher der Gehalt, desto höher ist die mechanische Festigkeit von Magnesiumknetlegierungen wie gewalzten und geschmiedeten Bauteilen. Magnesiumlegierungen können mit den meisten herkömmlichen Schweißverfahren problemlos geschweißt werden. Eine sehr nützliche Eigenschaft von Magnesiumlegierungen ist ihre gute Bearbeitbarkeit. Sie benötigen für die Bearbeitung nur etwa 15 % der Energie im Vergleich zu kohlenstoffarmem Stahl.