Av Anders Sundman utg 1
I en metallsmälta av ren metall som stelnar bildas små enhetsceller i allmänhet små kuber, i vilka metallens atomer är regelbundet ordnade. Kub läggs till kub vid stelnandet och aggregat av fast metall växer upp. Då de sista resterna av smältan stelnar, möts aggregaten av korngränser. (medeldiametern) av kornen hos vanliga legeringar är av storlek 10 x 50 µm.
Ett finkornigt material har bättre egenskaper "metalliska" än ett grovkornigt. Sträckgränsen höjs och utmattnings hållfastheten förbättras. Vid värmebehandling vid hög temperatur och tid sker en tillväxt i de större kornen på de mindres bekostnad och kornstorleken växer, därigenom kan de mekaniska egenskaperna försämras.
Kristall struktur.
Metaller är uppbyggda av atomer, dessa är ordnade i ett speciellt mönster , ett gitter mönster. Gitter är fyllt med atomer som utgör metallens "kristall struktur". Atomavståndet är mycket litet, de mäts i ångströms enheter Å. 1Å=0,0000001 mm, eller att en 1Å=0,001µm = 10.9 "manometer", Å=01gm
Olika metaller har olika kristallstrukturer men strukturtyperna är få. I järn vid rums temperatur är atomerna ordnade i kuber med en atom i varje hörn och en atom i kubens centrum. Kuberna i järn har en kantlinje "a" längden 2,87 Å. Kristallstrukturen vid låga temperaturer hos järn kallas RymdCetrerat Kubisk eller bcc
" bodycentrerat cubic" Denna beteckning karakteriserar metaller och legeringar med denna strukturtyp. Andra bcc-metaller är t,ex krom, molybden och Wolfram.
De flesta metaller har atomerna ordnade i en Ytcentrerat Kubisk Struktur på engelska "Face centered cubic" fcc. T,ex koppar, nickel, aluminium och guld. I nickel är kubens längd "a" lika med 3,57 Å.
Järn vid höga temperaturer har också fcc-struktur. Det förhållandet att järn har olika kristallstrukturer vid låg / hög temperatur utgör grunden för bl.a. stålets härdning.
Några enstaka metaller som zink, magnesium och titan har också en Hexagonal Struktur "hexagonal close packed" ( hcp struktur). En metall kristallstruktur har stor betydelse för dess mekaniska egenskaper. I kubiska kan glidningar ske i diagonal planen. De är lätta att kallvalsa, dra och extrudera. Hexagonala metaller saknar diagonal plan och är korta vid kallbearbetning.
Legerings uppbyggnad.
När två eller flera komponenter bildas en fast legering så uppstår antingen en eller flera fasta lösningar eller intermediära faser.
Fasta lösningar- Tillhör alla atomer och har samma gittertyp i grund gitter. T.ex. rymdcentrerat, kubiska gitter.
- Atomer som bildar grundgittret kallas värdeatomer.
- Atomer som är inkommande i grundgittret kallas främmande atomer.
Det kan även finnas främmande atomer som kan bestå av nickel eller kol. Man skiljer mellan två typer av främmande atomer.
- Substitutionsatomer (Substituera=ersätta med). Den främmande atomen ersätter en atom i värdeatomens gitter. Detta kan ske om de främmande atomerna och värde atomerna har ungefärlig lika storlek.
- Interstitiella atomer (Interstitial=mellanrums) Den främmande atomen intar en plats mellan värdeatomerna i gitter, vilket kan uppstå om den främmande atomen är liten i förhållande till värdeatomen. Ex kol "liten" och järn "stor"
Legerings bildning.
En metall innehåller föroreningar eller avsiktligt tillsatta legeringsämnen Föroreningar och legeringsämnen kan tas upp av basmetallen på olika sätt.
Fasta lösningars i legeringsbildning.
Det tillförda ämnets kan gå in på ordinarie platser i bas metallens gitter "Utbyteslösning eller Substitutlösning" Detta bildas när bas metallen och legeringens ämnen har atomer med någorlunda lika storlek. Om det tillförda ämnets atomer är av mindre storlek kan de inte göra anspråk på ordinarie gitterplatser. I stället går de in i mellan basmetallens atomer som interstitaler, i en fast lösning bildas det en form av mellanrumslösning eller interstititell lösning. I stål utgör dessa ämnen av kol, kväve och väte som är de viktigaste interstitialerna.
Intermediära faser i legerings bildning.
Om det tillförda ämnets atomer har fel storlek i förhållande till basmetallens atomer så kan varken substitutions-eller mellanrums lösning bildas. Då bildas det sk intermediära faser (egna korn). Vilka basmetallens och legerings metallen ingår. T,ex koppar smälter ihop med zink bildas det en fast lösning av zink i koppar, a mässing, så länge zinkhalten ej är alltför hög. Överstiger zinkhalten 38 % så kan inte koppar lösa hela zink kvantiteten genom substitution. Istället bildas det en ny Fas, nya korn av CuZn, kallad b, och legeringen blir en
a / b mässing.
Om koppar smälts ihop med tenn , bestäms legerings bildningen av det förhållande att tenn har större atom radie än koppar. Flera olika Cu Sn- faser bildas. Denna armering förklarar att mjuk koppar och ännu mjukare tenn tillsammans bildar hård brons
Vissa tillförda ämnens atomer har stor benägenhet att bilda kemiska föreningar med bas metallen eller med andra legerings- eller förorenings ämnen. I kolstål t,ex förekommer kol som förening järnkarbid, cementit, Fe3C
Stål, Olegerat och Låglegerat.
Kolstål är smidbara järn-kol-legeringar, med några 100 delars procent till 1,7 procent. I praktiken är maximala kolhalten 1,1-1,3 %. Högsta kolhalten i Svenska Standard är verktygs stålet 1880 med 0,95-1,20 % kol.
Kolhalten bestämmer kolstålets viktigaste egenskaper T.ex. hållfasthet före och efter härdning samt seghet och formbarhet. Kolstål innehåller även mangan och mycket låga halter av fosfor och svavel. Till kolstål räknas även de olegerade automatstålen med tillsatser av skärbarhetsfrämjande ämnen främst då svavel och bly.
Det syre som finns i smältan före gjutning borgår vid stelningen som Co-bas, om stålet stelnar otäta vid ståltillverkningen binds alltid syre genom desoxidation med kisel och / eller aluminium, stålet stelnar då tätat.
I otäta stål är Si-halten 0 i tätat stål är den ca 0,20-0,30 % med låglegerat stål avses stål med en sammanlagd legeringshalt av högst 6%. Hit hör legerade konstruktionstål för värmebehandling, de manganlegerade och de legerade fjäderstålen.
Strukturformer i stål .
Rent järn har vid rumstemperatur bcc-struktur. Järn med denna struktur kallas ferit. Motsvarande stållegering är feritiska. Vid hög temperatur omkristalliseras järnet till fcc-struktur, austenit. Järn eller stållegeringar med fcc-struktur kallas austenitiska. Rostfritt 1/8 stål hör till austenitiska även vid rumstemperatur. Skillnaden mellan ferit och austenit är att austenit kan lösa betydande mängder kol som mellanrumslösning, medan ferit har praktisk taget ingen löslighet för kol. Detta förhållande och är grundläggande för stålets sammansättning .
Vid rumstemperatur förekommer kol i stål som järn karbid cementit Fe3C. I cementiten förekommer det också mangan (Mn) .former, för cementiten skrivs (Fe, Mn)3C. I dessa korn ligger cementiten som skivor "lameller" De verkar "armerande" och bidrar till hårdheten och till deformations-hårdnadet viss kallbearbetning. Vid en högre kolhalt desto fler cementit lameller och en större hårdhet och deformations-hårdnande. De korn som utgörs av cementitet / lameller i en grundmassa av ferit kallas perlit. I Cementiten är kol halten 6,7% och i perliten 0,8%. feriten C-halt är praktisk taget noll.
Avspänningsglödgning.
Efter olika typer av formning och bearbetning.
- Kallvalsning.
- Bockning.
- Fjäderlindning.
- Svarvning, borrning, fräsning.
- Svetsning.
Kvarstår spänningen inne i materialet eller i de bearbetade ytorna.
Inbyggda dragspänningar, försämrar komponenternas mekaniska egenskaper. Såsom utmattnings hållfastheten, spännings korrosion hos legeringar. Inre spänningar avlägsnas eller reduceras med en avspännings glidning. Det är viktigt att temperaturen anpassas till komponenternas funktion om dess sträckgräns vid rumstemperatur är av stor betydelse. Man får välja en temperatur som är en kompromiss mellan en utlösning av inre spänningar och bevarande sträckgräns vid rumstemperatur.
Härdning av Stål.
(Strukturformen bainit)
Då austenit med upplöst kol omvandlas vid temperatur mellan 727-550 0C bildas perlit. Om underkyld austenit omvandlas vid en temperatur under 550 0C bildas bainit. Den är liksom perliten en blandning av ferlit och cementit. Bildnings mekaniskmen är dock annorlunda och egenskaperna är olika.
(strukturformen martensit)
Om austenit kyls tillräckligt fort undertrycks både perlit och bainit bildningen. Austeniten övergår i martensit. Karrakteristikt för martensit bildning är att,
- Det kol som varit löst i austeniten stannar tvångslöst i den bildande rymdcentrerade tetragonala martensiten. Martensiten är hård och hårdheten ökar med ökande kolhalt.
- Martensiten ärver också austenitens legeringssammansättning.
- Martensit bildning sker snabbt och diffusionlöst d,v,s utan atomvandringar.
- Martensit bildningar startar vid en för varje stål karakteristisk temperatur Ms och fullbordas vid en lägre karakteristisk temperatur Mf.
Ms-temperatur är låg ca 200 0C för kolhaltiga stål och hög ca 400 0C för låghaltiga kol stål.
Om stålet kyls snabbt till en temperatur under Ms men över Mf omvandlas endast en del av austeniten till martensit. Resten kvarstår som restaustenit.
Metallografi.
Metall- Grundämne-elektrisk konduktivitet-värmeledningsförmåga-ogenomskinnlig-glans-seghet.
Ex järn, koppar, arsenik men ej kol.
Legering- Fast eller flytande lösning eller en förening innehållande minst en metall i vetenskaplig betydelse med metalliska egenskaper.
Ex Rostfrittstål eller mässing.
Flytande tillstånd- Då de har en inbördes sammanhang och är oordnade.
Fast tillstånd- Då de har en inbördes sammanhang och är ordnade efter ett visst mönster, ett gitter mönster.
Gränsyta- Korngräns.
Punkt där metallen växer ut- Kärna.
Övergång till Oordnade till Ordnade tillstånd- Sker under värmeavgivning.
Det finns tre gitter typer i de rena metallerna-
Rymcentrerade kubiska gitter, en atom i varje hörn och en i kubens centrum- bcc (BodyCentreredCubic).
Ytcentrerade kubiska gitter, med en atom i varje hörn och en på vardera av kubens sex sidor-fcc (FaceCentrered Cubic).
Hexagonala gitter- hcp (HexagonalClosePacked).
Koppar och kopparlegeringar
Koppar innehåller som ren koppar 99,85% Cu och som låglegerad 97,5%
Kopar förekommer i naturen i allmämhet bunden till svavel. De vanligaste kopparmalmerna är kopparkis och kopparglans.
Råkoppar (98-99&Cu) smälts och raffineras smälts och raffineras genom luftinblåsning och spolning, ofta med naturgas eller ammoniak. Huvudparten av föroreningarna oxideras bort, och man får raffinadkoppar (min. 99,85%Cu) som i huvudsak används som utgångs material i den efterföljande elektrolytiska reningsprocessen. Processen elektrolytkoppar ger (min. 99,90% Cu) Det är denna koppar som är vanligast.
Smält processen kan på olika sätt:
- Man smälter i syrehaltig atmosfärf och får ett serehaltigt koppar.
- Man smälter i syrefri atmosfär och får syrefri koppar.
- Man smälter i syrehaltig atmosfär och tillsätter små mängder fosfor som reducerar syret i den syrehaltiga kopparn. Resultatet blir desoxiderad koppar. Den innrehåller några turendels-eller hundradels-procent fosfor, beroende på användning.
Sammansättning och struktur
Den mindre mängd syre som en typ av elektrolytkoppar innehåller (några hundradels procent). Vid rumstemperatur förekommer detta syre i forma av koppar(I)oxid, Cu2O som i mikroskopet urskiljs som små partiklar. Oxiden inverkar ej nämnvärt på hållfasthetsegenskaperna. Koppar(i)oxid framkallar vätesjuka, om godset glödgas i reducerande atmosfär. Vätet gfrån den reducerande atmosfären diffunderar nämligen in i kopparn och reagerar med koppar(i)oxiden under bildning av vattenånga, som spränger sönder metallen. Man har inte denna olägenhet vid den syrefria eller desoxiderade koppartypen.
Värmebehandling
Den enda värmebehandlingen som förekommer för koppar är mjukglödgning efter kallbearbetning. Denna glödgning som är en rekristallserande glödgning, sker vanligen vid 400-6500C. För hög temperatur medför grov kornstorlek med risk för apelsin yta vid efterföljande kallformnning,t.ex. djuppressning.
Koppar & koppar legeringar
Alla vanliga plastisk bearbetade koppar typer är standiserade. Som koppar räknas här även legerad koppar med låga halter legeringsämnen. Exempel på legeringstillsatser är silver, tellur, krom och zirkonium, vilka alla höjer mjukningstemperaturen för kallbearbetat material.
För att höja hållfastheten har utskiljningshärdade tillsatser alltmer börjat användas, i en del fall så stora att materialet inte räknas som koppar utan som kopparlegering. Högst hållfasthet nås med koppar-beryllium, men även koppar-krom och koppar-zirkonium ger hög hållfasthet och dessutom högre ledningsförmåga än koppar koppar-beryllium. Koppar-kisel, s.k. Corsonbrons, har även god fjäderegenskaper (relaxation).
Tabell Nominell sammansättning i procent
Zn Sn Pb Ni Al Mn Fe P Standard SS
|
Syrehaltigt koppar Min 99,90% Cu |
|
|
|
|
|
|
|
|
5013 |
|
Vanlig a Mässing |
37 |
|
|
|
|
|
|
|
5150 |
|
Smides mässing a/b |
39 |
|
3 |
|
|
|
|
|
5170 |
|
Nickel mässing Nysilver (alpacka) |
23 |
|
|
12 |
|
0,2 |
|
|
5243 |
|
Fosforbrons |
|
6 |
|
|
|
|
|
0,2 |
5428 |
|
Aluminiumbrons plastisk legering |
|
|
|
5 |
10 |
|
5 |
|
5716 |
|
Kopparnickel |
|
|
|
10 |
|
0,7 |
1,5 |
|
5667 |
Mässing
Mässing är benämningen på kopparlegeringar innehållande zink och eventuell ytterligare tillsatser.
Tillverknings metoder
Mässing framställs genom hopsmältning av zink och koppar samt även så kan bly och även andra legeringsämnen förekomma. Av smältan gjutämnen, eller band, som sedan kan valsas på vanligt sätt till t.ex. plåt och band. Vissa mässingsorter är lämpliga för strängpressning i likhet med bl.a koppar och en del aluminiumlegeringar. Det gjutna pressämnet uppvärms till 700-800 0C och inläggs i en hydraulisk press. Sedan pressa materialet plastisk ut genom en matris, varvid erhålls stänger och sektioner allt efter matrisens utformning.
Sammansättning och struktur
Mässing med koppar och zink och eventuellt bly med 55-100% Cu I det fasta tillståndet förekommer två faser inom detta område nämligen a- och b-faserna. Både dessa a- och b-kristaller är bland kristaller. Vid rumstemperatur kan a-fasen hålla lägst ca 62% Cu och b-fasen högst 54% Cu. Mässing 62-54% Cu innehåller en blandning av a- och b-kristaller.
a-mässing med hög kopparhalt (SS-5112 och SS-5114) har egenskaper som påminner om kopparns. Den har låg brottgräns, hög förlängning och är lätt formbar vid rumstemperatur och vid hög tmperatur
a- mässing med låg kopparhalt har även den låg brottgräns samt hög fölängning vid rumstemperatur. Den är liksom mässing med hög kopparhalt lätt att forma både varmt och kallt. b-mässing har brottgräns och låg förlängning vid rumstemperatur. Den är lättare att forma vid hög temperatur än
a-mässing.
a-b-mässing intar en mellanställning mellan a-mässing och b-mässing.
Bearbetning och egenskaper
Mässing avsedd för kallformning, t.ex. djuppressning, bör alltså vara a-mässing. Legeringar med 70-72% Cu (SS-5122) har den bästa formändrings förmågan av alla mässing sorter. Går man över 72% Cu får man legeringar som är obetydlig mindre formbara. Sänker man kopparhalten under 70%, får man legeringen (SS-5150), som är obetydligt sämre formbar.
Går man under 60% Cu kommer man in i a-b-området. Dessa legeringar lämpar sig knappast för kallpressning. Däremot har de rätt hög sträck gräns och brottgräns. Dessa legeringar kan lätt strängpressas och varmsmidas, då de omvandlas till ren b-mässing vid hög temperatur.
Vid kopparhalter under 54% Cu innehåller legeringen enbart b-fas vid rumstemperatur. Den legering är spröd och används ej som konstruktion material.
För standardiserade mässingsorter avsedda för djuppressning, t.ex. (SS-5150), finns det krav på max och min kornstorlek. Max-värdet har satts för risken att det skall uppstå apelsin yta.
Mässing med 63-67% Cu lämpar sig för sandgjutning. Mässing med låg koppar halt (b-rik) kan presgjutas och låtryckgjutas.
Bearbetning med spånskärande verktyg bör vara av a-b-mässing och innehålla bly, som underlättar spånbrytning. Vanligen så väljer man en blyhaltig mässing med ca 58% Cu och 3% Pb (SS-5170), som äger fördelarna att vara relativt billig och att -enligt ovan -kunna strängpressas. Bly är olöslig i a- och b-faserna. Bly bildar alltså en tredje fas. Denna legering har har den bästa skärbarheten av alla tillgängliga material
Korrosionhärdighet
Allmänt sett är mässing något underlägset koppar. Under ogynnsamma förhållanden kan s.k. avzinkning uppstå, vilket innebär att zinken löses ut. Kvar blir då en porös, spröd massa bestående av koppar. Detta kan även ske i vanligt vatten om tiden är lång. En hög zinkhalt i legeringen hatr lättare för denna egenskap. Sålunda är b-mässing känsligare än vad a-mässing är. a-mässing med hög kopparhalt är praktisk taget okänslig. Idag finns avzinkningshärdig mässing för både plastisk formgivning och gjutning (Special mässing).
Kallbearbetad mässing har en viss belägenhet för spänningskorrosion om den den utsätts för fuktig luft innehållande små mängder ammoniak. Efter kallformning så brukar man avlägsna spänningarna genom att värma godset till 250-300 3C under någon timme. Den höjning av sträckgränsen och brottgräns finns kvar till största delan efter denna värmebehandling.
Mässing är liksom koppar känsliga för erosionkorrosion. Legeringar innehållande aluminium motverkar erosionkorrosion vid a-mässing.
Värmebehandling
Mässing är ej härdbart. Rekristalliserande glödgning (mjukglödgning) efter kallbearbetning asker vid 500-650 0C. Det är viktigt, att man ej glödgar vid hög temperatur (apelsinyta). Värmebehandling efter kallbearbetning för förhindrande spänningskorrosion sker vid 200-300 0C.
Specialmässing
Man kan förbättra både hållfasthet och korrosionhärdigheten hos mässing genom att tillsätta olika legeringsämnen, för att erhålla specialmässing med specifika egenskaper.
Järn, aluminium och mangan ökar hållfastheten och är vanliga tillsatser i de hållfasta mässing legeringar som finns. Tillsatserna förbättrar även nötningshärdigheten, och det finns några mycket nötningshärdiga mässingslegeringar som innehåller kisel.
Aluminium, tenn och arsenik förbättrar korrosionhärduigheten. Aluminium ökar härdigheten mot bl.a. erosionkorrosion-exempel är (SS-5217). Arsenik har förmågan att göra a- fas imun mot avzinkning och ingår därför i flera avzinknings härdiga legeringar. Alumniumhaltig mässing kan ges ett form- minne, vilket innebär att en produkt av legeringstypen kan växla form mellan två olika temperaturer. Legerings typen har även en god dämpade förmåga för s.k stomljud. De olika tillsatserna i special mässing är vanligen lösliga i a- och b-faserna och påverkar mängdförhållandet mellan dessa , i regel så att b-fasen finns vid lägre zinkhalter. Legeringarna är i regel a-b-legeringar eller i något fall rena a- legeringar.
Nickelmässing (nysilver)
Nickel avfärgar mässing så att den gula färgen med ökande nickelhalt övergår i nickels vita färg.
Vanlig nickelmässing innehåller 12 eller 18% ni. Legeringen med de lägre nickelhalterna är något gulvita, emedan de nickelrikare är i ny putsat tillstånd praktisk tagit silvervit
Romanmässing
Legeringen innehåller ca 60% Cu, 39% Zn och 1% Sn. Legeringen är mekanisk starkare än vanlig mässing och mer motståndkraftig mot havsvatten. I den gamla mässing legeringen (Pinsbeck, Pinschback) för tillverkning av prydnadsföremål skiftande zinkhalter mellan 7-15%.
Bronser och rödmetaller
Under den gemensamma benämningen "brons" har man sammanfattat ett antal legeringar, som till största delen består av koppar och som dessutom innehåller mindre mängder andra metaller, såsom Sn eller Sn-Pb eller Al. Cu-Zn-legeringar räknas inte hit. De plastiska bearbetade bronserna är dyrare än mässing, dels därför att de ingående legeringsbeståndsdelarna är dyrare och svårare att varmforma.
Tennbronser
För att plastisk formgivning skall kunna att utföras så får inte legeringen innehålla mer än 10% tenn.
Legeringar med 2% Sn kan varmvalsas, men vid högre tennhalter måste man kallvalsa redan vid götet. Rekristalliserande glödgning (mjukglödgning ) sker vid 600-700 0C. Tennbronser med hög tennhalt har redan i glödgat tillstånd mycket goda hållfasthetegenskaper. Om man jämför kallbearbetad mässing så finner man att sträckgränsen vid bronser är högre än vid mässing. Detta gör att brons är överlägsen vanlig mässing som material till exempel fjädrar. Tennbronser används nästan alltid i kallbearbetat tillstånd. I annat fall så skulle inte deras goda hållfastegenskaper ej kunna utnyttjas.
Korrosionhärdigheten
Korrosionhärdighetn är överlägsen mässingens. Någon korrosionform liknande avzinkning förekommer inte hos brons metallerna och även så sker inte någon spänningskorrosion hos brons.
Gjutlegeringar
Rena tennbronser gjutlegeringar innehåller i allmänhet 10-14% Sn. Legeringen med de högre Sn-halterna brukat i gjutet tillstånd vara försatta med ca 0,25% P. Strukturen är alltid tvåfasig och ojämn med avseende på sammansättningen till följd av segringar.
Jämnför man de gjutna tennbronserna med de plastisk formgivna finner man liksom vid mässing, att de gjutna har betydligt sämre hållfasthetefgenskaper. Särskilt är förlängningen mycket låg. Detta beror dels på Sn-halten är högre, dels på att valsningen bryter ned den grova gjutstrukturen i de plastiska formgivna bronserna och utjämnar de ojämnheter i sammansättningen som uppstår till följd av segringen.
Den mest utmärkande egenskapen hos de gjutna tennbronserna är god slitstyrka.
Vanligaste metoder för att gjuta tennbronser är sandgjutning, kokillgjutning, centrifugalgjutning och stränggjutning.
Blytennbronser och blybronser
Dessa bronser utmärker sig för goda lageregenskaper och bra korrosionhärdighet. Det finns endast en legering som är standardiserad i Sverige det är SS-5640. Blytennbrons har fått en nyrenesans, då de har blivit mer efterfrågade på marknaden som stränggjuten stång och centrifugalgjutet rör där dessa bronser är lämpliga än vad vit metaller är. Anledningen är att risken för inhomogeniter till följd av segringar och utskiljningar är mindre vid dessa bronser än vid vitmetall, då det gäller stränggjutet och centrifugalgjutet gods.
Rödmetaller
Rödmetall defineras som kopparlegering för gjutgods med så hög kopparhalt att legeringen blir rödaktig. Rödmetallerna kan betraktas som tennbronser, vari tennet blir större eller mindre dels ersatt med zink, även bly kan förekomma.
Sn ger högre brottgräns, hårdhet och slitstyrka.
Zn ger högre brottgräns och hårdhet samt i mindre tillsatser bättre gjutbarhet, men försämrar slitstyrkan.
Pb ger bättre lageregenskaper, korrosionegenskaper, trycktäthet (SS-5204) och skärbarhet.
Rödmetallerna änvänds vanligen för sandgjutning, men ibland även för kokillgjutning, centrifugalgjutning och stränggjutning.
Rödmetallerna med hög Sn-halt har med sina egenskaper liknelser med tennbronser och har därför liksom dessa goda slitstyrka och goda lageregenskaper.
Om man jämför rödmetall med gjutmässing, finner man följande fördelar hos rödmetallen: Ingen risk för avzinkning (zinkhalten är låg), mindre sugningar, bättre gjutyta samt i varje fall vid högre Sn-halt, högre sträckgräns och brottgräns.
Aluminiumbrons
Dessa har utmärkande egenskaper för sina goda hållfasthetsegenskaper, slitstyrka, korrosionhärdighet och värmehärdighet. De vanligaste aluminiumbronserna innehåller förutom koppar och aluminium mindre mängder nickel, mangan och järn. Dessa tillsatser höjer brottgränsen, hårdheten och slitstyrkan redanhos det obehandlade materialet, vartill det kommer att göra att samma egenskaper kan förbättras genom utskiljningshärdning. Även så kommer korrosionhärdigheten att förbättras. De rena alumniumbronserna har en tendens till att genom selektiv korrosion (avaluminering).
Legeringen har ungefär samma färg som mässing. Aluminiumbronserna kan både valsas och smidas både varmt och kallt. De kan också gjutas men "suger" mer än vad rödmetallerna gör, formningwen blir därför svår. Däremot så kan den inte lödas vare sig med mjuklod eller hårdlod, då loden inte flyter på aluminiumrika legeringar.
Nickelbronser
De vanligaste nickelbronswer innehåller 10-30% Ni och något Fe resterande Cu. De är ur korrosionpunkt underlägsna monelmetaller, men har dock i jämförelse med t.ex. vanlig mässing och nickelmässing mycket god korrosionhärdighet. Detta gäller särskilt erosionkorrosion i havsvatten. Färgen är rödvit till vit beroende på Ni-halten. Två legeringar är standardiserade SS-5667 och SS-5682. Bl.a de svenska enkronorna är gjorda av nickelbrons med 25% Ni.
Aluminium och aluminiumlegeringar
Aluminiumets har låg vikt och goda korrosionsegenskaper. Metallens densitet är 2,7 g/cm3, vilket är en tredjedel av stålets. Aluminium är, liksom titan och krom, utpräglat passiverbart.
Det passivskiktet är grunden för de goda korrosions egenskaperna. Aluminium är beständigt i ett ganska snävt pH-område kring neutral punkten och har god härdighet mot luftföroreningar och mot saltvatten.
Däremot angrips aluminium häftigt både i starkt sura och i starkt alkaliska lösningar. Ett undantag är salpetersyra, under vars inverkan aluminium upprätthåller och förstärker passivskiktet, vilket förhindrar angrepp.
Aluminium som erhålls vid smält elektrolys av kryolit och därmed löst aluminiumoxid innehåller alltid vissa föroreningar. Normalt så skall aluminium innehålla 99,3-99,8 % Al, men dessa gränser kommer för användningsområdet att överskridas. Genom en elektrolytisk raffinerings metod så kan aluminium framställas med renhetsgrader över 99,99 %. Dessa rena aluminium används främst för reflektorer eller smycken osv.
De förekommande föroreningar hos Al i handelskvalitet är Fe och Si. Fe-halten brukar sällan överskrida 0,5 % och Si-halten ligger vanligtvis under 0,4 %. Både dessa ämnen härstammar från smält elektrolysen använda elektroder. I fast fas är Fe praktisk taget olöslig i Al och Si löslig i ringa grad. Därför kommer de vid stelnande av aluminium smältan att utfalla i strukturen i form av separata faser ( Al3Fe, Si eller AlFe silicider) och bildar då ett nätverk eller spridda lameller.
Titan kan förekomma i handels aluminium upp till några få hundradels åprocent. Ti är praktisk olöslig i Al. Titan verkar i Al som en kornförfinare, av denna anledning så tillverkas ofta aluminium svetsstavar med en tillsats av några procent tian.
Andra metalliska föroreningar som kan förekomma i aluminium är koppar och zink vilken koppar nedsätter korrosion motståndet hos aluminiumet. I handels aluminium så kommer dessa metall föroreningar aldrig förekomma med mera än några hundradel procent. I aluminium så kan det förekomma inneslutningar av aluminium oxid, flussmedels rester eller andra icke metalliska föroreningar. I Al så kan handels aluminium också innehålla lösta gaser av vätgas.
Konduktiviteten hos aluminium påverkas vanligtvis av följande mängd föroreningar som Cr, V, Mn, Ti och Si vilka är de skadligaste. Vid aluminium som skall verka som en elektrisk ledare så skall därför dessa förorenings halter hållas mycket låga eller så skall kompensation åtgärder utföras.
Vid en för hög Si- halt så kan man eliminera detta med en värmebehandling vid ca 300 0C varigenom konduktiviteten ökas. Med denna värmebehandling så utfälls den fasta lösningen det överskott av Si.
Av föroreningar så är det främst koppar, järn och kisel som försämrar korrosion motståndet. Koppar- halter av några hundradels procent så påstås det att det kan motverka tendensen till att det bildas frätgropar i aluminium vid korrosion angrepp. En koppar tillsats av 0,10-0,20 % påstås minska kornstorleken och tendensen till öron bildning vid drag pressning samt att det förbättrar dragpressbarheten och ytutseendet. I någon mån så kan hållfastheten även också ökas.
Hållfasthet
Egenskaperna för aluminiumets hållfasthet påverkas i hög grad av renheten i aluminium. Sträckgränsen, brottgränsen och hårdheten ökar sålunda under det att brotttöjningen och formbarheten minskar med stigande mängd föroreningar. Hållfastheten avtar hastigt med stigande temperaturer. För att förbättra den förhållandevis låga hållfastheten och hårdheten hos aluminium tillsätts vissa andra metaller, vilket utgör de olika aluminiumlegeringar.
Följande större mängd tillsatser ökar hårdheten och hållfastheten:
Magnesium, koppar, zink och kisel. I mindre mängder så tillsätts även mangan, nickel, krom, titan, järn, bly, vismut eller eventuellt någon annan metall. Av dessa ökar mangan något hållfasatheten och motverkar skadliga inverkan av närvarande järn. Mangan förbättrar liksom krom korrosionmotståndet. Titan verkar starkt kornförfinande. Bly och vismut förbättrar bearbetbarheten med skärade verktyg genom att göra spånen sprödare. Nickel förbättrar varmhållfastheten.
Av tillsatserna löses i aluminium vid rumstemperaturer ca 3 % Mg, ca 3% Zn och ca 0,4 % Cu.
De övriga tillsatserna har så låg löslighet så att de kan betecknas som olösliga i aluminium.
Med kisel, zink, bly och vismut bildar aluminium hårda och spröda intermetalliska föreningar, vilka uppträder som särskilda strukturbeståndelar. Tillsats metaller kan även sinsemellan eller tillsammans med aluminium bilda intermetalliska förengar, som är hårda och spröda.
De tekniska aluminium legeringar har därför i regel en struktur, vilket ingår som en mjuk grundmassa av aluminiumblandkristaller med inlagrade hårda kristalliter av intermetalliska förenigar eller av kisel.
Efter användnings ändamålet brukar man vanligtvis indela aluminium legeringen i två stora huvudgrupper: Plastigt formbara legeringar, avsedda för tillverkning av halvfabrikat genom valsning, sträng pressning, dragnig eller smidning samt gjutgods legeringar avsedda för sand-, kokill- och presstgjutgods.
Tekniska viktiga legering typer och deras användning
|
Halvfabrikat |
Smide |
Gjutgods |
|
Al |
AlMgSi |
AlCuMgNi |
|
AlMn |
AlCuMg |
AlSi och AlSiMg |
|
AlMg och AlMgMn |
AlCuMgNi |
AlCu |
|
AlMgSi |
AlZnMg (Cu) |
AlCuSi (AlSiCu) |
|
AlCuMg |
|
|
|
AlZnMg (Cu) |
|
|
Vanligen så delas dessa in i två grupper: Ej härdbaralegeringar (inkl,s.k. renaluminium) och härdbara legeringar. Bland de ej härdbara legeringarna innehåller s.k. renaluminium järn och kisel upp till en sammnlagd 15. Hållfastheten är låg, särskilt i mjukglödgat tillstånd, men kan ökas genom kallberabetning. Legerings ämnen som höjer hållfastheten ytterligare är mangan och magnesium, som används var för sig eller i en del legeringar tillsammans. Hållfastheten ökar med ökande legerings tillsatsd och kan också ökas genom kallberarbetning. Exempel på ej härdbara legeringar är AW-1050A (Al99,5A),AW-3103 (AlMn1), AW-6063 (AlMg2,5) och AW-5083 (AlMg4,5Mn0,7.
De härdbara legeringarna innehåller legeringsämnen som kan ge utskiljninghärdning. Vanligast legeringar är med magnesium Mg och kiselSi i kombination. Exempel på härdbara legeringar är
AW-6063 (AlMg0,7Si), AW-6082 (AlSiMgMn) och AW-7020 (AlZn4,5Mg1)
Aluminium legeringar-AlMn
Eftersom den enda legeringstillsatsen är en mindre mängd Mn, påverkas grundmetallens fysikaliska egenskaper ganska obetydligt. Detsamma gäller även för korrosion motståndet.
Under vissa förhållande föreligger en tendens till det bildas frätgropar i olegerad aluminium.
AlMn med 1,0-1,5 % Mn, har ca 25 % högre hållfasthet än olegerad aluminium.
Brottöjningen påverkas ej genom Mn tillsats.
Aluminium legeringar- AlMg och AlMgMn
Vid den eutektiska temperaturen dvs 450 0C så kan Al upptaga ca 15 % Mg i fast lösning.
Lösligheten avtar snabbt med fallande temperatur och är vid rumstemperatur endast några få procent.
De i tekniken mest använda legeringarna innehåller i allmänhet högst ca 7 % Mg.
Men ändå så kan det finnas legeringar med en Mg halt ända upptill 10 %, såväl för halvfabrikat som för gjutgods. I legeringen med hög halt Mg utskiljes vid långsam svalning en av Al och Mg bestående metallförening, som bildar en särskild strukturbeståndsdel.
På det sätt vilket AlMg-föreningen uppträder i strukturen har en stor inverkan på korrosionegenskaperna. Bildar AlMg-föreningen en sammanhängande tunn film längs korngränserna, kan materialet lätt förstöras genom bristning till följd av s.k. spänningskorrosion dvs samverkan mellan rådande spänningstillstånd och ett korroderande medium, t.ex. havsluft.
AlMg-föreningar är nämligen anodisk i förhållande till den av fast lösning bestående grundmassan i strukturen. Sådan urskiljning i form av en tunn sammanhängande film äger rum, om en AlMg legeringen med hög Mg-halt och en homogen struktur under en längre tid uppvärms vid låg temperatrur då redan vid 100 0C, en temperatur som lätt uppnås redan vid direkt solbestrålning.
Detta kan undvikas om det utförs en särskild heterogeniseringsglödgning. AlMg-fasen kommer då att bilda små runda korn, från varandra isolerade korn.
I AlMg-legeringarna förekommer vanligen små tillsatser av Mn,Cr, Sb, Si eller Zn. Mn bildar med Al en intermetallisk förening, vilken löser som förorening ingående Fe och därmed förbättrar korrosion motståndet. Cr anses även förbättra korrosion motståndet. Sb skall förbättra korrosion motståndet hos gjutgodslegeringar genemot havs vatten. Si och Zn används som tillsats i gjutgodslegeringar för att förbättra gjutbarheten.
De nu tekniska använda aluminium legeringar innehållande Mg har halter från 0 upptill 7 % undantagsvis upptill 10% Mg. Vanligen förekommande halter i legeringen för halvfabrikat är ca 0,6, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,6 5 och 5,5% Mg. I legeringar med 2,5% Mg så brukar det ingå 0,25% Cr, i de övriga med över 2% Mg oftast några tiondels Mn.
AlMg-legeringar har anmärkningsvärt gott korrosionsmotstånd. Jämfört med olegerat aluminium uppvisar de bättre motståndskraft gentemot havsatmosfär, havsvatten och svagt alkaliska lösningar men står inte emot svagt sura lösningar. Med stigande Mg-halt i legeringen ökar hållfastheten och hårdheten samt att det minskar brotttöjningen. Även utmattningshållfastheten är bra i denna legering.
Sammanfogning &Ytbehandling samt användning
AlMg-legeringar är lätta att polera samt mycket väl lämpade för elektrolytisk oxidering (anodisering), speciellt gäller detta för legeringar innehållande 2-3& Mg och ingen eller låg Mn-halt. Svetsbarheten är god vid låga halter Mg i legeringen. För att förbättra svetsbarheten så kan lämpligen tillsatser av Si införlivas i legeringen. En sådan legering innehåller ca 3% Mg och ca 1% Si.
Med argon som skyddsgas har bågsvetsning av AlMg-legeringar gjorts lättare att utföra. Denna legering är inte härdbar utan hållfastheten beror på Mg-halten, är svetsningsmöjligheten av speciellt intresse.
Till följd av sin större hårdhet är AlMg-legeringar lättare att bearbeta med skärande verktyg än olegerad aluminium och AlMn-legeringar. Egg vinkeln måste dock i verktygsstålet göras liten och bearbetningshastigheten stor för att erhålla ett bra resultat.
AlMg-legeringar används bl.a för inredningsdetaljer för fartyg, för överbyggnader och inredningar, flygplandelar, transportväsendet, för apparater och kärl inom kemisk industri och för beslag,skyltar och inredningsdetaljer som skall anodiseras. Eftersom nötningsmotståndet är mycket bra så används AlMg-legeringen för t.ex. lastbilsflak och andra konstruktioner detaljer som är utsatta för slitage.
Gjutgods av dessa legeringar får en jämn och vacker yta, bättre än hos någon annan legering typ, varför sådant gods lämpar sig för prydnads föremål och till följd av de bra korrosion motståndet till delar utsatta för havsatmosfär.
Aluminiumkopparmagnesium-legeringar AlCuMg, AlCuMgPb och AlCuMgNi
AlCuMg-legeringar är typiska exempel på härbara aluminium legeringar. Hårdhet och hållfasthet kan åstadkommas hos metalliska material i tre princip skilda sätt.
- plastisk bearbetning
- Legera materialet
- Härdning
Hårdhets ökning genom plastisk deformation
Vid plastisk deformation av en kristall sker en formförändring genom glidning utefter vissa kristallplan . Vid kubisk ytcentrerade metaller som aluminium sker detta efter oktanderplanen varvid planen stegvis förskjuts i förhållande till varandra med ett atomavstånd i taget. Gittrets regelbundna anordning blir återställd efter varje sådant steg, atomerna har endast utbytt grannar. En förutsättning för att detta skall ske är att det förekommer ett fel i gittrets i övrigt regelbundna uppbyggnad, en serie tomma platser eller övertaliga atomer. Det är denna oregelbundenhet som tjänar som en anvisning för glidningen. Vid denna deformation så alstras det nya fel som förvårar fortsatt glidning.
Detta sker i ökad translation, varvid motståndet mot fortsatt deformation tilltar, dvs hårdheten ökar.
Hårdhets ökning genom legering
Om man försätter en ren metall med en legeringstillsats så kan denna antingen upptas i en fast lösning, varvid den ersätts av främmande atomer som ersätter atomerna i grundmetallen på vissa gitter platser, eller substitutionblandkristallbildning eller också bildar tillsatsen ensam eller i förening med grundmetallen en särskild kristall art. Det senare är fallet om tillsatsmetallen är olöslig eller har en begränsad löslighet. En blandkristall har något större hårdhet än den rena metallen, emedan tillsatsmetallens atomer har en storlek som avviker från grund metallens, vilket orsakar en tröghet av glidningen. Bildas det istället en främmande finfördelad kristallart, så försvåras deformationen grundmassan glidning genom att de många nya gränsytorna blockerar glidrörelsen.
En legering får av dessa orsaker större hårdhet och hållfasthet men mindre formbarhet än den rena metallen.
Hårdhets ökning genom härdning
Vid härdning , som är en värmebehandling av endast lämpade legeringar. Gör att aluminium legeringen intar ett strukturtillstånd som inte motsvarar jämvikten. Men som är hållbar vid låg temperatur, och medför ett hinder mot att glidning uppstår vid deformation. Man erhåller därmed en hållfasthet och hårdhets ökning.
Den legeringsammansättning som är vanligt kallas "duralalumin" och hade tilllsatserna 4% Cu, 0,5%mg och 0,5%Mn. Temperaturen för att härda aluminium är 500-548 0C .
För varmåldring så utförs detta vid en temperatrur av 100-200 oC under flera dagar. Hårdhetsökningen sker under det att det sker en successiv utskiljningsprocess ur den övermättade fasta lösningen, denna typ av härdning brukas också kallas utskiljnings härdning. Detta får inte ske under en för lång tid, då kommer hårdheten att sjunka på grund av att Al2Cu kornen tillväxer och motståndet mot translation i grundmassan kristallkorn minskar
Kallåldring sker under det att legeringen lagras, om legeringen innehåller förutom Al och Cu även något Mg. Detta uppstår då koppar atomer koncentreras till vissa plan i Al-gittret, som kommer att deformeras och därför erbjuder ett stort motstånd mot translation.
Sammansättning och struktur
För de härbara AlCuMg-legeringar kallas numera för "dural" namnet "duralalumin" kallas den för Wilm ursprungliga legering med 4%Cu, 0,5%Mg och 0,5%Mn. Sammansättningen hos durallegeringar ligger vanligen inom följande gränser: 3,5-4,7 % Cu, 0,4-1,7% Mg, 0,5-1,3% Mn och resten aluminium, frånsett normalt förekommande föroreningar. I vissa fall så tillsäts Si men den brukar inte överskrida 1%. Även tilllsats av Pb, Ni och fe förekommer i legeringen, som kan betecknas AlCuMgPb och AlCuMgNi.
Koppar är den tillsats som ger härdnings effekten och därför hållfasthetsökningen hos dural. Om inte Cu-halten är anpassad så att vid 5000C all Cu kommer att upptas i fast lösning. Innehåller legeringen mera Cu så uppstår den intermetalliska föreningen Al2Cu som kommer att bilda en särskild strukturbeståndsdel. Denna fas medför knappast ökad hållfasthet men väl minskad brotttöjning, nedsatt formbarhet samt försämrat korrosion motstånd. Genom tillsatser och föroreningar minskas lösligheten för Cu i Al, varför 4-4,5% Cu blir den maximala mängd, som kan upptas i fast lösning.
Tillsatsen av Mg i dural medför att legeringen kallåldrar. I viss mån så ökar även hållfastheten med ökad Mg-halt. Även Fe finns i viss mängd. Om Fe-halten blir allt förhög så minskas lösligheten för Cu i Al märkvärd, vilket kommer att ge ett sämre hårdhet och hållfasthet. En alltför hög Fe-halt bidrar även till att det sker en fördröjning av kallåldringen.
Korrosion motståndet hos dural är sämre än för olegerad aluminium. Oftast så utförs en plätering över dural aluminium med olegerad aluminium över dural. Detta sker med hjälp av varmvalsning. Pläterings tjockleken brukar vara 5% av götets och pläterings plåtarnas sammanlagda tjocklek .
Vid värmebehandling och speciellt vid upplösningbehandling föreligger en stark tendens till att Cu i dural diffunderar in i pläterings materialet, varför en viss försämring av korrosion motståndet försämras. Dural aluminium skall värmebehandlas kortast möjligast tid för att förhindra detta.
Den lämpligaste hopp fogning tekniken för dural är kall nitning då varm nitning kan ge sämre hållfastheten och korrosion motståndet försämras, då det uppstår en viss upphettning vid sammanfogningen.
Bearbetning är hos duras med skärande bearbetning bättre än hos olegerad aluminium, då hårdheten hos dural är högre. Egg vinkeln skall var 45-50o.. Spånet blir dock lång sammanhängande, vilket försvårar bearbetning i automater. Därför har legeringar med spånbrytare tillsatser framstälts AlCuMgPb.
Dural använd inom höghållfast konstruktion,i form av plåt, stång, profil rör, nit, smide mm.
Även konstruktioner inom flygplans industrin så används dural.
Aluminiummagnesiumkisel legeringar, AlMgSi
Vid samtidig närvaro i Al av Mg och Si så kan dess båda sistnämnda bilda en förening Mg2Si. Denna komponent bildar med Al en legerings serie på samma sätt som varje tillsats metall för sig. Vid den eutektiska temperaturen av 595 0C så kan Al lösa maximalt 1,85%Mg2Si, vilket motsvara 1,15% Mg och 0,7% Si. Med fallande temperaturer avtar lösligheten hastigt. Vid rumstemepratur så är den mycket låg. Dessa legeringar är härbara med tillsatser av ett överskott av Mg och 0,3-1,0% Mn för att för att öka hållfastheten. Mangan uppgift är mera betydelsefull genom att då binda Fe så att dess skadliga inverkan nedsätts och korrosion motståndet förbättras.
Konduktiviteten hos rena legeringar med låg tillsats av Mg och Si ligger endast ca 10% lägre än hos olegerad aluminium. Hållfastheten kan inte överträffa dural men i gengäld så är korrosion motståndet högre för AlMgSi-legeringar.
Sammanfogning, bearbetning och ytbehandling
Legeringar av typen AlMgSi-typen har god svetsbarhet. Speciellt argon svetsning lämpar sig väl för dessa legeringar. Vid svetsning av härdat material inträder en oundviklig hållfasthetsminskning intill svetsskarven. Hållfastheten minskar till 65-70% av ursprunglig värde. Vid svetsning så försämmras inte korrosion motståndet, som är fallet vid svetsning av dural. Detta har givetvis en stor betydelse för materialets användning i konstruktioner.
AlMgSi är lättare att bearbeta med skärande verktyg i härdat tillstånd än i glödgat. För att möjliggöra bearbetning i automat så kan Pb legeras in i legeringen.
Ur ytbehandling synpunkt så är legeringen lätt att polera och därför lämpad för anodisering.