非鉄金属鋳物

鉄金属は、その優位性、幅広い機械的特性、低コストのため、エンジニアリング業界で広く使用されています。さらに、非鉄金属は、一般的にコストが高いにもかかわらず、鉄合金と比較してその特有の特性によりさまざまな用途に使用されています。これらの合金では、加工硬化、時効硬化などによって所望の機械的特性を得ることができますが、鉄合金に使用される通常の熱処理プロセスでは得られません。対象となる主要な非鉄材料には、アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウムなどがあります。

1. アルミニウム

すべての非鉄合金の中で、アルミニウムとその合金はその優れた特性により最も重要です。エンジニアリング業界で使用される純アルミニウムの特性には、次のようなものがあります。

• 1) 優れた熱伝導率(0.53cal/cm/C)
• 2) 優れた導電性 (376 600/Ω/cm)
• 3) 低い質量密度 (2.7 g/cm)
• 4) 低融点 (658℃)
• 5) 優れた耐食性
• 6) 無毒です。
• 7) 最も高い反射率 (85 ～ 95%) と非常に低い放射率 (4 ～ 5%) を備えています。
• 8) 非常に柔らかく延性があるため、非常に優れた製造特性を備えています。

純アルミニウムが一般に使用される用途には、導電体、ラジエーターフィン材料、空調ユニット、光学反射板および光反射板、箔および包装材料などがあります。

上記の有用な用途にもかかわらず、純アルミニウムは次の問題により広く使用されていません。

• 1) 引張強さ(65MPa)と硬度(20BHN)が低い。
• 2. 溶接やはんだ付けが非常に困難です。

アルミニウムの機械的特性は、合金化によって大幅に改善できます。使用される主な合金元素は、銅、マンガン、シリコン、ニッケル、亜鉛です。

アルミニウムと銅は化合物CuAl2を形成します。 548℃以上の温度では液体アルミニウムに完全に溶解します。これを急冷し、人工時効処理（100〜150℃で長時間保持）すると、硬化した合金が得られます。時効を経ていないCuAl2はアルミニウムと銅の固溶体から析出する時間がないため、不安定な位置（室温では過飽和）にあります。時効プロセスにより、CuAl2 の非常に細かい粒子が析出し、合金の強化が引き起こされます。このプロセスは固溶硬化と呼ばれます。

使用される他の合金元素は、最大 7% のマグネシウム、最大 1.5% のマンガン、最大 13% のシリコン、最大 2% のニッケル、最大 5% の亜鉛、および最大 1.5% の鉄です。これらに加えて、チタン、クロム、コロンビウムも少量添加される場合があります。永久成形およびダイカストに使用されるいくつかの代表的なアルミニウム合金の組成を、その用途とともに表 2.10 に示します。これらの材料を永久鋳型または圧力ダイカストを使用して鋳造した後に期待される機械的特性を表 2.1 に示します。

2. 銅

アルミニウムと同様に、純銅も次の特性により幅広い用途に使用されます。

• 1) 純銅の電気伝導率は、最も純粋な形で高くなります (5.8 x 105 /ohm/cm)。わずかな不純物でも導電率は大幅に低下します。たとえば、リンが 0.1% 含まれると、導電率が 40% 低下します。
• 2) 非常に高い熱伝導率（0.92 cal/cm/C）を持っています。
• ３）重金属です（比重8.93）
• 4) ろう付けにより容易に接合できます。
• 5) 腐食に強い、
• 6) 素敵な色です。

純銅は、電線、バスバー、伝送ケーブル、冷蔵庫のチューブおよび配管の製造に使用されます。

最も純粋な状態の銅の機械的特性はあまり良好ではありません。柔らかくて比較的弱いです。合金化することで機械的特性を向上させることができ、有利です。使用される主な合金元素は、亜鉛、錫、鉛、リンです。

銅と亜鉛の合金は真鍮と呼ばれます。亜鉛含有量が 39% までの銅は、単相 (α 相) 構造を形成します。このような合金は高い延性を持っています。合金の色は亜鉛含有量が 20% までは赤色のままですが、それを超えると黄色になります。 β 相と呼ばれる 2 番目の構造成分は、亜鉛の 39 ～ 46% の間に現れます。実際、硬度の増加の原因となるのは金属間化合物CuZnです。黄銅の強度は、少量のマンガンとニッケルを添加するとさらに増加し​​ます。

銅と錫の合金は青銅と呼ばれます。青銅の硬度と強度は、錫の含有量が増加するにつれて増加します。錫の割合が 5 を超えると延性も低下します。アルミニウムも添加すると (4 ～ 11%)、得られる合金はアルミニウム青銅と呼ばれ、耐食性が大幅に向上します。青銅は、高価な金属である錫が含まれているため、黄銅に比べて比較的高価です。

3. その他の非鉄金属

亜鉛

亜鉛は、融解温度が低く（419.4℃）、亜鉛の純度が上がるほど耐食性が高まるため、主に工学分野で使用されます。耐食性は、表面に保護酸化物コーティングが形成されることによって生じます。亜鉛の主な用途は、鋼を腐食から保護するための亜鉛メッキ、印刷産業、およびダイカストです。

亜鉛の欠点は、変形条件下で示される強い異方性、経時変化条件下での寸法安定性の欠如、低温での衝撃強度の低下、および粒間腐食の影響を受けやすいことです。引張強度と硬度が大幅に低下するため、95℃を超える温度での使用はできません。

ダイカストで広く使用されているのは、必要な圧力が低く、他のダイカスト合金に比べて金型の寿命が長いためです。また、機械加工性も非常に良好です。亜鉛ダイカストによって得られる仕上げは、多くの場合、パーティング面に存在するバリの除去を除いて、その後の処理を保証するのに十分です。

マグネシウム

マグネシウム合金は軽量で機械的強度が高いため、非常に高速で使用されます。同じ剛性を得るために、マグネシウム合金は C25 鋼の重量の 37.2% しか必要とせず、重量が節約されます。使用される 2 つの主要な合金元素はアルミニウムと亜鉛です。マグネシウム合金は、砂型鋳造、永久鋳型鋳造、またはダイカストで製造できます。砂型マグネシウム合金部品の特性は、永久鋳造またはダイカスト部品の特性に匹敵します。ダイカスト合金は一般に銅の含有量が高く、二次金属から製造してコストを削減できます。自動車のホイールやクランクケースなどに使用されます。含有量が多いほど、圧延鍛造部品などのマグネシウム展伸合金の機械的強度が高くなります。マグネシウム合金は、従来の溶接プロセスのほとんどで容易に溶接できます。マグネシウム合金の非常に有用な特性は、その高い機械加工性です。低炭素鋼と比較して、加工に必要な電力はわずか約 15% です。