3.12 Koppargjutlegeringar

Koppar är en metall med mångtusenåriga anor och har än idag en stor betydelse för vårt samhälle och dess utveckling.

Skriv ut
Innehållsförteckning

    3.12.1 Koppargjutlegeringar

    De värdefulla egenskaper som koppar besitter är framförallt den höga ledningsförmågan för elektricitet och värme, den goda korrosionsbeständigheten och den lätthet med vilken den kan formas till komplicerade former. Ren koppar av den högsta renhetsgraden kallas elektrolytkoppar, men är för mjuk för vanliga tillämpningar. Den är basmetall i ett stort antal legeringar med värdefulla kompletterande egenskaper, som just är de som är typiska för koppar.

    Kopparlegeringar är ett av de allra äldsta konstruktionsmaterialen och användes till att börja med för en mängd vitt skilda ändamål. Även om andra material ersatt kopparlegeringar på många områden är de gjutna kopparlegeringarna i dag fortfarande betydelsefulla som konstruktionsmaterial. I vissa tillämpningar är kopparlegeringarna fortfarande det enda tänkbara alternativet.

    Generellt kännetecknas de flesta kopparlegeringar av gott korrosionsmotstånd och goda glidegenskaper. En nackdel hos kopparlegeringar är i vissa tillämpningar den höga densiteten (8,5-9 gram/cm3).

    En mängd olika kopparlegeringar finns tillgängliga, med SIS beteckning 5xxx (se figur nedan). En grov indelning av dessa är huvudsakligen:

    • Brons och rödmetall
    • Mässing
    • Högkopparlegeringar (inklusive renkoppar)
    Figur 76. Översikt över koppargjutlegeringar.

    3.12.2 Brons- och rödmetall

    Gjuten brons och rödmetall har ett brett användningsområde inom många olika industrier. Materialen används i stor utsträckning på grund av sin korrosionshärdighet.

    Exempel på användningsområden där denna egenskap utnyttjas är hantering av korrosiva vätskor, där komponenter som pumpar, ventiler och kopplingar gjuts i brons. Propellrar och detaljer till stora centrifugalpumpar gjuts ofta i brons på grund av materialets goda motstånd mot ytangrepp.

    Brons och rödmetall har även utmärkta glidegenskaper och används därför i stor utsträckning till glidlager. Även för kugghjul är olika typer av brons lämpliga. Materialets goda nötningsmotstånd vid till exempel glidning mot en stålyta gör att produkter som skruvhjul och en mängd olika kugghjul tillverkas i brons. Till materialgruppen ”Brons och rödmetall” hör flera olika legeringar, vilka kan systematiseras enligt Tabell 43.

    Tabell 43. Bronser och rödmetall. Översikt:

    Tennbronser
    Brons var ursprungligen koppar legerat med tenn. Redskap, verktyg och smycken av brons framställdes ur koppar-tenn-malm flera tusen år innan metallen tenn upptäcktes och identifierades.

    Dagens”tennbronser” kännetecknas av hög hållfasthet och mycket god korrosionshärdighet. Tennbronserna kan legeras med fosfor och kallas då fosforbrons – en legering som kännetecknas av mycket hög hårdhet.

    Tennbronser och fosforbronser används till bland annat glidlager, snäckhjul, pumphus och led- och löphjul samt glidlager utsatta för stötbelastningar. Glidlager i tennbrons kan bära en större last än rödmetallager men fordrar hårdare axel och bättre smörjning (Figur 77).

    Figur 77. Glidlager gjutna i tennbrons (Johnson Metall).

    Tennblybronser
    Bronser legerade med bly kallas ”tennblybronser”. Tennet är vid denna legeringssammansättning helt löst i koppargrundmassan. Blyet däremot löser sig inte i kopparn utan framträder som fritt finfördelat rent bly.

    Tennblybronser kännetecknas av goda glidegenskaper och god plasticitet. Vid användning i glidlager har materialet förmåga att bädda in främmande partiklar utan att legeringen skadas. Vid höga blyhalter, 14 till 15 procent, är plasticiteten särskilt god, vilket är en fördel i glidlager där risk för kantpressning föreligger. Dessutom utnyttjas blyets egen smörjande förmåga i glidlager med otillfredsställande smörjning. En annan kännetecknande egenskap för tennblybronser är god korrosionshärdighet i havsvatten.

    Tennblybronser används exempelvis i vattensmorda glidlager, lagringar i valsverk, glidlager utsatta för kantpressning och lager i slip- och finbearbetningsmaskiner.

    Rödmetaller
    Rödmetall är en tennblybrons legerad med zink och är en av de mest använda kopparlegeringarna. Rödmetallerna lämpar sig för konstruktioner där trycktätt gods erfordras, exempelvis ångarmatur upp till 225°C, och för allmänna glidlagerkonstruktioner och pumpgods.

    Väsentligt för rödmetall är att tennhalten är lägre än i rena tennbronser och det gör rödmetallen relativt billig inom gruppen kopparbaserade gjutlegeringar. Det finns även en variant av rödmetall utan zink.

    Hållfasthetsvärdena för rödmetall ligger i klass med gjutjärn men rödmetallen är segare. Förlängningsvärdena är höga jämfört med andra koppargjutlegeringar. Rödmetall har också bra glidegenskaper på grund av dess blyhalt, något som också ger en utmärkt skärbarhet vid bearbetning.

    Aluminiumbronser
    Koppar legerad med 5 till 13 procent aluminium kallas aluminiumbrons. Kombinationen av koppar och aluminium samt utnyttjande av speciella legeringstillsatser, främst järn för att ge ett finkornigt material, ger aluminiumbronsen dess karakteristiska egenskaper.

    Dessa legeringar har hållfasthetsegenskaper jämförbara med konstruktionsstålens. De har en för kopparlegeringar unik kombination av förhållandevis låg densitet och god hållfasthet. De kännetecknas av mycket god korrosionshärdighet i icke oxiderande syror, till exempel svavelsyra och saltsyra, god beständighet vid förhöjd temperatur och goda nötningsegenskaper. Kombinationen god värmeledningsförmåga och hög hållfasthet gör aluminiumbronser lämpade för exempelvis gnistfria verktyg.

    I stillastående vatten eller lösningar och i vätskefickor står sig aluminiumbrons normalt bättre än rostfritt stål, då rostfritt stål är känsligt för spaltkorrosion.

    Aluminiumbronser används för produkter som marina utrustningar, propellrar, pumphus och vattenturbiner. Legeringarna utnyttjas vidare för högtrycksarmatur, betningsutrustningar, verktyg och utrustning i vilka låg magnetisk permeabilitet är viktigt.

    Figur 78. Kugghjul i aluminiumbrons.

    Aluminiumbrons legerad med nickel och järn kallas nickelaluminiumbrons. Korrosionsbeständigheten hos en detalj gjuten i denna typ av brons är jämförbar med korrosionsbeständigheten hos motsvarande detalj gjuten i rostfritt stål. Nickelaluminiumbronser är legeringar som används då man önskar ett material som kan stå emot stora mekaniska belastningar i korrosiva miljöer. Exempel på användningsområden är ventilsäten, pumpar, bussningar till landningsställ på flygplan, samt till propellrar och axlar i marina miljöer.

    Nickelaluminiumbrons legerad med mangan kallas manganaluminiumbrons. Genom legering med mangan ökar slagsegheten hos legeringen. Områden där manganaluminiumbrons kommer till användning är propellrar till isbrytare, där slagsegheten är av stor betydelse.

    Kopparnickellegeringar
    Ibland legerar man koppar med 10 till 30 procent nickel och får då kopparnickellegeringar. Anledningen är att dessa legeringar får ännu bättre korrosionshärdighet än aluminiumbronser i havsvatten. Hållfasthetsvärdena är något lägre än för aluminiumbronserna.

    3.12.3 Mässing

    Med mässing för gjutning avses kopparlegeringar innehållande huvudsakligen legeringsämnet zink. Mässingens hållfasthet ökar med ökande zinktillsats. För att underlätta spånskärande bearbetning kan mässingen legeras med bly.

    Zink ökar materialets mekaniska egenskaper och för att underlätta spånskärande bearbetning legeras mässingen med bly. Ett av de viktigaste användningsområdena för mässingslegeringar är bland annat vattenledningsarmaturer men många produkter tillverkas för värme- och kylanläggningar.

    Beroende på produkternas ändamål så används standard-, och specialmässing. Generellt sett har utvecklingen gått mot att minska tillsatsen av bly i materialet eftersom bly är giftigt för människor men även för andra djur och organismer. Standardmässing har blyhalter upp till Pb 3,5 %. Specialmässing som används för produkter i kontakt med dricksvatten utvecklas ständigt utifrån drivkraften att visa på god korrosionsresistens. När mässing korroderar så kan halten av tungmetaller mätas. Här finns tydliga gränsvärden fastställda av Livsmedelsverket. Genom att blanda in rätt grundämnen i rätt halt kan korrosionen mer eller mindre avstanna. Dessa grundämnen, vilka benämns inhibitorer, är arsenik, antimon samt fosfor. Respektive ämnes halter behövs i nivå med <0,05%.

    Figur 79. Vattenkran gjuten i mässing och förkromad (Ostnor).

    Mässing används vidare för maskiner och utrustning av varierande slag, till exempel för marint bruk, för hantering av kemikalier samt för konstnärliga ändamål.

    Figuren visar de grundämnen som förekommer och används i all mässing, baserat på aktuellt behov.

    Figur 80. Förekommande grundämnen.

    En speciell typ av mässing är nickelmässing eller som den ofta kallas nysilver.

    Gjutmässing används av både sand, kokill och pressgjutare. Däremot kan den kemiska sammansättningen vara lite olika men dock inom kravspecifikationen. Gjuttemperaturen mellan de olika gjutmetoderna varierar men avbrännan av både Zink och Aluminium måste undvikas. Både zink och speciellt aluminium reagerar enkelt, affinitet, med syre som i sin tur bildar slagg skikt. God ugnsrenhet och smältahantering är en förutsättning för ett lyckat resultat.

    3.12.4 Högkopparlegeringar inklusive renkoppar

    Renkoppar, olegerad koppar med hög renhet, benämns ofta även elektrolytkoppar.

    De egenskaper som gör renkopparn så betydelsefull är framför allt den höga ledningsförmågan för elektricitet och värme, den goda korrosionshärdigheten och den lätthet med vilken den kan formas till komplicerade former. Man kan framställa gjutgods med runt 85 procent av den rena metallens ledningsförmåga.

    Hållfastheten för renkoppar är låg, varför man måste legera med lämpliga metaller för att få högre hållfasthet. Dock minskar såväl den elektriska som den termiska ledningsförmågan genom en sådan åtgärd.

    Legeringar med en eller flera av ämnena krom, kobolt, beryllium, zirkon, nickel och kisel är exempel på legeringar med mycket hög hållfasthet i kombination med god ledningsförmåga för elektricitet och värme. Dessa legeringar används därför till bland annat svetsbackar, kylkroppar och formverktyg för formsprutning av plaster.