Stal czy aluminium – o czym należy wiedzieć przed obróbką tych materiałów
Adobe Stock – tieroStal i aluminium są powszechnie stosowanymi materiałami – w pewnym sensie konkurencyjnymi względem siebie – które są wykorzystywane do produkcji półfabrykatów i różnorodnych gotowych produktów. Ich właściwości fizyczne i mechaniczne sprawiają, że nie da się stosować ich zamiennie bez zmiany charakterystyki danego produktu. Ponadto procesy obróbcze, jakim mogą być poddawane oba te materiały, mogą się mniej lub bardziej różnić.
Sytuację dodatkowo komplikuje to, że w procesach przemysłowych wykorzystuje się różne gatunki i stopy tych materiałów. W efekcie dwa inne gatunki stali czy stopy aluminium mogą mieć diametralnie odmienne cechy z unikalnymi zaletami i wadami. Do tego mogą jeszcze dojść nakładane na powierzchnie powłoki, które dodatkowo zmienią właściwości materiałów.
Z jednej strony różne będzie więc zastosowanie stali i aluminium, a z drugiej – przeprowadzane procesy np. obróbki skrawaniem czy obróbki plastycznej mogą wymagać użycia innych narzędzi lub zmiany parametrów danego procesu.
Stal i aluminium – trochę teorii
Terminem „stal” określamy wszystkie stopy żelaza (dominującego pierwiastka) i węgla wraz z domieszką kilku innych pierwiastków (najczęściej są to chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, rzadziej tytan czy krzem). Przy tym procentowy udział poszczególnych składników stali może się znacznie różnić, a to od składu chemicznego stali w dużej mierze zależne są jej właściwości.
W zależności od zawartości węgla stal dzieli się na:
- niskowęglową – o zawartości węgla do ok. 0,3%,
- średniowęglową – o zawartości węgla wynoszącej 0,3–0,6%,
- wysokowęglową – o zawartości węgla powyżej 0,6%.
Z kolei ze względu na udział innych pierwiastków stal dzielimy na:
- niskostopową – poza węglem udział poszczególnych pierwiastków nie przekracza 1%,
- średniostopową – zawartość dodatków stopowych innych niż węgiel może sięgać nawet 10%,
- wysokostopową – udział innych dodatków stopowych jest znacznie wyższy.
Wśród specjalnych gatunków stali wyróżniamy m.in. stal nierdzewną, która charakteryzuje się dużą odpornością na korozję. Nierdzewność uzyskuje się dzięki wprowadzeniu do stali większej ilości chromu – minimalna zawartość tego dodatku w stali nierdzewnej wynosi ok. 10,5–11%. Również w ramach stali nierdzewnej wyróżniamy wiele podgatunków stali.
Natomiast aluminium jest pierwiastkiem (jego formalna nazwa to glin) o dużej dostępności. W zastosowaniach przemysłowych używa się zarówno czystego aluminium, jak i stopów aluminium, które dzięki odpowiednim dodatkom mają m.in. lepsze właściwości wytrzymałościowe, a także inne pożądane cechy.
Stopy aluminium dzielimy na stopy odlewnicze i stopy do obróbki plastycznej. W pierwszym przypadku udział i liczba pierwiastków stopowych są większe (mogą sięgać nawet 25%). Najczęściej stosuje się takie pierwiastki, jak krzem, magnez, miedź, nikiel czy mangan. Z kolei w stopach aluminium do obróbki plastycznej – które charakteryzują się mniejszą ilością dodatków stopowych – najczęściej można spotkać miedź, magnez i mangan.
Właściwości stali i aluminium – różnice i podobieństwa
Wybór materiałów do konkretnego zastosowania powinien uwzględniać przede wszystkim ich właściwości fizyczne i mechaniczne. Dzięki znajomości podstawowych parametrów materiałów wiadomo, jakimi cechami będzie się charakteryzował otrzymany produkt, można także optymalnie dobrać procesy obróbcze.
Do istotnych z tej perspektywy parametrów należą m.in. twardość materiału, jego plastyczność, wytrzymałość na rozciąganie, a także moduł Younga (wielkość określająca sprężystość materiału przy rozciąganiu i ściskaniu) czy współczynnik Poissona (stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy jednoosiowym stanie naprężenia).
Z danych zawartych w tabeli 1 (m.in. dotyczących plastyczności i naprężenia rozciągającego) wynika, że większość gatunków stali jest mocniejsza i sztywniejsza niż aluminium. Do tego stal jest materiałem dużo cięższym i twardszym, a tym samym jest odporniejsza na zużycie (zarówno adhezyjne, jak i ścierne). W przypadku aluminium można jednak temu przeciwdziałać – poprzez nałożenie odpowiedniej powłoki, która zwiększy odporność tego materiału.
Tabela 1. Wybrane właściwości stali średniowęglowej, nierdzewnej i stopów aluminium
| Materiał | Granica plastyczności (MPa) | Naprężenie rozciągające (MPa) | Moduł Younga (GPa) | Współczynnik Poissona | Gęstość (kg/m3) | Przewodność cieplna | Twardość (skala Mohsa) |
Stal średniowęglowa | 305–900 | 410–1200 | 190–215 | 0,27–0,3 | 7850 | 11,2–65,2 | 5–8,5 |
Stal nierdzewna | 170–1000 | 480–2240 | 190–215 | 0,3–0,31 | 7982 | 11,2–65,2 | 5–8,5 |
Stopy aluminium | 30–500 | 58–550 | 69 | 0,334 | 2705 | 244 | 2–2,9 |
Źródło: Keronite
Aluminium charakteryzuje się większą plastycznością, dlatego jest materiałem lepiej obrabialnym niż stal. Ma też dużo większy stosunek wytrzymałości do masy. Ponadto stopy aluminium mają dużo lepszą przewodność cieplną. W zastosowaniach, w których cecha ta może być kłopotliwa, również możliwe jest zastosowanie odpowiednich powłok, które znacząco zmniejszą przewodność cieplną tego materiału.
Stal z kolei słabiej przewodzi prąd w porównaniu z aluminium, które jest doskonałym przewodnikiem. Również w tym przypadku, jeśli wymagana jest zmiana właściwości izolacyjnych, na aluminium można nałożyć odpowiednią powłokę, żeby poprawić jego właściwości dielektryczne.
Bardzo ważną cechą każdego materiału, która decyduje o jego trwałości (a przy tym może stanowić duży czynnik kosztowy), jest jego odporność na korozję. W przypadku stali nierdzewnych, które zawierają powyżej 12% chromu (chrom tworzy odporną na korozję warstwę tlenku na powierzchni stali), odporność na rdzę i korozję jest wysoka – choć trzeba się liczyć z wyższą ceną takiej stali.
Również jednak aluminium odznacza się niezłą odpornością na korozję. Wynika ona z ochronnej warstwy tlenku aluminium, która tworzy się na powierzchni materiału i zapewnia pewien poziom odporności na korozję. Taka ochrona nie zawsze będzie jednak wystarczająca. W bardzo wymagających warunkach pracy może się okazać zbyt słaba i aluminium może ulec korozji.
Narzędzia skrawające do obróbki stali i aluminium
Oba rodzaje materiałów stosunkowo łatwo poddają się obróbce skrawaniem. Występują jednak zależne od składu chemicznych stopów pewne różnice, z których może wynikać konieczność zastosowania innych narzędzi skrawających. Na przykład w przypadku czystego aluminium mogą wystąpić problemy, które wynikają z bardzo ciągliwej natury tego materiału.
– Aluminium to lekki i odporny na korozję metal, szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i stoczniowym. Skuteczna obróbka aluminium jest procesem złożonym, na który wpływa przede wszystkim dobór odpowiednich narzędzi skrawających, zapewniających wysoką dokładność cięcia i jakość pracy – mówi Tomasz Charkot, specjalista ds. marketingu w MMC Hardmetal Poland. – Aluminium jest metalem bardziej miękkim niż stal, co oznacza, że do skutecznej obróbki wymagane są odpowiednie narzędzia. Z reguły do obróbki aluminium stosuje się narzędzia z węglika spiekanego, ponieważ wykazują się one twardością i dużą odpornością na zużycie.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Stal jest materiałem mocnym, który ma dużą odporność na wypaczenia i odkształcenia. Z uwagi na to także konieczny jest dobór odpowiednich narzędzi, które gwarantują odpowiednio wysoką wydajność i jakość procesu obróbki.
– Najczęściej do gwintowania i wiercenia stali angażowane są narzędzia ze stali szybkotnącej. Natomiast w bardziej zaawansowanych procesach, które obejmują toczenie i frezowanie, lepiej sprawdzą się narzędzia wykonane z węglika spiekanego. Dodatkową opcją może być korzystanie z narzędzi pokrywanych powłokami PVD lub CVD, które wpływają na parametry obróbki i trwałość narzędzi – dodaje Tomasz Charkot.
Różnice we właściwościach stali i aluminium sprawiają, że nie powinno się zamiennie stosować narzędzi do obróbki obu typów materiałów. W takich sytuacjach obróbka będzie dużo mniej efektywna, a wręcz niemożliwa.
Jak tłumaczy Lech Wyród, menedżer produktu Narzędzia Składane w YG-1 Poland, obróbka stali narzędziami do aluminium jest niemożliwa. Wynika to z tego, że narzędzia do aluminium mają bardzo ostrą krawędź skrawającą (nieuważny użytkownik może się łatwo skaleczyć), mały kąt ostrza i duże kąty natarcia i przyłożenia.
– Te cechy powodują że ostrze jest słabe mechanicznie i szybko się wykrusza podczas próby pracy w stali. Taka obróbka nie ma więc sensu – dodaje Lech Wyród.
W odwrotnym przypadku, tj. obróbce aluminium narzędziami do stali, należy mieć na uwadze, że stal jest materiałem o dużo większej wytrzymałości mechanicznej niż aluminium. Z tego względu narzędzia do stali muszą mieć następujące cechy:
- większy kąt ostrza, żeby przenosić większe siły skrawania,
- zaokrągloną krawędź skrawającą (w porównaniu z narzędziami do aluminium wręcz tępą), żeby się łatwo nie wykruszała,
- mniejsze kąty natarcia i przyłożenia.
– Powyższe cechy powodują, że aluminium będzie zagniatane i rozmazywane – przekonuje Lech Wyród. – Jeżeli klient ma do czynienia z aluminium jedynie sporadycznie i mówimy o stopach o niewielkiej zawartości krzemu, jako wyjście awaryjne można zastosować płytki z niepokrywanego cermetu lub w ostateczności płytki do stali nierdzewnej. Jednak podkreślam – jest to tylko wyście w sytuacji awaryjnej.
Czym ciąć stal, a czym aluminium?
Do powszechnie wykonywanych procesów obróbczych należy również cięcie detali. W zastosowaniach przemysłowych mamy do wyboru różne technologie cięcia, które zapewniają odpowiednią wydajność i jakość. Najczęściej cięcie na przemysłową skalę stali i aluminium przeprowadza się za pomocą wycinarki laserowej, waterjeta lub frezarki.
Jak tłumaczy Przemysław Kimla, właściciel firmy Kimla, stal jest materiałem twardym, który generuje przy skrawaniu stosunkowo wysokie temperatury w strefie skrawania. To z kolei powoduje szybkie zużycie narzędzi i ograniczoną wydajność obróbki. Jakość obrobionej powierzchni będzie jednak najlepsza.
– Laserem można wycinać szybko, szczególnie cieńsze blachy, jednak jakość powierzchni może pozostawiać sporo do życzenia w stosunku do frezowania. Waterjetem wycina się głównie metale o większych grubościach, przy których cięcie laserem zaczyna być już kłopotliwe. Waterjet również ma pewne ograniczenia co do uzyskanej jakości powierzchni w porównaniu z frezowaniem. Żeby pogodzić jakość powierzchni, dokładność, wydajność i ekonomię procesu, laserem lub waterjetem często wycinane są elementy z niewielkim naddatkiem, które następnie wykańcza się dedykowanymi maszynami typu ciężki ploter frezujący – wyjaśnia Kimla.
Dodaje następnie, że w przypadku aluminium sytuacja wygląda nieco inaczej. Jest to bowiem materiał znacznie miększy, co pozwala na wydajne frezowanie i wycinanie bezpośrednio na ploterach frezujących.
– Na nowoczesnym ploterze frezującym firmy Kimla z magnetycznymi napędami liniowymi płytę aluminiową o grubości 10 mm wycina się na jeden raz z prędkością 100 mm/s. Przy takiej wydajności cięcia ekonomicznego uzasadnienia nie ma wstępne wycinanie na laserze lub waterjecie – stwierdza Przemysław Kimla.
Różne własności stali i aluminium (ich różnych gatunków i stopów) sprawiają, że odpowiedni dobór materiału do konkretnego zastosowania może nastręczać pewne trudności. Warto jednak poświęcić na ten etap nieco więcej czasu, żeby zarówno wybrany materiał, jak i dobrana do niego technologia obróbki były optymalne.
O Autorze
