Alluminio vs acciaio nella lavorazione CNC: costi e prestazioni

Alluminio vs acciaio nella lavorazione CNC: costi e prestazioni

L'alluminio e l'acciaio sono le due risposte predefinite alla domanda «di che materiale deve essere
fatto questo pezzo», e la maggior parte dei disegni ne sceglie uno senza spiegare perché. In breve:
l'alluminio vince sul peso, sul costo di lavorazione e su tutto ciò che deve essere saldato; l'acciaio
vince sull'usura, sulla rigidità a parità di spessore e su tutto ciò che deve essere duro. La sola
differenza di densità — 2.70 g/cm³ contro 7.85 g/cm³, un fattore di circa 2.9 — decide da sola un
numero sorprendente di disegni.

Questo articolo mette i gradi più comuni fianco a fianco e vi dà le regole decisionali.

La risposta breve

• Scegliete l'alluminio quando il pezzo è sensibile al peso, deve essere saldato, deve sopravvivere
  a un ambiente umido o corrosivo, o è semplicemente un pezzo ad alta produzione in cui dominano il
  tempo ciclo e il costo dell'utensilaggio. 6061-T6 è la scelta predefinita e copre la maggior parte
  dei lavori.
• Scegliete l'acciaio quando il pezzo subisce urti, si usura contro un'altra superficie, deve essere
  duro o resistente in una sezione piccola, o lavora vicino al calore. 1045 per alberi e staffe
  generici, 4140 per i pezzi che richiedono trattamento termico, 4340 quando il carico è elevato.
• Non giudicate sulla sola resistenza. Divide la resistenza a trazione per la densità e la
  classifica cambia: 6061-T6 raggiunge circa 115 MPa per g/cm³, mentre anche 4340 — l'acciaio legato
  più forte della tabella qui sotto — raggiunge circa 95. L'alluminio ha un rapporto
  resistenza-peso migliore su quasi tutti i gradi.
• Su durezza e resistenza all'usura l'acciaio non ha risposta. L'alluminio si ferma intorno ai
  95–150 HB; 4140 e 4340 possono essere trattati termicamente fino a 38 e 50 HRC, e D2 fino a 62 HRC.

Confronto delle proprietà

I numeri qui sotto sono i valori già pubblicati nelle pagine materiali di questo sito, quindi potete
verificare ciascuno di essi sulla rispettiva pagina di dettaglio.

Una precisazione sui valori dell'acciaio: i valori di trazione di 1045, 4140 e 4340 sono dati allo
stato ricotto, mentre quelli dell'alluminio sono nello stato d'impiego (T6, H32). L'acciaio trattato
termicamente sale ben oltre il valore ricotto — un 4340 temperato e rinvenuto a 50 HRC è molto più
forte dei 745 MPa in tabella. Il confronto resta equo come punto di partenza, ma non usatelo come
valori ammissibili di progetto.

Resistenza specifica: dove vince l'alluminio

Il calcolo utile è la resistenza a trazione divisa per la densità. Vi dice quanto carico può sopportare
una data massa di materiale, che è proprio ciò che interessa a un progetto sensibile al peso.

Grado	Trazione (MPa)	Densità (g/cm³)	Resistenza specifica a trazione (MPa per g/cm³)
6061-T6	310	2.70	114.8
6082-T6	340	2.71	125.5
2024-T4	469	2.78	168.7
7075-T6	572	2.81	203.6
1045	585	7.85	74.5
4140	655	7.85	83.4
4340	745	7.85	94.9

Due risultati meritano una sosta. Primo: 6061-T6 batte in rapporto resistenza-peso tutti i gradi di
acciaio di questa tabella. Secondo: 1045 — l'acciaio al carbonio più comune in officina — ha una
resistenza specifica di circa 75, appena sopra il 5052-H32 a 72, il tipo di alluminio più debole
della tabella.

Questo non rende 1045 una scelta sbagliata. La rende una scelta basata su rigidità, usura e costo,
non sulla resistenza per chilogrammo.

Dove vince l'acciaio

Ci sono quattro casi in cui l'alluminio è la risposta sbagliata, e nessuno riguarda il peso.

1. Usura contro un'altra superficie. Una boccola, un albero, una piastra di usura o una faccia di
   tenuta richiedono durezza. L'alluminio non mantiene un filo vivo; il 4140 a 38 HRC o il 4340 a
   50 HRC sì.
2. Sezioni piccole con carico elevato. L'alluminio richiede circa il doppio della sezione
   dell'acciaio per portare lo stesso carico. Se la geometria è fissata da altro — un pezzo
   accoppiato, una carcassa, una flangia standard — potrebbe non esserci spazio per la sezione di
   alluminio più spessa.
3. Urto e shock. L'alluminio ha una tenacità alla frattura molto più bassa e si deforma prima di
   rompersi. L'acciaio si deforma e sopravvive.
4. Calore. L'acciaio tollera molto meglio la temperatura. Per un pezzo vicino a un forno, a uno
   stampo o a un motore, l'alluminio è la famiglia di materiali sbagliata.

Costo di lavorazione: cosa determina davvero il prezzo

Il prezzo del materiale è di solito la metà più piccola del preventivo. Queste quattro voci sono di
solito la metà più grande.

• Tempo ciclo. L'alluminio è valutato "Eccellente" in lavorabilità sulle pagine materiali di
  questo sito, mentre 1045 e 4140 solo "Buona". In pratica un pezzo in alluminio della stessa
  geometria gira più veloce e spesso può lavorare a velocità di avanzamento più elevate.
• Durata della vita dell'utensile. L'alluminio è molto più gentile con gli inserti. Il 7075-T6, pur
  valutato solo "Buona", taglia più duro e consuma gli utensili sensibilmente più in fretta. È la
  ragione più comune per cui un pezzo in 7075 finisce per costare più di quanto suggerisse il
  preventivo in 6061.
• Operazioni secondarie. L'alluminio si salda e si anodizza; l'acciaio spesso richiede il
  preriscaldamento prima della saldatura e decapaggio o passivazione dopo. Sono costi di attrezzaggio
  separati.
• Sbavatura e finitura. Un materiale più tenero e più duttile genera bave in modo diverso e spesso
  richiede più lavoro manuale o una strategia di sbavatura diversa.

L'acciaio non è più costoso da lavorare in ogni caso. 4340 e D2 sono valutati "Media" e "Scarso" in
lavorabilità — D2 specificamente per i suoi carburi abrasivi — e questi gradi costeranno di più in
tempo ciclo rispetto al 6061. La combinazione costosa non è "acciaio"; è "acciaio da utensili duro,
abrasivo e con tolleranze strette".

Un ordine decisionale che potete seguire

Quando un disegno arriva sulla vostra scrivania, ponete queste domande in ordine:

1. Il pezzo sfrega contro un'altra superficie o ha bisogno di un filo vivo? Sì → acciaio, e
   scegliete lo stato in base al requisito di usura anziché in base al prezzo.
2. Il pezzo è critico in peso o viene manovrato molto? Sì → alluminio, e verificate che lo spessore
   resti lavorabile.
3. C'è saldatura? Se sì e il pezzo è in alluminio, la risposta è 6061 o 6082. Se il pezzo deve
   essere in acciaio, 1045 si salda senza preriscaldamento; 4140 e 4340 ne hanno bisogno.
4. È vicino al calore o deve sopravvivere a un urto? Sì → acciaio.
5. Nessuna di queste? → 6061-T6. È la strada più economica verso un pezzo finito nella maggior
   parte dei casi.
   

   

Come vi aiutiamo in questa scelta

La scelta del materiale è un passo fisso della revisione DFM che facciamo tra la ricezione di un
disegno e la restituzione di un preventivo. I nostri ingegneri verificano:

• se il disegno indica lega e stato. "Pezzo in acciaio" non è una specifica: 1045 e 4340 sono due
  prodotti diversi, con prezzi e tempi di consegna diversi;
• se finitura di superficie e materiale concordano. L'anodizzazione si applica solo all'alluminio, e
  l'anodizzazione dura su 7075 introduce tensioni residue che vanno conteggiate;
• se il trattamento termico è davvero necessario o se è stato copiato da un vecchio disegno. È una
  delle voci più costose di un preventivo su acciaio, ed è spesso inutile;
• il piano di utensilaggio e tempo ciclo, che di solito è ciò che trasforma "l'alluminio è più
  economico" in un numero confrontabile con l'alternativa in acciaio.

Se avete un pezzo in cui la scelta del materiale è ancora aperta, inviateci il file e vi restituiremo
un preventivo per entrambe le opzioni, così potrete confrontarle sulla stessa base.

I valori delle proprietà sono cifre tipiche da manuali pubblici di materiali (ASM/MatWeb) e dalle
pagine materiali di questo sito. I valori reali variano con la forma del prodotto, lo stato e il
lotto. Prendete le decisioni di ingegneria sulla base della specifica di materiale che avete in mano e
su dati misurati, non solo su questa tabella.