Aluminium czy stal w obróbce CNC: koszt i właściwości

Aluminium czy stal w obróbce CNC: koszt i właściwości

Aluminium i stal to dwie domyślne odpowiedzi na pytanie „z czego ma być wykonana ta część”, a większość
rysunków wybiera jedną z nich, nie wyjaśniając dlaczego. W skrócie: aluminium wygrywa na masie, na
koszcie obróbki i przy wszystkim, co trzeba spawać; stal wygrywa przy zużyciu, przy sztywności przy
daną grubości i przy wszystkim, co musi być twarde. Sama różnica gęstości — 2.70 g/cm³ wobec 7.85 g/cm³,
czyli czynnik około 2.9 — rozstrzyga zaskakująco dużo rysunków.

Ten artykuł zestawia najczęstsze gatunki i daje reguły decyzji.

Krótka odpowiedź

• Wybierz aluminium, gdy część jest wrażliwa na masę, musi być spawana, musi pracować w wilgotnym
  lub korozyjnym środowisku albo jest po prostu częścią o dużej serii, w której dominują czas cyklu i
  koszt narzędzi. 6061-T6 jest odpowiedzią domyślną i pokrywa większość zadań.
• Wybierz stal, gdy część przyjmuje uderzenia, ściera się o inną powierzchnię, musi być twarda lub
  wytrzymała w małym przekroju albo pracuje obok źródła ciepła. 1045 na wały ogólne i wsporniki,
  4140 na części wymagające obróbki cieplnej, 4340 przy dużych obciążeniach.
• Nie oceniaj wyłącznie po wytrzymałości. Podziel wytrzymałość na rozciąganie przez gęstość, a
  ranking się zmienia: 6061-T6 osiąga około 115 MPa na g/cm³, podczas gdy nawet 4340 — najsilniejsza
  typowa stal stopowa w poniższej tabeli — osiąga około 95. Aluminium ma lepszy stosunek
  wytrzymałości do masy niemal przy każdym gatunku.
• W twardości i odporności na zużycie stal nie ma odpowiedzi. Aluminium kończy się mniej więcej na
  95–150 HB; 4140 i 4340 można utwardzić cieplnie do 38 i 50 HRC, a D2 do 62 HRC.

Właściwości w porównaniu

Poniższe liczby to wartości już opublikowane na stronach materiałowych tego serwisu, więc każdą z
nich można porównać z odpowiednią stroną szczegółową.

Jedno zastrzeżenie do liczb dla stali: wartości wytrzymałości na rozciąganie dla 1045, 4140 i
4340 podano w stanie wyżarzonym, natomiast wartości dla aluminium — w stanie roboczym (T6, H32).
Stal poddana obróbce cieplnej znacznie przekracza wartość wyżarzoną — 4340 hartowany i odpuszczany
do 50 HRC jest dużo mocniejszy niż 745 MPa podane w tabeli. Porównanie pozostaje uczciwe jako
punkt wyjścia, ale nie traktuj go jako dopuszczalnych naprężeń projektowych.

Wytrzymałość właściwa: gdzie wygrywa aluminium

Przydatnym obliczeniem jest wytrzymałość na rozciąganie podzielona przez gęstość. Mówi ona, jakie
obciążenie może unieść dana masa materiału, a to właśnie jest przedmiotem zainteresowania konstrukcji
wrażliwej na masę.

Gatunek	Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)	Gęstość (g/cm³)	Wytrzymałość właściwa na rozciąganie (MPa na 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

Dwa wyniki warto zatrzymać. Po pierwsze, 6061-T6 bije pod względem stosunku wytrzymałości do masy
każdy z gatunków stali w tej tabeli. Po drugie, 1045 — najczęstsza na hali stal węglowa — ma
wytrzymałość właściwą około 75, ledwo więcej niż 5052-H32 z 72, czyli najsłabsze aluminium w
tabeli.

To nie znaczy, że 1045 jest złym wyborem. To znaczy, że wybór opiera się na sztywności, zużyciu i
koszcie, a nie na wytrzymałości na kilogram.

Gdzie wygrywa stal

Są cztery przypadki, w których aluminium jest złą odpowiedzią, i żaden z nich nie dotyczy masy.

1. Zużycie o inną powierzchnię. Tuleja, wał, płyta ścierna lub powierzchnia uszczelnienia
   wymagają twardości. Aluminium nie utrzyma ostrej krawędzi; 4140 przy 38 HRC albo 4340 przy 50 HRC
   utrzymają.
2. Małe przekroje przy dużym obciążeniu. Aluminium potrzebuje mniej więcej dwukrotnego przekroju
   stali, aby przenieść to samo obciążenie. Jeśli geometrię narzuca coś innego — element
   współpracujący, obudowa, kołnierz standardowy — może nie być miejsca na grubszy przekrój
   aluminiowy.
3. Uderzenia i wstrząsy. Aluminium ma znacznie niższą odporność na pękanie i odkształca się, zanim
   pęknie. Stal odkształca się i wytrzymuje.
4. Ciepło. Stal znacznie lepiej znosi temperaturę. Dla części stojącej obok pieca, formy lub silnika
   aluminium jest złym wyborem materiałowym.

Koszt obróbki: co naprawdę wpływa na cenę

Cena materiału to zwykle mniejsza połowa wyceny. Te cztery pozycje zwykle stanowią większą połowę.

• Czas cyklu. Aluminium ma na stronach materiałowych tego serwisu ocenę obrabialności „Znakomita”,
  a 1045 i 4140 tylko „Dobra”. W praktyce część aluminiowa o tej samej geometrii pracuje szybciej i
  często może pracować przy wyższych posuwach.
• Żywotność narzędzia. Aluminium jest znacznie łagodniejsze dla płytek. 7075-T6, choć ocenione tylko
  na „Dobra”, tnie twardsze i zużywa narzędzia wyraźnie szybciej. To najczęstszy powód, dla którego
  część z 7075 kończy kosztować więcej, niż sugerowała wycena 6061.
• Operacje dodatkowe. Aluminium spawa się i anoduje; stal często wymaga podgrzewania przed spawaniem
  oraz trawienia lub pasywacji po nim. To osobne koszty przygotowania.
• Usuwanie zgrubt i wykańczanie. Miększy i bardziej ciągliwy materiał daje zgrubty innego rodzaju i
  często wymaga więcej pracy ręcznej lub innej strategii usuwania zgrubt.

Stal nie jest droższa w obróbce w każdym przypadku. 4340 i D2 mają ocenę obrabialności odpowiednio
„Średnia” i „Słaba” — D2 właśnie za sprawą ściernych węglików — a te gatunki kosztują więcej w czasie
cyklu niż 6061. Droga kombinacja to nie „stal”; to „twarda, ścierna stal narzędziowa z ciasnymi
tolerancjami”.

Kolejność decyzji, którą można stosować

Gdy na biurko trafia rysunek, zadajcie pytania w tej kolejności:

1. Czy część trze o inną powierzchnię albo potrzebuje twardej krawędzi? Tak → stal, a stan
   wybierzcie na podstawie wymagań dotyczących zużycia, a nie ceny.
2. Czy część jest krytyczna masą albo jest dużo przenoszona? Tak → aluminium, i sprawdźcie, czy
   grubość nadal daje się obrobić.
3. Czy jest spawanie? Jeśli tak i część jest aluminiowa, odpowiedzią są 6061 lub 6082. Jeśli część
   musi być stalowa, 1045 spawa się bez podgrzewania; 4140 i 4340 wymagają go.
4. Czy leży obok ciepła albo musi przetrwać uderzenie? Tak → stal.
5. Nic z powyższego? → 6061-T6. To najtańsza droga do gotowej części w większości przypadków.
   

   

Jak pomagamy w tej decyzji

Wybór materiału to stały krok w przeglądzie DFM, który prowadzimy między otrzymaniem rysunku a
przekazaniem wyceny. Nasi inżynierzy sprawdzają:

• czy rysunek podaje stop i stan. „Część stalowa” to nie specyfikacja: 1045 i 4340 to dwa różne
  produkty o różnych cenach i różnych terminach dostawy;
• czy wymagania dotyczące wykończenia powierzchni i materiał są zgodne. Anodowanie dotyczy tylko
  aluminium, a twarde anodowanie 7075 wprowadza naprężenia własne, które trzeba uwzględnić;
• czy obróbka cieplna jest naprawdę potrzebna, czy też przepisana ze starszego rysunku. To jedna z
  najdroższych pozycji w wycenie stali i często jest zbędna;
• plan narzędzi i czasu cyklu, który zwykle zamienia zdanie „aluminium jest tańsze” w konkretną liczbę,
  z którą można porównać wariant ze stali.

Jeśli mają Państwo część, w której wybór materiału wciąż jest otwarty, proszę przesłać plik —
zwrócimy wycenę dla obu wariantów, aby można było porównać je na tej samej podstawie.

Wartości właściwości to typowe dane z publicznych katalogów materiałowych (ASM/MatWeb) oraz ze stron
materiałowych tego serwisu. Rzeczywiste wartości zależą od postaci wyrobu, stanu i partii. Decyzje
projektowe podejmujcie na podstawie posiadanej specyfikacji materiałowej i danych pomiarowych, a nie
wyłącznie na podstawie tej tabeli.