Aluminium, stal nierdzewna, stal, tworzywa techniczne: jak dobrać materiał do detali

Materiał wybiera się ze względu na funkcję, a nie z przyzwyczajenia. Pięć pytań pozwala szybko zawęzić listę:

• Jakie obciążenia? Wytrzymałość, sztywność, twardość, zużycie, zmęczenie.
• Jakie środowisko? Korozja, temperatura, środki chemiczne, kontakt z żywnością lub zastosowanie medyczne.
• Jaka masa? Aluminium waży około jednej trzeciej masy stali (2,7 g/cm³ wobec 7,85), tworzywa techniczne jeszcze mniej.
• Jaka dalsza obróbka? Spawanie, obróbka cieplna, obróbka powierzchniowa: nie wszystkie gatunki się do tego nadają.
• Jaki budżet? Cena materiału, ale przede wszystkim czas obróbki, jaki on wymusza.

Proszę opisać funkcję w zapytaniu: zakład obróbki CNC będzie mógł potwierdzić Państwa wybór lub zaproponować tańszy gatunek.

Kilka typowych wyborów

• Lekki wspornik, obrabiany szybko: stop aluminium zamiast stali.
• Detal narażony na bryzgi wody morskiej: inox 316L lub 5083 zamiast S235, nawet malowanego.
• Rolka lub cicha prowadnica: POM lub PA6 zamiast metalu, jeśli liczą się hałas i smarowanie.

Aluminium obrabia się szybko, dobrze poddaje się obróbce powierzchniowej i odciąża detale. O wyborze decyduje stop:

• 6082 lub 6061: wybór domyślny. Uniwersalne, spawalne, anodowalne. 6082 jest bardziej rozpowszechniony w Europie, 6061 w Ameryce Północnej; często są wymienne, stąd sens zapisu „lub równoważny”.
• 2017A: bardziej wytrzymały i bardzo przyjemny w obróbce, ale mniej odporny na korozję i słabo spawalny. Nadaje się do detali mechanicznych obrabianych z litego materiału.
• 5083: dla odporności na korozję, zwłaszcza w środowisku morskim, i do spawania. Występuje głównie w płytach, a przy obróbce daje długie wióry.
• 7075: gdy najważniejsza jest wytrzymałość (lotnictwo, detale mocno obciążone). Nie jest spawalny, kosztuje więcej i gorzej znosi korozję: często potrzebna jest ochrona powierzchni.

Stan metalurgiczny (na przykład T6 lub T651) jest częścią oznaczenia: proszę go podać na rysunku.

Stale

• S235: popularna stal konstrukcyjna, spawalna i ekonomiczna. Jej wytrzymałość jest skromna i nie jest przeznaczona do hartowania: płyty podstawowe, ramy, wsporniki.
• C45: niestopowa stal średniowęglowa, którą można hartować i odpuszczać, aby zwiększyć twardość. Klasyczny wybór na wały, osie i detale mechaniczne; jej spawanie jest trudne.
• 42CrMo4: stal stopowa chromowo-molibdenowa, stosowana po hartowaniu i odpuszczaniu do detali mocno obciążonych zmęczeniowo (wały, koła zębate). W stanie obrobionym cieplnie jest trudniejsza w obróbce: często obrabia się zgrubnie, poddaje obróbce cieplnej, a następnie wykańcza lub szlifuje, aby utrzymać wymiary mimo odkształceń.

Stal nierdzewna

• 304L: standardowy inox niskowęglowy, spawalny. Umacnia się podczas obróbki, co zużywa narzędzia i wydłuża czasy w porównaniu ze stalą.
• 316L: molibden poprawia odporność na korozję wżerową, zwłaszcza w obecności chlorków: środowisko morskie, chemia, farmacja, medycyna. Jest droższy niż 304L.
• 303: wzbogacony siarką dla ułatwienia obróbki, nadaje się do detali toczonych seryjnie. W zamian jego odporność na korozję jest mniejsza, a spawanie niezalecane.

Mosiądz automatowy (CuZn39Pb3) to jeden z najłatwiej obrabianych metali: krótkie wióry, ładna powierzchnia, dobra przewodność. Jest powszechny w złączkach, armaturze i stykach. Zawiera ołów: do wody pitnej lub żywności proszę sprawdzić obowiązujące wymagania; istnieją gatunki bezołowiowe.

Tytan (grade 2 lub Ti-6Al-4V) łączy lekkość (około 4,5 g/cm³), wysoką wytrzymałość, odporność na korozję i biokompatybilność. Jest trudny w obróbce, ponieważ słabo odprowadza ciepło i zużywa narzędzia: należy przewidzieć wyraźnie wyższy koszt materiału i dłuższy czas obróbki.

Miedź czysta, ceniona za przewodność elektryczną i cieplną (szyny prądowe, radiatory), jest miękka i lepka: obrabia się gorzej niż mosiądz.

Tworzywa techniczne obrabia się z prętów, płyt lub rur. Rozszerzają się znacznie bardziej niż metale, mogą się pełzać pod obciążeniem, a niektóre chłoną wilgoć: ciasne tolerancje są w nich trudniejsze do utrzymania (zob. poradnik o tolerancjach).

• POM: sztywny, stabilny, niskie tarcie. Dobry kompromis dla precyzyjnych detali mechanicznych.
• PA6: odporny na zużycie i uderzenia, ale pęcznieje, chłonąc wilgoć: unikać przy ciasnych pasowaniach.
• PEEK: odporność na temperaturę (rzędu 250 °C w ciągłym użytkowaniu), odporność chemiczna, możliwość sterylizacji. Bardzo drogi materiał.
• PTFE: bardzo niskie tarcie i obojętność chemiczna, ale miękki i pełzający: mało odpowiedni do precyzyjnych detali nośnych.
• PMMA: przezroczysty i sztywny, ale kruchy; pęka pod naprężeniem lub w kontakcie z niektórymi rozpuszczalnikami.
• PEHD: ekonomiczny, lekki, dobra odporność chemiczna, mało sztywny i bardzo rozszerzalny.

Jakościowe punkty odniesienia do porównania materiałów. Względny koszt dotyczy surowego materiału (€ ekonomiczny, €€€€ bardzo wysoki); nie mówi nic o czasie obróbki.

Cena detalu obrabianego to suma materiału, czasu maszyny i narzędzi (zob. kalkulację wyceny obróbki). Najtańszy za kilogram materiał nie zawsze jest najtańszy w przeliczeniu na detal: stop, który obrabia się szybko, może zrekompensować wyższą cenę za kilogram, podczas gdy trudny w obróbce inox czy tytan wydłuża czas maszyny.

Na koszt wpływają jeszcze dwie dźwignie. Po pierwsze wymiar materiału wyjściowego: detal obrabiany z litego materiału zużywa cały pręt lub płytę, których duża część kończy jako wióry. Przekrój zbliżony do wymiarów handlowych ogranicza marnotrawstwo. Po drugie atest materiałowy (na przykład typu 3.1 wg NF EN 10204), przydatny do identyfikowalności, ale zamawiany tylko wtedy, gdy jest potrzebny.

Materiały o dużych naprężeniach wewnętrznych (grube płyty, tworzywa) mogą się odkształcać po obróbce: zakład przewiduje wówczas obróbkę zgrubną, odprężanie i wykończenie, co dodaje czasu.

Pod względem dostępności popularne gatunki (6082, S235, C45, 304L, 316L, POM, PA6) są dostępne w magazynach dystrybutorów. Gatunki specjalne, jak tytan, PEEK czy 7075 w niektórych wymiarach, mogą wymagać dłuższych terminów lub minimalnych ilości.

Proszę używać oznaczenia znormalizowanego zamiast nazwy potocznej, wraz ze stanem lub obróbką: „EN AW-6082 T6”, „S235JR (1.0038)”, „42CrMo4 +QT (1.7225)”, „X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)” dla 316L, „POM-C”. Proszę określić, czy dopuszczalny jest gatunek równoważny i czy wymagany jest atest. Należy unikać niejednoznacznych zapisów, jak samo „alu” czy „inox”: zmuszają one zakład do ponownego kontaktu, a nawet do wyceny na założeniu innym niż Państwa.

Gotowi poprosić o ceny? Dodaj zapytanie w Meaflow: jest bezpłatnie i bez prowizji, otrzymują Państwo oferty od kilku wykonawców i mogą je porównać przed wyborem.