Сталь или алюминий – какой материал выбрать

Сталь и алюминий — распространенные материалы, в некоторой степени конкурирующие друг с другом в сфере производства заготовок и готовой продукции.

Но их физико-механические свойства не делают их взаимозаменяемыми, процессы обработки, которым могут быть подвергнуты оба материала, различаются в большей или меньшей степени.

Ситуация осложняется тем, что в промышленных процессах используются различные марки и сплавы этих материалов. В результате два разных типа стали или алюминиевых сплавов могут иметь совершенно разные характеристики с уникальными преимуществами и недостатками. Кроме того, на них могут быть нанесены покрытия, которые еще больше изменяют свойства материалов.

При изготовлении каждой конкретной детали возникает вопрос выбора материала для нее. Алюминий и сталь – самые распространенные варианты, причем благодаря эксклюзивным свойствам каждого из них, зачастую существует только один правильный вариант выбора.

Сталь и алюминий – немного теории

Термином «сталь» обозначаются все сплавы железа (преобладающий элемент) и углерода с примесями ряда других элементов (чаще всего хрома, никеля, марганца, вольфрама, меди, молибдена, реже титана или кремния).

При этом процентное содержание отдельных компонентов стали может существенно различаться, а ее свойства во многом зависят от химического состава стали.

В зависимости от содержания углерода стали делятся на:

• низкоуглеродистые – с содержанием углерода до 0,3%;
• среднеуглеродистые – с содержанием углерода 0,3–0,6%;
• высокоуглеродистые – с содержанием углерода выше 0,6%.

В свою очередь, по доле других элементов сталь разделяют на:

• низколегированные – кроме углерода доля отдельных элементов не превышает 1%;
• среднелегированные – содержание легирующих элементов, кроме углерода, может достигать до 10%;
• высоколегированные – доля других легирующих добавок выше 10%.

К специальным сортам стали относится нержавеющая сталь, которая отличается высокой коррозионной стойкостью. Защита от ржавчины достигается за счет введения в сталь большего количества хрома – минимальное содержание этой добавки в нержавеющей стали составляет примерно 10,5-11%. У нержавеющей стали также есть много подтипов с различными свойствами.

Алюминий же — это элемент (Al), с высокой доступностью. В промышленности используются как чистый алюминий, так и алюминиевые сплавы, которые благодаря соответствующим добавкам имеют лучшие прочностные характеристики.

Алюминиевые сплавы делятся на литейные и прокатные. В первом случае доля и количество легирующих элементов выше (они могут достигать до 25%). Наиболее часто используемые из них — кремний, магний, медь, никель и марганец.

В свою очередь, в алюминиевых сплавах для проката или штамповки, характеризующихся меньшим количеством легирующих добавок, чаще всего можно встретить медь, магний и марганец.

Свойства стали и алюминия – различия и сходства

При выборе материалов для изготовления конкретной детали следует в первую очередь учитывать физико-механические свойства.

Благодаря знанию основных параметров материалов известно, какими особенностями будет обладать полученное изделие, при этом можно также оптимально подобрать процессы обработки.

К важным с этой точки зрения параметрам относятся: твердость, пластичность, предел прочности материала, а также модуль Юнга (величина, определяющая упругость материала при растяжении и сжатии) или коэффициент Пуассона (отношение поперечной деформации к продольной деформации в одноосном напряженном состоянии).

Большинство марок стали прочнее и жестче алюминия. Кроме того, сталь — гораздо более тяжелый и твердый материал, а значит, более устойчивый к износу (как усталостному, так и абразивному). Однако в случае алюминия этому можно противодействовать путем нанесения соответствующего покрытия, которое повысит стойкость материала.

Алюминий отличается большей пластичностью, поэтому он лучше поддается механической обработке, чем сталь. Он также имеет гораздо более высокое соотношение прочности и веса.

Кроме того, алюминиевые сплавы имеют гораздо лучшую теплопроводность. В тех случаях, когда эта особенность может быть проблематичной, также можно использовать соответствующие покрытия, которые значительно снизят теплопроводность этого материала.

Сталь, в свою очередь, хуже проводит электричество по сравнению с алюминием, который является отличным проводником. Опять же, если требуется изменение изоляционных свойств, на алюминий можно нанести соответствующее покрытие для улучшения его диэлектрических свойств.

Очень важной особенностью каждого материала, которая определяет его долговечность (а также может быть большим фактором стоимости), является его коррозионная стойкость.

В случае нержавеющих сталей, содержащих более 12% хрома (хром создает на поверхности стали устойчивый к коррозии оксидный слой), устойчивость к ржавлению и коррозии высокая – хотя при этом приходится учитывать и более высокую цену такой стали.

Алюминий также обладает хорошей коррозионной стойкостью. Она объясняется наличием защитного слоя оксида алюминия, который образуется на поверхности материала и обеспечивает определенный уровень коррозионной стойкости.

Однако такой защиты не всегда будет достаточно. В очень тяжелых условиях эксплуатации он может оказаться слишком тонким, и алюминий подвергнется коррозии.

Режущий инструмент для обработки стали и алюминия

Оба типа материалов относительно легко поддаются механической обработке, хотя существуют некоторые различия в зависимости от химического состава сплавов, что может привести к необходимости использования разных режущих инструментов. Например, с чистым алюминием могут возникнуть проблемы из-за очень пластичной природы материала.

Алюминий – легкий и устойчивый к коррозии металл, который широко используется в различных отраслях промышленности, включая авиакосмическую, автомобильную и судостроительную. Обычно для обработки алюминия используются инструменты из спеченного карбида, поскольку они твердые и очень износостойкие.

Инструменты из быстрорежущей стали чаще всего используются для нарезания резьбы и сверления стали. Однако для более сложных процессов, включающих токарную и фрезерную обработку, лучше подойдут инструменты из спеченного твердого сплава.

Дополнительной опцией может быть использование инструментов с PVD или CVD-покрытиями, которые влияют на параметры обработки и долговечность инструментов.

Различия в свойствах стали и алюминия означают, что инструменты для обработки обоих типов материалов не следует использовать как взаимозаменяемые. В таких ситуациях обработка будет гораздо менее эффективной или даже невозможной.

Обработка стали, как правило, инструментами для алюминия невозможна. Это связано с тем, что они имеют очень острую режущую кромку (неосторожный пользователь может легко порезаться), небольшой угол лезвия и большой режущий угол. Эти особенности делают лезвие механически слабым и быстро скалывающимся при работе со сталью.

В противоположном случае, т. е. при обработке алюминия стальными инструментами, следует учитывать, что сталь является материалом, обладающим гораздо большей механической прочностью, чем алюминий. По этой причине инструменты для стали должны обладать следующими характеристиками:

• больший угол лезвия для передачи более высоких сил резания;
• закругленная режущая кромка (даже тупая по сравнению с инструментами для алюминия), чтобы она не скалывалась легко;
• меньшие углы резания.

Вышеуказанные особенности приводят к сдавливанию и размазыванию алюминия. Если производство имеет дело с алюминием лишь эпизодически и речь идет о сплавах с низким содержанием кремния, в качестве экстренного решения можно использовать металлокерамические пластины без покрытия или, в крайнем случае, пластины из нержавеющей стали, но это решение оправданно только в экстренной ситуации.