คุณสมบัติและการใช้อะลูมิเนียม: คู่มือทางวิศวกรรมสำหรับโลหะผสมและการอัดขึ้นรูป

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีมากที่สุดในเปลือกโลก (8.2% โดยน้ำหนัก) แต่ก็ไม่เคยพบในรูปแบบโลหะเลย ต้องขัดเกลาจากแร่บอกไซต์ ความสำคัญทางวิศวกรรมเริ่มต้นด้วยความหนาแน่น: 2.70 ก./ซม.3 หรือประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก รวมกับชั้นออกไซด์ที่ซ่อมแซมตัวเองได้ซึ่งจะหยุดการกัดกร่อนในชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่ก่อนที่จะเริ่มต้น ความแข็งแรงของผลผลิตครอบคลุมตั้งแต่ 90 MPa สำหรับโลหะบริสุทธิ์ที่ผ่านการอบอ่อน ไปจนถึงมากกว่า 570 MPa สำหรับโลหะผสม 7xxx ที่ผ่านการอบร้อน การแพร่กระจายนั่นคือสาเหตุ คุณสมบัติและการใช้งานของอลูมิเนียม กำหนดการตัดสินใจด้านวัสดุสำหรับบรรจุภัณฑ์ การขนส่ง การจ่ายไฟฟ้า และการสร้างเครื่องจักร

สำหรับผู้ซื้อในอุตสาหกรรม วลีดังกล่าวจะเข้าสู่โปรไฟล์ที่อัดขึ้นรูป: คาน T-slot ซีรีส์ 6xxx ที่รับน้ำหนัก ติดตั้งส่วนประกอบ และสร้างเฟรมเครื่องจักร บทความนี้ครอบคลุมถึงข้อมูลคุณสมบัติที่ขับเคลื่อนการเลือก ประสิทธิภาพการเปลี่ยนเกรดของโลหะผสม และตำแหน่งที่คุณสมบัติเหล่านั้นปรากฏในผลิตภัณฑ์จริง

คุณสมบัติและการใช้อะลูมิเนียม: ข้อมูลที่ขับเคลื่อนการเลือกวัสดุ

คุณสมบัติเจ็ดประการที่ควบคุมการใช้งานอะลูมิเนียมในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ ได้แก่ ความหนาแน่น ความแข็งแรงของผลผลิต โมดูลัสความยืดหยุ่น ความต้านทานการกัดกร่อน การนำความร้อน การนำไฟฟ้า และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

2.70

ความหนาแน่น กรัม/ซม.3

276

ผลผลิต MPa, 6061-T6

102

ความแข็งแรงจำเพาะ kN m/kg

235

ค่าการนำความร้อนสูงสุด W/mK

คุณสมบัติหลักของอะลูมิเนียมและผลกระทบต่อการออกแบบส่วนประกอบ
คุณสมบัติ	ค่าทั่วไป	ผลกระทบทางวิศวกรรม
ความหนาแน่น	2.60-2.82 ก./ซม.3	เบากว่าเหล็ก 65% เบากว่าทองแดง 70%
ความแข็งแรงของผลผลิต	90-500 เมกะปาสคาล	ตั้งค่าขีดจำกัดการโหลดเฟรมและขนาดส่วน
โมดูลัสความยืดหยุ่น	เกรดเฉลี่ย 68-72	หนึ่งในสามของความแข็งของเหล็ก ใช้ส่วนที่หนาขึ้น
จุดหลอมเหลว	580-660 องศาเซลเซียส	จำกัดบริการที่มีอุณหภูมิสูง
การนำความร้อน	120-235 W/m.K	แผ่นระบายความร้อน ตัวเรือน LED เครื่องมือแม่พิมพ์
การนำไฟฟ้า	30-38 มิลลิวินาที/ม	ไอเอซีเอส 52-61%; การจัดอันดับบัสบาร์และสายเคเบิล
ซีทีอี	21-24 um/m.K	จำเป็นต้องมีข้อต่อขยายสำหรับช่วงยาว

อลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความนุ่มและเหนียว อบอ่อน 1100 แผ่นให้ผลผลิตประมาณ 35 MPa โครงสร้างโลหะผสมเปลี่ยนภาพนั้น เทมเปอร์ 6061-T6 มีความแข็งแรงให้ผลผลิต 276 MPa โดยมีการยืดตัว 8-10% ซึ่งเป็นสาเหตุที่โลหะผสมชนิดเดียวกันนี้ใช้ได้ทั้งงานหุ้มสถาปัตยกรรมและโครงเครื่องจักรหนัก

ความหนาแน่นเป็นปัจจัยในการตัดสินใจในโครงสร้างเคลื่อนที่และไวต่อพลังงาน การเปลี่ยนโครงเหล็กคาร์บอนด้วยการอัดขึ้นรูป 6061-T6 ที่มีโมดูลัสหน้าตัดเท่ากัน จะช่วยลดน้ำหนักโครงสร้างได้ประมาณ 65% สำหรับโครงสำหรับตั้งสิ่งของสายพานลำเลียงหรือเซลล์หุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ในแต่ละรอบ การประหยัดจะแปลงเป็นมอเตอร์ขนาดเล็กกว่าและความเฉื่อยที่ต่ำกว่าโดยตรง

ความแข็งแกร่งเฉพาะ เท่ากับกำลังของผลผลิตหารด้วยความหนาแน่น สำหรับอะลูมิเนียม 6061-T6: 276 MPa / 2.70 g/cm3 เท่ากับประมาณ 102 kN · m/kg สำหรับเหล็กโครงสร้าง S355: 355 / 7.85 เท่ากับประมาณ 45 kN · m/kg อะลูมิเนียมชนะด้วยปัจจัย 2.3 ในการออกแบบที่ควบคุมแรงตึง

เกรดอัลลอยด์เปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพอย่างไร

ซีรีส์โลหะผสมเป็นจุดตัดสินใจอันดับแรก: 1xxx ปรับความบริสุทธิ์และการนำไฟฟ้าให้เหมาะสม 5xxx ปรับความต้านทานการกัดกร่อนในทะเลให้เหมาะสม และ 6xxx ปรับความสมดุลของความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และความสามารถในการอัดขึ้นรูป

โลหะผสมอลูมิเนียมดัดจะถูกจัดกลุ่มเป็นชุดตามองค์ประกอบโลหะผสมหลัก ตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงมีลักษณะดังนี้:

1xxx - อลูมิเนียมขั้นต่ำ 99%; การนำไฟฟ้า IACS สูงถึง 61%; ฟอยล์, สายเคเบิล, บัสบาร์
2xxx - การเติมทองแดง ผลผลิต 200-400 MPa; การบินและอวกาศ; ความต้านทานการกัดกร่อนอ่อนแอ
3xxx - แมงกานีส; สต็อกเครื่องดื่มกระป๋อง; ความแข็งแรงและการขึ้นรูปปานกลาง
5xxx - แมกนีเซียม; 130-350 เมกะปาสคาล; บริการทางทะเลและแช่แข็ง ทนต่อความเครียดได้
6xxx - แมกนีเซียมบวกซิลิคอน ให้ผลผลิต 170-290 MPa ใน T6; มาตรฐานการอัดขึ้นรูป
7xxx - สังกะสีและแมกนีเซียม 400-600 เมกะปาสคาล; การบินและอวกาศ; ยากที่จะขับไล่

ซีรีส์ 6xxx มีสัดส่วนมากกว่า 70% ของอะลูมิเนียมอัดขึ้นรูปทั้งหมดทั่วโลก แมกนีเซียมและซิลิกอนก่อให้เกิดตะกอนที่แข็งตัวตามอายุ ซึ่งตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนของสารละลายบนสายการอัดขึ้นรูป ทำให้เกิดส่วนกลวงที่ซับซ้อนพร้อมคุณสมบัติเชิงกลที่สม่ำเสมอ

การเปรียบเทียบโลหะผสมอัดขึ้นรูปทั่วไป

ภายในตระกูล 6xxx โลหะผสมห้าชนิดครอบคลุมเกือบทุกความต้องการในการวางเฟรม T-slot:

6061-T6 เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับระบบ T-slot อุตสาหกรรม เนื่องจากมีเครื่องจักรที่สะอาด เชื่อมได้ดีกับฟิลเลอร์ 4043 หรือ 5356 ชุบอโนไดซ์สม่ำเสมอ และให้ผลผลิต 276 MPa ด้วยพรีเมี่ยมเพียงเล็กน้อยมากกว่า 6063 ในกรณีที่การชุบอโนไดซ์เพื่อความสวยงามมีความสำคัญมากที่สุด 6063 หรือ 6060 จะให้การเคลือบที่นุ่มนวลกว่า โดยที่รอยเชื่อมครอบงำเส้นทางโหลด 6005A และ 6082 จะปลอดภัยกว่า

คุณสมบัติและการใช้อลูมิเนียมอุตสาหกรรม: การอัดขึ้นรูปในอาคารเครื่องจักร

กรอบการอัดขึ้นรูป T-slot จะแปลงคุณสมบัติทางกลของอะลูมิเนียมให้เป็นโครงสร้างที่กำหนดค่าใหม่ได้ เช่น ฐานเครื่องจักร กรอบนิรภัย เวิร์กสเตชัน ส่วนรองรับสายพานลำเลียง และม้านั่งในห้องปฏิบัติการ ประกอบด้วยตัวยึดมาตรฐานและไม่มีการเชื่อม

โปรไฟล์ T-slot มีช่องที่ยาวเต็มที่ซึ่งยอมรับ T-nuts โบลท์ และฮาร์ดแวร์สำหรับติดตั้งแผง ระบบเป็นแบบโมดูลาร์: ทุกโปรไฟล์ถูกตัด เจาะ และเชื่อมต่อกับฉากยึดมุม เป้าเสื้อกางเกง และขาตั้งแบบปรับได้ ประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดคือความสามารถในการกำหนดค่าใหม่ได้ โดยสามารถรื้อเซลล์ทำงานออกและสร้างใหม่โดยใช้รูปทรงใหม่โดยใช้คานแบบเดียวกัน

ขนาดซีรีส์มีตั้งแต่ไมโครโปรไฟล์ 15 ซีรีส์ ไปจนถึงคานสำหรับงานหนัก 120 ซีรีส์ โปรไฟล์สามแบบครอบคลุมความต้องการด้านการผลิตเครื่องจักรส่วนใหญ่:

โปรไฟล์ปี 2020 (20 x 20 มม., ช่อง 6 มม.) - ระบบอัตโนมัติขนาดเล็ก, ขาตั้งเซ็นเซอร์, โครงห้องปฏิบัติการ
โปรไฟล์ 3030 (30 x 30 มม., ช่อง 8 มม.) - อุปกรณ์ป้องกันแสง อุปกรณ์ตรวจสอบ แท่นทดสอบ
โปรไฟล์ 4040 (40 x 40 มม., ช่อง 8 มม.) - ฐานเครื่องจักร กรอบหุ้ม โครงขนถ่ายวัสดุ

โปรไฟล์ T-Slot อลูมิเนียมปี 2020, 20x20 มม., สล็อต 6 มม. สำหรับเฟรมเบา โปรไฟล์ 20 ซีรีส์ขนาดกะทัดรัดนี้รวมหน้าตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัส 20 มม. เข้ากับช่อง 6 มม. และตัวเครื่อง 6063-T5 แบบอะโนไดซ์ การออกแบบให้มีน้ำหนักเบาทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงสำหรับตู้ แผงหน้าปัด และส่วนประกอบโครงสร้างขนาดเล็ก ดูผลิตภัณฑ์ →

HS-8-3030A โปรไฟล์ T-Slot 3030 ความแข็งแรงสูงพร้อมผนังหนา 2.0 มม. โปรไฟล์อะลูมิเนียม 6063-T5 มีหน้าตัด 30 มม. และผนัง 2.0 มม. ให้ความสามารถในการรับน้ำหนักและความเสถียรที่ดีขึ้น T-slot มาตรฐานรองรับการประกอบแบบโมดูลาร์ ทำให้เหมาะสำหรับโครงอุปกรณ์หนัก การ์ดนิรภัย และระบบอัตโนมัติ ดูผลิตภัณฑ์ →

เฟรมอลูมิเนียม T-slot

/- ความคลาดเคลื่อนของโปรไฟล์ 0.5 มม. ไม่มีการบิดเบี้ยวของการเชื่อม
กำหนดค่าใหม่และนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์
รวมการป้องกันการกัดกร่อนแบบอะโนไดซ์
เบากว่าเหล็กประมาณ 65%
ประกอบด้วยประแจหกเหลี่ยมเท่านั้น

โครงเหล็กเชื่อม

โมดูลัสที่สูงขึ้นต่อส่วนที่มีขนาดกะทัดรัด
ถาวร: การตัดและเชื่อมใหม่เพื่อแก้ไข
ต้องทาสีหรือชุบเพื่อป้องกันการกัดกร่อน
น้ำหนักประมาณ 2.9 เท่า
ต้องใช้ช่างเชื่อมที่มีทักษะและการยืดหลังการเชื่อม

HS-8-4040B โปรไฟล์ช่องตัว T หนา 4040 พร้อมผนัง 2.5 มม. สำหรับงานหนักปานกลาง ด้วยหน้าตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัส 40 มม. และผนังหนา 2.5 มม. โปรไฟล์นี้ให้ความต้านทานแรงอัดที่แข็งแกร่งและการเคลือบอะโนไดซ์ที่ทนทาน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงระบบอัตโนมัติขนาดกลางถึงหนัก รั้วป้องกัน และอุปกรณ์รองรับสายพานลำเลียง ดูผลิตภัณฑ์ →

โครงเครื่องจักรที่เสียหายใช้เวลาซ่อมแซม 30 นาที ไม่ใช่งานช่วงสุดสัปดาห์ ด้วยการอัดขึ้นรูปช่องตัว T ให้ปลดสลักฉากยึดมุม เลื่อนลำแสงที่เสียหายออก เลื่อนชิ้นส่วนทดแทน และปรับแรงบิดใหม่ตามข้อกำหนด เวลาหยุดทำงานลดลงจากวันเหลือเป็นนาที ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในการบำรุงรักษาโดยตรงเหนือโครงสร้างแบบเชื่อม

ผู้ผลิตโปรไฟล์ เช่น Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd. ซึ่งดำเนินธุรกิจฐานการผลิต 3 แห่งในเซี่ยงไฮ้ มณฑลอานฮุย และมณฑลเจียงซู ได้ใช้รูปแบบเต็มรูปแบบ คุณสมบัติและการใช้งานของอลูมิเนียม สำหรับการออกแบบโปรไฟล์: ผนังหนาสำหรับงานหนัก ช่องกว้างสำหรับฮาร์ดแวร์ขนาดใหญ่ อโนไดซ์สองสีสำหรับงานตกแต่งสวยงาม และรูปทรงสำหรับงานหนักพิเศษสำหรับเฟรมระบบอัตโนมัติที่มีโหลดสูง

การรักษาพื้นผิว: ตัวแปรที่ซ่อนอยู่ในอายุการใช้งาน

การรักษาพื้นผิวช่วยขยายอะลูมิเนียมจากวัสดุกรอบโลหะเปลือยให้เป็นส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอ เป็นฉนวนไฟฟ้า ควบคุมสี และปฏิบัติตามข้อกำหนดในการสัมผัสกับอาหารหรือห้องปลอดเชื้อ

อลูมิเนียมขณะอัดขึ้นรูปจะมีฟิล์มออกไซด์ธรรมชาติหนาประมาณ 2-4 นาโนเมตร ฟิล์มนั้นเพียงพอสำหรับใช้ภายในอาคาร แต่สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมต้องการชั้นที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม:

การรักษาพื้นผิวอะลูมิเนียมทั่วไปและคุณสมบัติของชั้นที่เพิ่มเข้าไป
การรักษา	ความหนาของชั้น	ผลกระทบที่สำคัญ
อโนไดซ์ ประเภท II	5-25 อืม	ฮาร์ดออกไซด์; สีย้อม; ฉนวนไฟฟ้า
อโนไดซ์แบบแข็ง Type III	25-150 อืม	ความแข็งผิว 350-500 HV; แผ่นสึกหรอ, ไกด์
เคลือบผง	60-120 อืม	ช่วงสีเต็มรูปแบบ ทนต่อแรงกระแทก ซ่อนรอยเชื่อม
อิเล็กโทรโฟเรซิส (ED)	15-25 อืม	สีดำหรือสีเงินสม่ำเสมอ การยึดเกาะที่แข็งแกร่ง อุปกรณ์ตกแต่งรถยนต์

การอโนไดซ์แบบแข็ง Type III จะเปลี่ยนอะลูมิเนียมให้เป็นพื้นผิวแบริ่ง การเคลือบแข็งขนาด 50 um มีความเข้มข้นถึง 350-500 HV ซึ่งแข็งเพียงพอสำหรับรางการเคลื่อนที่เชิงเส้น รางลำเลียง และรางลูกเบี้ยวที่ทำงานหลายพันรอบต่อวันโดยไม่เกิดการกะเทาะ

การพ่นทรายก่อนอโนไดซ์หรือการเคลือบจะช่วยขจัดเส้นแม่พิมพ์อัดขึ้นรูปและสร้างพื้นผิวด้านที่สม่ำเสมอซึ่งช่วยเพิ่มการยึดเกาะของการเคลือบและซ่อนการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิว สำหรับโครงภายนอกอาคาร การเคลือบสีฝุ่นเหนือการปรับสภาพด้วยโครเมตหรือเซอร์โคเนียมเป็นเส้นทางมาตรฐาน โดยมีการบันทึกอายุการใช้งาน 20 ปีไว้ที่ด้านหน้าอาคาร

คุณสมบัติและการใช้อลูมิเนียม: คำถามที่พบบ่อย

อะลูมิเนียม 6061 และ 6063 สำหรับเฟรมแตกต่างกันอย่างไร

6063 ให้การขัดผิวแบบอะโนไดซ์ที่นุ่มนวลกว่า และความสามารถในการอัดขึ้นรูปที่ดีขึ้นเล็กน้อย แต่ความแข็งแรงของผลผลิตต่ำกว่า (214 MPa เทียบกับ 276 MPa ใน T6) 6061 เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเมื่อคำนึงถึงความแข็งแรง ความสามารถในการแปรรูป และความสามารถในการเชื่อม ซึ่งครอบคลุมทั้งฐานเครื่องจักร โครงโครงสร้าง และกรอบรับน้ำหนัก สำหรับส่วนตกแต่งและตกแต่งทางสถาปัตยกรรมเพียงอย่างเดียว 6063 ชนะในด้านคุณภาพพื้นผิว

เหตุใดจึงเลือกใช้การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมมากกว่าเหล็กเชื่อมสำหรับอุปกรณ์ที่ปรับเปลี่ยนรูปแบบได้

การอัดขึ้นรูปประกอบขึ้นด้วยตัวยึดเชิงกล ดังนั้นจึงไม่มีการบิดเบี้ยวของการเชื่อม ไม่มีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน และไม่จำเป็นต้องยืดผมหลังการเชื่อม โครง T-slot ทั่วไปของซีรีส์ 40 สามารถถอดออกไปยังคานแต่ละคานได้ภายในเวลาประมาณ 15 นาที และประกอบกลับในรูปแบบอื่น โครงเหล็กที่เชื่อมต้องมีการตัดและเชื่อมใหม่หากมีการเปลี่ยนแปลง

โปรไฟล์อะลูมิเนียม 4040 สามารถรองรับน้ำหนักได้เท่าใด

โปรไฟล์ 4040 เดี่ยวที่มีความหนาของผนัง 2.5 มม. ครอบคลุมหนึ่งเมตรโดยมีจุดรับน้ำหนักช่วงกลางได้รับการจัดอันดับในช่วง 1.5-3 kN ภายใต้ปัจจัยด้านความปลอดภัยโดยทั่วไป ขึ้นอยู่กับโมดูลัสหน้าตัดที่แน่นอนและสภาวะส่วนปลาย สำหรับการรับน้ำหนักที่สูงกว่า โปรไฟล์ซีรีส์ 45 และ 60 ที่มีผนังหนาเป็นเส้นทางยกระดับมาตรฐาน

การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมสามารถใช้กลางแจ้งหรือในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้หรือไม่

ใช่ ด้วยการจบที่ถูกต้อง โปรไฟล์อะโนไดซ์ 6063 หรือ 6061 ทนทานต่อการใช้งานกลางแจ้งในงานสถาปัตยกรรมมานานหลายทศวรรษ ในบรรยากาศชายฝั่งหรือสภาพแวดล้อมที่รุนแรงทางเคมี การเคลือบสีฝุ่นหรือชั้นอะโนไดซ์แข็งที่มากกว่า 6061-T6 ให้การป้องกันที่แนะนำ แนะนำให้ใช้ 6005A เมื่อสัมผัสรอยเชื่อม