Was sind Legierungen?
Legierungen sind Metalle, die mit anderen Metallen oder nichtmetallischen Elementen gemischt sind. Beispielsweise werden bei der Bearbeitung häufig Aluminiumlegierungen verwendet, bei denen es sich hauptsächlich um Aluminium und andere Elemente wie Eisen, Kupfer und Magnesium handelt.
Die Bearbeitbarkeit verschiedener Aluminiumlegierungen wird in erster Linie durch ihre Zusammensetzung bestimmt, wodurch bestimmte Legierungen für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind. Es ist erwähnenswert, dass die Zugabe anderer Elemente einen erheblichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften einer Legierung wie Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit hat. Daher ist das Verständnis dieser Eigenschaften entscheidend für die Bestimmung der Eignung des Materials für ein bestimmtes Teil.
Aluminiumlegierungen werden in drei Gruppen eingeteilt: handelsübliches reines Aluminium, wärmebehandelbare Legierungen und nicht wärmebehandelbare Legierungen. Während technisch reines Aluminium bei der Aluminiumbearbeitung üblicherweise nicht verwendet wird (obwohl für Maschinenteile möglicherweise Aluminium 1060 verwendet wird), konzentriert sich dieser Artikel auf fünf Legierungen aus den beiden letztgenannten Gruppen.
Verschiedene Aluminiumlegierungen für die CNC-Bearbeitung
CNC-Bearbeitung Dabei werden Bohrer und Drehwerkzeuge verwendet, um Material von einem massiven Materialblock zu entfernen und so ein Teil zu erzeugen. Es handelt sich um eine konventionelle Fertigungsmethode, die eine schnelle und hochpräzise Fertigung von Teilen mit engen Toleranzen ermöglicht. Dieses vielseitige Verfahren kann auf eine Reihe starrer Materialien angewendet werden, darunter Kunststoffe, Metalle und Glasfaser, wobei Aluminium ein bevorzugtes Material für Produktentwicklungsteams ist.
Obwohl verschiedene Metalle mit CNC-Maschinen bearbeitet werden können, ist Aluminium aufgrund seiner besonderen Eigenschaften eine beliebte Wahl für CNC-Bearbeitungszwecke. Aluminiumlegierungen gibt es in verschiedenen Qualitäten und jede Aluminiumlegierung ist für bestimmte Anwendungen am besten geeignet.
Aushärtbare Legierungen
Wärmebehandelbare Legierungen bestehen aus einer Kombination metallischer und nichtmetallischer Komponenten, einschließlich reinem Aluminium, das auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, bevor Legierungselemente gleichmäßig hinzugefügt werden. Diese Zugabe von Legierungsmaterial führt dazu, dass das Aluminium erstarrt, wenn auch immer noch bei einer hohen Temperatur, und anschließend durch Abschrecken schnell abgekühlt wird. Diese schnelle Abkühlung kann dazu führen, dass die Atome der Legierungselemente an Ort und Stelle erstarren.
Typischerweise entstehen wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen, wenn sich die Aluminiumatome und Legierungselementatome während des Alterungsprozesses bei Raumtemperatur auf natürliche Weise verbinden. In einigen Fällen wird dieser Prozess jedoch künstlich durch Alterung in einem auf niedrige Temperatur eingestellten Ofen herbeigeführt.
Aluminium 2024-T4
Aluminium 2024-T4 ist eine mittel- bis hochfeste Legierung, die eine gute Ermüdungsbeständigkeit und Bruchzähigkeit bietet. Es ist nicht so stark wie 7075-T6, aber dennoch für Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet.
Zu den üblichen Anwendungen für Aluminium 2024-T4 gehören Flugzeugrümpfe, Teile von Transportfahrzeugen und Spannelemente für Flügel. Produktteams sollten jedoch beachten, dass diese Aluminiumsorte eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist und sehr empfindlich gegenüber Thermoschocks ist.
Mechanische Spezifikationen:
Höchste Zugfestigkeit: 200 – 540 MPa
Bruchdehnung: 14 – 20 %
Elastizitätsmodul: 71 – 73.1 GPa
Härte: 70 – 120 HB
Maximale Betriebstemperatur: 200 °C
Aluminium 6061
Die in der CNC-Bearbeitung am häufigsten verwendete Aluminiumsorte ist bekannt für ihre außergewöhnlichen Verarbeitungsfähigkeiten, hohe Zähigkeit, gute mechanische Eigenschaften, gute Korrosionsbeständigkeit, keine Verformung nach der Bearbeitung, einfache Farbfilmbildung und ausgezeichnete Eloxierungseffekte. Es handelt sich um eine der in der Industrie am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen. Diese Aluminiumsorte wird in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter im Lkw-Bau, im Hochbau, im Schiffbau, im Straßenbahnbau, in der Möbelproduktion, in der Präzisionsbearbeitung und in einem breiten Spektrum industrieller Anwendungen.
Mechanische Spezifikationen:
Zugfestigkeit: 45,000 psi
Streckgrenze: 40,000 psi
Elastizitätsmodul: 10,000,000 psi
Scherfestigkeit: 31,000 psi
Härte: 95 Brinell
Dichte: 2.7 g / cm3
Schmelzpunkt: 582 °C (1080 °F)
Wärmeleitfähigkeit: 170 W/mK
Wärmeausdehnungskoeffizient: 23.6 µm/mK
Aluminium 6082
Aluminium 6082 weist ähnliche Eigenschaften wie Aluminium 6061 auf, weist jedoch eine etwas höhere Zugfestigkeit auf. Sie zeichnet sich durch die höchste Festigkeit aller Legierungen der 6000er-Serie sowie durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Für Ingenieure, die eine höhere Festigkeit als die von 6061 bieten möchten, aber nicht daran interessiert sind, in die 7000er-Serie zu investieren, ist 6082 eine attraktive Option.
Dieses Material eignet sich besonders gut für allgemeine Anwendungen, die eine erhöhte Festigkeit und Zähigkeit erfordern, und wird häufig in der Bauindustrie bei Brücken, Türmen und Fachwerken eingesetzt. Designer sollten jedoch beachten, dass es schwierig ist, dünne Wände aus Aluminium 6082 zu erstellen.
Mechanische Spezifikationen:
Höchste Zugfestigkeit: 140 – 340 MPa
Bruchdehnung: 6.3 – 18 %
Elastizitätsmodul: 69 – 71 GPa
Härte: 35-56 HRB
Maximale Betriebstemperatur: 130 – 150 °C
Aluminium MIC 6
MIC 6 Aluminium verfügt über eine einzigartige Kombination aus Legierungs- und Gussverfahren, die speziell für die Herstellung stabiler Platten mit hohen Toleranzen entwickelt wurde. Seine außergewöhnlichen Spannungsabbaueigenschaften, Genauigkeit und Bearbeitbarkeit machen es zu einer äußerst gefragten Option für die Bearbeitung von Komponenten, Elektronik und Lasertechnologie. Darüber hinaus ist es frei von Verunreinigungen und Porosität und bietet eine glatte und leichte Wahl.
Allerdings sind MIC 6061-Gewinde im Vergleich zu 6-Aluminium nicht so stark, insbesondere bei feinen Gewinden, die zu einem vorzeitigen Gewindeversagen führen können. Daher sollten Designer diese Einschränkung bei der Materialauswahl berücksichtigen.
Mechanische Spezifikationen:
Höchste Zugfestigkeit: 166 MPa
Bruchdehnung: 3 %
Elastizitätsmodul: 71 GPa
Härte: 65 HB
Maximale Betriebstemperatur: 427 °C
Aluminium 7075
AA7075 ist eine Aluminiumlegierung, die Zink als Hauptlegierungselement enthält. Diese Legierung verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften und weist eine hohe Duktilität, Zähigkeit und Festigkeit sowie eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf. Trotz seiner Anfälligkeit für Versprödung durch Mikroseigerung weist es eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Legierungen der 2000er-Serie auf. Es hat die gleiche Festigkeit wie Weichstahl, aber nur 1/3 des Gewichts. Es wird häufig in hochbeanspruchten Strukturanwendungen, insbesondere in Flugzeugstrukturteilen, verwendet und ist damit eine der am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen.
Mechanische Spezifikationen:
Zugfestigkeit: 83,000 – 83,000 psi (570 – 570 MPa)
Streckgrenze: 73,000 – 73,000 psi (503 – 503 MPa)
Bruchdehnung: 11 – 11 %
Elastizitätsmodul: 10,200 – 10,200 ksi (70.3 – 70.3 GPa)
Schermodul: 3,800 – 3,800 ksi (26.2 – 26.2 GPa)
Poissonzahl: 0.33 – 0.33
Ermüdungsfestigkeit: 47,000 – 47,000 psi (324 – 324 MPa) bei 500 Millionen Zyklen
Nicht wärmebehandelbare Legierungen
Aluminiumlegierungen, die nicht wärmebehandelbar sind, entstehen durch die Kombination von Aluminium mit Legierungselementen vor einer Wärmebehandlung. Die Anfangsfestigkeit dieser Legierungen wird durch die Zugabe dieser Elemente erreicht. Zu den nicht wärmebehandelbaren Legierungen gehören reine Aluminiumlegierungen, Manganlegierungen, Siliziumlegierungen und Magnesiumlegierungen. Um die Festigkeit dieser Legierungen weiter zu erhöhen, werden verschiedene Kaltumform- und Kaltverfestigungsverfahren eingesetzt.
Zu den gebräuchlichsten Methoden der Kaltumformung und Kaltverfestigung gehören Walzen, Ziehen durch Matrizen, Strecken oder andere ähnliche Vorgänge, die zu einer Flächenverringerung führen. Die endgültigen Eigenschaften der Legierung werden durch die Gesamtflächenreduzierung des Materials bestimmt. Darüber hinaus ist das „Stabilisieren“ ein Prozess, der bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird und sicherstellt, dass die endgültigen mechanischen Eigenschaften der Legierung über die Zeit konstant bleiben.
Aluminium 3003
Die Aluminiumlegierung 3003 gehört zur Aluminium-Mangan-Knetlegierung, die auch als 3000er- oder 3xxx-Serie bekannt ist. Diese Art von Legierung kann kaltverformt werden, um Zustände mit erhöhter Festigkeit, aber verringerter Duktilität zu erreichen, da sie nicht wie einige andere Aluminiumlegierungen wärmebehandelt werden kann. Seine Eigenschaften ähneln denen anderer Aluminium-Mangan-Legierungen, da es sich um eine vielseitige Legierung mit mäßiger Festigkeit, guter Bearbeitbarkeit und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit handelt. Obwohl es gewalzt und extrudiert werden kann, wird es normalerweise nicht geschmiedet und ist aufgrund seiner bearbeiteten Beschaffenheit nicht zum Gießen geeignet. Diese Legierung wird üblicherweise bei Blechanwendungen wie Dachrinnen, Fallrohren, Dächern und Verkleidungen verwendet.
Mechanische Spezifikationen:
Zugfestigkeit: 130–185 MPa (19,000–27,000 psi)
Streckgrenze: 55–115 MPa (8,000–17,000 psi)
Dehnung: 10-30%
Härte (Brinell): 40-60 HB
Aluminium 5052
Starkes, bearbeitbares und korrosionsbeständiges Aluminium 5052 – unter anderem aus Magnesium und Chrom hergestellt – wird aufgrund seiner Salzwasserbeständigkeit häufig in Schiffsanwendungen eingesetzt. Es ist außerdem die stärkste nicht wärmebehandelbare Legierung auf dem Markt. Aluminium 5052-Bleche haben eine ausreichende Festigkeit für die meisten Anwendungen, sind aber nicht zu spröde, um beim Biegen zu brechen. Sie sind wahrscheinlich die am häufigsten in der Blechfertigung verwendeten Aluminiumbleche.
Mechanische Spezifikationen:
Zugfestigkeit: 210–260 MPa (30,000 bis 37,000 psi)
Streckgrenze: 160–200 MPa (23,000 bis 29,000 psi)
Dehnung: 12% -25%
Elastizitätsmodul: 70.3 GPa (10,200 ksi)
Härte: 60 Brinell
Ermüdungsfestigkeit: 110 MPa (16,000 psi) bei 5×10^8 Zyklen
Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die breite Palette an Aluminiumlegierungen, die für die CNC-Bearbeitung verfügbar sind, Ingenieuren vielfältige Optionen für verschiedene Anwendungen bietet. Die Auswahl einer geeigneten Aluminiumlegierung hängt von verschiedenen Faktoren wie Festigkeit, Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit ab, die maßgeblich von der Zusammensetzung der Legierung beeinflusst werden. Daher ist das Verständnis der Eigenschaften jeder Legierung von entscheidender Bedeutung für die Auswahl des idealen Materials für ein bestimmtes Teil. Zu den bei der CNC-Bearbeitung häufig verwendeten Aluminiumlegierungen gehören wärmebehandelbare und nicht wärmebehandelbare Legierungen mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Durch die Berücksichtigung der Eigenschaften jeder Legierung können Hersteller qualitativ hochwertige, effiziente und kostengünstige maschinell bearbeitete Teile für verschiedene Branchen herstellen.