Способы и особенности полировки алюминия

Алюминий — это металл серебристо-белого цвета, который отличается высоким уровнем устойчивости к воздействию коррозии, низкой плотностью, превосходной пластичностью и электропроводностью. Антикоррозийная защита материала обуславливается образованием особой пленки при контакте с воздухом. Именно она предотвращает появление ржавчины на изделиях из алюминия.

Этот металл нейтрален при взаимодействии с питательными продуктами. Также он характеризуется высокой стойкостью к большей части органических кислот. Помимо этого, он прекрасно подвергается обработке давлением, что позволяет делать из алюминия самые разные конструкции. Для того чтобы наделить металл уникальными свойствами, его нередко легируют (сплавляют с другим металлом):

• медью;
• марганцем;
• цинком;
• магнием;
• кремнием.

Виды сплавов

Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые. Химический состав деформируемого вида (а горячекатаные листы относятся именно к нему) определяется ГОСТами 4784−97 и 1131. По виду упрочнения данные сплавы подразделяются на упрочняемые высоким давлением и термоупрочняемые. Но зачастую специалисты классифицируют материал иначе, основываясь на его характеристиках. Сплавы термоупрочняемые бывают:

• высокого уровня прочности: В95 и В93;
• жаростойкими: 1201, Д20, АК-4 и АК-4−1;
• среднепрочными и высокопластичными: АД-35 (авиали), АД-31 и АД-33;
• стандартной прочности: 1915 и 1925;
• дюрали: Д-18, Д-1 и Д-16;
• ковочными: АК-6 и АК-8.

К нетермоупрочняемым алюминиевым сплавам относятся следующие:

• магналии (среднепрочные высокопластичные): АМг-6, АМг-1, АМг-2 и др.;
• низкопрочные высокопластичные: АМц и Д-12, АДО и АД-1.

Особенности обработки изделий из алюминиевых сплавов

Деревцов Андрей Олегович Магистрант РУТ (МИИТ) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)» E-mail

Алюминиевые сплавы с точки зрения обрабатываемос­ти можно разделить на три группы. К первой относятся сплавы низкой твердости, имеющие склонность к налипанию на инструмент, например дюралюминий в отожженном состоянии. Сплавы второй группы имеют более высокую твердость, не налипают на инструмент. К этой группе относятся термически упрочненный дюралюминий, а также кованые сплавы АК6, АК8 и др.

В третью группу входят широко распространенные литые сплавы, содержащие кремний, в частности силумины различных марок. Для первых двух групп наиболее характерно образование сливной стружки в виде длинных лент или спиралей, для третьей — стружка легко дробится на короткие элементы.

По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обла­дают меньшей твердостью, более низким временным сопротивлением и лучшей теплопроводностью, что позво­ляет значительно повышать скорость резания и подачу.

Обработка алюминиевых сплавов характеризуется следующими особенностями:

· высокие скорости резания

· низкие усилия

· минимальный износ режущего инструмента

· сравнительно низкая температура резания

Для обработки алюминия лучше всего использовать режущие инструменты со специально разработанной геометрией. Также можно использовать обычные режущие инструменты, но в этом случае сложно достигнуть необходимого качества поверхности и избежать образования на режущей кромке нароста.

Алюминий может подвергаться всем способам обработки со снятием стружки. Обработка резаньем алюминия по сравнению со сталью характеризуется значительно более высокой скоростью резания при равной стойкости инструмента. Алюминий должен обрабатываться со скоростями резания не ниже 90 м/мин. Исключением являются ручные работы, протяжка, сверление, зенковка и нарезание резьбы . В зависимости от состава и состояния или прочности при обработке резанием алюминия выделяют три группы: 1 — нестареющие деформируемые сплавы; 2 — стареющие деформируемые сплавы и литейные сплавы с содержанием Si меньше 10 %; 3 — литейные сплавы с Si более 10 % [1].

При изготовлении деталей из крупногабаритных поковок целесообразно использовать следующую схему изготовления: — черновая механическая обработка; — закалка; — искусственное старение 190º C, 22 часа, (допускается 36 часов для крупногабаритных поковок с целью уменьшения коробления во время механической обработки и повышения размерной стабильности); — получистовая механическая обработка; — стабилизирующее старение 190º C, 19 часов; — чистовая механическая обработка. Контроль параметров качества и в частности точности размеров производится после каждой операции.

Для алюминиевых сплавов 1201 и Д16 необходима выдержка деталей, особенно тонкостенных, перед переустановкой, в п ротивном случае может произойти её деформирмация вследствие остаточных внутренних напряжений, полученных в результате механической обработки. Так же необходимо обеспечение постоянной и равномерной подачи СОЖ либо применение системы охлаждения инструмента масляным туманом для создания термоконстантных условий резания и исключения деформаций детали.

Алюминиевые сплавы с улучшенной обрабатываемостью резанием содержат низкоплавкие мягкие металлы, которые способствуют образованию короткой стружки. Обычно — это сплавы с добавками свинца или висмута.

Одним из технологических параметров, которые влияют на форму стружки, является геометрия зуба режущего инструмента. Так, при пониженном переднем угле образуются более короткая стружка в тех сплавах, для которых обычно характерна длинная стружка. Это происходит за счет сжатия стружки (рисунок 1).

Рисунок 1 — Сжатие стружки при большом и малом переднем угле зуба

Иногда при обработке алюминия можно столкнуться и с негативными эффектами. Первый — высокая вязкость некоторых сплавов. Поэтому, как правило, на инструменте для обработки сплавов алюминия делают большие стружечные канавки для облегченного схода стружки, хотя это и ограничивает максимальное количество зубьев на фрезе двумя либо тремя.

Второй негативный эффект — наростообразование. При наплавке материала, происходит забивание канавки, что ведет к дисбалансу инструмента. При затуплении режущей кромки, происходит перегрев инструмента, что может привезти к заклиниванию и как следствие, к поломке дорогостоящего инструмента. На степень и глубину наплавки материала, влияют режимы резания, геометрия режущего инструмента, степень его затупления, т.е. все факторы, определяющие протекание пластической деформации в зоне резания.

Увеличение скорости резания способствует уменьшения глубины и степени наплавки, а подачи и глубины резания — к их увеличению.

Список литературы

1. Квасов Ф. И. Алюминиевые сплавы типа дуралюмин [Текст] / Ф. И. Квасов, И. Н. Фридляндер // М.: Металлургия. — 1984. — 240 с.
2. Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов. / Колачев Б. А., Ливанов В.А, Елагин В. И. // М.: МИСИС. — 3-е изд., перераб. и доп. — 1999. — 416 с.
3. Баженова Н. Н. Исследование проблем обработки алюминия // Молодой ученый. — 2020. — № 7. — С. 38-40. — URL https://moluch.ru/archive/141/39585

Разновидности изделий и ГОСТ

Сегодня производство алюминиевых листов регламентируется ГОСТом 21631−76. Изделия могут иметь разное предназначение, потому они делятся на несколько типов:

1. Кислостойкие. Часто используются для изготовления сварочных емкостей и топливных баков, что обуславливается высокой антикоррозийной стойкостью и отличной обработкой. Производится продукция из сплавов с марками АМг, которые подвергаются легированию магнием и марганцем. Такие изделия также нередко используются при производстве радиаторов, рамных конструкций и заклепок.
2. Технические: отличный материал для изоляции и отделки. Применение технического алюминия позволяет сэкономить благодаря небольшому весу листов из него и хорошей гибкости.
3. Перфорированные с гладкой поверхностью: используются для усиления углов гипсокартонных конструкции, решеток воздухоотводов и декоративных элементов. Изделия перфорированного типа могут обладать отверстиями разной формы, которые создаются с помощью специального прессовального оборудования.
4. Пищевые: для таких листов применяются нагартованные и отожженные сплавы. Эти изделия имеют высокую степень гигиеничности, так как в их составе нет никаких легирующих компонентов и примесей.

Подготовка к процессу

В процессе литья алюминия под давлением расплавленный металл заливают в специально подготовленные формы, нагнетая его с помощью поршня.

Поршень, движущийся с большой скоростью, не дает возможности горячему металлу изменить запланированную форму и полностью устраняет их его массы пузырьки воздуха, обеспечивая отсутствие усадки.

Распределение горячей массы жидкого алюминия происходит стремительно, подготовленная форма заполняется очень быстро, после чего вся масса, заполнившая ее, постепенно застывает в точности повторяя установленную конфигурацию детали.

При изготовлении элементов с полостями используются машины, оснащенные специальными поршнями, обеспечивающими проникновение внутрь заполненной формы.

Процесс литья под давлением алюминиевых сплавов получил широкое распространение, а изготовленные таким образом детали, пользуются огромным спросом благодаря высоким показателям ковкости и пластичности исходного материала.

Во время работы используют так называемые пресс-формы, в которых и осуществляется процесс литья алюминия под давлением.

Анодированная и гофрированная продукция

Отдельно следует выделить гофрированный листовой алюминий, который применяется для устройства долговечной и качественной кровли. Преимущества таких изделий налицо:

• небольшая масса листов позволяет осуществлять реконструкцию старых сооружений, так как они не во всех случая могут выдерживать значительные нагрузки;
• возможность применения профилированных листов для крыш обыкновенных домов и многоэтажек;
• высокий уровень гибкости позволяет работать с кровлями, которые имеют даже очень сложный дизайн;
• легкий монтаж позволяет выполнить его даже новичкам.

Сегодня в продаже можно встретить и анодированную продукцию, которая может иметь зеркальную или матовую поверхность. Она применяется для создания оконных жалюзи, бытового оборудования, осветительных устройств, декоративных деталей и солнечных батарей.

Анодирование представляет собой электрохимический процесс, в результате которого на поверхности металла формируется специальная пленка с защитными свойствами.

Что такое литье алюминия под давлением сегодня?

Сегодня литье алюминия под давлением – это полный цикл производства изделия, который может начинаться с проектирования линейной оснастки до получения готовой заготовки на выходе.

Суть процесса в заполнении расплавленным алюминием специальной пресс-формы, изготовленной по шаблону или индивидуальному заказу. Литье алюминия под давлением позволяет недорого получать достаточно сложные изделия благодаря его низкой температуре плавления. Готовые детали могут весить от нескольких грамм до десятков килограмм и имеют самые широкие сферы применения.

Особенности производства

Весь цикл производства алюминиевых листов включает в себя несколько стадий: термическая деформация, холодное волочение или прокатка.

Определенные габариты и форму листа получить несложно, потому что алюминиевые сплавы, как уже было сказано выше, являются очень пластичными. В конечной продукции не должно быть никаких трещин, пузырьков, разрывов и следов коррозии.

Также алюминий листовой классифицируется на следующие типы:

• неплакированные и плакированные изделия (плакировка может быть нормальной или же утолщенной);
• искусственно или естественно состаренные;
• без термической обработки;
• полунагартованные;
• отожженные;
• нагартованные, подвергнутые закалке и естественному старению.

Листы из алюминия — очень востребованный материал, что обусловлено общедоступностью и прекрасным эксплуатационным свойствам.

Анодирование алюминия в домашних условиях

Чтобы провести анодирование своими руками дома, необходим определенный набор инструментов:

• емкости или ванночки, выполненные из металла алюминия, где будет проходить сам процесс;
• емкости из полимера либо стекла для подготовки растворов в количестве двух штук;
• провода для подводки тока из электротехнического алюминия;
• источник питания напряжением 12 В, можно применить автомобильный аккумулятор либо блок питания;
• мощный реостат проволочного типа;
• измерительный прибор амперметр.

Для процесса анодирования на производстве в качестве основы электролита используют кислоту серную. Это опасно, так как ее пары легко воспламеняются, а в течение операции оксидирования бурно выделяются газы.

Чтобы безопасно анодировать алюминий в домашних условиях, от серной кислоты стоит отказаться, заменив ее на специальный раствор из соли и соды.

Подготовка электролита

В качестве электролита для получения рабочего раствора используют специальную смесь взамен кислоте. Приготовление каждого из двух компонентов раствора содового и солевого происходит в отдельных посудинах с применением дистиллированной воды без посторонних включений и подогретой до теплого состояния. Пищевую соду растворяют с тем расчетом, чтобы ее объем относительно объема солевого раствора был больше в 9 раз.

Методика приготовления:

1. Отдельно каждый раствор подвергают скрупулезному перемешиванию с целью получения полной однородности без нерастворенных частиц.
2. Оставляют смеси на некоторое время, чтобы опустился осадок, и сливают верхнюю часть через фильтр в другие чистые емкости.
3. Перед тем как запустить процесс оксидирования, растворы смешивают в емкости из алюминия, где 1 часть будет солевого, 9 – содового растворов.

Подготовительный этап

Деталь, прежде чем подвергнуть химической обработке, следует правильно подготовить. На этом этапе:

1. Поверхность изделия очищают от загрязнений.
2. Шлифуют, удаляя окислы, значительные дефекты и неровности.
3. Обезжиривают, избавляясь от веществ, препятствующих получению качественной пленки.

Температура электролита

Температура электролита имеет важное значение для процесса получения кристаллической оксидной пленки способом анодирования алюминия. Она напрямую влияет на прочность и рыхлость покрытия и его дальнейшие свойства.
Чем ниже температура, тем более плотной, крепкой и не такой рыхлой будет оболочка, но скорость образования последней меньше, нежели при использовании высоких температур.

Анодная плотность

Правильное анодирование металлов алюминия и их сплавов предполагает выдержку определенной плотности тока. Это показатель силы тока, отнесенный ко всей поверхности, которая будет подвержена покрытию оксидом. Этот параметр напрямую определяет, с какой скоростью будет образовываться слой. Также учитываются плотность электролита и его температура.

Общие правила предписывают использовать плотность в пределах 2,5–1 А/дм², если целью является получение покрытия декоративно-защитного характера – толщина 20–6 микрон; использовать плотность в пределах 4–2 А/дм², если нужен электроизоляционный слой или очень твердое покрытие – толщина 75–40 микрон.

Контакт детали с подвеской

Достижение результата качественного покрытия алюминиевых деталей методом анодирования также зависит от правильного их расположения в электролите. Они должны быть полностью погружены в раствор, иметь отличный контакт с анодом и не прикасаться к любым другим поверхностям. Осуществить это можно, применяя специальную подвеску. В роли ее может выступить алюминиевый брусок, который устойчиво закреплен на штативе. В бруске сверлят отверстия под болтовые соединения. Болтами крепят алюминиевую проволоку, на которой уже подвешивают детали. Также на брусок подключают анод.

Следует избегать большой площади контакта детали с подвеской: в этом месте пленка не будет образовываться во время оксидирования.

Закрепление

Окончательный этап после оксидирования – это закрепление. Суть процесса состоит в том, чтобы закрыть поры, образовавшиеся в поверхностном слое. Достигается это очень легко: деталь просто пропаривают или подвергают кипячению в дистиллированной воде. Длительность процесса составляет около 30 минут.

Нарезка резьбы на алюминии

Внутренние и наружные резьбы на алюминиевых деталях выполняют всеми обычными методами механической обработки, а также методом накатки с пластической деформацией материала (рисунок 5). Лучше всего резьба получается на термически упрочняемых алюминиевых сплавах. До диаметра 6 мм применяют обычные метчики для стали, а для больших диаметров применяют специальные метчики для алюминия. Метчики для алюминия имеют увеличенные канавки для удаления стружки.

Для выполнения наружной резьбы обычно применяют обычные плашки, а также методы пластической накатки без образования стружки.

Рисунок 5 – Нарезка резьбы в алюминии [2]

Пильная резка

Под резкой обычно понимают резку пилой, то есть пильную резку (рисунок 1). Резка алюминиевых сплавов может производиться с более высокими скоростями, чем резка стали. Большинство алюминиевых сплавов позволяют значительно более высокие скорости реза. Поэтому в большинстве случаев именно пильная резка алюминия является экономичной и оптимальной.

Рисунок 1 – Пильная резка алюминиевого профиля [2]

Внешний вид реза и наличие заусенцев зависит от применяемого алюминиевого сплава, его состояния, размеров и формы зубьев пилы, количества оборотов пильного диска в минуту, количества зубьев, диаметра пильного диска и скорости подачи пилы. Количество зубьев пилы должно быть достаточно большим, чтобы обеспечивать чистый рез. При пильной резке алюминиевых профилей обычно всегда применяют специальные смазочные эмульсии.

Основные параметры резки алюминия [1]:

• Диаметр пильного диска: 300-650 мм;
• Толщина пильного диска: 2,0-4,2 мм;
• Скорость вращения: 1500-2800 оборотов в минуту;
• Скорость подачи.

Гальваническая коррозия алюминия

Гальваническая коррозия может случаться тогда, когда два различных металла находятся в непосредственном контакте и между ними образовался электролитический мост. Менее благородный металл в этой комбинации становится анодом и корродирует. Более благородный металл становиться катодом и находится под защитой от коррозии.

В большинстве комбинаций с другими металлами алюминий является менее благородным металлом. Поэтому алюминий подвержен более высокому риску гальванической коррозии, чем другие строительные материалы. Однако, этот риск меньше, чем это обычно считается.

Гальваническая коррозия алюминия происходит только тогда, когда одновременно:

• есть контакт с более благородным металлом (или другим электрическим проводником с более высоким химическим потенциалом, чем у алюминия, например, графитом;
• между двумя металлами находится электролит с хорошей проводимостью, чаще всего, вода с растворенными солями.

Гальваническая коррозия не происходит в сухой воздушной атмосфере, например, внутри нормального жилого помещения. Нет большого риска гальванической коррозии и чистой сельской атмосфере. Вместе с тем, риск гальванической коррозии необходимо всегда принимать в расчет в атмосферах с высоким содержанием хлоридов, например, в районах вблизи морей и океанов.

Могут быть проблемы с гальванической коррозией и в паре алюминия с оцинкованной сталью. Цинковое покрытие оцинкованной стали будет сначала защищать алюминий от коррозии. Однако, эта защита снижается, когда поверхность стали начинает обнажаться по мере расходования цинка. Горячее цинкование стали дает большую толщину цинкового покрытия, чем электрохимическое цинкование и обеспечивает более длительную защиту алюминия. Поэтому в агрессивной атмосфере в контакте с алюминием применяют только оцинкованную сталь горячего цинкования.

Там, где различные металлы применяются в контакте, гальванической коррозии можно избежать путем электрической изоляции одного металла от другого. Пример такого решения для болтового соединения между алюминиевым и стальным листом приведен на рисунке 1. Между головкой болта и поверхностью алюминия может возникнуть электролит, но электроизолирующая шайба не даст возможности протекать гальваническому электрическому току и коррозии не произойдет.

Рисунок 1 – Электрическая изоляция алюминия от стали

В больших конструкциях, там, где применение электроизоляции затруднительно, применяют альтернативное решение – предотвращение электролитического мостика между двумя металлами. Окраска поверхности – это один из путей сделать это. Чаще всего лучшим вариантом является окраска поверхности катода, то есть более благородного металла.

Катодная защита

Катодная защита от коррозии может достигаться двумя путями. Чаще всего – это установка анода из менее благородного металла в прямом металлическом контакте с алюминием. Этот менее благородный металл «жертвует» собой, то есть корродирует вместо алюминия. Поэтому его называют жертвенным анодом.

Чтобы такой жертвенный анод работал, он должен быть в жидком контакте с защищаемой алюминиевой поверхностью. Для защиты алюминия в качестве жертвенных анодов чаще всего применяют цинк и магний. Пример катодной защиты показан на рисунке 2.

Свойства

Давайте изучим характеристики алюминия. Описываемый металл плавится при температуре 659 градусов Цельсия. Плотность вещества составляет 2,69*103 кг/см3. Алюминий относят в группу активных металлов. Устойчивость к коррозионным процессам зависит от ряда факторов:

1. Чистота сплава. Для производства различного оборудования берут металл, отличающейся своей чистотой. В нем не должно быть различных примесей. Широко распространен алюминий марки АИ1, а также АВ2.
2. Среда, в которой находится алюминий.
3. Какая концентрация примесей в окружающей алюминий среде.
4. Температура.
5. Большое влияние оказывает рН среды. Нужно знать, что оксид алюминия может образовываться, когда рН находится в интервале между 3 и 9. В той среде, где на поверхности листа алюминия сразу же появляется оксидная пленка, коррозионные процессы развиваться не будут.

Полезные советы всем, обрабатывающим алюминий

Чтобы правильно выполнять обработку этого материала, соблюдая меры безопасности, надо знать и выполнять 10 важных правил:

1. Качественная резка не любит спешки. Крупногабаритные изделия, например, автозапчасти, могут быть в работе долгое время.
2. Пользуйтесь онлайн-калькулятором или обычным, оптимизируя настройки и определяя скорость, с которой будет подаваться шпиндель. Это поможет установить нижнюю границу числа оборотов за минуту; поддерживать разнообразные фрезы для обработки алюминия, пользуясь фрезами цилиндрического, торцевого, червячного, концевого или конического типа.
3. Важно при расчете считаться с прочностью на изгиб, утончением стружки, различными мощностными режимами работы.
4. Применяйте фрезы, имеющие износостойкие покрытия. Материал их изготовления – твердые сплавы. Инструмент из кобальта, стальной и быстрорежущий не подходит. Лучше всего подойдет покрытие из диборида титана. Это исключает теплопередачу и налипание стружки. Их высокая стоимость окупится качеством обработанной детали.
5. Лучше использовать фрезы меньшего диаметра – до 6 мм, благодаря чему реально добиться увеличения числа оборотов за минуту.
6. Вовремя очищайте область обработки от стружечных отходов.
7. Контролируйте глубину процесса резки. Целесообразно сделать большее число проходов обрабатываемого материала, чем экономить время. Очистка глубоких отверстий – более сложный процесс.
8. Подачу смазочно-охлаждающей жидкости лучше выполнять под давлением посредством распыляющего устройства.
9. Недопустимо слишком быстрое уменьшение скорости подачи! Этот режим больше влияет на износ инструмента. В случае неспособности ЧПУ по алюминию быстро перемещать шпиндель по осям X и Y, лучше использовать фрезы, имеющие меньшее число зубьев – одно-, двузубые при большей ширине канавок.

ВАЖНО! Если у инструмента четыре или больше зубьев, для обработки заготовок из алюминиевого профиля он не подходит!

1. Надо избегать работы по полной мощности. На станках, которые эксплуатируются на пределе возможностей, инструмент быстрее разрушится, а качество, при такой обработке, будет страдать.