– Πώς να επιλέξετε το σωστό κράμα για το χυτό σας προϊόν.
– Ο Δρ. Swaren S. Bedarkar, Διδάκτωρ Μεταλλουργικής Μηχανικής, εξετάζει
τις ιδιότητες των δύο πιο δημοφιλών μετάλλων, του χάλυβα και του αλουμινίου.
– Συγκρίνοντας πολλαπλές χημικές ιδιότητες και αξιολογώντας τις μεταξύ τους, ο Δρ. Bedarkar συμπεραίνει ποιο μέταλλο είναι πιο κατάλληλο για συγκεκριμένα χυτά προϊόντα.
Το αλουμίνιο και ο χάλυβας είναι δύο από τα πιο δημοφιλή μέταλλα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή προϊόντων μέσω χύτευσης. Αμφότερα είναι ασημένια στο χρώμα και ιδιαίτερα ανθεκτικά, αλλά οι χημικές τους ιδιότητες τα διαφοροποιούν σε μεγάλο βαθμό το ένα από το άλλο. Στη συνέχεια, θα επισημάνουμε τις βασικές διαφορές μεταξύ των δύο μετάλλων, γεγονός που θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τις λειτουργικές τους ιδιότητες, και θα μας επιτρέψει να επιλέξουμε το σωστό κράμα για τα χυτά μας προϊόντα.
Αντίσταση στη θερμότητα
Τυπικά, τα κράματα μαλακού χάλυβα έχουν σημείο τήξης μεταξύ 1350 °C και 1500 °C, ενώ το σημείο τήξης του αλουμινίου είναι γύρω στους 660 °C. Ο χάλυβας μπορεί να αντέξει σχεδόν τη διπλάσια θερμοκρασία απ’ ό,τι το αλουμίνιο. Το αλουμίνιο γενικά γίνεται πολύ μαλακό στους 400 °C. Αυτό καθιστά το χάλυβα ιδανική επιλογή για εφαρμογές υψηλής θερμότητας, όπως είναι οι βιομηχανικοί λέβητες και τα συστήματα σωληνώσεων.
Θερμική αγωγιμότητα
Με τον όρο «θερμική αγωγιμότητα» εννοούμε το πόσο καλά ένα μέταλλο μπορεί να διατηρήσει και να μεταφέρει τη θερμότητα. Παρ’ ότι ο χάλυβας έχει υψηλότερη θερμική αντίσταση, το αλουμίνιο μεταφέρει καλύτερα τη θερμότητα. Στην πραγματικότητα, το αλουμίνιο διαχέει τη θερμότητα έως και 15 φορές γρηγορότερα από το ανοξείδωτο ατσάλι. Αυτό καθιστά το αλουμίνιο ιδανικό για μια ποικιλία ηλεκτροθερμικών εφαρμογών, όπως είναι τα καλοριφέρ αυτοκινήτων και οι μονάδες κλιματισμού.
Βάρος
Ο χάλυβας είναι ουσιαστικά 250% πυκνότερος από το αλουμίνιο. Παρ’ ότι αυτό τον καθιστά πιο σκληρό σαν μέταλλο, δεν αποτελεί πάντοτε επιθυμητή ιδιότητα. Το βάρος, γενικά, αποτελεί ένα μη επιθυμητό χαρακτηριστικό, εκτός αν μιλάμε για κατασκευές που στηρίζουν υψηλό φορτίο. Το αλουμίνιο αποτελεί ένα πολύ πιο εύκολα διαχειρίσιμο υλικό, καθώς ζυγίζει περίπου το ένα τρίτο σε σύγκριση με τον χάλυβα. Η επιπλέον δυνατότητα μετακίνησής του μετάλλου είναι μια εξίσου ευπρόσδεκτη και ωφέλιμη ιδιότητά του σε κάθε βήμα της διαδικασίας, από τη χύτευση του μετάλλου μέχρι τη μεταφορά του τελικού προϊόντος.
Ανθεκτικότητα και ελατότητα
Η γενική πυκνότητα του χάλυβα έχει δημιουργήσει σε πολλούς ανθρώπους την εντύπωση ότι είναι πιο ισχυρό μέταλλο από το αλουμίνιο. Παρ’ όλα αυτά, αξίζει να σημειωθεί ότι η ανθεκτικότητα του χάλυβα αντισταθμίζεται από σημαντικές απώλειες τόσο σε ελαφρότητα όσο και σε ελατότητα. Το αλουμίνιο χαρακτηρίζεται από ένα επιθυμητό επίπεδο ελατότητας που λείπει από τον χάλυβα. Η ιδιότητά του αυτή είναι καθοριστική όταν μιλάμε για μεταλλικά προϊόντα χύτευσης με περίπλοκα σχέδια και πολύ καλύτερη κινητικότητα.
Αν και ο χάλυβας είναι σκληρό και ανθεκτικό μέταλλο, δεν μπορεί να δουλευτεί σε αντίστοιχα όρια διαστάσεων με το αλουμίνιο, χωρίς να κινδυνεύει να ραγίσει. Η ελατότητα ενός μετάλλου προσφέρει εξαιρετικές δυνατότητες στους μηχανικούς να χειριστούν το βάρος και να μεγιστοποιήσουν την ανθεκτικότητα. Και με τη σημείωση αυτή, ας περάσουμεστην αναλογία ανθεκτικότητας/βάρους.
Αναλογία ανθεκτικότητας/βάρους
Από τη φύση του το αλουμίνιο είναι ένα ιδιαίτερα ανθεκτικό υλικό, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ειδικών προϊόντων τα οποία, αν και έχουν χαμηλό βάρος, είναι απίστευτα ανθεκτικά. Η αύξηση του αλουμινίου σε ζωτικής σημασίας σημεία μιας κατασκευής, μπορεί να προσφέρει έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο βελτίωσης της αναλογίας ανθεκτικότητας/βάρους, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή κινητικότητα του τελικού προϊόντος.
Το αλουμίνιο, μάλιστα, μπορεί μέσω της σφυρηλάτησης να καταστεί εξίσου ανθεκτικό, αν όχι ανθεκτικότερο από ορισμένα είδη χάλυβα. Η σειρά 7000 (αλουμίνιο-ψευδάργυρος-μαγνήσιο) είναι ένα απ’ τα ανθεκτικότερα κράματα αλουμινίου που δημιουργήθηκαν ποτέ.
Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους το αλουμίνιο είναι ένα δημοφιλές υλικό στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Η αναλογία ανθεκτικότητας/βάρους επιτρέπει στα αεροσκάφη να μεταφέρουν μεγαλύτερο φορτίου, διατηρώντας το κόστος των καυσίμων σε χαμηλά επίπεδα.
Αντοχή στη διάβρωση
Ο χάλυβας είναι ένα κράμα που εξάγεται από σιδηρομετάλλευμα, ενώ το αλουμίνιο εξάγεται από βωξίτη. Είναι αυτή η σιδηρούχα φύση του χάλυβα που τον καθιστά ευαίσθητο στη διάβρωση. Το αλουμίνιο είναι από τη φύση του ανθεκτικό στη διάβρωση, γεγονός που το καθιστά καλύτερη επιλογή. Αν και το αλουμίνιο διαβρώνεται σε ορισμένα περιβάλλοντα, έχει την ιδιότητα να σχηματίζει ένα μη αντιδραστικό στρώμα οξειδίου στην επιφάνειά, κάτι που βοηθά στην αποτροπή περαιτέρω διάβρωσης. Με παρόμοιο τρόπο αντιδρά και ο ανοξείδωτος χάλυβας, ο οποίος είναι ανθεκτικός στη διάβρωση λόγω του χρωμίου που περιέχει.
Εξίσου ανθεκτικό, όμως, μπορεί να είναι και ένα κράμα αλουμινίου-ορείχαλκου και να αποτελεί καλύτερη επιλογή σε αρκετές περιπτώσεις.
Συγκόλληση
Το αλουμίνιο και ο χάλυβας αντιδρούν πολύ διαφορετικά στη συγκόλληση. Παρά την εντυπωσιακή αντοχή του αλουμινίου στον εφελκυσμό, το χαμηλό του βάρος και τις αυξημένες δυνατότητες επεξεργασίας, είναι γενικά πιο δύσκολο μέταλλο για συγκόλληση.
Το αλουμίνιο είναι γνωστό ότι σχηματίζει οξείδια και είναι πολύ αντιδραστικό, καθιστώντας δύσκολη την οικονομικά αποδοτική συγκόλληση, ενώ παράλληλα προκαλείται περαιτέρω φθορά στο μέταλλο. Από την άλλη, ο χάλυβας είναι φθηνός και πιο εύκολος στη συγκόλληση.
Μαγνητισμός
Ο χάλυβας είναι ένα σιδηρούχο μέταλλο και, ως εκ τούτου, διαθέτει μαγνητικές ιδιότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν σε αρκετές εφαρμογές. Το αλουμίνιο δεν διαθέτει μαγνητικές ιδιότητες. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχει ένα ειδικό κράμα, το «alnico», το οποίο επιτρέπει τη δημιουργία σταθερών και μόνιμων μαγνητών, χωρίς ιδιαίτερο κόστος. Αυτό το ειδικό κράμα αλουμινίου, νικελίου, κοβαλτίου και σιδήρου χρησιμοποιείται, επίσης, σε πολλές εφαρμογές της βιομηχανίας ήχου.
Χυτευσιμότητα
Χυτευσιμότητα ονομάζουμε την ικανότητα των κραμάτων να ρευστοποιούνται και να αποκτούν τη δυνατότητα να ρέουν μέσα στο καλούπι. Στη διαδικασία της χύτευσης των μετάλλων έχει πολύ μεγάλη σημασία να μπορούμε να λιώσουμε το μέταλλο, διατηρώντας παράλληλα την υψηλή θερμοκρασία όσο χρειάζεται, ώστε να το διαμορφώσουμε στο επιθυμητό σχήμα. Όσο χαμηλότερη είναι η ενέργεια και ο χρόνος που δαπανάται για να γίνει αυτό, τόσο υψηλότερη είναι η χυτευσιμότητα του μετάλλου. Το αλουμίνιο έχει σχεδόν τη μισή θερμοκρασία τήξης σε σύγκριση με το χάλυβα, γεγονός που το καθιστά πολύ πιο αποδοτικό οικονομικά κατά τη χύτευση. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του τηγμένου αλουμινίου, διευκολύνει επίσης την εργασία με μόνιμα καλούπια, κάτι που αυξάνει ακόμα περισσότερο τα χυτευσιμότητά του σε σύγκριση με το χάλυβα.
Κατεργασιμότητα
Κατεργασιμότητα ονομάζεται η ικανότητα διαμόρφωσης ενός μετάλλου με κοπή. Τα χυτά μεταλλικά τεμάχια προορίζονται για τη διαμόρφωση ενός ακριβούς αλλά τραχέως κοψίματος του μετάλλου, το οποίο στη συνέχεια διαμορφώνεται σε ολοκληρωμένα τεμάχια για τη συναρμολόγηση του τελικού προϊόντος. Κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, τα χυτά μεταλλικά τεμάχια τρυπιούνται, σφυρηλατούνται και κόβονται μέχρι να πληρούν τις επιθυμητές προδιαγραφές. Το αλουμίνιο είναι αρκετά μαλακό και, επομένως, πιο εύκολο στην κοπή και τη διαμόρφωση. Η σκληρότητα του χάλυβα καθιστά δύσκολη την κοπή και διαμόρφωσή του, περιορίζοντας, επομένως, την κατεργασιμότητά του. Γι’ αυτόν ακριβώς το λόγο το αλουμίνιο παίρνει περισσότερα σχήματα απ’ ό,τι ο χάλυβας, ενώ ο τελευταίος παραμένει κοντά στη χυτευμένη μορφή του ακόμα και μετά από κατεργασία.
Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Το αλουμίνιο διαθέτει περίπου το 60% της αγωγιμότητας του χαλκού, ενώ ο χάλυβας μόνο το 10%. Η εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα του αλουμινίου, η ικανότητα διάχυσης της θερμότητας και η χαμηλή του αντίσταση, είναι ο λόγος για τον οποίο οι εναέριες γραμμές υψηλής τάσης είναι συνήθως κατασκευασμένες από αλουμίνιο. Επιπλέον, χάρη στις ηλεκτροθερμικές του ιδιότητες χρησιμοποιήθηκε για τη μεταφορά του ρεύματος σε παλαιότερα σπίτια, αντί για τα χάλκινα σύρματα που συνηθίζονται σήμερα.
Αντίδραση στα τρόφιμα
Το αλουμίνιο είναι ένα αντιδραστικό μέταλλο που μπορεί να αλλοιώσει τη γεύση και το χρώμα των όξινων τροφίμων. Γι’ αυτόν το λόγο δεν συνίσταται η χρήση του αλουμινόχαρτου σε ορισμένα τρόφιμα ή σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αντίθετα, ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν είναι αντιδραστικός, γι’ αυτό και τα μαγειρικά σκεύη από χάλυβα θεωρούνται πιο ασφαλή. Είναι ενδιαφέρον, όμως, ότι πολλά τηγάνια κατασκευάζονται από αλουμίνιο, καθώς οι ηλεκτροθερμικές του ιδιότητες επιτρέπουν τη διατήρηση μιας ομοιόμορφης θερμοκρασίας στη βάση τους, ενώ παράλληλα διαθέτουν μια επίστρωση από ανοξείδωτο χάλυβα, για το μαγείρεμα του φαγητού.
Κόστος
Το αλουμίνιο είναι άφθονο στη Γη. Μάλιστα, αποτελεί περίπου το 8% του εξωτερικού φλοιού του πλανήτη μας και, ως εκ τούτου, είναι το πιο κοινό μέταλλο στη Γη, ενώ ο σίδηρος αποτελεί το 5% περίπου. Παρ’ όλα αυτά, η εξόρυξη του σιδήρου είναι ευκολότερη, γεγονός που βοηθά στη διατήρηση της χαμηλής τιμής του. Καθώς τόσο το αλουμίνιο όσο και ο χάλυβας παράγονται από άλλα μεταλλεύματα, η μέθοδος παραγωγής τους παίζει μεγάλο ρόλο στην τιμολόγησή τους. Οι παγκόσμιες αγορές και οι διεθνείς πολιτικές επηρεάζουν συνεχώς το κόστος τόσο του αλουμινίου, όσο και του χάλυβα στις διάφορες χώρες.
