Miedź a aluminium na szyny prądowe, od strony operatora maszyny

Jeśli trafiłeś tu, żeby rozstrzygnąć, czy zapisać szyny miedziane, czy aluminiowe, to jest zły artykuł. Tę decyzję podejmuje się na podstawie przewodności, masy, ceny za kilogram, wytrzymałości zwarciowej i kosztu instalacji, napisano o niej wyczerpująco i znajdziesz lepsze opracowania niż cokolwiek, co moglibyśmy dołożyć. Przeczytaj któreś z nich.

Ten artykuł jest o tym, co dzieje się po podjęciu tej decyzji, gdy do Twojego zakładu przyjeżdża paleta drugiego metalu. Nastawy wykrawania są złe, kąty gięcia są złe, linia do gratowania się zalepia, a pierwsze wykonane połączenie też będzie złe. Nic z tego nie ma w porównaniu zakupowym.

Zacznij od liczb mechanicznych, a nie elektrycznych

Wszystko, co dalej, bierze się z nich. Typowe wartości dla dwóch standardowych materiałów na szyny prądowe, miedzi wysokiej przewodności i aluminium gatunku 1350:

Dwie rzeczy do zapamiętania. Aluminium ma przy tym samym stanie umocnienia mniej więcej jedną trzecią wytrzymałości miedzi i mniej więcej połowę jej sztywności. Te dwa stosunki są różne, a właśnie ta różnica sprawia, że sprężynowanie powrotne zachowuje się wbrew intuicji.

Jeszcze jedno zastrzeżenie, zanim pójdziemy dalej. „Szyna aluminiowa" to nie jeden materiał. 1350 w powyższej tabeli to miękki gatunek o wysokiej przewodności. Duża część szyn europejskich i azjatyckich to EN AW-6101B w stanie T6, o minimalnej granicy plastyczności 0,2% równej 160 N/mm² i minimalnej wytrzymałości na rozciąganie 215 N/mm², przy przewodności ≥52% IACS. To niemal trzykrotność granicy plastyczności półtwardego 1350 i zmienia każdą nastawę procesu w tym artykule. Ustal, który z nich masz, zanim dotkniesz maszyny.

Siła i maszyna, którą już masz

Siła wykrawania to obwód × grubość × wytrzymałość na ścinanie. To wytrzymałość na ścinanie rozdziela te metale.

Publikowane dane o wykrawaniu C11000 podają dla miedzi półtwardej około 179 N/mm² przy ścinaniu i 193 dla twardej. Miękkie aluminium serii 1xxx leży znacznie niżej: 1100-O podaje się jako 62 N/mm². Weź otwór 13,5 mm w szynie 10 mm, czyli 42,4 mm obwodu: miedź półtwarda wymaga około 76 kN, aluminium miękkie około 26 kN.

Uważaj, skąd biorą się te wartości dla miedzi. Liczby z zakresu 200 do 230 krążą szeroko, ale są to wartości rozciągania używane jako wartości ścinania. Dla miedzi zmierzone ścinanie wynosi mniej więcej 0,65 do 0,70 wartości rozciągania, a nie 0,8 z reguły kciuka, więc zapożyczenie wartości rozciągania zawyża siłę o jakąś jedną trzecią.

Przelicz własne wymiary otworów w kalkulatorze siły wykrawania, zamiast skalować z tego przykładu, i wybierz gatunek odpowiadający temu, co faktycznie leży na Twoim regale. Jeśli Twoje aluminium to 6101B-T6, a nie 1350, wartość 62 N/mm² jest mocno optymistyczna; właściwym założeniem wyjściowym do doboru siły jest coś bliższego 150 N/mm² — i dlatego kalkulator wymienia gatunki aluminium osobno, zamiast oferować jedną pozycję „aluminium".

Praktyczną konsekwencją dla zakładu już uzbrojonego pod miedź jest to, że przy aluminium siła nigdy nie jest ograniczeniem. EMAC-BP-60 o sile 600 kN jest do miękkiej szyny aluminiowej mocno przewymiarowany, co jest w porządku. W porządku nie jest natomiast założenie, że proces jest przez to łatwiejszy.

Miękki nie znaczy łatwy

To ta część, która zaskakuje ludzi. Miedź jest twardsza, ale miedź zachowuje się lepiej.

Miedź jest w kategoriach wykrawania materiałem stosunkowo skłonnym do przełomu. Stempel wnika, od jego krawędzi zapoczątkowuje się pęknięcie i propaguje na spotkanie pęknięcia od krawędzi matrycy, a wykrojek się oddziela. Przejście od pasma gładzonego do strefy przełomu jest czyste, a zadzior mały i powtarzalny.

Miękkie aluminium nie chce pękać. Chce płynąć. Rozciąga się przed stemplem, wciąga się w matrycę i oddziela późno oraz niechlujnie. Wynikają z tego trzy konkretne problemy.

Pierwszym jest zacieranie i narost na krawędzi. Aluminium przenosi się na narzędzie. Badania blachy AA5754-O o grubości 2 mm wykrawanej stemplem ze stali narzędziowej M2 zmierzyły objętość przeniesionego materiału wprost i wykazały, że zacieranie postępuje najszybciej na pierwszych skokach wykrawania na sucho, ustalając się między 20. a 125. skokiem na poziomie około 7,5 × 10⁵ µm³ na skok. Nasmarowanie materiału smarem olejowym wyraźnie ograniczyło przenoszenie. Przeniesiony materiał zmienia efektywną geometrię stempla: stempel rośnie, luz się domyka, wymiar otworu odpływa, a w końcu stempel zakleszcza się w wykrojku.

Drugim jest zgrzewanie na zimno, czyli to samo przyleganie działające na wykrojek. Aluminiowy wykrojek, który zgrzał się z czołem stempla, wraca do góry razem z nim i ląduje tam, gdzie nie powinien — zwykle na powierzchni matrycy, gdzie następny skok wciska go w szynę.

Trzecim jest kształt zadzioru. Zadzior miedziany to wyniesiona warga, którą da się strącić. Zadzior aluminiowy to zawinięty, ciągliwy grzebień, który pod szczotką do gratowania podgina się, zamiast się ścinać, i podnosi z powrotem, gdy szyna się ugnie.

Luz idzie w stronę odwrotną do intuicji

Reguła ogólna mówi, że materiał twardszy, o wyższej wytrzymałości na ścinanie, wymaga większego luzu, a materiał miększy i bardziej ciągliwy mniejszego. Jest to odwrotność tego, co zgaduje większość operatorów, bo rozumują od trwałości narzędzia, a nie od jakości cięcia.

Ustaw luz dla aluminium zbyt szeroko, a nie będzie pękać czysto. Materiał zostaje wciągnięty i rozciągnięty w matrycę, co daje duże zaokrąglenie krawędzi wejściowej, stożkowy otwór mniejszy przy wejściu niż przy wyjściu oraz ciężki, rwany zadzior od spodu. Ustaw zbyt ciasno, a dostaniesz wtórne ścinanie, czyli widoczne drugie pasmo przełomu na ściance otworu, a do tego pogorszy się zacieranie, bo stempel i pasek tnący matrycy są bliżej siebie z aluminium między nimi.

Publikowane tablice luzów dla szyn prądowych nie zgadzają się ze sobą, a niektóre z krążących są wewnętrznie sprzeczne, więc używaj ścianki otworu jako przyrządu. Czyste pasmo gładzone z jedną strefą przełomu poniżej jest poprawne, podwójne pasmo przełomu oznacza zbyt ciasno, a duże zaokrąglenie wejścia z rwanym wyjściem oznacza zbyt szeroko. Liczby i pełną diagnostykę znajdziesz w artykule o luzie między stemplem a matrycą dla szyn miedzianych i aluminiowych.

Drugą istotną poprawką jest geometria czoła stempla. Płaskie czoło, które sprawdza się w miedzi, na aluminium będzie potrzebowało kąta ścięcia albo fazy, żeby rozłożyć cięcie w czasie i obniżyć siłę szczytową, co zmniejsza zarówno udar po przebiciu, jak i skłonność wykrojka do przywierania.

Sprężynowanie powrotne: zależy które aluminium

Sprężynowanie przy gięciu skaluje się przy danym stosunku promienia gięcia do grubości ze stosunkiem granicy plastyczności do modułu sprężystości, σy/E. Nie z samą wytrzymałością i nie z samą sztywnością.

Policz ten stosunek dla trzech popularnych materiałów na szyny prądowe:

Półtwarde 1350 sprężynuje zauważalnie mniej niż miedź półtwarda, bo choć jest znacznie słabsze, jest też znacznie mniej sztywne, a wytrzymałość spada bardziej niż sztywność. 6101B-T6 sprężynuje mniej więcej o połowę bardziej niż miedź, bo odzyskuje większość wytrzymałości miedzi, zachowując niski moduł aluminium.

Dlatego „aluminium sprężynuje bardziej" i „aluminium sprężynuje mniej" to dwa zdania, które usłyszysz od ludzi doświadczonych, i dlatego obaj mają rację co do materiału, z którym akurat pracują.

Praktyczną odpowiedzią nie jest spór, tylko pomiar. Giętarki mają elektroniczną kompensację sprężynowania powrotnego, co znaczy, że poprawka jest wartością zapisaną na kombinację materiału i narzędzia, a nie nawykiem operatora. Załóż trzy pozycje materiałowe, a nie jedną o nazwie „aluminium", i wygnij próbkę kontrolną dla każdego nowego stanu umocnienia i każdego nowego dostawcy. Ta sama dyscyplina dotyczy minimalnego promienia gięcia, dla którego aluminium potrzebuje zwykle większego zapasu mimo mniejszych sił, bo ciągliwość, która pozwala mu płynąć pod stemplem, nie chroni go przed pęknięciem włókna zewnętrznego przy ciasnym gięciu.

Zwróć też uwagę na współczynnik rozszerzalności 23 × 10⁻⁶ na K wobec 17 dla miedzi. Na szynie 6 m zmienia to, ile masz długości, gdy mierzysz w zimnej hali, i to, gdzie wypadają otwory, gdy zestaw jest gorący.

Warstwa tlenków zmienia wszystko dalej

Miedź utlenia się powoli, a powstająca warstwa jest półprzewodząca, bo dyfundują w nią jony miedzi i przewodzenie może w niej zachodzić w obu kierunkach. Dlatego gołe połączenia miedziane działają.

Tlenek aluminium jest pierwszorzędnym izolatorem elektrycznym i powstaje w ciągu mikrosekund od zetknięcia świeżej powierzchni z powietrzem. Każda szyna aluminiowa, którą dostajesz, już go ma. Każda powierzchnia cięcia i każdy wykrawany otwór wyhodują nowy, zanim zdążysz odłożyć szynę.

Jest on też twardy mechanicznie. Korund jest materiałem ściernym o twardości liczonej w tysiącach w skali Vickersa, wobec mniej więcej 90 HV dla miedzi ciągnionej na twardo. Warstwa, która nie przewodzi, jest więc jednocześnie warstwą zużywającą Twoje narzędzia — a to nieprzyjemne połączenie: aluminium obciąża narzędzie przez przyleganie i jednocześnie ściera je tlenkiem.

Dwie konsekwencje w zakładzie.

Przy gratowaniu aluminium zalepia taśmy ścierne i szczotki znacznie szybciej niż miedź, a zalepione medium zaczyna wygładzać, zamiast skrawać. Aluminium prowadź na dedykowanym medium. Nie dziel taśmy między oba metale w żadną stronę: cząstki miedzi wciśnięte w powierzchnię aluminium są ogniwami galwanicznymi czekającymi na wilgoć, a aluminium rozmazane na powierzchni styku miedzianego połączenia jest warstwą izolacyjną dokładnie w złym miejscu. BND800-2 przyjmuje szyny o grubości od 0,5 do 50 mm przy 5 do 30 m/min, więc prowadzenie obu metali jako osobnych kampanii ze zmianą medium między nimi kosztuje harmonogram, a nie wydajność.

Przy łączeniu tlenek trzeba przy montażu przerwać mechanicznie, a potem nie dopuścić do jego ponownego powstania. Standardową praktyką jest szlifowanie powierzchni przylegania pod warstwą pasty łączącej, tak żeby świeży metal nigdy nie zobaczył powietrza, i natychmiastowy montaż. Szyna przygotowana w poniedziałek i skręcona w środę została przygotowana na darmo.

Powłoki i pary galwaniczne

Gołe połączenia aluminium–aluminium mogą działać, jeśli są prawidłowo zapastowane i zmontowane, ale są znacznie mniej wyrozumiałe niż gołe połączenia miedź–miedź, bo tlenek jest izolacyjny, a nie półprzewodzący, i bo aluminium pełza.

Miej tę wartość pełzania pod ręką. Wyżarzone aluminium 1080 przy 20 °C wykazuje minimalną prędkość pełzania 0,022% na 1000 godzin przy 26 N/mm², a wyżarzona miedź wysokiej przewodności osiąga tę samą prędkość przy tym samym naprężeniu dopiero po nagrzaniu do 150 °C. Aluminium w temperaturze pokojowej pod normalnym naciskiem styku w połączeniu już pełza z prędkością, której miedź nie osiąga w żadnym punkcie swojego zakresu eksploatacyjnego. Podkładki talerzowe w połączeniach aluminiowych nie są ulepszeniem, tylko punktem wyjścia, a więcej o tym dlaczego znajdziesz w artykule o połączeniach śrubowych.

Tam, gdzie aluminium spotyka miedź, powłoka przestaje być opcjonalna. Oba metale leżą elektrochemicznie daleko od siebie, przy +0,34 V dla miedzi i −1,66 V dla aluminium względem standardowej elektrody wodorowej, a przy obecności jakiegokolwiek elektrolitu aluminium koroduje. Reguły są krótkie:

• Nigdy nie skręcaj gołego aluminium z gołą miedzią tam, gdzie może pojawić się wilgoć albo kondensacja.
• Ocynuj powierzchnię aluminiową, żeby po obu stronach styku był ten sam metal, albo użyj fabrycznie łączonej bimetalowej płytki przejściowej.
• Jeśli przejście musisz wykonać na budowie, uszczelnij styk pastą i przyjmij okresowe przeglądy.
• Trzymaj też stalowe elementy złączne z dala od bezpośredniego styku z aluminium. Ta para jest mniej dotkliwa niż z miedzią, ale nie jest obojętna, a element złączny z powłoką albo ze stali nierdzewnej z podkładką izolacyjną jest tani.

Zużycie narzędzi i smarowanie

Miedź wykrawa się zwykle na sucho. Miedź jest dla narzędzi ścierna w zwykły sposób, ale nie przylega, więc trwałość narzędzia wyznacza zużycie krawędzi i jest przewidywalna.

Aluminium nie powinno być wykrawane na sucho, jeśli da się tego uniknąć. Smarowanie jest najskuteczniejszym pojedynczym środkiem przeciw zacieraniu i robi dwie rzeczy naraz: powstrzymuje przenoszenie metalu na stempel i pozwala stemplowi wyjść z wykrojka bez wleczenia. Kompromis polega na tym, że smar na szynie prądowej musi zejść przed izolacją albo powlekaniem, więc musi to być gatunek, który Twój proces odtłuszczania faktycznie usunie, a etap mycia musi znaleźć się w trasie technologicznej, a nie być domniemany.

Powłoki narzędziowe pomagają. Stemple azotowane albo z powłoką DLC lepiej opierają się nalepianiu aluminium niż zwykła stal narzędziowa. Zmienić powinna się też częstość przeglądu stempli: przy miedzi kontrolujesz według liczby skoków, przy aluminium według jakości otworu, bo zacieranie psuje otwór na długo przed zużyciem krawędzi stempla.

Co zmienić, gdy zmienia się metal

Jeśli przestawiasz linię, krótka lista wygląda tak:

1. Potwierdź stop i stan umocnienia z atestu hutniczego, a nie z listu przewozowego. 1350 i 6101B-T6 zachowują się na tyle różnie, żeby traktować je jako osobne materiały.
2. Zmień wytrzymałość na ścinanie w obliczeniu siły i sprawdź ponownie siłę nacisku wobec układu otworów, który faktycznie wykrawasz najczęściej.
3. Zmniejsz luz dla miękkiego aluminium i zweryfikuj go po ściance otworu, a nie po tablicy.
4. Wprowadź smarowanie przy wykrawaniu i etap mycia za nim.
5. Wyznacz na nowo sprężynowanie dla każdego stanu umocnienia, gnąc próbki, i zapisz je jako osobną pozycję materiałową w giętarce.
6. Wymień medium do gratowania i trzymaj je rozdzielone.
7. Zmień specyfikację połączenia: pasta, natychmiastowy montaż, podkładki talerzowe i powłoka na każdym styku aluminium–miedź.

Stan umocnienia samej miedzi znaczy w jej rodzinie tyle samo, a punktem odniesienia jest EN 13601: od R220/H040 miękkiej wyżarzonej przy 220 do 260 N/mm² po R290/H090 twardą przy 290 do 360 N/mm². Zakład prowadzący jeden stan umocnienia miedzi i jeden gatunek aluminium ma do zarządzania dwa materiały. Zakład biorący to, co akurat ma handlowiec na stanie, ma ich znacznie więcej niż dwa, a nastawy maszyn muszą to odzwierciedlać.