อลูมิเนียมคืออะไร? ภาพรวมวัสดุและข้อพิจารณาในการออกแบบ

อลูมิเนียม หรือที่เรียกอีกอย่างว่า อลูมิเนียม , เป็นโลหะที่ไม่ใช่เหล็กกล้าที่ได้รับความนิยมมากที่สุด เนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษที่ไม่พบในโลหะที่ทำจากเหล็ก การเข้าใจคุณลักษณะของมันและการเลือกเกรด วิธีการแปรรูป และการอบความร้อนที่เหมาะสม ถือเป็นสิ่งสำคัญเมื่อออกแบบผลิตภัณฑ์ ขอให้เรา ’มาสำรวจชนิดและคุณสมบัติที่แตกต่างกันของอลูมิเนียมกัน

คุณสมบัติหลักของอลูมิเนียม

อลูมิเนียมมีคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยมหลายประการ ได้แก่ น้ำหนักเบา แข็งแรง ทนต่อการกัดกร่อน ขึ้นรูปได้ง่าย นำความร้อนได้ดี นำไฟฟ้าได้ดี รีไซเคิลได้ ไม่มีแม่เหล็ก ทนต่ออุณหภูมิต่ำ สะท้อนความร้อนและแสงได้ดี มีลักษณะภายนอกน่าดึงดูด และไม่เป็นพิษ

น้ำหนักเบ

อลูมิเนียมมีความถ่วงจำเพาะ (ความหนาแน่น) ประมาณ 2.7 ซึ่งเท่ากับประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก น้ำหนักเบาของมันทำให้มีความต้องการสูงในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การขนส่ง (เครื่องบิน ดาวเทียม และรถไฟหัวกระสุน) การก่อสร้าง และอิเล็กทรอนิกส์ (โทรศัพท์มือถือ)

แข็งแรง

การผสมอลูมิเนียมบริสุทธิ์กับโลหะอื่นสามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรงจำเพาะได้ อลูมิเนียมผสมเช่น ซีรีส์ 7000 ซึ่งผ่านการอบด้วยความร้อนและเติมสังกะสีและแมกนีเซียม มีความแข็งแรงยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น A7075 (เอ็กซ์ตร้าซูเปอร์ดูราลูมิน) ถูกใช้อย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนเครื่องบิน

ทนทานต่อการกัดกร่อน

อลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่าย โดยจะเกิดฟิล์มออกไซด์ที่หนาแน่นบนพื้นผิว ทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกันการกัดกร่อน ความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงทำให้มันเหมาะสำหรับการใช้งานในงานทางทะเล การต่อเรือ และงานสถาปัตยกรรม นอกจากนี้ยังมีรายงานว่าไม่มีปัญหาใดๆ แม้หลังจากใช้งานมาแล้ว 30 ปี ในพื้นที่ที่ได้รับลมพัดจากชายหาด

Workable

อลูมิเนียมมีความเหนียวสูง ทำให้เหมาะกับวิธีการแปรรูปต่างๆ จุดหลอมเหลวต่ำและมีคุณสมบัติไหลได้ดี ทำให้เหมาะสำหรับการหล่อ และสามารถตัดและเชื่อมได้ง่าย ช่วยให้สร้างรูปร่างต่างๆ ได้หลากหลาย ตั้งแต่รูปร่างที่มีผนังบาง เช่น ฟอยล์อลูมิเนียม ไปจนถึงรูปร่างที่ซับซ้อน

ความนำความร้อนสูง

อลูมิเนียม ’การนำความร้อนของมันมีค่าประมาณสามเท่าของเหล็ก ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในหม้อน้ำรถยนต์ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และแผงระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ความนำไฟฟ้าสูง

อลูมิเนียมสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้มากเป็นสองเท่าของทองแดงที่มีน้ำหนักเท่ากัน คุณสมบัตินี้ รวมกับน้ำหนักที่เบามาก ทำให้มันกลายเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับสายส่งไฟฟ้า ช่วยให้เพิ่มระยะห่างระหว่างเสาได้กว้างขึ้นและลดต้นทุน

สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

อลูมิเนียมไม่เสื่อมสภาพง่าย แม้จะใช้งานเป็นเวลานาน และมีจุดหลอมเหลวต่ำ ทำให้สามารถรีไซเคิลได้ง่ายโดยการหลอมผลิตภัณฑ์หลังการใช้งาน การรีไซเคิลอลูมิเนียมใช้พลังงานเพียง 3% เมื่อเทียบกับการผลิตผลิตภัณฑ์ใหม่ และคุณภาพของอลูมิเนียมที่ผ่านการรีไซเคิลนั้นมีคุณภาพใกล้เคียงกับผลิตภัณฑ์ใหม่

ไม่มีแม่เหล็ก

อลูมิเนียมไม่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก และไม่ได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กรอบตัว คุณสมบัตินี้ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในเสาอากาศพาราโบลิก อุปกรณ์ทางการแพทย์ เข็มทิศแม่เหล็ก และผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องกับซุปเปอร์คอนดักทิวิตี นอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่าวัสดุที่ไม่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กอื่นๆ เช่น ทอง เงิน และทองแดง

ทนต่ออุณหภูมิต่ำ

แม้ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก เช่น ไนโตรเจนเหลว (-196 °F) และออกซิเจนเหลว (-183 °F) อลูมิเนียมยังคงรักษาความแข็งแรงไว้ได้ และอาจมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นด้วย คุณสมบัตินี้ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในโรงงานที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ ถังก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) การสำรวจอวกาศ และเทคโนโลยีชีวภาพ

สะท้อนความร้อนและแสง

อลูมิเนียมมีความสามารถในการสะท้อนรังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การเพิ่มความบริสุทธิ์หรือการขัดผิวให้เป็นมันวาวสามารถช่วยเพิ่มค่าการสะท้อนได้มากยิ่งขึ้น ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในตัวสะท้อนความร้อน เครื่องแบบอวกาศ และกระจกหลายเหลี่ยม

ดูแล้วสวยงาม

อลูมิเนียมมีความงามตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถเพิ่มเติมได้ด้วยการบำบัดพื้นผิว เช่น การชุบอโนไดซ์ มันยังสามารถระบายสีได้โดยใช้กระบวนการระบายสีด้วยกระแสไฟฟ้า ทำให้เหมาะสมต่อการใช้งานในงานเปลือกอาคารและวัสดุหีบห่อ

ไม่เป็นพิษ

อลูมิเนียมไม่ทำปฏิกิริยากับอาหารและไม่มีพิษภัย แม้จะกลืนเข้าไป ร่างกายก็จะขับถ่ายออกมากกว่า 99% โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อดิน มักใช้กันอย่างแพร่หลายในบรรจุภัณฑ์อาหารและยา อุปกรณ์ทางการแพทย์

ข้อควรพิจารณาเมื่อใช้อลูมิเนียม

แม้อลูมิเนียมจะมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ แต่ก็มีข้อควรพิจารณาบางประการ:

มีความแข็งแรงต่ำกว่าเหล็ก

แม้ว่าอลูมิเนียมจะมีความแข็งแรงจำเพาะที่ดีเยี่ยม แต่ความแข็งแรงโดยรวมต่ำกว่าเหล็ก จึงเหมาะกับโครงสร้างที่ต้องการความอ่อนตัวและยืดหยุ่น เช่น ปีกเครื่องบิน แต่อาจไม่เหมาะกับชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแรงสูง เช่น ฟันเฟือง

ข้อพิจารณาเกี่ยวกับการกัดกร่อน

แม้ว่าอลูมิเนียมจะทนต่อสนิมได้ดี แต่ก็อาจเกิดการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่มีความเค็ม หรือเมื่อสัมผัสกับโลหะต่างชนิดกัน เพื่อป้องกันการกัดกร่อน อาจจำเป็นต้องทำชั้นป้องกันด้วยการชุบอัลไมท์

สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นสูง

อลูมิเนียมมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นสูงเกือบเป็นสองเท่าของวัสดุที่ทำจากเหล็ก ชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงดันจากความร้อนสูง และมีการให้ความร้อนหรือทำให้เย็นซ้ำๆ อาจเกิดการแตกหักจากความล้าทางความร้อนได้

ไม่มีขีดจำกัดความล้า

ต่างจากวัสดุเหล็ก อลูมิเนียมไม่มีขีดจำกัดความล้า —ขีดจำกัดความเครียดต่ำสุดที่ทำให้ไม่เกิดการเหนี่ยวนำความล้าของโลหะ ดังนั้นในขั้นตอนการออกแบบ จำเป็นต้องเปรียบเทียบความเครียดที่เกิดขึ้นขณะใช้งานกับแผนภูมิ SN เพื่อให้มั่นใจว่าจะไม่มีปัญหาด้านความแข็งแรง แม้ว่าจะมีการเกิดรอยแตกร้าวตลอดอายุการใช้งานผลิตภัณฑ์ที่คาดไว้

เชื่อมได้ยาก

อลูมิเนียม ’ฟิล์มออกไซด์ของอลูมิเนียมมีจุดหลอมเหลวสูงประมาณ 3632 °ฟาเรนไฮต์ จึงจำเป็นต้องกำจัดออกก่อนการเชื่อม นอกจากนี้ อลูมิเนียม ’มีการนำความร้อนได้ดีและจุดหลอมเหลวต่ำ ทำให้ความร้อนในระหว่างการเชื่อมถ่ายเทไปยังเนื้อโลหะอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจทำให้เนื้อโลหะละลายหรือห้อยย้อยลงมาได้ การเชื่อมอลูมิเนียมต้องควบคุมความเร็วของหัวเชื่อมอย่างระมัดระวัง เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ควรพิจารณาใช้บริษัทที่มีประวัติความเชี่ยวชาญในการเชื่อมอลูมิเนียม

ประเภททั่วไปของอลูมิเนียม

อลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ จึงมักเติมโลหะอื่นเพื่อสร้างเป็นโลหะผสม โดยการเติมเหล็ก สังกะสี แมกนีเซียม ทองแดง ฯลฯ ลงในอลูมิเนียม สามารถสร้างโลหะผสมได้หลากหลายชนิด

วัสดุอลูมิเนียมอุตสาหกรรมถูกจัดแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ อลูมิเนียมผสมแบบรีดขึ้นรูป และอลูมิเนียมผสมแบบหล่อ ขึ้นอยู่กับการใช้งานของผลิตภัณฑ์สุดท้าย ’อลูมิเนียมแบบรีดขึ้นรูปสามารถแปรรูปด้วยการเปลี่ยนรูปร่างแบบพลาสติก ขณะที่อลูมิเนียมแบบหล่อใช้สำหรับงานหล่อ ลองมาดูประเภทของอลูมิเนียมผสมแบบรีดขึ้นรูปกัน ’ลองมาดูประเภทของอลูมิเนียมผสมแบบรีดขึ้นรูปกัน

อลูมิเนียมผสมแบบรีดขึ้นรูป

• อลูมิเนียมอัลลอยด์ 1050

อลูมิเนียมอัลลอยด์ 1050 (1050 AA) เป็นเกรดอลูมิเนียมบริสุทธิ์ทั่วไป ถึงแม้จะมีความแข็งแรงต่ำ แต่มีความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีเยี่ยมและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี จึงเหมาะสำหรับใช้ทำของตกแต่งและสายส่งไฟฟ้า

• อลูมิเนียมอัลลอยด์ 2017

อลูมิเนียมอัลลอยด์ 2017 (2017 AA) หรือที่รู้จักกันในชื่อ ดูแรลยูมิน์ มีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ แต่มีความแข็งแรงสูง จึงเหมาะสำหรับใช้ในเครื่องบิน รถยนต์ และชิ้นส่วนเครื่องจักร

• อลูมิเนียมอัลลอยด์ 2024

อลูมิเนียมอัลลอยด์ 2024 (2024 AA) หรือซูเปอร์ดูแรลยูมิน์ มีความแข็งแรงสูงกว่า 2017 AA

• อลูมิเนียมอัลลอย 5052

โลหะผสมอลูมิเนียม 5052 (5052 AA) มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม สามารถทำงานและเชื่อมได้ง่าย ทำให้เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ใช้สำหรับวัสดุโครงสร้างและ ชิ้นส่วนโลหะแผ่น .

• อลูมิเนียมอัลลอย 6061

โลหะผสมอลูมิเนียม 6061 (6061 AA) เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม การบำบัดด้วยความร้อน เช่น การอบแบบ T6 จะช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนให้ดียิ่งขึ้น

• 6063 อลูมิเนียมอัลลอย

โลหะผสมอลูมิเนียม 6063 (6063 AA) เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และมีคุณสมบัติในการผิวที่เหมาะสม ใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อัดรีด เช่น วงกบประตูหน้าต่างอลูมิเนียม และวัสดุไฟฟ้า

• โลหะผสมอลูมิเนียม 7075

โลหะผสมอลูมิเนียม 7075 (7075 AA) หรือที่เรียกว่าเอ็กซ์ตร้าซูเปอร์ดูราลูมิน มีความแข็งแรงสูงที่สุดในหมู่โลหะผสมอลูมิเนียม ถูกใช้อย่างแพร่หลายในอากาศยาน และมีบทบาทสำคัญในการสร้างเครื่องบิน รวมถึงมีส่วนสำคัญต่อสมรรถนะของเครื่องบินในช่วงสงคราม