Hogyan és mivel: Alumínium csiszolása, felületkezelése

Az alumínium és az alumíniumötvözetek a gyártásban, az építőiparban és a környezetünkben az egyik leggyakrabban használt fémek közé tartoznak. Hasznos és sokoldalú, de van néhány különleges szempont, amit figyelembe kell venni a vele való munka során. 
A következő összefoglaló az alumínium megmunkálásához, csiszolásához ad útmutatót, kezdve néhány hasznos információval és háttérinformációval erről a fémről, ami alapul szolgál arról, hogy miért kell másképp kezelni, mint más fémeket, például az acélt. 
Majd következik némi gyakorlati szempont, ezt követően pedig áttekintjük a csiszolóanyagokat, amelyek alumíniumhoz használhatók.
 

Az alumíniumról

• Főbb tulajdonságai
• Összehasonlítás az acéllal és a rozsdamentes acéllal
• Miért és mikor célszerű használni?
• Típusok és fajták (Ötvözeteik)
• Felhasználási területek

Alumínium és alumíniumötvözetek hegesztése
Csiszolóanyagok az alumínium megmunkálásánál

• Vágása
• Sorjátlanítása
• Felületek előtisztítása és előkészítése hegesztéshez
• Hegesztés utólagos tisztítása és kezelése

Alumínium felületkezelése

• A szemcsézet kiválasztása
• Tükörfényes kontra csiszolt felület

Megfelelő csiszolóanyagok kiválasztása

Az alumíniumról

Az alumínium az egyik legsokoldalúbb fém a modern iparban, amely egyedi fizikai és kémiai jellemzői miatt számos területen kiváltja az acélt. Az alábbiakban a források alapján összeállított technikai összefoglaló olvasható:

Főbb tulajdonságai

• Alacsony sűrűség: Az alumínium sűrűsége mindössze 2,7 g/cm³, ami körülbelül egyharmada az acélénak.
• Vezetőképesség: Kiváló hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkezik. Elektromos vezetőképessége a rézének 60%-a, de kisebb súlya és költsége miatt gyakran preferált választás kábelekhez.
• Korrózióállóság: Természetes módon oxidréteget képez, amely védi a környezeti hatásoktól. Különösen az 5xxx sorozatú ötvözetek ellenállóak a sós vízzel szemben (tengerészeti minőség).
• Alakíthatóság és megmunkálhatóság: Alacsony olvadáspontja miatt könnyen önthető, extrudálható és összetett formákká alakítható. Általában puhább és könnyebben vágható, mint az acél.
• Fényvisszaverő képesség: Magas reflexív képességgel rendelkezik, ami alkalmassá teszi tükrök és reflektorok gyártására.

Összehasonlítás az acéllal és a rozsdamentes acéllal

• Tömeg: Jelentősen könnyebb, ami kritikus előny a repülőgép- és járműgyártásban.
• Költség: Az alumínium kilogrammonkénti ára jellemzően magasabb a szénacélnál, de alacsonyabb a rozsdamentes acélnál. 
• Szilárdság: Bár általában gyengébb az acélnál, bizonyos ötvözetek (pl. 7075) szakítószilárdsága meghaladhatja a szénacélét. 
• Korrózió: Jobban ellenáll a rozsdának, mint a szénacél, de extrém körülmények között elmarad a rozsdamentes acél mögött.

Miért és mikor célszerű használni?

Az alumínium használata akkor indokolt, ha a súlycsökkentés elsődleges szempont (pl. kerékpárvázak, repülőgép-alkatrészek, mozgatható kerti bútorok). Szintén ideális választás hőelvezetési feladatokra (hűtőbordák, radiátorok) vagy elektromos vezetőknek. Nem javasolt azonban olyan helyeken, ahol a feszültség nagyon koncentrált (pl. zsanérok, reteszek), ott a keményített acél vagy rozsdamentes acél a jobb választás. Hegesztésnél figyelembe kell venni, hogy a hő hatására az anyag meglágyulhat a varrat mentén, csökkentve a szerkezeti szilárdságot.

Típusok és fajták (Ötvözeteik)

Az alumíniumot a fő ötvözőelemek alapján kategóriákba sorolják:

• 1xxx (Tiszta alumínium): >99% tisztaság, kiváló korrózióállóság és vezetőképesség, de alacsony szilárdság (pl. élelmiszeripari fóliák, elektromos vezetők).
• 2xxx (Réz): Nagy szilárdságú, hőkezelhető, de gyenge korrózióállóságú; bevonatot igényel (pl. repülőgép-alkatrészek).
• 3xxx (Mangán): Általános célú, jól alakítható ötvözetek (pl. 3003-as széles körben elterjedt ötvözet, üdítősdobozok).
• 4xxx (Szilícium): Főleg hegesztőanyagként és dugattyúkhoz használják.
• 5xxx (Magnézium): Kiváló korrózióállóság, tengerészeti alkalmazások, jól hegeszthető (pl. hajótestek).
• 6xxx (Magnézium és Szilícium): Jó szilárdság és korrózióállóság ötvözete, jól extrudálható (pl. építészeti profilok, 6061-es ötvözet - az egyik legelterjedtebb alumíniumfajta szerkezeti alkalmazásokhoz).
• 7xxx (Cink): A legnagyobb szilárdságú sorozat, de rossz korrózióállósággal (pl. 7075, nagy igénybevételű szerkezetek - szakítószilárdsága vetekszik az acéléval, miközben súlya jóval kisebb).

Felhasználási területek

• Közlekedés: Repülőgépvázak, hajótestek, vasúti kocsik, autóalkatrészek (blokkok, hűtők).
• Építőipar: Ablakkeretek, ajtók, tetőszerkezetek, homlokzati burkolatok.
• Csomagolás: Italos dobozok, élelmiszeripari tartályok, fóliák.
• Elektronika: Hűtőbordák, elektromos kábelek, kondenzátorok.
• Háztartás: Edények, kerti bútorok, létrák.

Alumínium és alumíniumötvözetek hegesztése

Nehezebb hegeszteni, mint az acélt?

MIG vagy TIG hegesztéshez inert gázra vagy gázkeverékre van szükség. Az argongáz védi az felületet, a hegfürdőt és a környező alapfémet. Az argon inert gáz megakadályozza a túlzott alumínium-oxid képződését és a fekete elszíneződés megjelenését.

• A magas hővezető képessége elvezeti a hőt a hegesztéstől – ezért gyorsan és forrón kell végezni –, nagyobb teljesítményre vagy koncentráltabb hőforrásra van szükség az acélhoz vagy a rozsdamentes acélhoz képest.
• Olvadáspontja sokkal alacsonyabb (660 °C), mint az acélé, ezért sokkal könnyebb átégetni az alumíniumot, ezért fontos, hogy az ív gyorsan mozogjon a varraton.
• Az alumínium alkatrészek oxidréteggel rendelkeznek, amelyet a kiváló minőségű hegesztéshez el kell távolítani (pl. csiszolással).
• Az oxidfilm hegesztés után és fémtiszta alumínium felületeken, például a varratok hátoldalán történő hegesztés során újra képződik. Az elégtelen vagy helytelen védőgázzal védett felületeknél a hegesztési varratok jellemzően fekete koromszerű megjelenésűek.

Az alumínium illesztési felület megfelelő tisztítása és felület-előkészítése fontos a jó minőségű hegesztési varratok létrehozásához. Vastagabb oxidréteg esetén rozsdamentes acél drótkefét, kémiai maratást vagy csiszolást kell alkalmazni.

Csiszolóanyagok az alumínium megmunkálásánál

A csiszolóanyagok a gyártási folyamat számos lépéseinél előkerülnek:

• Alumínium vágása
• Vágott élek sorjátlanítása
• Felületek előkészítése hegesztéshez
• Hegesztési varratok utólagos tisztítása és finomítása
• Csiszolt vagy szatén, szatinált (mattírozott) felület
• Polírozott felület

Vágása

Vágókoronggal (erre a célra előlátott) történő vágásakor állandó, mérsékelt nyomást célszerű alkalmazni. A túlzott nyomás több hőt termel, ami meglágyítja az anyagot. A meglágyult fém “gumisabb” lesz és a vágóél eltömődését eredményezheti. Ez gyakori probléma e fém vágása és csiszolása során. Ilyen esetben a csiszolóanyag a fémmel bevonódik és tulajdon képpen már nem vág. Alumínium vágásához tervezett vágókorongok szilícium-karbid és alumínium keverékét, valamint más szabadalmaztatott összetevőket használnak az eltömődés megakadályozására.

A vékonyabb vágókorongok általában “hidegebben” vágnak (kevesebb hőt termelnek), kevesebb anyagkihordással.

Sorjátlanítása

A munkadarabok kialakításakor jellemzően éles sorja marad a vágott alumínium széleken. A fúrt lyukak vagy a fűrészelt, vágott élek bizony hajlamosak sorjákat képezni.

Alumínium alkatrészek sorjátlanítására bevonatos csiszolóanyagok (szalagcsiszoló szalagok, lamellás csiszolótárcsák, stb), nem szőtt csiszolóanyagok (ennek is a változatos kialakításai a megfelelő feladatra), drótkefék használhatók. 

Lévén, hogy puhább, mint az acél, a csiszolószemcsék még könnyebben belemarnak, még vastagabb forgácsokat hoznak létre. A nagy képlékenysége és alacsony lágyulási hőmérséklete miatt hosszú forgácsok képződnek és a csiszolófelületek “elgyantásod”-hatnak vagy eltömődhetnek. Ezért célszerű az alumíniumot óvatosan, enyhe nyomással csiszolni, közben hagyni, hogy a csiszolóanyag végezze a munkát: csiszol is és közben képes a csiszolatot kihordani. Ellenkező esetben a csiszolófelület idő előtti eltömődését okozhatja.

Ezt a csiszolási folyamatot a vlies csiszolóaynag egy teljesen más írányból közelíti meg, amit a szerkezete határozza meg. Felépítéséből adódóan szálas vázszerkezeten a csiszolószemcse, ami egy nyitott, hálós szerkezet. Az eltömődés és a hőképződés is ezáltal minimalizálva. De kompromisszumot kell kötni, mert a vlies (non-woven, nemszőtt) csiszolóanyag anyagleválasztási képessége jóval alatta van a bevonatos csiszolóanyagokénál.

Röviden összefoglalva a két csiszolóanyag-típus közt (bevonatos vs vlies) 3 jól szembetűnő paraméter különbözik: hőképződés, eltömődés és anyagleválasztás.

Felületek előtisztítása és előkészítése hegesztéshez

Mint minden hegesztési kötésnél, a felületet előbb meg kell tisztítani és elő kell készíteni. Az alumínium azonban kevésbé tűri a szennyeződéseket, felületi (film)réteg elváltozásokat, zsírt és olajat, mint a szénacél. A MIG és TIG hegesztéshez inert vagy védőgáz szükséges. A szennyeződések megzavarhatják a védőgázt és elszíneződést okozhatnak a kötésben vagy a környezetében, ahol még elég intenzív a hőhatás. 

A fémről az oxidrétegek megelőző eltávolítására különböző lehetőség van:

• Kémiai tisztítási módszerek.
• Rozsdamentes acél drótkefék.
• Csiszolókorongok, lamellás csiszolótárcsák, nem szőtt anyagok vagy speciális bevonatú csiszolóanyagok.

A csiszolókorongok* szintén fontosak az eszközök a megfelelő illeszkedésének előkészítésében. Nagyobb vastagságok esetén az alumínium darabokat vágással vagy csiszolással kell alakítani.

Csiszolással el kell távolítani az oxidrétegeket vagy a szennyeződéseket. Ez már történhet akár bevonatos, akár vlies, nem szőtt (non-woven) csiszolóanyaggal.

_{* a csiszolókorong itt a szilárdkötésű csiszolókorongot jelenti, nem pedig az általános “csiszolókorong” szót}

Hegesztés utólagos tisztítása és kezelése

A bevonatos csiszolóanyagok, a nem szőtt csiszolóanyagok (valamint ezek kombinált kialakítása) és a rozsdamentes acélkefék eltávolítják a varratokon maradt szennyeződést és oxidréteget. A hegesztési varraton kívüli nagy mennyiségű anyag eltávolítása csökkenti a keresztmetszet vastagságát és ezáltal a szilárdságot.

A salakot, fröccsenéseket, alámetszéseket, repedéseket, pórusokat és egyéb hibákat szintén el kell távolítani csiszolóanyagokkal.

A varratok elsimítása, eltávolítása vagy simítása 50, 60, 80 vagy 100 szemcseméretű csiszolótárcsával, lamellás csiszolókoronggal, szalagcsiszoló szalaggal stb. végezhető. A hegesztési hibák 50-80 szemcseméretű csiszolóanyaggal is eltávolíthatók. 

Először próbálja meg kiegyenlíteni a hegesztési varratokat egy 80-as szemcseméretű csiszolóanyaggal. Ha a fém eltávolítása túl lassú, akkor váltson durvább szemcseméretűre. Viszont a 40-es vagy 36-os szemcseméret már komolyan “fogyasztja” a fémet.

Ha a varratok jól kivitelezettek és többnyire síkban vannak, akkor egy 100-as vagy 120-as szemcseméretű lamellás csiszolókorong elegendő lehet a hegesztések simításához és egyengetéséhez. 

Míg a durvább szemcseméret gyorsabban eltávolítja az anyagot, van ok arra, hogy finomabb szemcséjű csiszolóanyagot használjunk az egybecsiszoláshoz és elsimításhoz:

1. Az alumínium sokkal lágyabb, mint az ötvözött acél és a rozsdamentes acél, így a durvább szemcséjű csiszolóanyagok könnyebben “harapnak” az anyagba.
2. A durvább szemcsék általában nagyobb súrlódási hőt generálnak - ez torzulást, maradék feszültséget, sőt bizonyos hőmérsékleteken az anyag lágyulását is okozhatja.
3. A durvább szemcsék agresszív jellegének köszönhetően könnyebb elvékonyítani a hegesztési varratot körülvevő fémet és ez csökkenti a szilárdságot.
4. Alumíniumot használatánál valószínűleg selyemfényű, eloxált vagy festett megjelenést szeretne a végterméknek. A durvább szemcsék érdesebb felületet hagynak maguk után, ami több munkát és csiszolási lépésekt igényel a mély karcolások eltávolításához és a kívánt végső felület eléréséhez.
5. A durva szemcsés karcolások eltávolítása szintén fontos a korrózióállóság fenntartása érdekében. A karcolás völgye vagy mélyedése kevesebb oxigént kap, így a fém fogékonyabbá válik a rés- és lyukkorrózióra.

Sorozatgyártásban ill. nagyobb darabszámú megmunkálásoknál a gyorscsatlakozós (Roloc, QuickChange) csiszolótárcsák alkalmazása - akár bevonatos, akár vlies - sokat dob a hatékonyságon.

Alumínium felületkezelése

Miután a hegesztéseket kiegyenlítették és elsimították, a kívánt felületminőséget egy több lépésből álló folyamatban hozzák létre.

A szemcsézet kiválasztása

A szemcse behatárolása a felületkezelés első lépése.

Bizonyos alkalmazásoknál az egyszerű csiszolt felületkezelés (mindenféle szálcsiszolás vagy polírozás nélkül) elvárt vagy elegendő lehet. Az ilyen fémfelületeken nem látszanak annyira az ujjlenyomatok és a foltok, mint a tükörfényesre polírozott felületeken. Ha fényesre kell polírni a munkadarabot, akkor később időt, energiát kell szánni a tisztítására is.

A bevonatos csiszolószalagok,  csiszolóhengerek alkalmazása vagy egy általánosan csiszolt felület előállítására megfelelő, vagy egy első lépcsős előkészítés a további finomításhoz, úgymint a szálcsiszoláshoz (szatinálás) vagy a polírozáshoz. Megjegyzendő, hogy a speciális, csiszolóvászon alapú Trizact csiszolóanyagok is alkalmasak szatinált felület létrehozására. A nem szőtt csiszolóanyagok különféle esztétikai felületkialakításra is használhatók. Sőt, itt tudják megmutatni az előnyeiket.

A fokozatosan finomabb csiszolóanyagok használata csökkentheti a végső polírozási időt és jobb felületet eredményezhet. A bevonatos/vlies csiszolóanyagok lépései a következők lehetnek:

1. Egybecsiszolás és előkészítés 80-120-as szemcsemérettel – a hegesztés utáni csiszolási lépésben ezt akár már meg is történhetett.
2. Szálcsiszolás és polírozást megalapozó előkészítési lépések 150-240-es szemcsemérettel
3. Végső (is lehet) vagy finom csiszolás 280-400-as szemcseméretű csiszolóanyaggal. A felületminőségi követelményektől függően ez lehet maga a szatinálás (mattírozás) is.
4. Polírozást bevezető csiszolás 320-600 szemcseméretben

Az adott csiszolóanyag-sorozat az alumínium munkadarab kezdeti érdességétől függően változhat. Ki kell próbálnia néhány különböző csiszolószemcse-méretet és terméket, hogy meghatározza, melyik a legmegfelelőbb az alkalmazásához. Itt bújik meg az ördög a részletekben: olyan sok változós a feladat, hogy próbák és tesztek kimerítő sorozata nélkül az eredmény is felemásra sikerülhet.

Ha 80-as vagy 100-as szemcseméretű csiszolóanyagot használt a hegesztések simításához és egyengetéséhez, akkor a következő lépésként lehetőség a 120-as szemcseméretű bevonatos csiszolóanyag, majd közepes és finom nemszőtt felületkezelő (vlies) csiszolóanyagokkal való kombinációja.

Nem szőtt csiszolóanyagok esetén is több választási lehetősége van a megfelelő felület (pl. szatinált felület) kialakításához, kezdve a Medium szemcsetípusútól az UltraFine-ig. A vlies csiszolóanyagok szemcse jelöléseinek az összehasonlítása, megfeleltetése a bevonatos csiszolóanyagok “P” (ill. számozott) jelzésével ebben a szemcseösszehasonlító táblázatban tértünk ki.

Ha nem szőtt (non-woven) vagy bevonatos csiszolószalagot vagy csiszolóhengert használ egyirányú szemcsevonal-mintázat létrehozásához (azaz szálcsiszoláshoz), akkor minden egyes csiszolási lépést valamilyen szögben (de mindig eltérően) vagy az előző lépés szálirányával ellentétesen célszerű elvégezni. Ez segít felismerni, hogy eltávolította az előző lépésből származó karcolási mintázatot.

A közepes érdességű csiszolt felületet 120-180 rétegű bevonatos csiszolóanyagokkal, illetve közepesen finom (Medium), nem szőtt csiszolóanyagokkal lehet létrehozni.

A matt vagy szatén (szatinált, szálcsiszolt) felületet 180-240-es szemcseméretű bevonatos csiszolóanyaggal vagy finomabb nemszőtt csiszolószalaggal, csiszolóhengerrel, stb. lehet elérni.

Tükörfényes kontra csiszolt felület

Hogyan lehet tükörfényes alumíniumot elérni? A rövid válasz: többlépcsős polírozással (pl. előpolírozás -> ált. polírozás -> tükörpolírozás). Ezekkel a lépésekkel érhetjük el a végső polírozott vagy tükörfényes felületet a kezdeti finomítási lépések után.

Tényleg szükségem van-e tükörfényes felületre? 

Nyilván a megrendelő határozza meg, de a legtöbb alkalmazásban nem, mivel az alumínium olyan puha, hogy a polírozott felületek gyorsan megkarcolódnak azokon a helyeken, ahol a munkadarabot meg kell fogni vagy megérinteni. Nem beszélve ha szennyeződés, kemény részecskék (pl. homok) kerülnek rá, a tükörsima felület használat után mattá válik.

Ha a fényhatás kedvéért reflektor jellegű eszköz készül (világítási, esztétikai vagy más, hasonló projekthez), akkor a polírozott felület nyilván szükséges lehet.

A legtöbb alkalmazásban a csiszolt felületű alumínium, a nem szőtt abrazív anyaggal felületkezeléssel simított felület (egybecsiszolásnak, angol terminológiával élve, blending-nek is nevezik), valamint a szálcsiszolt felület megfelelő lesz, különösen, ha az alkatrészeket eloxálni vagy festeni fogják. A felület egyenetlensége nagyobb “kapaszkodási” felületet biztosít a bevonatoknak, így növelve a tapadást. Az eloxálás mattítja a felületet, mivel a folyamat során oxidáció és érdesedés történik. Az eloxált felület kétszer-háromszor durvább lesz, mint az eloxálás előtti. Az eloxálás előtt polírozott vagy kivételesen sima alumínium felületek simább, matt eloxált felületet eredményeznek.

Megfelelő csiszolóanyagok kiválasztása

Az alumíniumötvözetek vágásához és csiszolásához passzoló csiszolószemcsék közé tartozik az alumínium-oxid (normál korund), a szilícium-karbid (SiC) és ezek kerámiaszemcsés keverékei. Az alumíniumötvözetek (relatív) puhasága miatt a kopásálló cirkónium és (csak)kerámia csiszolószemcsékkel áteshetünk a ló túloldalára, túlzóak lennének…Egyébként a bevonatos csiszolófelületek eltömődése nagyobb problémát jelent, mint a csiszolószemcse-csúcsok eltompulása. Ennek ellenúllyozására működhet a vlies csiszolóanyag, ahol a szerkezete miatt nem kell a az eltömődéstől tatani.

Lehetőleg a javasolt legfinomabb szemcsemérettel kezdje, vagy próbáljon ki akár még finomabbat. A kisebb szemcseméret csökkenti az anyag felmelegedését és elszíneződését, miközben csökkenti a későbbi munkát a karcolások eltávolításához és az esztétikus felület létrehozásához. 

Az alábbiakban látható egy áttekintő, hogy milyen alumínium csiszolási feladathoz milyen bevonatos vagy nemszőtt (non-woven/vlies) csiszolóanyagot célszerű használni.

Fontos tudni, hogy a bevonatos és a vlies csiszolóanyagok összevetésekor nem egymást kiváltják, hanem egymást kiegészítik, ahogy azt ismertettük.

Egyvalamit ne feledjünk: az elvárások, a körülmények bármikor felülírhatják az ökölszabályban lefektetett alapelveket.