가공된 알루미늄: 합금, 공정 및 알루미늄 주조 가이드

6061-T6은 우수한 강도(310 MPa 인장), 뛰어난 내식성, 용접성 및 높은 절단 속도와 깨끗한 표면 마감을 가능하게 하는 가공성 등급을 결합하기 때문에 일반 CNC 가공에 가장 널리 사용되는 합금입니다. 최대 강도가 ​​필요한 응용 분야의 경우 동일한 밀도에서 572 MPa 인장 강도를 제공하는 7075-T6이 선호됩니다. 작은 회전 부품을 생산하는 대용량 스크류 기계 작업의 경우 2011-T3은 구성인선 경향이 최소화되어 최고의 가공성(ASM 등급 'A' 등급)을 제공합니다. 알루미늄 주조로 시작하는 부품의 경우 A356-T6 및 A380이 가장 일반적으로 가공되는 주조 합금입니다.

알루미늄의 표준 CNC 가공은 특별한 공정 제어 없이 일상적으로 선형 치수에서 ±0.025–0.1mm를 달성하고 보어 및 샤프트에서 H7/h6 맞춤(약 ±0.010–0.020mm)을 달성합니다. 정밀 가공, 온도 제어실 및 CMM 피드백을 통해 선형 치수에서 ±0.005mm, 보어에서 ±0.002mm의 공차를 달성할 수 있습니다. 초정밀 다이아몬드 선삭은 광학 등급 알루미늄 거울 및 반사경에서 0.1 µm(100 nm) 미만의 형태 오류에 도달할 수 있습니다. 표면 거칠기 범위는 표준 밀링에서 Ra 3.2μm, 미세 선삭에서 Ra 0.2μm, 다이아몬드 선삭 마감에서 Ra 0.05μm 이상입니다.

알루미늄 주물은 용융된 알루미늄을 금형에 붓거나 주입하여 생산됩니다. 형태는 금형 캐비티에서 나옵니다. 가공된 알루미늄 부품은 절단 도구를 사용하여 스톡에서 재료를 제거하여 생성된 모양을 갖습니다. 실제로 많은 알루미늄 부품은 둘 다입니다. 즉, 저렴한 비용으로 거의 순수한 모양을 얻기 위해 알루미늄 주조로 시작한 다음 기계 가공을 거쳐 주조 공정에서 정확하게 유지할 수 없는 중요한 특징에 대한 엄격한 공차를 달성합니다. 주물에 따라 전체적인 모양과 대략적인 치수가 결정됩니다. 가공은 기능 표면의 정확한 치수, 표면 마감 및 기하학적 정확성을 결정합니다.

알루미늄의 낮은 경도(일반적으로 강철의 경우 60~150HB, 강철의 경우 150~300HB), 낮은 밀도, 높은 열 전도성이 결합되어 훨씬 더 높은 절삭 속도와 이송 속도를 가능하게 합니다. 알루미늄은 제거된 단위 부피당 절삭력을 적게 발생시킵니다. 이는 기계 구조가 가벼워지고, 공구 마모가 줄어들며, 가공물의 열이 적게 발생함을 의미합니다. 초경 공구를 사용하는 알루미늄의 절삭 속도는 300~3,000m/min이고 강철의 경우 60~300m/min입니다. 이러한 5~10배 속도 이점은 설정 및 고정 시간이 제어되는 경우 동일한 기계에서 알루미늄과 강철을 가공할 때 부품당 비용 절감으로 직접적으로 이어집니다.

예, 하지만 중요한 주의 사항이 있습니다. 6061 및 6082 합금은 4043 또는 5356 필러 와이어를 사용하여 MIG(GMAW) 또는 TIG(GTAW) 공정으로 쉽게 용접됩니다. 그러나 열처리된 알루미늄 부품(T6 템퍼)을 용접하면 열 영향부의 템퍼 조건이 파괴되어 국부 강도가 30~50% 감소합니다. 용접 후 구조적 무결성이 중요한 경우 부품은 용체화 처리되고 용접 후 인위적으로 시효(T6으로 재템퍼링)되어야 하며, 이는 시설이 필요하고 비용이 추가됩니다. 많은 응용 분야에서 이러한 강도 감소를 방지하기 위해 정밀 가공 알루미늄 조립품에 용접하는 것보다 나사형 패스너 또는 압입이 선호됩니다. 7075 합금은 일반적으로 고온 균열 민감성으로 인해 융합 용접으로 용접할 수 없는 것으로 간주됩니다.

벽이 얇은 알루미늄 부품(벽 두께 2mm 미만)은 떨림, 절삭력에 따른 처짐, 고정 장치 해제 후 잔류 응력으로 인한 뒤틀림에 취약합니다. 효과적인 전략에는 다음이 포함됩니다. 날카로운 고경사 공구를 사용하여 절삭력을 최소화합니다. 얇은 벽에 한 번의 무거운 황삭 절삭 대신 여러 번의 얕은 마무리 작업을 수행합니다. 가공 중에 얇은 벽을 지지하기 위해 왁스, 폼 또는 저융점 합금을 사용합니다. 잔류 응력 해제를 동일하게 하기 위해 반대면 사이를 교대로 가공하는 것; 얇은 부분에 점 하중을 가하지 않고 클램핑 력을 분산시키는 진공 고정 장치 또는 소프트 조 설정을 사용합니다. 매우 얇은 부품(1mm 미만)의 경우 가공 중에 뒷면에 점탄성 폼을 적용하여 진동 감쇠가 효과적입니다.

최소 벽 두께는 부품의 전체 크기, 합금 및 고정 품질에 따라 달라집니다. 일반적인 CNC 밀링에서는 신중한 도구 경로 전략과 고정 장치를 사용하여 6061-T6에서 0.5-1mm만큼 얇은 벽을 얻을 수 있습니다. 0.5mm 미만의 벽도 가능하지만 전문적인 얇은 벽 가공 기술이 필요합니다. 이후에 가공되는 알루미늄 주조의 경우 최소 주조 벽 두께는 일반적으로 HPDC(고압 다이 캐스팅)의 경우 1.5–2.5mm이고 모래 주조의 경우 3–5mm입니다. 기계 가공 기능은 구조적 무결성을 유지하면서 표면 스킨을 제거하기 위해 주조 벽보다 0.5–2mm 더 작은 것을 목표로 합니다.

실외 부식성 환경(해양, 해안 또는 산업 환경)의 경우 유형 II 양극 산화 처리 후 PTFE 함침 실링을 사용하면 내식성과 치수 안정성이 가장 잘 조합됩니다. 6061-T6의 Type II 양극 산화 처리는 ASTM B117 염수 분무 테스트에서 부식 없이 336~500시간을 통과합니다. 매우 공격적인 환경(예: 바닷물에 잠겨 있는 경우)의 경우 양극 산화 처리되거나 화학적으로 처리된 표면 위에 무전해 니켈 도금이 추가 장벽을 추가합니다. 크롬산염 변환 코팅 위에 분말 코팅을 하는 것은 외관과 자외선 저항도 중요한 대형 구조용 알루미늄 부품에 선호되는 시스템입니다. 아무런 처리 없이 가공된 알루미늄은 조립이나 취급 마모로 인해 자연 산화물 층이 손상되지 않는 비응축 환경의 실내에서 허용됩니다.

알루미늄 주조의 다공성(가스 기공, 수축 공동 또는 미세 수축 네트워크)은 가공된 표면과 교차할 수 있으며 압력을 함유한 벽을 통한 누출 경로, 베어링 또는 밀봉 면의 거친 표면 마감, 응력 집중 기공 가장자리의 피로 강도 감소 등 여러 가지 문제를 일으킬 수 있습니다. NADCA 표준은 다양한 주조 응용 분야에 대해 허용 가능한 최대 다공성 수준을 지정합니다. — 밀봉 표면에는 일반적으로 NADCA 클래스 A가 필요합니다(직경 0.8mm 이상의 눈에 보이는 다공성 없음). 함침(가공 후 열경화성 수지를 기공에 진공 주입)은 치수 정확도에 영향을 주지 않고 기밀 다공성을 밀봉하며 압력 무결성이 요구되는 공압 또는 유압 응용 분야에 사용되는 알루미늄 주조 부품의 표준 관행입니다.

크로스오버 볼륨은 부품 크기, 복잡성 및 적용 가능한 주조 공정에 따라 다릅니다. HPDC(벽이 얇고 복잡한 중소형 부품에 적합)의 경우 툴링 투자 금액은 $20,000~80,000 USD입니다. 빌렛 가공 비용이 부품당 $50~100이고 HPDC 주조 및 가공 비용이 부품당 $20~40로 줄면 툴링은 500~2,500개 부품으로 복구됩니다. 중력 다이 캐스팅(낮은 툴링 비용, $5,000~20,000 USD, 더 느린 사이클 시간)의 경우 크로스오버는 종종 200~500개 부품입니다. 사형 주조(부품당 툴링 비용은 무시할 수 있지만 치수 정확도가 낮고 가공 여유가 높음)의 경우 부품이 크고 빌렛 가공으로 인한 재료 낭비가 극심할 경우 매우 적은 양으로도 비용 효율적일 수 있습니다. 실용적인 지침으로는, 연간 생산량이 300~500개를 초과하고 부품 중량이 0.5kg을 초과하는 경우 알루미늄 주조를 고려하십시오.