Ocel patří ve strojírenství mezi nejpoužívanější materiály, není ale automaticky nejlepší volbou pro každý výrobek. Tam, kde hraje důležitou roli nízká hmotnost, korozní odolnost nebo například tepelná vodivost, může být vhodnější hliník. Ani ten však nedokáže ocel jednoduše nahradit ve všech aplikacích.
Při výběru je proto potřeba vycházet především z toho, co od výsledného dílu očekáváme – jak bude namáhaný, v jakém prostředí bude pracovat a jakými technologiemi se bude vyrábět. V tomto článku porovnáme základní vlastnosti obou materiálů a ukážeme si, v jakých případech dává smysl hliník a kdy je lepší zůstat u oceli.
Co se v článku dozvíte
- Jaké jsou hlavní rozdíly mezi hliníkem a ocelí
- Jaké slitiny hliníku se používají ve strojírenství
- Kdy se vyplatí použít hliník místo oceli
- Kdy je naopak vhodnější ocel
- Proč je potřeba volbu materiálu zohlednit už při návrhu dílu
Hliník vs. ocel: v čem se liší
Jedním z nejvýraznějších rozdílů je hmotnost. Hustota hliníku se pohybuje přibližně kolem 2,7 g/cm³, zatímco u oceli je to zhruba 7,8 g/cm³. Hliníkový díl o stejném objemu tak váží přibližně třetinu toho, co obdobný díl z oceli.
Výrazný rozdíl najdeme také v tuhosti. Modul pružnosti běžných hliníkových slitin se pohybuje kolem 70 GPa, zatímco u oceli přibližně kolem 210 GPa. Ocelový díl stejné geometrie je proto výrazně tužší a při zatížení se méně deformuje.
Hliník má naopak výhodu v přirozené korozní odolnosti a vysoké tepelné vodivosti. Pevnost, obrobitelnost, svařitelnost a další vlastnosti už výrazně závisejí na konkrétní slitině nebo jakosti.
| Vlastnost | Hliník | Ocel |
|---|---|---|
| Hustota | cca 2,7 g/cm³ | cca 7,8 g/cm³ |
| Hmotnost při stejném objemu | nízká | přibližně 3× vyšší |
| Tuhost | nižší | vyšší |
| Pevnost | závisí na slitině, u některých slitin vysoká | závisí na jakosti, obecně vysoká |
| Korozní odolnost | přirozeně dobrá, závisí na slitině a prostředí | uhlíková ocel zpravidla vyžaduje vhodnou ochranu |
| Tepelná vodivost | vysoká | výrazně nižší |
| Obrobitelnost | u vhodných slitin velmi dobrá | závisí na jakosti |
| Cena materiálu | zpravidla vyšší | zpravidla nižší |
Jaké slitiny hliníku se používají ve strojírenství
Pod označením hliník se ve strojírenství ve skutečnosti skrývá celá řada slitin s rozdílnými vlastnostmi. Liší se pevností, korozní odolností, svařitelností i obrobitelností, a proto záleží nejen na rozhodnutí použít hliník místo oceli, ale také na volbě konkrétní slitiny.
Mezi běžně používané skupiny patří například:
Slitiny řady 5000 (Al-Mg)
Vyznačují se dobrou korozní odolností a svařitelností. Používají se například pro plechové díly, svařované konstrukce, kryty nebo prvky určené do venkovního prostředí. Patří sem například slitina EN AW-5754.
Slitiny řady 6000 (Al-Mg-Si)
Nabízejí dobrou kombinaci pevnosti, korozní odolnosti a zpracovatelnosti. Velmi často se používají pro konstrukční profily a obráběné součásti. Typickými zástupci jsou například EN AW-6060, EN AW-6061 nebo EN AW-6082.
Slitiny řady 7000 (Al-Zn-Mg)
Některé slitiny této řady dosahují velmi vysoké pevnosti. Používají se proto pro silněji namáhané součásti, například ve strojírenství, dopravě nebo leteckém průmyslu. Známým zástupcem je EN AW-7075. Vyšší pevnost ale může být vykoupena například horší svařitelností nebo nižší korozní odolností oproti některým jiným slitinám.
Při výběru je proto potřeba zohlednit nejen požadované mechanické vlastnosti, ale také způsob dalšího zpracování a prostředí, ve kterém bude výsledný díl používán.
Kdy zvolit hliník
Hliník se uplatňuje především tam, kde nižší hmotnost přináší konkrétní výhodu. U pohyblivých částí může znamenat menší zatížení pohonů a dalších součástí, u konstrukcí zase jednodušší manipulaci nebo montáž. Proto se s ním často setkáme například u lehkých rámů, krytů a opláštění strojů nebo pohyblivých částí zařízení.
Dalším důvodem může být prostředí, ve kterém bude výrobek používán. Hliník si díky přirozeně vznikající oxidické vrstvě dokáže v řadě podmínek zachovat dobrou korozní odolnost i bez dodatečné ochrany. Uplatnění proto nachází také u dílů vystavených vlhkosti nebo venkovnímu prostředí. V náročnějších podmínkách lze jeho povrch dále upravit například eloxováním nebo vhodným nátěrem.
Výhodou může být také vysoká tepelná vodivost, díky které se hliník používá například pro chladiče, kryty elektroniky a další součásti, u nichž je potřeba efektivně odvádět teplo.
Kdy je lepší zvolit ocel
Ocel bývá vhodnější tam, kde není úspora hmotnosti prioritou a důležitější je vysoká tuhost, únosnost nebo příznivější cena materiálu. Typicky jde například o nosné rámy, základny strojů, silně zatížené konstrukce nebo díly, u kterých by větší deformace představovala problém.
Výhodou oceli je také velmi široký výběr jakostí s rozdílnými mechanickými a technologickými vlastnostmi. Pro běžné konstrukční použití navíc často představuje ekonomičtější řešení, zejména pokud není potřeba řešit hmotnost výrobku.
To ale neznamená, že je ocel automaticky vhodnější pro všechny silně namáhané součásti. Rozhodující jsou vždy konkrétní požadavky na pevnost, tuhost, způsob zatížení i konstrukci dílu.
Změna materiálu může znamenat i změnu konstrukce
Ocelový díl zpravidla nelze jednoduše překreslit do hliníku při zachování všech rozměrů a očekávat stejné chování. Rozdílná tuhost, pevnost i další vlastnosti mohou vyžadovat úpravu tloušťky stěn, průřezů, výztuh nebo celkové geometrie.
Volbu materiálu je proto vhodné řešit už během konstrukčního návrhu. Kromě zatížení je potřeba zohlednit také výrobní technologie, možnosti svařování a obrábění, povrchovou úpravu nebo způsob spojování jednotlivých dílů. Výsledkem pak nemusí být pouze náhrada jednoho materiálu druhým, ale konstrukce navržená tak, aby jeho vlastnosti skutečně využila.
Potřebujete poradit s výrobou kovového dílu?
Volba materiálu může ovlivnit konstrukci výrobku, způsob jeho výroby, cenu i výsledné vlastnosti. Pokud řešíte zakázkovou výrobu a nejste si jistí vhodným materiálem nebo technologií zpracování, obraťte se na nás. Projdeme s vámi konkrétní požadavky a navrhneme vhodné řešení.
FAQ
Je hliník vždy lehčí než ocel?
Při stejném objemu ano. Hustota hliníku je přibližně 2,7 g/cm³, zatímco hustota oceli kolem 7,8 g/cm³. Výsledná hmotnost konkrétního dílu ale závisí také na jeho konstrukci a rozměrech.
Je hliník pevnější než ocel?
Nelze to říct obecně. Mechanické vlastnosti se výrazně liší podle konkrétní slitiny hliníku a jakosti oceli. Některé vysokopevnostní hliníkové slitiny dosahují vysokých hodnot pevnosti, při porovnávání je ale potřeba zohlednit také například tuhost, únavovou životnost a konkrétní způsob namáhání.
Koroduje hliník?
Ano, i hliník může korodovat. Na jeho povrchu se však přirozeně vytváří tenká oxidická vrstva, která jej v mnoha prostředích chrání před další korozí. Odolnost závisí na konkrétní slitině i prostředí.
Lze hliník svařovat?
Ano, řadu hliníkových slitin lze svařovat. Svařitelnost se ale mezi jednotlivými skupinami výrazně liší a svařování hliníku má jiné technologické požadavky než svařování oceli.
Je hliník dražší než ocel?
Samotný hliníkový polotovar bývá zpravidla dražší než běžná konstrukční ocel. Cena materiálu ale není jediným nákladem, který je potřeba při volbě zohlednit. Do výsledné ekonomiky výrobku může vstupovat také způsob zpracování, povrchová úprava, montáž, manipulace nebo provozní náklady.
autor:
Jan Matějka
Spolumajitel a jednatel společností AKROS
Jan je absolventem procesního inženýrství na ČVUT v Praze. Svou profesní dráhu ve společnosti AKROS spojil s jejím rozvojem již v roce 2009. Za dalších 9 let, v roce 2018, vstoupil odkoupením podílu firmy do vlastnické struktury.
Dnes jako jednatel kombinuje své technické vzdělání s dlouholetou praxí v oboru. Věnuje se aktivnímu řízení chodu společností a dohlíží na to, aby AKROS zůstal synonymem pro kvalitu a odbornost, na které si zakládá už od svého nástupu.