— 36 —
wrzesień-październik 2007 r.
Stal
czy aluminium?
Z
BIGNIEW
W
NĘK
W pewnych dziedzinach istnieje na
świecie lub nawet narasta konkurencja
między stalą i aluminium. Żelazo i alu-
minium to dwa metale, których jest naj-
więcej w skorupie ziemskiej: Al nieco
ponad 7%, Fe nieco ponad 5%. Jednak
z uwagi na to, że ciężar właściwy Al
wynosi 2,7, a Fe 7,85, objętościowo Al
jest ok. 4 razy więcej niż Fe. Dominują-
cym metalem jest jednak Fe, ponieważ
tworzy skoncentrowane złoża i łatwiej
daje się redukować z tlenków, dlatego
epoka żelaza trwa już ok. 4 tysiące lat,
a epoka aluminium niecałe 200 lat
(odkąd stała się możliwa elektrolityczna
redukcja Al z jego związków).
Stali produkuje się na świecie ponad
miliard ton rocznie, a aluminium rap-
tem kilkanaście milionów ton. Ponadto
żelazo jest bardziej wytrzymałe, bardziej
odporne temperaturowo, dobrze nadaje
się do recyklingu, a także ulega samo-
degradacji łatwiej niż aluminium. Tak
więc pozycja żelaza na rynku metali
jest dominująca, ale w pewnych obsza-
rach te dwa metale – a raczej ich stopy
– ostro ze sobą konkurują. Producenci
aluminium starają się umocnić swoją
pozycję lub zyskać dla Al nowe zasto-
sowania. Opracowuje się nowe, lekkie
stopy, np. z dodatkiem litu.
A
LUMINIUM
MA
PEWNE
SZCZEGÓLNE
WŁAŚCIWOŚCI
Stopy aluminium mają wiele zalet.
Podstawowymi z nich są: lekkość, pla-
styczność, a ponadto dobra odporność
na korozję, polegająca – jak wiemy – na
szybkiej pasywacji przez utlenienie
powierzchniowe (paradoksalnie więc
aluminium jest odporne na korozję,
ponieważ szybko się utlenia).
Natomiast do wad stopów alumi-
nium zalicza się zbyt niską wytrzyma-
łość i wyższą cenę. Co do odporności
korozyjnej Al, nie należy jej zanadto
uogólniać, np. w środowisku solnym
(woda morska, roztwory soli) lub
w kontakcie z miedzią, Al również
koroduje. Wykonuje się np. anteny
telewizyjne z Al i okazuje się, że
wcale nie są one idealnie odporne na
korozję. Al lub jego stopy nie zastąpią
nigdy stali kwasoodpornych. Lekkość
Al sprawia, że jest ono ciągle nieza-
stąpionym materiałem np. w budowie
samolotów. W budowie samochodów
lekkość pojazdu – ze względu na zuży-
— 37 —
Metale & Nowe Technologie
MATERIAŁY
cie benzyny – odgrywa coraz większą
rolę, toteż w masie nowoczesnego
samochodu ok. 50-100 kg przypada na
Al; tendencja ta narasta. Nad poprawą
wytrzymałości stopów Al pracują
naukowcy i technologowie. Są wyko-
nywane próby wytwarzania karoserii
samochodowych ze stopów Al. Jednak
po pierwsze – jest to materiał ciągle
zbyt drogi (i nie będzie tani, ze względu
na energochłonny proces wytwarzania),
po drugie – ze względu na zbyt niską
wytrzymałość – pochłania zbyt mało
energii przy zderzeniu; po trzecie – są
trudności z masowym recyklingiem,
bo trzeba by oddzielać karoserie alu-
miniowe od stalowych. Generalnie, nie
widać zbyt wielkich perspektyw dla Al
w przemyśle samochodowym. Jednak
pewien segment, owe ok. 100 kg, ma
dla producentów wielkie znaczenie,
a dla użytkowników też jest istotne,
że ich samochód waży np. 40 kg mniej,
bo to się przekłada na zużycie paliwa.
I tak dość popularne są już np. felgi
aluminiowe, stosuje się też Al na mniej
odpowiedzialne elementy, np. pokrywy
bagażnika, drążki zmiany biegów i sze-
reg innych drobnych elementów.
S
TAL
CIĄGLE
INNOWACYJNA
Producenci stali starają się rekompenso-
wać przewagę stopów Al w zakresie lek-
kości przewagą stali w zakresie wytrzy-
małości. Stopy Al znane dotąd ogólnie
pod nazwą dural (określenie to wychodzi
z użytku), osiągają wytrzymałość R
m
na
poziomie średniowytrzymałych stali, to
jest 200-300 MPa. Ale nie jest powie-
dziane, że przez dodatki stopowe i zmia-
ny mikrostrukturalne nie można będzie
osiągnąć więcej. W podobnym kierunku
idą prace producentów stali, którzy jed-
nak – jak wiadomo – przekroczyli już
wartości rzędu 1000 MPa, a więc kilka-
krotnie więcej niż dla stopów Al. Zatem
Al znajduje się częściowo w natarciu,
a częściowo w odwrocie. Wiadomo na
przykład, że producenci lekkich rowerów
wyczynowych do niedawna wykorzy-
stywali często rury aluminiowe, a nie
stalowe. Skoro jednak rura stalowa może
być obecnie kilkakrotnie bardziej wy-
trzymała niż dotąd, powstaje problem,
czy cieńsza ścianka nie zrekompensuje
mniejszego ciężaru właściwego. I tak
byłoby, gdyby nie fakt, że w konstrukcji
liczy się nie tylko wytrzymałość na
atrakcyjnym. Albo inaczej: to zależy
od konkretnego zastosowania, każdy
przypadek wymaga indywidualnej
analizy. Nie należy traktować Al jako
alternatywy dla stali. Jedno i drugie ma
swoje miejsce w technice.
S
Ą
TEŻ
INNE
RÓWNIE
WAŻNE
PARAMETRY
W zastosowaniach konstrukcyjnych waż-
ny jest także moduł sprężystości – wzdłuż-
nej E (moduł Younga) i poprzecznej
G (moduł Kirchhoffa). Moduł Younga
określa własności sprężyste metalu. Jest
to stosunek naprężenia do wywołanego
przezeń odkształcenia sprężystego. Im
większy moduł Younga, tym lepsze za-
chowanie sprężyste, tzn. tym lepiej zacho-
wuje się materiał w obszarze sprężystym,
zanim ulegnie odkształceniom trwałym,
plastycznym. Dla stopów aluminium
E wynosi on ca 70 000 N/mm
2
, natomiast
dla stali – ca 210 000.
Tak więc stal znacznie lepiej – i znów
ok. trzykrotnie lepiej – przenosi obciążenia
sprężyste. Jeśli jednak podobny element
wykonamy z Al 3-krotnie pogrubionego,
to wartości będą podobne. Gorsze własno-
ści sprężyste Al trzeba więc skompensować
większym przekrojem. To jednak też nie
jest do końca takie proste, bo jeśli np. na
ramę roweru zastosujemy rurę owalną
zamiast okrągłej, można zyskać na sztyw-
ności. A więc nie tylko liczą się własności
metalu, ale także konstrukcja elementu
nośnego, kształt elementu konstrukcyj-
nego, a w dalszej kolejności jego makro-
i mikrostruktura. Stąd już niedaleka
droga do inżynierii materiałowej, która
nie poprzestaje na własnościach samego
materiału, ale tworzy specjalne jego struk-
tury. Zupełnie czymś innym jest lity metal,
walcowany lub odkuwany, a czym innym
np. struktura w formie plastra miodu. Tak
więc inżynier, który się zacznie zastanawiać
nad nowoczesną konstrukcją (choćby to
był tylko rower sportowy), ma olbrzymie
pole do rozmyślań, ale również do od-
niesienia sukcesu. Dodatkowo producent
powinien wziąć pod uwagę:
• problemy ze spawaniem Al,
• lepszą odporność korozyjną Al.
Ilustracją tych problemów jest kon-
strukcja kadłubów samolotów. Trady-
cyjnie – ze względu na ciężar – są one
wykonywane ze stopów Al, a np. nie-
które myśliwce lub pojazdy kosmiczne
– ze stopów tytanu (c.wł.: 4,5 g/cm
3
,
rozciąganie, ale i na zginanie, a zbyt
cienka ścianka pogarsza ten parametr.
Obowiązuje tu w przybliżeniu zależność
pierwiastkowa. Materiał np. 2-krotnie
bardziej wytrzymały na rozciąganie
jest lepszy na zginanie tylko o √2, czyli
ca 1,4. Wytrzymałość na rozciąganie
R
m
3-krotnie lepsza daje na zginanie
tylko wzrost o √3, czyli x 1,7. Tak więc
w budowie różnych maszyn i urządzeń
nawet znaczny wzrost R
m
daje stosun-
kowo umiarkowany wzrost odporności
na obciążenia zginające. Tymczasem
w większości konstrukcji wytrzymałość
na zginanie odgrywa bardzo istotną
rolę, elementy nienarażone na zginanie
trafiają się stosunkowo rzadko.
Weźmy np. kontener ze zwykłej
stali S355 i zastąpmy blachę stalą
dwukrotnie bardziej wytrzymałą, rzędu
S700. Kontener w trakcie przeładunku
podlega silnym obciążeniom zginającym
i ten fakt trzeba uwzględnić w jego
konstrukcji. Zatem ciężar własny kon-
tenera z blachy dwukrotnie bardziej
wytrzymałej maleje wówczas wcale nie
dwukrotnie, ale najwyżej o ok. 30%. To
zresztą i tak bardzo dużo, a w masowym
transporcie kontenerów przekłada się
na ogromny tonaż. Podobnie ma się
sprawa w przypadku Al. Jednak nawet
najbardziej wysokowytrzymałe stale
nie zawsze rekompensują pod wzglę-
dem ciężaru konstrukcję z trzykrotnie
lżejszego aluminium. Każdy przypadek
trzeba rozpatrywać indywidualnie. Za-
łóżmy, że blacha stalowa jest trzykrotnie
bardziej wytrzymała na rozciąganie od
aluminiowej. Gdyby chodziło tylko
o obciążenia rozciągające, można by za-
stosować blachę trzykrotnie cieńszą od
aluminiowej. Jednak, w konsekwencji, na
ciężarze nie zyskujemy praktycznie nic,
bo żelazo ma też ok. trzykrotnie wyższy
ciężar właściwy. Pod uwagę trzeba więc
brać inne elementy. Najpierw cenę. Stal
szlachetna kosztuje ca 4,30 euro/kg. Stal
zwykła konstrukcyjna – różnie, załóżmy
dla prostoty 1,0 euro/kg. Aluminium
(AlMg) ok. 3,40 euro/kg. Ponieważ dla
zapewnienia podobnej wytrzymałości
trzeba zużyć ca 3-krotnie więcej Al, więc
różnica cenowa na korzyść stali wynosi
niewiele, kilkanaście procent. Oczywi-
ście stal a stal to różnica, podobnie jeden
stop Al jest nierówny drugiemu. Ale już
z samego porównania cen wynika, że
Al nie jest materiałem nadzwyczajnie
MATERIAŁY
— 38 —
wrzesień-październik 2007 r.
temp. topn.: 1800°C, R
e
: jak dla śred-
niej stali, dobra odporność korozyjna).
Ewentualnie w nowych konstrukcjach
stosuje się kompozyty z tworzywa
wzmocnionego włóknem węglowym.
Kluczem do problemu jest jednak nie
tylko wytrzymałość, ale i stabilność
konstrukcji. Można zaprojektować
kadłub stalowy ze stali wysokowy-
trzymałej. Jednak z obliczeń wynikają
wówczas bardzo cienkie ścianki, które
– mimo wysokiej wytrzymałości Re
i wysokiego modułu sprężystości – zbyt
słabo przenoszą naprężenia zginające.
Kadłub taki utraciłby sztywność, co
w powietrzu ma zasadnicze znaczenie,
zwłaszcza że kadłub „nadyma się” lub
kurczy przy zmianach wysokości lotu
i w ślad za tym temperatury oraz ciśnie-
nia. Gruba ścianka lepiej znosi takie ob-
ciążenia. Jeszcze lepiej znosi je produkt
inżynierii materiałowej, np. kompozyt
o wspomnianej formie plastra miodu,
lub inny. Liczba rozwiązań i kombinacji
może tu być bardzo duża.
Takie problemy nie występują w zwy-
kłym samochodzie osobowym (ale w boli-
dach Formuły I już tak), dlatego nie dziwi
nas już, że maska lub dach samochodu
ugina się pod naciskiem dłoni. Ci, którzy
jeszcze pamiętają samochody sprzed ok.
40 lat, wiedzą, że blacha karoseryjna była
wówczas mocna i niepodatna na ugięcia,
ale też ok. 3-krotnie grubsza. Z drugiej
strony nie można z grubością blachy
stalowej schodzić ciągle w dół, bo blacha
będzie się uginać pod palcem. Materiał
i konstrukcja z niego wykonana muszą być
rozpatrywane całościowo. Dziś zmieniła
się filozofia budowy auta: blacha ma być
w miarę cienka, zarazem wytrzymała;
w razie wypadku ma się pogiąć i pochło-
nąć energię zderzenia. Skoro tak, więcej
energii pochłonie blacha stalowa niż
aluminiowa. Reasumując, nie da się podać
jednoznacznej recepty na to, który mate-
riał jest lepszy: stal czy aluminium. Zależy
to od konkretnych okoliczności, każdy
przypadek trzeba – jak wspomnieliśmy
– traktować indywidualnie. Są obszary za-
stosowań, w których obydwa te materiały
konkurują ze sobą. Np. w samochodach:
ponieważ koszty energii idą w górę, każdy
zaoszczędzony kilogram masy jest coraz
wyraźniej przeliczalny na zużycie paliwa.
Innym przykładem są puszki na
piwo i napoje: większość producentów
używa aluminium, ale spotyka się też
puszki stalowe (sprawdźcie Państwo
magnesem). W tym przypadku trzeba
zbilansować koszt puszki i jej ciężar,
który przekłada się na koszty transpor-
tu. Przy produkcji opakowań, beczek,
pojemników itp. warto mieć to na
uwadze, podobnie w produkcji różnych
przedmiotów wymagających ciągłego
przenoszenia, od których oczekuje się,
aby były lekkie. W efekcie aluminium,
z jednej strony jest wypierane przez
stal i tworzywa sztuczne, z drugiej
znajduje nowe obszary zastosowań,
tym bardziej, że prowadzi się prace nad
nowymi superlekkimi stopami Al.
Zatem w sporze między stalą i alu-
minium nie ma uniwersalnej odpowie-
dzi. Na koniec zatem taka uwaga: we
wszystkich zmianach konstrukcyjnych
wymagane są ostrożność i próby. Są
metody obliczeniowe i metody symu-
lacji komputerowej, jednak ostatecznie
to praktyka weryfikuje rodzaj materiału.
Bardzo trudno jest wyliczyć optymal-
ną ramę rowerową, trzeba wykonać
kilkanaście egzemplarzy próbnych
i sprawdzić, jak to funkcjonuje. Produ-
cenci samochodów liczą wytrzymałość
pojazdu, ale na koniec i tak robią testy
zderzeniowe. Tak więc każda zmiana
materiałowa jest ryzykowna i kosztow-
na. Ale bez tego nie byłoby postępu.
Na pewno do budowy pasażu Reichstagu w Berlinie wykorzystano aluminium