Odlew z aluminium czy z żeliwa? Porównanie właściwości, kosztów i zastosowań

Aluminium wybiera się, gdy liczy się masa, odporność na korozję bez grubych powłok oraz dokładność i gładkość powierzchni, jakie dają formy metalowe. Żeliwo wygrywa tam, gdzie przy narzuconych wymiarach potrzeba dużej sztywności, tłumienia drgań, odporności na ścieranie i pracy w wyższej temperaturze. Poniżej porównanie na liczbach z akademickiego podręcznika „Odlewnictwo” (WNT) – dla konstruktorów, którzy wybierają materiał nowej części albo rozważają zamianę żeliwa na aluminium.

W skrócie

• Aluminium (2,7 g/cm³) jest ok. 2,6 raza lżejsze od żeliwa (ok. 7,0–7,3 g/cm³).
• Moduł sprężystości odlewniczych stopów aluminium to ok. 71–74 GPa, żeliwa szarego ok. 90–113 GPa (wartość z podręcznika dla gatunku o Rm ok. 210 MPa; mocniejsze gatunki mają wyższy moduł), a żeliwa ciągliwego 172 GPa – przy identycznych wymiarach część z aluminium ugnie się bardziej.
• W przeliczeniu na kilogram aluminium jest jednak 1,6–2,2 raza sztywniejsze od żeliwa szarego, więc zamiana udaje się po przeprojektowaniu przekrojów.
• Żeliwo szare najlepiej tłumi drgania; żeliwo sferoidalne tłumi je ok. 8 razy słabiej, ale wciąż ponad 6 razy lepiej niż stal.
• Ok. 90% odlewów ze stopów żelaza powstaje w formach jednorazowych (głównie piaskowych), a odlewy z metali nieżelaznych w 80–90% innymi metodami, głównie w formach metalowych, które dają węższe tolerancje i gładszą powierzchnię.

Kiedy aluminium, a kiedy żeliwo

Pytanie „aluminium czy żeliwo” najlepiej rozstrzygać, zaczynając od funkcji części, a nie od ceny materiału.

Aluminium ma przewagę, gdy:

• masa części ma znaczenie (elementy ruchome, pojazdy, urządzenia przenośne, koszty transportu),
• część pracuje w atmosferze lub wilgoci i nie chcesz polegać wyłącznie na powłoce,
• potrzebujesz cienkich ścianek, wąskich tolerancji i gładkiej powierzchni bez obróbki,
• planujesz serię, przy której opłaca się kokila lub forma ciśnieniowa,
• liczy się dobre odprowadzanie ciepła (obudowy, korpusy urządzeń elektrycznych).

Żeliwo ma przewagę, gdy:

• przy narzuconych wymiarach potrzebna jest duża sztywność (łoża, korpusy obrabiarek),
• część ma tłumić drgania i hałas,
• występuje intensywne ścieranie albo praca w wyższej temperaturze,
• odlewy są masywne i bardzo duże, a masa nie gra roli,
• najważniejsza jest najniższa cena materiału za kilogram.

Porównanie w liczbach

Cecha	Odlewnicze stopy aluminium	Żeliwo szare	Żeliwo sferoidalne i ciągliwe
Gęstość	ok. 2,65–2,77 g/cm³ (czyste Al 2,7)	ok. 7,0–7,3 g/cm³	ok. 7,0–7,3 g/cm³
Moduł sprężystości E	ok. 71–74 GPa	90–113 GPa (gatunek o Rm ok. 210 MPa; rośnie z wytrzymałością)	172 GPa (ciągliwe), sferoidalne o ok. 10% mniej
Wytrzymałość na rozciąganie Rm (min.)	ok. 120–330 MPa, zależnie od stopu i metody	100–350 MPa (EN-GJL-100…350), niższa w grubych ściankach	350–900 MPa (EN-GJS-350-22…900-2)
Wydłużenie A	zwykle 1–6%, AlCu4TiMg i AlMg10 do 8–10%	bliskie zera (materiał kruchy)	2–22% (sferoidalne)
Tłumienie drgań	słabe	bardzo dobre	ok. 8× słabsze niż szarego, ponad 6× lepsze niż stali
Min. grubość ścianki w formie piaskowej	3–6 mm	6–10 mm	6–10 mm
Chropowatość z formy piaskowej	Ra 4–10 µm	Ra 8–20 µm	Ra 8–20 µm
Typowe formy	piaskowe, kokile, ciśnieniowe	głównie piaskowe	głównie piaskowe
Odporność na korozję	dobra dzięki warstewce tlenku, zależy od stopu	rdzewieje, wymaga powłoki	rdzewieje, wymaga powłoki

Dane według podręcznika „Odlewnictwo” (tabl. 3.1, 3.2, 3.8, 3.10, 3.20 i 3.22); gęstość żeliwa to wartość orientacyjna. Właściwości konkretnego odlewu zależą od gatunku, technologii i grubości ścianek.

Masa i sztywność: dlaczego zamiana „1:1” zwykle się nie udaje

Jeśli przeniesiesz rysunek żeliwnej części na aluminium bez zmian geometrii, część będzie ponad dwa razy lżejsza, ale wyraźnie bardziej podatna. Ugięcie przy tych samych wymiarach jest odwrotnie proporcjonalne do modułu sprężystości, więc część aluminiowa ugnie się o ok. 20–60% bardziej niż identyczna część z żeliwa szarego o module 90–113 GPa i ok. 2,3–2,4 raza bardziej niż z żeliwa ciągliwego.

Inaczej wygląda to w przeliczeniu na masę. Sztywność właściwa (E/ρ) stopów aluminium wynosi ok. 26–27 GPa·cm³/g, a żeliwa szarego ok. 12–16 GPa·cm³/g. Z tej samej masy materiału da się więc zbudować sztywniejszą konstrukcję – pod warunkiem, że przekroje zaprojektujesz od nowa.

Szacunek pokazuje, gdzie aluminium zyskuje najwięcej:

• Płyta lub ścianka zginana (sztywność rośnie z E·t³): żeby dorównać żeliwu szaremu, ścianka aluminiowa musi być grubsza o ok. 7–17%. Część i tak wychodzi lżejsza o ok. 55–60%.
• Element rozciągany lub ściskany (sztywność rośnie z E·A): przekrój trzeba powiększyć proporcjonalnie do różnicy modułów. Zysk masy wobec żeliwa szarego spada do ok. 40–55%, a wobec żeliwa ciągliwego do kilku–kilkunastu procent.

Wniosek praktyczny: aluminium wygrywa przede wszystkim w częściach zginanych, w których sztywność buduje się żebrami i kształtem przekroju. Jak rozmieszczać żebra i dobierać grubości ścianek, pokazujemy w poradniku projektowania odlewów: ścianki, żebra, przejścia.

Wytrzymałość i wpływ grubości ścianki

Minimalna wytrzymałość na rozciąganie odlewniczych stopów aluminium mieści się w przedziale od ok. 120 do 330 MPa. Najlepsze połączenie wytrzymałości i wydłużenia mają wśród nich dawne stopy AlCu4TiMg (AM4) i AlMg10 (AG10). O wyniku decyduje nie tylko stop, ale i metoda: ten sam stop jest najsłabszy w formie piaskowej, mocniejszy w kokili i najmocniejszy po odlewaniu ciśnieniowym. Liczby i przyczyny tych różnic omawiamy w tekście o wpływie technologii i grubości ścianek na wytrzymałość odlewu.

Oba materiały są wrażliwe na szybkość chłodzenia. W grubej ściance metal krzepnie wolniej, ziarno jest grubsze, a właściwości niższe. W żeliwie szarym widać to wyraźnie: dla gatunku EN-GJL-200 przewidywana wytrzymałość w odlewie to ok. 230 MPa przy ściance 2,5–5 mm, ale tylko ok. 115 MPa przy ściance 80–150 mm. Żeliwo szare ma też wytrzymałość na rozciąganie nawet ok. 4 razy mniejszą niż na ściskanie.

Żeliwo sferoidalne jest znacznie wytrzymalsze: od 350 do 900 MPa przy wydłużeniu od 22 do 2%, a po hartowaniu izotermicznym (ADI) ok. 1000 MPa przy wydłużeniu do 10%. Przy obciążeniach udarowych i dużych naprężeniach rozciągających konkurentem aluminium jest więc raczej żeliwo sferoidalne niż szare. Aluminium wygrywa masą i odpornością na korozję, a nie wytrzymałością bezwzględną.

Temperatura pracy, tłumienie drgań i ścieranie

Temperatura. Stopy aluminium tracą wytrzymałość w podwyższonej temperaturze szybciej niż żeliwo. Do pracy na gorąco stosuje się siluminy z dodatkiem niklu, który poprawia stabilność wymiarową – np. na tłoki, korpusy, głowice i kolektory wydechowe. Dlatego temperaturę pracy zawsze podawaj w zapytaniu: od niej zależy, czy wystarczy typowy silumin, czy potrzebny jest stop specjalny albo inny materiał.

Tłumienie drgań. Grafit płatkowy sprawia, że żeliwo szare bardzo dobrze tłumi drgania, a gatunki o niższej wytrzymałości tłumią je jeszcze lepiej. Żeliwo sferoidalne tłumi drgania ok. 8 razy słabiej od szarego, ale ponad 6 razy lepiej od stali. Aluminium tłumi je wyraźnie słabiej niż żeliwo szare – w łożach i korpusach obrabiarek to często argument rozstrzygający.

Ścieranie. Odporność żeliwa szarego na ścieranie rośnie razem z jego wytrzymałością. Wśród stopów aluminium najbardziej odporne są siluminy nadeutektyczne, z których odlewa się m.in. tłoki silników. Drobne ziarno odlewów ciśnieniowych także poprawia odporność na ścieranie i zmęczenie.

Korozja i ochrona powierzchni

Aluminium pokrywa się szczelną warstewką tlenku Al₂O₃ – jednego z najtrwalszych tlenków metali. Dlatego w atmosferze nie rdzewieje jak żeliwo, które bez farby lub powłoki szybko pokrywa się rdzą.

O odporności odlewu aluminiowego decyduje przede wszystkim gatunek. Miedź podnosi wytrzymałość, ale pogarsza odporność na korozję, a stopy aluminium z magnezem są pod tym względem najlepsze. Sama technologia odlewania ma na korozję praktycznie znikomy wpływ – decyduje stop i ewentualna obróbka cieplna.

W środowisku z chlorkami (sól drogowa, woda morska) albo gdy liczy się wygląd, aluminium też się zabezpiecza. Najczęściej stosuje się malowanie proszkowe aluminium. Anodowanie daje dobrą, jednolitą powłokę tylko na części stopów – najlepiej na stopach AlMg; wyjaśniamy to w artykule o tym, które stopy odlewnicze nadają się do anodowania. Przy łączeniu aluminium ze stalą w wilgotnym otoczeniu trzeba też zapobiec korozji galwanicznej (podkładki izolujące, powłoki).

Technologia i koszt: kilogram to nie wszystko

Ze względu na wysoką temperaturę zalewania ok. 90% odlewów ze stopów żelaza powstaje w formach jednorazowych, a w przypadku metali nieżelaznych tylko 10–20%. Ma to bezpośrednie skutki dla geometrii i dokładności:

• minimalna ścianka: w kokili 2,5–5 mm, przy odlewaniu ciśnieniowym 0,7–1,5 mm,
• tolerancja wymiaru 200 mm w formie piaskowej: żeliwo ok. ±2,0 mm, aluminium ok. ±1,4 mm; w kokili aluminium ok. ±0,8 mm, a przy odlewaniu ciśnieniowym ok. ±0,4 mm (wymiary przechodzące przez płaszczyznę podziału mają dodatkową tolerancję),
• chropowatość odlewu ciśnieniowego: Ra 0,8–1,6 µm.

Kilogram żeliwa jest zwykle tańszy, ale kilogram aluminium to ok. 2,6 raza większa objętość materiału. Dochodzą do tego mniejsze naddatki, szybsze skrawanie i tańszy transport. Porównuj cenę gotowej, zamontowanej części, a nie cenę kilograma odlewu.

Forma metalowa to koszt jednorazowy, który zwraca się od pewnej serii – orientacyjnie w kokili przy ponad 400 szt. prostych odlewów (ponad 1000 szt. złożonych), a przy odlewaniu ciśnieniowym – powyżej 2500 szt. Jeśli rozważasz też inne technologie, sprawdź, kiedy odlew opłaca się bardziej niż frezowanie z pełnego materiału. Przykłady branż, w których odlewy aluminiowe pracują na co dzień, znajdziesz na stronie sektorów, dla których odlewamy.

Lista kontrolna przed zamianą żeliwa na aluminium

Przy doborze materiału na odlew przejdź przez te punkty, zanim zamówisz formę:

1. Określ obciążenia (zginanie, skręcanie, rozciąganie, udary) i porównaj aluminium także z żeliwem sferoidalnym, nie tylko z szarym.
2. Przelicz ugięcia dla modułu 71–74 GPa i dodaj żebra tam, gdzie sztywność spada.
3. Podaj temperaturę pracy i cykle cieplne – od nich zależy wybór stopu.
4. Sprawdź, czy żeliwo nie pełniło roli tłumika drgań lub hałasu.
5. Oceń ścieranie i powierzchnie współpracujące: gwinty, gniazda łożysk i prowadnice w aluminium mogą wymagać tulei lub wkładek.
6. Uwzględnij znacznie większą rozszerzalność cieplną aluminium przy pasowaniach i połączeniach ze stalą.
7. Zabezpiecz styki ze stalą przed korozją galwaniczną.
8. Dostosuj geometrię do technologii odlewania: ścianki, przejścia, pochylenia, rdzenie.
9. Wybierz stop pod warunki pracy: wytrzymałość, korozję, temperaturę, wymagany wygląd powierzchni.
10. Określ wielkość serii – zdecyduje o formie piaskowej, kokili albo odlewaniu ciśnieniowym.

Najczęściej zadawane pytania

Sprawdzimy, czy Twoja część może być z aluminium

Prześlij rysunek lub model obecnej części żeliwnej z informacją o obciążeniach, temperaturze pracy i planowanej serii. Ocenimy, czy aluminium spełni wymagania, jaki stop i jaka technologia mają sens oraz co trzeba zmienić w konstrukcji. W Odlewni Poznań odlewamy stopy aluminium w formach piaskowych, w kokilach i ciśnieniowo – wyślij zapytanie ofertowe.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 2.2 (rodzaje form, s. 108), 3.1 (materiały na odlewy: żeliwa i stopy aluminium; tabl. 3.1, 3.2, 3.8, s. 116–150; tabl. 3.10, s. 162), 3.3 (parametry odlewów; tabl. 3.20–3.23, s. 182–188), 5.3 (metody formowania, s. 289).
• PN-EN 1561 – Odlewnictwo – Żeliwo szare.
• PN-EN 1563 – Odlewnictwo – Żeliwo sferoidalne.
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium i stopy aluminium – Odlewy – Skład chemiczny i właściwości mechaniczne.