Meie igapäevaelus ja lugematutes tööstusharudes oleme pidevalt ümbritsetud kas terasest või alumiiniumist valmistatud toodetest. Alates kõrguvatest pilvelõhkujatest, mis kujundavad meie linnamaastikke, kuni autode, mida juhime, ja purkideni, milles hoiame oma lemmikjooke, mängivad need kaks materjali keskset rolli. Kuid kui on vaja valida terase ja alumiiniumi vahel konkreetse rakenduse jaoks, ei pruugi otsus olla sugugi lihtne. Alustame üksikasjalikku uurimist, et teha kindlaks, kumb neist sobib paremini erinevate vajadustega.
Teras ja alumiinium: sissejuhatus
Teras
Teras on sulam, mis koosneb peamiselt rauast ja süsinikust. Süsinikusisaldus, mis jääb tavaliselt vahemikku 0,2–2,1 massiprotsenti, mõjutab oluliselt selle omadusi.Terast on arvukalt erinevaid tüüpe. Näiteks süsinikteras on tuntud oma tugevuse ja taskukohasuse poolest. Seda kasutatakse laialdaselt ehituses ja tootmises. Legeerterasele seevastu on lisatud täiendavaid elemente nagu mangaan, kroom või nikkel, et parandada teatud omadusi, nagu kõvadus, sitkus või korrosioonikindlus. Mõelge ehituses kasutatavatele vastupidavatele I-taladele või vastupidavatele roostevabast terasest köögiriistadele – need kõik on terase mitmekülgsuse näitajad.
Alumiinium
Alumiinium on kerge metall, mida leidub maakoores ohtralt. Tavaliselt leidub seda boksiidimaagis ja selle eraldamiseks on vaja märkimisväärset energiat.Puhtal kujul on alumiinium suhteliselt pehme, kuid vase, magneesiumi või tsingi legeerimisel muutub see palju tugevamaks. Levinud alumiiniumisulamite hulka kuuluvad 6061, mida kasutatakse laialdaselt üldotstarbelistes rakendustes, näiteks autoosades, ja 7075, mis on tuntud oma suure tugevuse poolest ja mida sageli kasutatakse lennunduskomponentides. Vaadake ringi ja näete alumiiniumi igapäevastes esemetes, nagu joogipurgid, aknaraamid ja isegi tipptasemel elektroonika.
Füüsikaliste omaduste vastasseis
Tihedus
Üks silmatorkavamaid erinevusi terase ja alumiiniumi vahel on nende tihedus. Terase tihedus on tavaliselt umbes 7,85 grammi kuupsentimeetri kohta. Seevastu alumiiniumi tihedus on umbes 2,7 grammi kuupsentimeetri kohta. See oluline erinevus muudab alumiiniumi palju kergemaks. Näiteks lennunduses võib iga kilogrammi kaalulangus kaasa tuua märkimisväärse kütusesäästu lennuki eluea jooksul. Seetõttu on alumiinium eelistatud materjal lennukikere ja tiibade ehitamiseks. Rakendustes, kus kaal ei ole oluline ja on vaja massist tulenevat stabiilsust, näiteks teatud tüüpi tööstusmasinate või suurte konstruktsioonide vundamentide puhul, võib terase suurem tihedus olla eeliseks.
Tugevus
Teras on tuntud oma suure tugevuse poolest. Kõrge süsinikusisaldusega teras ja legeerterased võivad saavutada äärmiselt suure tõmbetugevuse, mistõttu sobivad need ideaalselt rakendusteks, kus konstruktsiooni terviklikkus suurte koormuste korral on ülioluline. Näiteks toetuvad ulatuslikke veeteid ületavad rippsillad teraskaablitele ja -taladele, et taluda liikluse ja keskkonnajõudude raskust. Alumiiniumsulamid on aga samuti tugevuse osas suuri edusamme teinud. Mõned kõrge tugevusega alumiiniumisulamid, näiteks lennunduses kasutatavad, võivad konkureerida teatud teraste tugevuse ja kaalu suhtega. Autotööstuses kasutatakse alumiiniumi üha enam kerekonstruktsioonides, et vähendada kaalu, säilitades samal ajal ohutusstandardid, kuna sulamitehnoloogia areng on parandanud selle tugevusomadusi.
Juhtivus
Elektri- ja soojusjuhtivuse osas edestab alumiinium terast. Alumiinium on suurepärane elektrijuht, mistõttu seda kasutatakse sageli elektriliinides. See pakub head tasakaalu juhtivuse ja hinna vahel, eriti võrreldes kallimate juhtidega nagu vask. Soojusjuhtivuse osas muudab alumiiniumi võime soojust kiiresti üle kanda selle populaarseks valikuks elektroonikaseadmete jahutusradiaatorites. Näiteks on arvuti protsessori jahutusribid sageli valmistatud alumiiniumisulamist, et tõhusalt soojust hajutada ja vältida ülekuumenemist. Teras, kuigi see juhib elektrit ja soojust, teeb seda palju aeglasemalt, mistõttu see ei sobi rakenduste jaoks, kus kõrge juhtivus on oluline.
Keemilised omadused: lähemalt
Korrosioonikindlus
Terasel on korrosiooni osas Achilleuse kand. Hapniku ja niiskuse juuresolekul oksüdeerub teras kergesti, moodustades rooste. See võib aja jooksul konstruktsiooni nõrgestada. Selle vastu võitlemiseks kasutatakse mitmesuguseid kaitsemeetmeid, näiteks värvimist, tsinkimist (tsinkkatmist) või roostevaba terase kasutamist, mis sisaldab kroomi, mis moodustab passiivse oksiidikihi. Alumiiniumil on seevastu loomulik eelis. Õhuga kokkupuutel moodustab see pinnale õhukese, tiheda oksiidikihi. See kiht toimib barjäärina, takistades edasist oksüdeerumist ja korrosiooni. See muudab alumiiniumi väga sobivaks välistingimustes kasutamiseks, näiteks rannikualadel, kus soolane õhk võib olla eriti söövitav. Näiteks alumiiniumist aiad ja välimööbel taluvad aastaid ilmastikuolude mõju ilma olulise halvenemiseta.
Keemiline reaktsioonivõime
Alumiinium on suhteliselt reaktiivne metall. Teatud tingimustes võib see reageerida jõuliselt, eriti hapetega. Tavatingimustes pinnale tekkiv kaitsev oksiidikiht aga pärsib enamikku reaktsioone. Mõnes tööstusprotsessis saab alumiiniumi reaktsioonivõimet ära kasutada. Näiteks teatud kemikaalide tootmisel saab alumiiniumi kasutada redutseerijana. Teras on tavatingimustes aga vähem reaktiivne. Kuid kõrgel temperatuuril või väga happelises/aluselises keskkonnas võib see läbida keemilisi reaktsioone, mis võivad selle terviklikkust mõjutada. Näiteks on mõnes keemiatehases vaja spetsiaalseid terasetüüpe, et see peaks vastu karmide kemikaalide söövitavale mõjule.
Töötlemisjõudluse võrdlus
Vormimine ja töötlemine
Teras pakub laia valikut vormimisvõimalusi. Sepistamine on levinud meetod, mille puhul metalli kuumutatakse ja vormitakse survejõudude rakendamise teel.See sobib ideaalselt tugevate ja keeruka kujuga osade, näiteks mootorite väntvõllide, tootmiseks. Valtsimine on teine protsess, kus teras lastakse läbi rullide, et toota lehti, plaate või mitmesuguseid profiile. Autotööstus kasutab terasplekist autokerepaneelide valmistamiseks sageli stantsimist, mis on teatud tüüpi külmvormimisprotsess. Alumiinium on ka väga vormitav ja seda saab kergesti vormida. Ekstrusioon on alumiiniumi puhul populaarne protsess, mille käigus metall surutakse läbi matriitsi, et luua pikki ja ühtlaseid kujundeid. Nii valmistatakse alumiiniumist aknaraame. Survevalu kasutatakse laialdaselt ka alumiiniumi puhul, mis võimaldab toota keerukaid ja detailseid osi, näiteks paljude tänapäevaste autode mootoriplokke.
Keevitustulemused
Terase keevitamine võib olla keeruline protsess. Erinevat tüüpi teras nõuab spetsiifilisi keevitustehnikaid ja lisamaterjale. Näiteks süsinikterast saab keevitada selliste meetoditega nagu kaarkeevitus, kuid tuleb võtta ettevaatusabinõusid, et vältida selliseid probleeme nagu vesinikrabestumine, mis võib keevisliitet nõrgestada. Roostevaba teras võib oma legeerelementide tõttu vajada spetsiaalseid elektroode, et tagada tugev ja korrosioonikindel keevisõmblus. Teisest küljest tekitab alumiiniumi keevitamine oma raskusi. Alumiiniumil on kõrge soojusjuhtivus, mis tähendab, et see hajutab keevitusprotsessi ajal kiiresti soojust. See nõuab suuremat soojuskoormust ja spetsiaalseid keevitusseadmeid, näiteks volfram-inertgaasikeevitust (TIG) või metall-inertgaasikeevitust (MIG). Lisaks tuleb enne keevitamist alumiiniumi oksiidikiht eemaldada, et tagada korralik nakkuvus.
Kulude kaalutlused
Tooraine maksumus
Terase hind on suhteliselt stabiilne. Rauamaak, terasetootmise peamine tooraine, on paljudes maailma paikades külluses. Rauamaagi kaevandamise ja töötlemise kulud koos selle teraseks muutmise suhteliselt lihtsa protsessiga aitavad kaasa selle taskukohasusele. Alumiiniumi tootmisprotsess on aga keerulisem ja energiamahukam. Boksiidimaaki tuleb rafineerida alumiiniumoksiidiks ja seejärel kasutatakse puhta alumiiniumi eraldamiseks elektrolüüsi. See suur energiavajadus koos boksiidi kaevandamise ja rafineerimise kuludega muudab alumiiniumi tooraine hinna üldiselt terase omast kõrgemaks.
Töötlemiskulud
Terase väljakujunenud ja laialt levinud tootmisprotsessid tähendavad, et paljudel juhtudel võivad töötlemiskulud olla suhteliselt madalad, eriti suurtootmise puhul. Kui aga on vaja keerulisi kujundeid või ülitäpset töötlemist, võivad kulud märkimisväärselt suureneda. Mõnes aspektis võib alumiiniumi töötlemine olla kallim. Kuigi seda on lihtne keerukateks kujunditeks vormida, võib selliste protsesside nagu ekstrusioon jaoks spetsiaalsete seadmete vajadus ja keevitamise raskused kulusid tõsta. Näiteks alumiiniumi ekstrusiooniliini seadistamine nõuab märkimisväärset investeeringut seadmetesse ja tööriistadesse.
Üldkulude kaalutlus
Kogukulu arvestamisel ei ole oluline ainult tooraine ja töötlemiskulud. Olulist rolli mängivad ka lõpptoote eluiga ja hooldusnõuded. Näiteks võib teraskonstruktsioon vajada regulaarset värvimist ja hooldust korrosiooni vältimiseks, mis suurendab pikaajalist kulu. Alumiiniumkonstruktsioonil, millel on parem korrosioonikindlus, võivad aja jooksul olla madalamad hoolduskulud. Mõnes rakenduses, näiteks suuremahuliste tööstushoonete ehitamisel, võivad terase madalamad tooraine- ja töötlemiskulud muuta selle kulutõhusamaks. Teistel juhtudel, näiteks tipptasemel tarbeelektroonika tootmisel, kus alumiiniumi kerge kaal ja korrosioonikindlad omadused õigustavad kõrgemat hinda, võib alumiinium olla eelistatud valik.
Mitmekesised rakendused
Ehitusvaldkond
Ehitustööstuses on teras ülioluline materjal. Selle suur tugevus ja kandevõime muudavad selle hädavajalikuks pilvelõhkujate ja suurte ärihoonete karkasside ehitamisel. Terastalad ja -postid suudavad kanda tohutut raskust, mis võimaldab ehitada kõrgeid ja avatud planeeringuga konstruktsioone. Ka sillad toetuvad suuresti terasele. Pikkade sildeavadega rippsillad kasutavad koormuse jaotamiseks terastrosse ja sõrestikke. Seevastu alumiiniumi kasutatakse sageli esteetilisemate ja kergemate rakenduste jaoks. Alumiiniumist aknad ja uksed on populaarsed oma moodsa välimuse, energiatõhususe ja korrosioonikindluse tõttu. Alumiiniumist kardinseinad võivad anda hoonetele elegantse ja kaasaegse ilme, olles samal ajal kerged, vähendades hoone konstruktsiooni koormust.
Autotööstus
Teras on pikka aega olnud autotööstuses domineeriv materjal. Seda kasutatakse šassiides, keretes ja paljudes mehaanilistes komponentides tänu oma suurele tugevusele, mis on ohutuse seisukohalt ülioluline. Kuna aga tööstus liigub kütusesäästlikumate sõidukite poole, muutub alumiinium üha laialdasemalt kasutatavaks. Alumiiniumi kasutatakse mootoriplokkides, mis vähendab mootori kaalu ja omakorda parandab kütusekulu. Seda kasutatakse üha enam ka kerepaneelides, et vähendada sõiduki kogukaalu ohutust ohverdamata, kuna tänapäevased alumiiniumisulamid suudavad pakkuda vajalikku tugevust.
Lennundus- ja kosmosevaldkond
Teras on pikka aega olnud autotööstuses domineeriv materjal. Seda kasutatakse šassiides, keretes ja paljudes mehaanilistes komponentides tänu oma suurele tugevusele, mis on ohutuse seisukohalt ülioluline. Kuna aga tööstus liigub kütusesäästlikumate sõidukite poole, muutub alumiinium üha laialdasemalt kasutatavaks. Alumiiniumi kasutatakse mootoriplokkides, mis vähendab mootori kaalu ja omakorda parandab kütusekulu. Seda kasutatakse üha enam ka kerepaneelides, et vähendada sõiduki kogukaalu ohutust ohverdamata, kuna tänapäevased alumiiniumisulamid suudavad pakkuda vajalikku tugevust.
Igapäevaseks kasutamiseks mõeldud toodete väli
Igapäevaelus puutume sageli kokku nii terasest kui ka alumiiniumist toodetega. Terast kasutatakse tavaliselt kööginugade valmistamisel, kus selle kõvadust ja teravust hinnatakse kõrgelt. Terasest mööbel, näiteks metalltoolid ja -lauad, võivad olla nii vastupidavad kui ka moodsad. Alumiiniumi seevastu leidub näiteks kergetes köögitarvetes, mis kuumenevad kiiresti ja ühtlaselt. Elektroonilistel seadmetel, näiteks sülearvutitel ja tahvelarvutitel, on sageli alumiiniumkorpused tänu oma elegantsele välimusele, kergele disainile ja headele soojuseraldusvõimetele.
Õige valiku tegemine
Valimine vastavalt jõudlusnõuetele
Kui vajate kandekonstruktsiooni jaoks suure tugevuse ja jäikusega materjali, on teras tõenäoliselt parem valik. Näiteks suures tööstuslaos, kus hoitakse raskeid masinaid, võivad terastalad pakkuda vajalikku tuge. Kui aga kaalu vähendamine on esmatähtis, näiteks kaasaskantava elektroonikaseadme või võidusõiduauto puhul, muudab alumiiniumi madal tihedus selle sobivamaks valikuks. Juhtivuse osas peaks alumiinium olema esimene kaalutlus, kui töötate elektri- või termilise rakendusega.
Valimine vastavalt kulude eelarvele
Piiratud eelarvega projektide puhul võib teras olla säästlikum valik, eriti arvestades selle madalamat tooraine hinda ja üldiselt madalamaid töötlemiskulusid lihtsate kujundite puhul. Kui aga saate endale lubada kõrgemat esialgset kulu ja otsite pikaajalist kokkuhoidu hoolduse ja jõudluse osas, võib alumiinium olla väärt investeering. Näiteks rannikualal, kus korrosioon on suur probleem, võib alumiiniumkonstruktsioon algselt maksta rohkem, kuid pikas perspektiivis säästab see raha tänu oma suurepärasele korrosioonikindlusele.
Valimine vastavalt rakendusstsenaariumidele
Välitingimustes, eriti karmides keskkondades, annab alumiiniumile eelise korrosioonikindlus. Näiteks alumiiniumist valmistatud välistingimustes kasutatavad sildid või valgustuspostid peavad roosteta kauem vastu. Kõrge temperatuuriga tööstuslikes keskkondades, näiteks terasevalukojas või elektrijaama katlas, muudab terase võime kõrgetele temperatuuridele vastu pidada eelistatud materjaliks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et igivanale küsimusele, kas teras või alumiinium on parem, pole universaalset vastust. Mõlemal materjalil on oma ainulaadsed omadused, eelised ja puudused. Oma projekti konkreetsete nõuete, olgu selleks siis jõudlus, hind või rakendusepõhised tegurid, hoolikas kaalumine aitab teil teha teadliku otsuse. Tahaksime kuulda teie kogemustest terase ja alumiiniumi vahel valimisel. Palun jagage oma mõtteid allolevates kommentaarides!
Postituse aeg: 17. veebruar 2025
