アルミニウムを曲げた後に割れを防ぐための加熱方法

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Q: サブ開発地表面貯水池のオーバーフローの上部に取り付けるゴミラックをいくつか構築しています。 0.5インチを使って簡単な「引っ張って曲げる」曲げ治具を作りました。金型としての鋼棒。新たに0.5インチを注文しました。棒を立ててバラのつぼみで加熱しました。すべてがうまく、予想通りに進み、目的の寸法精度で部品が製造されました。つまり、作業が 4 分の 3 完了するまで続きました。突然、何もうまくできなくなり、ロッドの 90% がひどくひび割れてしまいました。溶接で足を引きずりながら進みました。

トーチの熱を調整した後（冷たすぎると曲がりません）、効果があるのは大量の熱だけだと推測しました。きっと古いロッドストックに酸化物が付着していたのでしょう。すべてがとても新しく見えました。 6～12か月棚に眠っていた材料を使用しましたが、すべてを「古い在庫」のせいにすることはできません。

おそらく加熱が速すぎたのではないかと思い、設定を変更しましたが、良い結果は得られませんでした。作品に少しバネの張力をかけて熱を加え、作品が緩んだら、トーチを当てたままゆっくりと一貫して90度まで引っ張り、作品を過度に加熱しないように注意しました。それがあまりにもうまく機能したので、私は怖くなりました…機能しなくなるまでは。

過去のコラムの 1 つで、6061-T6 アルミニウムの曲げについて説明しましたが、曲げる領域を煤で覆うためにトーチを使用すると説明しました。これは私のアプリケーションでも機能しますか? 曲げる部分をワイヤーブラシで磨いたらどうなるでしょうか？また、手作業で酸化物を除去すれば効果があるでしょうか? アドバイスをいただければ幸いです。

A: すすとアルミニウムについて説明する前に、曲げの一貫性の問題を見てみましょう。ゴミ箱の製造に使用されているスチールまたはアルミニウムの正確なグレードと種類がわからないため、その材料が問題を引き起こしている具体的な理由を言うのは困難です。

ただし、会話のこの時点では、それは実際には問題ではありません。古い素材か新しい素材かはおそらく問題ではありません。同じプロセスを経た場合、金属の各タイプとグレードはランダムに同じ変化を示すことに注意してください。したがって、再現性の問題は、ベース材料の混合が決して完璧ではないため、材料の 2 つのバッチが同じではなく、同じ加熱からバッチ化されたものでさえないという事実に根ざしています。

使用するすべての材料には、厚さ、硬度、降伏強度、引張強度などのさまざまな属性に関する公差ゾーンがあります。これは、「貧弱な」素材を使用する場合もあれば、「より良い」素材を使用する場合もあるという意味ではありません。材料は指定された公差範囲内で異なるだけなので、曲がり方も異なります。

鋼は降伏強度などの要素に応じて分類できます。たとえば、降伏強度の値は、材料の不純物、欠陥、製造技術に応じて大きく変動する可能性があります。

規制では、特定の材料タイプを定義する際に最小降伏強度を宣言することが求められています。最小降伏強度が 36,000 PSI の鋼は、A36 としてラベル付けできます。同じ材料は 2 つとないため、可変公差を適用する必要があります。これは、降伏強度が 13% 高いにもかかわらず、41,000 PSI の降伏強度が引き続き A36 として販売されることを意味します。この材料の曲げに対する耐性が高まると、より大きな曲げ力が必要になります。降伏強度 36,000 PSI の材料はある角度まで曲がり、降伏強度 41,000 PSI の別の材料はより小さい角度まで曲がります。侵入深さや必要な曲げ力は変わりません (図 1 を参照)。同じ理由で、延性や硬度の変動、または曲げ半径が小さすぎることも亀裂の原因となる可能性があります。これらの変動は、使用する可能性のあるどのマテリアルにも当てはまります。

加熱すると材料が焼きなまされて柔らかくなり、曲げやすくなります。また、発生しているひび割れを制御するのにも役立ちます。

図 1. 降伏強度が変化すると、角度が変化します。

材料を適切に加熱するには、バラのつぼみの先端が付いたトーチを使用します。また、温度に注意し、無理のない範囲で加熱してください。鋼の場合は 900 ～ 1,050 度です。

鋼をこれらの温度の間に維持すれば、降伏強さと引張強さに関しては問題ないはずです。ただし、材料を 1,600 ～ 2,000 度 F に加熱すると、金属の焼き戻しに大きな変化が見られ、完成品をそのワークピースに必要な降伏強度/引張強度に戻す熱処理が必要になる場合があります。

温度を測定する方法はたくさんあります。鋼を加熱すると色が変化するので、色と温度のグラフと比較できます (図 2 を参照)。正確に測定したい場合は、30 ドル程度で購入できるデジタル温度計を使用できます。加熱された領域を狙って、結果を読み取るだけです。

ここで、煤とアルミニウムに関するご質問に移ります。アルミニウムの加熱は、いくつかの点を除いて、鋼の場合と同様に機能します。まず、アルミニウムは鋼のように変色しないため、火傷が現実的な問題になります。また、色が変化しないため、温度グラフと比較することはできません。デジタル温度計を持っていない場合はどうすればよいですか?

その質問に答える前に、アルミニウムやスチールの棒ではなく板金やプレートを使用している場合には、考慮すべき熱関連の問題がもう 1 つあります。それは、板に穴が開く可能性があることです。鋼でもこれを行うことができますが、それが起こるのがわかります。アルミニウムではそうはなりません。なぜ？酸化アルミニウムのせいです。

酸化アルミニウムの融点 3,600 °F は、アルミニウムの融点 1,220 °F よりもはるかに高いです。これは、アルミニウムが内側から外側に溶けて、材料に穴が開く可能性があることを意味します。また、アルミニウムは変色しないので、変色することはありません。したがって、加熱には注意と均一性が必要です。

合金鋼にもよりますが、鋼の方がより寛容です。融点は、低炭素鋼の場合は 2,599 °F、クロムモリブデン鋼の場合は 2,786 °F と低くなります。いずれにせよ、鋼は色が変化するので、その温度を判断して爆発が起こるかどうかを確認できます。

アルミニウムを加熱していて、デジタル温度ガンを持っていない場合、どうすれば過熱を防ぐことができますか? ここで煤が登場します。化石燃料が完全に燃焼していない場合、黒い炭素のすすが放出されます。曲げようとしている部品を加熱するために使用するのと同じアセチレントーチの調整を外すだけで、黒い炭素のすすが簡単に生成されます。曲げ線の内側の長さに沿ってカーボンの層を置きます。次に、トーチを再調整し、曲がりの外側、つまり炭素のすすの反対側となる部分を加熱し始めます。

炭素すすは 752 °F で燃え尽きます。これはアルミニウムの融点より 460 度低い値です。これは、アルミニウムを可鍛性にして、焼き戻しや穴が開いたりする危険なしに簡単に曲げられるほどの高温です。

酸化アルミニウムの除去は成形には必要ありませんが、溶接の際に役立ちます。ワイヤーブラシでこすってから、糸くずの出ない布で拭いてください。

問題は、アルミニウムの未処理の表面と空気の間の反応がほんの数秒以内に始まることです。酸化アルミニウムの厚さはわずか 1.5 μm です。安定していて機械的に強いため、酸化物はアルミニウム表面に結合します。これにより、空気とのさらなる反応からアルミニウムが分離されます。これは不動態化として知られ、ステンレス鋼やチタンの安定性を維持するために使用するプロセスと同じです。そうは言っても、酸化アルミニウムを一時的に除去することはできますが、成形作業の安定化には役立ちません。

図 2. 色と温度のグラフを使用して、鋼のおおよその温度を判断できます。