Härtetabelle für Aluminiumlegierungen: HW, HB, HV, HRB, HBA

Einführung

Definition von Aluminiumhärte

Die Härte von Aluminium bezieht sich auf die Fähigkeit des Werkstoffs, örtlich begrenzten plastischen Verformungen zu widerstehen, die durch Eindrücken, Abrieb oder Eindringen entstehen können. Diese Eigenschaft ist entscheidend dafür, wie sich Aluminiumlegierungen unter verschiedenen mechanischen Belastungen und Bedingungen verhalten. Die Härte ist ein wichtiger Parameter, der die Haltbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die allgemeine mechanische Leistung von Aluminiumlegierungen beeinflusst.

Die Bedeutung der Härte von Aluminiumlegierungen

Die Härte von Aluminiumlegierungen ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung ihrer Eignung für verschiedene Anwendungen. Sie wirkt sich direkt auf die Verschleißfestigkeit des Materials, seine Formbeständigkeit bei mechanischer Beanspruchung und seine allgemeine Langlebigkeit im Einsatz aus. Höhere Härtewerte von Aluminiumlegierungen sind beispielsweise für Anwendungen wünschenswert, bei denen Abriebfestigkeit und strukturelle Integrität von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt und bei Automobilkomponenten.

Die Härte korreliert auch mit anderen mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Streckgrenze, was sie zu einem wichtigen Faktor bei der Materialauswahl macht. Die Kenntnis der Härte von Aluminiumlegierungen hilft Ingenieuren und Herstellern sicherzustellen, dass das gewählte Material die Leistungsanforderungen bestimmter Anwendungen erfüllt und die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz erhöht.

Messung der Härte von Aluminiumlegierungen

Die Härte von Aluminiumlegierungen kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden, von denen jede ihre eigene Bedeutung und Anwendung hat. Zu den gebräuchlichsten Verfahren gehören die Brinell-, Rockwell- und Vickers-Härteprüfung.

• Brinell-Härteprüfung: Bei dieser Methode wird eine harte Stahl- oder Karbidkugel unter einer bestimmten Last in das Material gedrückt. Der Durchmesser der im Material hinterlassenen Vertiefung wird gemessen, und der Härtewert wird berechnet. Brinell-Härtezahlen (BHN) werden üblicherweise für weichere Aluminiumlegierungen verwendet.
• Rockwell-Härtetest: Bei der Rockwell-Prüfung wird die Eindringtiefe eines Eindringkörpers unter einer großen Last im Vergleich zur Eindringtiefe unter einer Vorlast gemessen. Die Rockwell-Härtezahl (HR) wird aus dem Tiefenunterschied abgeleitet. Diese Methode ist schneller und unkomplizierter und eignet sich für eine Vielzahl von Aluminiumlegierungen.
• Vickers-Härteprüfung: Bei dieser Methode wird ein pyramidenförmiger Diamanteindringkörper verwendet, der mit einer bestimmten Kraft einen Eindruck erzeugt. Die Größe des Eindrucks wird mikroskopisch gemessen, und die Vickers-Härtezahl (HV) wird berechnet. Das Vickers-Verfahren ist sehr genau und kann sowohl für harte als auch für weiche Aluminiumlegierungen verwendet werden.

Die Aluminiumlegierung 6061 hat beispielsweise eine typische Brinellhärte von etwa 95 BHN, während die für ihre hohe Festigkeit bekannte Aluminiumlegierung 7075 eine Brinellhärte von etwa 150 BHN aufweist. Diese Werte verdeutlichen, dass verschiedene Aluminiumlegierungen in ihrer Härte erheblich variieren können, was sich auf ihre Anwendung auswirkt.

Faktoren, die die Härte von Aluminiumlegierungen beeinflussen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Härte von Aluminiumlegierungen, darunter Legierungselemente, Wärmebehandlung und Kaltverfestigung.

Arbeitsverhärtung: Die Verformung einer Aluminiumlegierung bei Raumtemperatur kann ihre Härte erhöhen. Durch Kaltverformung, wie Walzen oder Hämmern, werden Versetzungen in die Kristallstruktur des Materials eingebracht, wodurch es härter und fester wird.

Legierungselemente: Elemente wie Kupfer, Magnesium, Silizium und Zink werden dem Aluminium zugesetzt, um seine mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Härte, zu verbessern. Zum Beispiel erhöht der Zusatz von Zink in der Aluminiumlegierung 7075 die Härte und Festigkeit erheblich.

Wärmebehandlung: Wärmebehandlungsverfahren wie Lösungsglühen und Altern können das Mikrogefüge von Aluminiumlegierungen verändern und dadurch ihre Härte beeinflussen. Das T6-Anlassverfahren für 6061-Aluminium beispielsweise beinhaltet eine Lösungsglühung mit anschließender künstlicher Alterung, die zu einer Verbesserung der Härte und der mechanischen Eigenschaften führt.

Härtetabelle für Aluminiumlegierungen

Die folgende Tabelle enthält typische Vickers-Härtewerte, die mit einem Tianxing W-20 Vickers-Härteprüfgerät für fast 400 verschiedene Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren gemessen wurden.

Die Vickers-Härtewerte in der Tabelle sind tatsächlich gemessene typische Härtewerte verschiedener Aluminiumlegierungen und dienen nicht als Grundlage für die Beurteilung, ob das Material qualifiziert ist. Die Härtequalifikationswerte für verschiedene Materialien sollten sich auf die entsprechenden technischen Produktspezifikationen beziehen. So ist beispielsweise in der nationalen Norm GB 5237.1 "Aluminum Alloy Building Profiles Part 1: Base Material" (Bauprofile aus Aluminiumlegierungen, Teil 1: Grundmaterial) festgelegt, dass der Vickers-Härtewert von 6063-T5 nicht unter 8HW und der Vickers-Härtewert von 6063A-T5 nicht unter 10HW liegen sollte.

Die Brinell-HärteVickers-Härte, Rockwell-Härte und Barcol-Härte dienen nur als Referenz und können nicht zur Umrechnung verwendet werden. Wenn eine Umrechnung erforderlich ist, wird empfohlen, die Härteumrechnungstabelle der amerikanischen Norm ASTM E140 zu verwenden.

Härtetabelle für Aluminiumlegierungen

Vergleichende Analyse

Vergleich der Härte von Aluminium-Legierungen

Methodik für den Vergleich

Bei einer vergleichenden Analyse der Aluminiumhärte werden verschiedene Faktoren wie Legierungstyp, Härtegrad und das Vorhandensein von Verstärkungsmaterialien bewertet. Der Vergleich basiert normalerweise auf standardisierten Härteprüfverfahren wie Rockwell, Brinell und Vickers. Diese Prüfungen liefern quantifizierbare Messwerte, mit denen sich die Härtegrade verschiedener Legierungen unter ähnlichen Bedingungen vergleichen lassen.

Faktoren, die die Härte beeinflussen

Mehrere Schlüsselfaktoren beeinflussen die Härte von Aluminiumlegierungen:

1. Legierungselemente:
   • Kupfer (Cu): Erhöht die Härte und Festigkeit. Die kupferhaltige Legierung 2024 zum Beispiel ist für ihre hohe Festigkeit und Härte bekannt und eignet sich daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.
   • Magnesium (Mg): Trägt zu mittlerer Härte und Korrosionsbeständigkeit bei. Die magnesiumhaltige Legierung 5052 wird aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und mittleren Härte in der Schifffahrt eingesetzt.
   • Silizium (Si): Verbessert die Gießeigenschaften und mäßige Härte. Die siliziumhaltige Gusslegierung 356 wird wegen ihrer guten Gießeigenschaften und ausreichenden Härte häufig für Automobilteile verwendet.
   • Zink (Zn): Erhöht die Härte und Festigkeit erheblich. Die zinkhaltige Legierung 7075 ist eine der stärksten Aluminiumlegierungen und wird für Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie z. B. Flugzeugstrukturen.
2. Verfahren der Wärmebehandlung:
   • Lösung Wärmebehandlung: Die Legierung wird erhitzt, um die Legierungselemente zu lösen, und anschließend schnell abgekühlt, um eine übersättigte Lösung zu erhalten. Dieses Verfahren erhöht die Härte von Legierungen wie 6061 und 7075.
   • Alterung: Sowohl natürliche als auch künstliche Alterungsprozesse ermöglichen die Bildung von Ausscheidungen, die die Härte erhöhen. Der T6-Anlass beispielsweise beinhaltet eine Lösungsglühung mit anschließender künstlicher Alterung, die die Härte von Legierungen wie 6061-T6 und 7075-T6 erhöht.
3. Natürliche Alterung: Im Laufe der Zeit altern Aluminiumlegierungen auf natürliche Weise, was aufgrund der langsamen Bildung von Ausscheidungen zu Veränderungen der Härte führt. Dieser Prozess kann durch künstliche Alterungsbehandlungen beschleunigt werden.
4. Verstärkende Materialien: Die Zugabe von Materialien wie Zirkoniumdiborid oder Schneckenhäusern zu Aluminiummatrizen kann die Härte und den Elastizitätsmodul erhöhen. Der prozentuale Anteil der Verstärkung korreliert direkt mit der Härte und den mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffs.

Die Faktoren, die die Härte beeinflussen, spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Eignung einer Aluminiumlegierung für bestimmte Anwendungen.

Bestimmung der besten Legierung für spezifische Anforderungen

Entscheidungsfindungsprozess auf der Grundlage von Härte und Eigenschaften

Die Auswahl der besten Aluminiumlegierung für eine bestimmte Anwendung erfordert die Berücksichtigung des gewünschten Gleichgewichts von Härte, Festigkeit, Duktilität und anderen mechanischen Eigenschaften. Dieser Entscheidungsprozess beinhaltet:

1. Anforderungen an die Bewerbung: Verständnis der spezifischen Anforderungen der Anwendung, wie Tragfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Umweltbedingungen.
2. Mechanische Eigenschaften: Bewertung der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung potenzieller Legierungen, um sicherzustellen, dass sie die Leistungskriterien erfüllen.
3. Fähigkeiten in der Wärmebehandlung: Prüfung der Machbarkeit und der Vorteile von Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der Härte und anderer Eigenschaften.
4. Kosten und Verfügbarkeit: Abwägung der Materialkosten und -verfügbarkeit mit den erforderlichen Leistungsmerkmalen.

Fallstudien oder Beispiele für Vergleiche

1. 6061 vs. 7075 Aluminium:
   • 7075 Aluminium: Bekannt für seine überragende Härte und Festigkeit, mit einer Brinellhärte von etwa HB 150 im Zustand T6. Es ist ideal für hochbeanspruchte Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und militärische Komponenten.
   • 6061 Aluminium: Bietet eine mittlere Härte (HB 90-95 im Zustand T6) und eine gute Bearbeitbarkeit, wodurch es sich für Automobilteile und den Bau eignet.
2. 5052 vs. 6063 Aluminium:
   • 5052 Aluminium: Bietet gute Korrosionsbeständigkeit und mittlere Härte, wird häufig in der Schifffahrt und für architektonische Anwendungen verwendet.
   • 6063 Aluminium: Eine wärmebehandelbare Legierung, die durch Anlassen eine höhere Härte erreichen kann und häufig in Strangpressverfahren für Fensterrahmen und Rohrleitungen verwendet wird.
3. Verstärkte Verbundwerkstoffe:
   • Der Zusatz von Zirkondiborid zu Aluminiummatrizen erhöht die Härte und den Elastizitätsmodul, wodurch sich diese Verbundwerkstoffe für Anwendungen eignen, die verbesserte mechanische Eigenschaften erfordern.

Durch das Verständnis und den Vergleich der Härte und der mechanischen Eigenschaften verschiedener Aluminiumlegierungen können Ingenieure und Hersteller fundierte Entscheidungen treffen, um die am besten geeigneten Werkstoffe für ihre spezifischen Anforderungen auszuwählen und eine optimale Leistung und Langlebigkeit ihrer Anwendungen zu gewährleisten.

Einhaltung von Normen und Standards

Die Bedeutung von Normen in der Aluminiumindustrie

Die Einhaltung von Industrienormen ist unerlässlich, um die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistung von Aluminiumlegierungen in verschiedenen Anwendungen zu gewährleisten. Diese Normen bieten einen einheitlichen Rahmen für die Prüfung, Klassifizierung und Qualitätssicherung und stellen sicher, dass Aluminiumteile die strengen Anforderungen verschiedener Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Bauwesen erfüllen.

Überblick über die Industriestandards

Mehrere wichtige Normen regeln die Härte und andere Eigenschaften von Aluminiumlegierungen und erleichtern die Konsistenz und Qualitätskontrolle bei Herstellungs- und Anwendungsprozessen.

AMS 2658D

Die Spezifikation AMS 2658D, "Hardness and Conductivity Inspection of Wrought Alloy Parts" (Härte- und Leitfähigkeitsprüfung von Teilen aus Aluminiumknetlegierungen), ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung. Sie legt die Abnahmekriterien für die Härte und die elektrische Leitfähigkeit von fertigen oder halbfertigen Teilen aus Aluminiumknetlegierungen fest. Diese Norm legt die erforderlichen Werte für Härte und Leitfähigkeit fest und stellt sicher, dass die Werkstoffe die erforderlichen Leistungskriterien für Luft- und Raumfahrtanwendungen erfüllen.

ASTM B647-10(2016)

Die Norm ASTM B647-10(2016) beschreibt die Verwendung des Webster-Härteprüfgeräts zur Messung der Härte von Aluminiumlegierungen. Obwohl das Webster-Härteprüfgerät weniger empfindlich ist als Rockwell- oder Brinell-Härteprüfgeräte, ist es für die Produktionskontrolle und die Prüfung vor Ort wertvoll. Diese Norm trägt zur Aufrechterhaltung der Qualität während der Herstellung bei und stellt sicher, dass die Aluminiumteile die vorgegebenen Härtegrade einhalten.

EN-Normen

Die EN-Normen bieten einen umfassenden Rahmen für Aluminiumlegierungen, der mechanische Eigenschaften, Wärmebehandlungsbezeichnungen und Korrosionsbeständigkeit abdeckt. Diese Normen, die ältere Normen wie BS1470 ersetzt haben, gewährleisten Konsistenz und Qualität für verschiedene Anwendungen und Branchen. Sie sind für Hersteller unerlässlich, um Aluminiumteile zu produzieren, die den erforderlichen Spezifikationen und Leistungskriterien entsprechen.

Spezifische Normen für die Aluminiumhärte

Verschiedene Aluminiumlegierungen haben spezifische Normen und Eigenschaften, die erfüllt werden müssen, um ihre Eignung für die vorgesehenen Anwendungen zu gewährleisten. Zum Beispiel:

• 2024-T351: Diese Legierung ist für ihre hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit bekannt und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Die Normen für 2024-T351 gewährleisten, dass es die erforderliche Härte und die mechanischen Eigenschaften für kritische Strukturkomponenten erfüllt.
• 6061-T651: Diese vielseitige Legierung wird in verschiedenen Industriezweigen verwendet, unter anderem in der Automobilindustrie und im Bauwesen. Die Normen für 6061-T651 spezifizieren seine Härte, Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und stellen sicher, dass es in verschiedenen Anwendungen zuverlässig funktioniert.
• 7075-T651: Als eine der höchstfesten Aluminiumlegierungen ist 7075-T651 für hochbelastete Anwendungen wie Flugzeugtragflächen und Militärfahrzeuge unerlässlich. Die Normen für diese Legierung gewährleisten, dass sie die strengen Anforderungen an Härte und mechanische Eigenschaften erfüllt, die für diese anspruchsvollen Anwendungen erforderlich sind.

Sicherstellung der Compliance in der Produktion

Die Hersteller müssen sich an die Industrienormen halten, um die Qualität und Leistung von Aluminiumlegierungen zu gewährleisten. Dazu gehören strenge Prüf- und Zertifizierungsverfahren, die sicherstellen, dass die Werkstoffe die vorgegebenen Kriterien erfüllen.

Prüf- und Zertifizierungsverfahren

• Härteprüfung: Methoden wie die Rockwell-, Brinell- und Vickers-Härteprüfung werden zur Messung der Härte von Aluminiumlegierungen eingesetzt. Diese Prüfungen stellen sicher, dass die Werkstoffe die von den Industrienormen geforderten Härtegrade erfüllen.
• Messungen der Leitfähigkeit: Messungen der elektrischen Leitfähigkeit, ausgedrückt als Prozentsatz des International Annealed Copper Standard (IACS), werden zur Überprüfung der Eigenschaften von wärmebehandelten Aluminiumteilen verwendet. Diese Messungen werden durch die Menge der Legierungselemente in fester Lösung und die Art der während der Wärmebehandlung gebildeten Ausscheidungen beeinflusst.

Konsequenzen bei Nichteinhaltung der Vorschriften

Die Nichteinhaltung von Industriestandards kann schwerwiegende Folgen haben, unter anderem:

• Produktmängel: Aluminiumteile, die nicht die geforderte Härte und mechanischen Eigenschaften aufweisen, können unter Belastung versagen, was zu Sicherheitsrisiken und potenziellen katastrophalen Ausfällen in kritischen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Automobilteilen führt.
• Finanzielle Verluste: Die Nichteinhaltung von Vorschriften kann kostspielige Rückrufe, Reparaturen und rechtliche Verpflichtungen nach sich ziehen und den Ruf und die finanzielle Stabilität des Herstellers beeinträchtigen.
• Ordnungsrechtliche Sanktionen: Die Nichteinhaltung von Industrienormen kann zu behördlichen Strafen und zum Verlust von Zertifizierungen führen, was die Fähigkeit des Herstellers einschränkt, Materialien an bestimmte Branchen zu liefern.

Die Einhaltung von Normen wie AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) und den EN-Normen ist für die Aufrechterhaltung der Qualität, Sicherheit und Leistung von Aluminiumlegierungen in verschiedenen Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung. Diese Normen bieten einen Rahmen für die Prüfung, Klassifizierung und Anwendung und unterstützen die Hersteller bei der Herstellung zuverlässiger und hochwertiger Aluminiumteile, die den strengen Anforderungen der verschiedenen Branchen entsprechen.

Welche Elemente, die einer Aluminiumlegierung hinzugefügt werden, können ihre Härte am stärksten erhöhen?

Elemente wie Magnesium, Mangan, Titan und Seltene Erden (wie Lanthan und Yttrium) können einer Aluminiumlegierung hinzugefügt werden, um ihre Härte zu erhöhen. Durch die Zugabe von Magnesium kann die Zugfestigkeit von Aluminium deutlich erhöht werden; je 1% mehr Magnesium erhöht sich die Zugfestigkeit um etwa 34 MPa.

Die Zugabe von Mangan kann die verfestigende Wirkung ergänzen und die Anfälligkeit für thermische Rissbildung verringern.

Darüber hinaus kann der Zusatz von Seltenerdelementen (wie Lanthan und Yttrium) die Beständigkeit gegen das Ablösen der Oxidationsschicht erhöhen. Daher kann die Beimischung dieser Elemente die Härte von Aluminiumlegierungen in unterschiedlichem Maße erhöhen.

Wie kann die Härte und Verschleißfestigkeit von Aluminiumlegierungen durch Oberflächenbehandlungsverfahren verbessert werden?

Es gibt verschiedene Methoden, um die Härte und Verschleißfestigkeit von Aluminiumlegierungen durch Oberflächenbehandlung zu verbessern:

Anodische Oxidationsbehandlung: Bei dieser gängigen Methode wird eine dichte Oxidschicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung gebildet, wodurch die Härte und Korrosionsbeständigkeit erhöht wird.

Oberflächengalvanisierung: Durch die Beschichtung der Oberfläche der Aluminiumlegierung mit einer Metallschicht (z. B. Zinn oder Kupfer) können ihre Härte und Verschleißfestigkeit wirksam verbessert werden.

Spritzen von verschleißfesten Beschichtungen: Eine spezielle verschleißfeste Beschichtung wird gleichmäßig auf die Oberfläche der Aluminiumlegierung gesprüht, um eine gleichmäßige, dichte und harte Beschichtung zu bilden. Diese Methode verbessert nicht nur die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sondern auch das Aussehen.

Kaltverfestigung: Diese Methode härtet die Aluminiumlegierung bei Raumtemperatur durch Kaltumformung und eignet sich für Materialien aus Aluminiumlegierungen, die ihre ursprüngliche Form beibehalten müssen.

Wärmebehandlung: Bei bestimmten Aluminiumlegierungen (z. B. 6061) kann die Festigkeit und Härte durch eine Alterungsbehandlung erhöht werden. Dies beinhaltet in der Regel eine Alterungsbehandlung nach der Lösungsbehandlung.

Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Abscheidung einer amorphen CrAlN-Schicht: Bei diesem Verfahren wird eine amorphe CrAlN-Beschichtung auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung aufgebracht, die die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit verbessert.

Thermisches Spritzen und selbstausbreitende Hochtemperatursynthese: Mit diesen Methoden können verschleißfeste keramische Beschichtungen auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung hergestellt werden, die die Verschleißfestigkeit der Aluminiumlegierung erheblich verbessern.