Tabla de dureza de las aleaciones de aluminio: HW, HB, HV, HRB, HBA

Introducción

Definición de dureza del aluminio

La dureza del aluminio se refiere a la capacidad del material para resistir la deformación plástica localizada, que puede producirse por indentación, abrasión o penetración. Esta propiedad es crucial para comprender cómo se comportarán las aleaciones de aluminio bajo diversas tensiones y condiciones mecánicas. La dureza es un parámetro importante que influye en la durabilidad, la resistencia al desgaste y el rendimiento mecánico general de las aleaciones de aluminio.

Importancia de la dureza en las aleaciones de aluminio

La dureza de las aleaciones de aluminio es un factor clave para determinar su idoneidad para distintas aplicaciones. Afecta directamente a la resistencia del material al desgaste, a su capacidad para mantener la forma bajo tensión mecánica y a su longevidad general en servicio. Por ejemplo, los valores más altos de dureza en las aleaciones de aluminio son deseables en aplicaciones en las que la resistencia a la abrasión y la integridad estructural son críticas, como en los componentes aeroespaciales y de automoción.

La dureza también se correlaciona con otras propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción y el límite elástico, por lo que es una consideración vital en el proceso de selección de materiales. Conocer la dureza de las aleaciones de aluminio ayuda a ingenieros y fabricantes a garantizar que el material elegido cumplirá los requisitos de rendimiento de aplicaciones específicas, mejorando la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia.

Medición de la dureza en aleaciones de aluminio

La dureza de las aleaciones de aluminio puede medirse utilizando varios métodos diferentes, cada uno con su propia relevancia y aplicación. Los métodos más comunes son los ensayos de dureza Brinell, Rockwell y Vickers.

• Ensayo de dureza Brinell: Este método consiste en presionar una bola dura de acero o carburo en el material bajo una carga específica. Se mide el diámetro de la hendidura dejada en el material y se calcula el valor de dureza. Los números de dureza Brinell (BHN) se utilizan habitualmente para las aleaciones de aluminio más blandas.
• Ensayo de dureza Rockwell: El ensayo Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una gran carga en comparación con la penetración realizada por una carga preliminar. El número de dureza Rockwell (HR) se obtiene a partir de la diferencia de profundidad. Este método es más rápido y sencillo, adecuado para una amplia gama de aleaciones de aluminio.
• Ensayo de dureza Vickers: Este método utiliza un indentador piramidal de diamante y aplica una carga específica para crear una indentación. El tamaño de la indentación se mide microscópicamente y se calcula el número de dureza Vickers (HV). El ensayo Vickers es muy preciso y puede utilizarse tanto para aleaciones de aluminio duras como blandas.

Por ejemplo, la aleación de aluminio 6061 suele tener una dureza Brinell de unos 95 BHN, mientras que la aleación de aluminio 7075, conocida por su gran resistencia, tiene una dureza Brinell de aproximadamente 150 BHN. Estos valores ilustran cómo las distintas aleaciones de aluminio pueden variar significativamente en dureza, lo que influye en su aplicación.

Factores que influyen en la dureza de las aleaciones de aluminio

Varios factores influyen en la dureza de las aleaciones de aluminio, como los elementos de aleación, el tratamiento térmico y el endurecimiento por deformación.

Endurecimiento del trabajo: El proceso de deformación de la aleación de aluminio a temperatura ambiente puede aumentar su dureza. El trabajo en frío, como el laminado o el martilleado, introduce dislocaciones en la estructura cristalina del material, haciéndolo más duro y resistente.

Elementos de aleación: Elementos como el cobre, el magnesio, el silicio y el zinc se añaden al aluminio para mejorar sus propiedades mecánicas, incluida la dureza. Por ejemplo, la adición de zinc en la aleación de aluminio 7075 aumenta significativamente su dureza y resistencia.

Tratamiento térmico: Los procesos de tratamiento térmico, como el tratamiento térmico en solución y el envejecimiento, pueden alterar la microestructura de las aleaciones de aluminio, afectando así a su dureza. Por ejemplo, el proceso de templado T6 del aluminio 6061 consiste en un tratamiento térmico en solución seguido de un envejecimiento artificial, lo que mejora la dureza y las propiedades mecánicas.

Tabla de dureza de las aleaciones de aluminio

La siguiente tabla proporciona valores típicos de dureza Vickers medidos con un durómetro Vickers Tianxing W-20 para casi 400 grados diferentes de materiales de aleación de aluminio con diferentes procesos de tratamiento térmico.

Los valores de dureza Vickers de la tabla son valores de dureza típicos medidos reales de diversos materiales de aleación de aluminio y no se utilizan como base para determinar si el material está cualificado. Los valores de calificación de la dureza para diversos materiales deben referirse a las especificaciones técnicas del producto correspondiente. Por ejemplo, en la norma nacional GB 5237.1 "Perfiles de construcción de aleación de aluminio Parte 1: Material base" se estipula que el valor de dureza Vickers del 6063-T5 no debe ser inferior a 8HW, y el valor de dureza Vickers del 6063A-T5 no debe ser inferior a 10HW.

En Dureza Brinell, la dureza Vickers, la dureza Rockwell y la dureza Barcol son sólo de referencia y no pueden utilizarse para la conversión. Si se requiere una conversión, se recomienda utilizar la tabla de conversión de durezas de la norma americana ASTM E140.

Tabla de dureza de las aleaciones de aluminio

Análisis comparativo

Comparación de la dureza entre aleaciones de aluminio

Metodología de comparación

Realizar un análisis comparativo de la dureza del aluminio implica evaluar diversos factores, como el tipo de aleación, el temple y la presencia de materiales de refuerzo. La comparación suele basarse en métodos de ensayo de dureza normalizados como Rockwell, Brinell y Vickers. Estos ensayos proporcionan mediciones cuantificables que pueden utilizarse para comparar los niveles de dureza de diferentes aleaciones en condiciones similares.

Factores que influyen en la dureza

Varios factores clave influyen en la dureza de las aleaciones de aluminio:

1. Elementos de aleación:
   • Cobre (Cu): Aumenta la dureza y la resistencia. Por ejemplo, la aleación 2024, que contiene cobre, es conocida por su gran resistencia y dureza, lo que la hace adecuada para aplicaciones aeroespaciales.
   • Magnesio (Mg): Contribuye a una dureza moderada y a la resistencia a la corrosión. La aleación 5052, que contiene magnesio, se utiliza en entornos marinos por su buena resistencia a la corrosión y su dureza moderada.
   • Silicio (Si): Mejora las propiedades de fundición y una dureza moderada. La aleación de fundición 356, que contiene silicio, se utiliza habitualmente en piezas de automoción por sus buenas características de fundición y suficiente dureza.
   • Zinc (Zn): Aumenta significativamente la dureza y la resistencia. La aleación 7075, que contiene zinc, es una de las aleaciones de aluminio más resistentes y se utiliza en aplicaciones que requieren una gran resistencia, como las estructuras aeronáuticas.
2. Procesos de tratamiento térmico:
   • Tratamiento térmico de soluciones: Consiste en calentar la aleación para disolver los elementos de aleación, seguido de un enfriamiento rápido para crear una solución sobresaturada. Este proceso aumenta la dureza de aleaciones como 6061 y 7075.
   • Envejecimiento: Tanto el envejecimiento natural como el artificial permiten la formación de precipitados, lo que aumenta la dureza. Por ejemplo, el temple T6 implica un tratamiento térmico de disolución seguido de envejecimiento artificial, que aumenta la dureza en aleaciones como 6061-T6 y 7075-T6.
3. Envejecimiento natural: Con el tiempo, las aleaciones de aluminio envejecen de forma natural, lo que provoca cambios en la dureza debido a la lenta formación de precipitados. Este proceso puede acelerarse mediante tratamientos artificiales de envejecimiento.
4. Materiales de refuerzo: La adición de materiales como el diboruro de circonio o las conchas de caracol a matrices de aluminio puede aumentar la dureza y el módulo elástico. El porcentaje de refuerzo está directamente relacionado con la dureza y las propiedades mecánicas del compuesto.

Los factores que influyen en la dureza desempeñan un papel crucial a la hora de determinar la idoneidad de una aleación de aluminio para aplicaciones específicas.

Determinar la mejor aleación para necesidades específicas

Proceso de toma de decisiones basado en la dureza y las propiedades

Seleccionar la mejor aleación de aluminio para una aplicación específica requiere considerar el equilibrio deseado de dureza, resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas. Este proceso de toma de decisiones implica:

1. Requisitos de solicitud: Comprender las exigencias específicas de la aplicación, como la capacidad de carga, la resistencia al desgaste y las condiciones ambientales.
2. Propiedades mecánicas: Evaluar la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento de las posibles aleaciones para garantizar que cumplen los criterios de rendimiento.
3. Capacidades de tratamiento térmico: Considerar la viabilidad y los beneficios de los procesos de tratamiento térmico para mejorar la dureza y otras propiedades.
4. Coste y disponibilidad: Equilibrar los costes y la disponibilidad de los materiales con las características de rendimiento requeridas.

Casos prácticos o ejemplos de comparaciones

1. Aluminio 6061 frente a 7075:
   • Aluminio 7075: Conocido por su dureza y resistencia superiores, con una dureza Brinell de aproximadamente HB 150 en el temple T6. Es ideal para aplicaciones sometidas a grandes esfuerzos, como componentes aeroespaciales y militares.
   • Aluminio 6061: Ofrece una dureza moderada (HB 90-95 en el temple T6) y una buena maquinabilidad, lo que lo hace adecuado para piezas de automoción y construcción.
2. Aluminio 5052 vs 6063:
   • Aluminio 5052: Proporciona una buena resistencia a la corrosión y una dureza moderada, se utiliza habitualmente en entornos marinos y para aplicaciones arquitectónicas.
   • Aluminio 6063: Aleación termotratable que puede alcanzar una mayor dureza mediante revenido, a menudo utilizada en procesos de extrusión para marcos de ventanas y tuberías.
3. Compuestos reforzados:
   • La adición de diboruro de circonio a matrices de aluminio aumenta la dureza y el módulo elástico, lo que hace que estos compuestos sean adecuados para aplicaciones que requieren propiedades mecánicas mejoradas.

Al conocer y comparar la dureza y las propiedades mecánicas de las distintas aleaciones de aluminio, los ingenieros y fabricantes pueden tomar decisiones con conocimiento de causa para seleccionar los materiales más adecuados a sus necesidades específicas, garantizando un rendimiento y una longevidad óptimos en sus aplicaciones.

Cumplimiento y normas

Importancia de las normas en la industria del aluminio

El cumplimiento de las normas industriales es esencial para garantizar la fiabilidad, la seguridad y el rendimiento de las aleaciones de aluminio en diversas aplicaciones. Estas normas proporcionan un marco uniforme para los ensayos, la clasificación y la garantía de calidad, asegurando que las piezas de aluminio cumplen los estrictos requisitos de diferentes industrias como la aeroespacial, la automovilística y la de la construcción.

Panorama de las normas del sector

Varias normas clave regulan la dureza y otras propiedades de las aleaciones de aluminio, facilitando la coherencia y el control de calidad en los procesos de fabricación y aplicación.

AMS 2658D

La especificación AMS 2658D, "Inspección de dureza y conductividad de piezas de aleaciones de aluminio forjado", es crucial en la industria aeroespacial. Establece los criterios de aceptación de la dureza y la conductividad eléctrica de piezas acabadas o semiacabadas de aleaciones de aluminio forjado. Esta norma especifica los valores requeridos de dureza y conductividad, garantizando que los materiales cumplen los criterios de rendimiento necesarios para las aplicaciones aeroespaciales.

ASTM B647-10(2016)

La norma ASTM B647-10(2016) describe el uso del medidor de dureza Webster para medir la dureza de las aleaciones de aluminio. Aunque es menos sensible que las máquinas de dureza Rockwell o Brinell, el medidor Webster es valioso para el control de la producción y las pruebas de campo. Esta norma ayuda a mantener la calidad durante la fabricación y garantiza que las piezas de aluminio cumplen los niveles de dureza especificados.

Normas EN

Las normas EN proporcionan un marco completo para las aleaciones de aluminio, que abarca propiedades mecánicas, designaciones de tratamientos térmicos y resistencia a la corrosión. Estas normas, que han sustituido a otras más antiguas como la BS1470, garantizan la coherencia y la calidad en diferentes aplicaciones e industrias. Son esenciales para que los fabricantes produzcan piezas de aluminio que cumplan las especificaciones y los criterios de rendimiento exigidos.

Normas específicas para la dureza del aluminio

Las diferentes aleaciones de aluminio tienen normas y propiedades específicas que deben cumplirse para garantizar su idoneidad para las aplicaciones previstas. Por ejemplo:

• 2024-T351: Conocida por su alta resistencia y resistencia a la fatiga, esta aleación se utiliza ampliamente en aplicaciones aeroespaciales. Las normas para 2024-T351 garantizan que cumple con la dureza y las propiedades mecánicas requeridas para los componentes estructurales críticos.
• 6061-T651: Esta versátil aleación se utiliza en diversos sectores, como la automoción y la construcción. Las normas para 6061-T651 especifican su dureza, resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión, lo que garantiza su rendimiento fiable en diversas aplicaciones.
• 7075-T651: La aleación 7075-T651, una de las aleaciones de aluminio de mayor resistencia, es esencial para aplicaciones sometidas a grandes esfuerzos, como alas de aviones y vehículos militares. Las normas de esta aleación garantizan que cumple los estrictos requisitos de dureza y propiedades mecánicas necesarios para estas exigentes aplicaciones.

Garantizar la conformidad en la fabricación

Los fabricantes deben cumplir las normas del sector para garantizar la calidad y el rendimiento de las aleaciones de aluminio. Esto implica rigurosos procesos de ensayo y certificación para verificar que los materiales cumplen los criterios especificados.

Procesos de ensayo y certificación

• Pruebas de dureza: Para medir la dureza de las aleaciones de aluminio se emplean métodos como los ensayos de dureza Rockwell, Brinell y Vickers. Estos ensayos garantizan que los materiales cumplen los niveles de dureza requeridos especificados por las normas industriales.
• Medidas de conductividad: Las mediciones de conductividad eléctrica, expresadas como porcentaje de la Norma Internacional de Cobre Recocido (IACS), se utilizan para verificar las propiedades de las piezas de aluminio tratadas térmicamente. En estas mediciones influyen la cantidad de elementos de aleación en solución sólida y la naturaleza de los precipitados formados durante el tratamiento térmico.

Consecuencias del incumplimiento

El incumplimiento de las normas del sector puede tener graves consecuencias, entre ellas:

• Fallos del producto: Las piezas de aluminio que no cumplen los requisitos de dureza y propiedades mecánicas pueden fallar bajo tensión, lo que conlleva riesgos para la seguridad y posibles fallos catastróficos en aplicaciones críticas como los componentes aeroespaciales y de automoción.
• Pérdidas financieras: El incumplimiento puede dar lugar a costosas llamadas a revisión, reparaciones y responsabilidades legales, lo que afecta a la reputación y la estabilidad financiera del fabricante.
• Sanciones reglamentarias: El incumplimiento de las normas industriales puede acarrear sanciones reglamentarias y la pérdida de certificaciones, lo que restringe la capacidad del fabricante para suministrar materiales a determinadas industrias.

Garantizar el cumplimiento de normas como AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) y las normas EN es esencial para mantener la calidad, la seguridad y el rendimiento de las aleaciones de aluminio en diversas aplicaciones. Estas normas proporcionan un marco para las pruebas, la clasificación y la aplicación, y ayudan a los fabricantes a producir piezas de aluminio fiables y de alta calidad que cumplen los estrictos requisitos de diferentes industrias.

¿Qué elementos añadidos a una aleación de aluminio pueden aumentar más significativamente su dureza?

Elementos como el magnesio, el manganeso, el titanio y los elementos de tierras raras (como el lantano y el itrio) pueden añadirse a una aleación de aluminio para aumentar su dureza. La incorporación de magnesio puede aumentar notablemente la resistencia a la tracción del aluminio; por cada aumento de 1% en magnesio, la resistencia a la tracción aumenta aproximadamente 34 MPa.

La introducción de manganeso puede complementar el efecto de refuerzo y también disminuir la susceptibilidad al agrietamiento térmico.

Además, la adición de elementos de tierras raras (como el lantano y el itrio) puede aumentar la resistencia a la exfoliación de la capa de oxidación. Por tanto, la incorporación de estos elementos puede aumentar la dureza de las aleaciones de aluminio en diversos grados.

¿Cómo pueden mejorarse la dureza y la resistencia al desgaste de las aleaciones de aluminio mediante métodos de tratamiento superficial?

Existen varios métodos que pueden emplearse para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste de las aleaciones de aluminio mediante el tratamiento superficial:

Tratamiento de oxidación anódica: Este método común consiste en formar una densa película de óxido en la superficie de la aleación de aluminio, mejorando así su dureza y resistencia a la corrosión.

Galvanoplastia superficial: Recubriendo una capa de metal (como estaño o cobre) en la superficie de la aleación de aluminio, se puede mejorar eficazmente su dureza y resistencia al desgaste.

Pulverización de revestimientos resistentes al desgaste: Un revestimiento especial resistente al desgaste se pulveriza uniformemente sobre la superficie del material de aleación de aluminio para formar un revestimiento uniforme, denso y duro. Este método no solo mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión, sino que también mejora el aspecto.

Endurecimiento por trabajo en frío: Este método endurece la aleación de aluminio a temperatura ambiente mediante trabajo en frío, adecuado para materiales de aleación de aluminio que necesitan mantener su forma original.

Tratamiento térmico: Para ciertos tipos específicos de aleaciones de aluminio (como la 6061), su resistencia y dureza pueden mejorarse mediante un tratamiento de envejecimiento. Esto suele implicar un tratamiento de envejecimiento tras el tratamiento con solución.

Deposición por pulverización catódica con magnetrón de corriente continua de un revestimiento amorfo de CrAlN: Este método deposita un revestimiento amorfo de CrAlN en la superficie de la aleación de aluminio, mejorando su resistencia a la corrosión y al desgaste.

Pulverización térmica y síntesis autopropagada a alta temperatura: Estos métodos pueden preparar recubrimientos cerámicos resistentes al desgaste en la superficie de la aleación de aluminio, mejorando significativamente la resistencia al desgaste de la aleación de aluminio.