Tabella di durezza delle leghe di alluminio: HW, HB, HV, HRB, HBA

Introduzione

Definizione di durezza dell'alluminio

La durezza dell'alluminio si riferisce alla capacità del materiale di resistere alla deformazione plastica localizzata, che può verificarsi a causa di indentazione, abrasione o penetrazione. Questa proprietà è fondamentale per capire come si comporteranno le leghe di alluminio in presenza di varie sollecitazioni e condizioni meccaniche. La durezza è un parametro importante che influenza la durata, la resistenza all'usura e le prestazioni meccaniche complessive delle leghe di alluminio.

Importanza della durezza nelle leghe di alluminio

La durezza delle leghe di alluminio è un fattore chiave nel determinare la loro idoneità a diverse applicazioni. Essa influisce direttamente sulla resistenza del materiale all'usura, sulla sua capacità di mantenere la forma sotto stress meccanico e sulla sua longevità complessiva in servizio. Ad esempio, valori di durezza più elevati nelle leghe di alluminio sono auspicabili in applicazioni in cui la resistenza all'abrasione e l'integrità strutturale sono fondamentali, come nei componenti aerospaziali e automobilistici.

La durezza è anche correlata ad altre proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione e allo snervamento, e ciò la rende una considerazione fondamentale nel processo di selezione dei materiali. Conoscere la durezza delle leghe di alluminio aiuta ingegneri e produttori a garantire che il materiale scelto soddisfi i requisiti prestazionali di applicazioni specifiche, migliorando sicurezza, affidabilità ed efficienza.

Misura della durezza nelle leghe di alluminio

La durezza delle leghe di alluminio può essere misurata con diversi metodi, ognuno dei quali ha una sua rilevanza e applicazione. I metodi più comuni includono le prove di durezza Brinell, Rockwell e Vickers.

• Test di durezza Brinell: Questo metodo prevede la pressione di una sfera di acciaio duro o di carburo nel materiale sotto un carico specifico. Si misura il diametro dell'impronta lasciata nel materiale e si calcola il valore di durezza. I numeri di durezza Brinell (BHN) sono comunemente utilizzati per le leghe di alluminio più morbide.
• Test di durezza Rockwell: Il test Rockwell misura la profondità di penetrazione di un penetratore sotto un carico elevato rispetto alla penetrazione effettuata da un carico preliminare. Dalla differenza di profondità si ricava il numero di durezza Rockwell (HR). Questo metodo è più rapido e semplice e si adatta a un'ampia gamma di leghe di alluminio.
• Test di durezza Vickers: Questo metodo utilizza un penetratore piramidale in diamante e applica un carico specifico per creare un'impronta. La dimensione dell'impronta viene misurata al microscopio e viene calcolato il numero di durezza Vickers (HV). Il test Vickers è molto accurato e può essere utilizzato per leghe di alluminio sia dure che morbide.

Ad esempio, la lega di alluminio 6061 ha una durezza Brinell di circa 95 BHN, mentre la lega di alluminio 7075, nota per la sua elevata resistenza, ha una durezza Brinell di circa 150 BHN. Questi valori illustrano come le diverse leghe di alluminio possano variare significativamente in termini di durezza, influenzando le loro applicazioni.

Fattori che influenzano la durezza delle leghe di alluminio

Diversi fattori influenzano la durezza delle leghe di alluminio, tra cui gli elementi di lega, il trattamento termico e la tempra di lavorazione.

Tempra del lavoro: Il processo di deformazione della lega di alluminio a temperatura ambiente può aumentarne la durezza. La lavorazione a freddo, come la laminazione o la martellatura, introduce dislocazioni nella struttura cristallina del materiale, rendendolo più duro e resistente.

Elementi di lega: Elementi come rame, magnesio, silicio e zinco vengono aggiunti all'alluminio per migliorarne le proprietà meccaniche, compresa la durezza. Ad esempio, l'aggiunta di zinco nella lega di alluminio 7075 ne aumenta significativamente la durezza e la resistenza.

Trattamento termico: I processi di trattamento termico, come il trattamento termico in soluzione e l'invecchiamento, possono alterare la microstruttura delle leghe di alluminio, influenzandone la durezza. Ad esempio, il processo di rinvenimento T6 per l'alluminio 6061 prevede un trattamento termico in soluzione seguito da invecchiamento artificiale, con conseguente miglioramento della durezza e delle proprietà meccaniche.

Tabella di durezza delle leghe di alluminio

La tabella seguente riporta i valori tipici di durezza Vickers misurati con un tester Tianxing W-20 per circa 400 diversi tipi di materiali in lega di alluminio con diversi processi di trattamento termico.

I valori di durezza Vickers riportati nella tabella sono valori di durezza tipici misurati di vari materiali in lega di alluminio e non sono utilizzati come base per la qualificazione del materiale. I valori di qualificazione della durezza per i vari materiali devono fare riferimento alle specifiche tecniche dei prodotti corrispondenti. Ad esempio, lo standard nazionale GB 5237.1 "Profili costruttivi in lega di alluminio Parte 1: Materiale di base" stabilisce che il valore di durezza Vickers del 6063-T5 non deve essere inferiore a 8HW e il valore di durezza Vickers del 6063A-T5 non deve essere inferiore a 10HW.

Il Durezza BrinellLa durezza Vickers, la durezza Rockwell e la durezza Barcol sono solo un riferimento e non possono essere utilizzate per la conversione. Se è necessaria una conversione, si raccomanda di utilizzare la tabella di conversione della durezza dello standard americano ASTM E140.

Tabella di durezza delle leghe di alluminio

Analisi comparativa

Confronto della durezza tra le leghe di alluminio

Metodologia di confronto

L'analisi comparativa della durezza dell'alluminio comporta la valutazione di vari fattori, quali il tipo di lega, la tempra e la presenza di materiali di rinforzo. Il confronto si basa in genere su metodi di prova di durezza standardizzati come Rockwell, Brinell e Vickers. Questi test forniscono misure quantificabili che possono essere utilizzate per confrontare i livelli di durezza di leghe diverse in condizioni simili.

Fattori che influenzano la durezza

Diversi fattori chiave influenzano la durezza delle leghe di alluminio:

1. Elementi di lega:
   • Rame (Cu): Aumenta la durezza e la resistenza. Ad esempio, la lega 2024, che contiene rame, è nota per la sua elevata resistenza e durezza, che la rende adatta alle applicazioni aerospaziali.
   • Magnesio (Mg): Contribuisce alla durezza moderata e alla resistenza alla corrosione. La lega 5052, che contiene magnesio, è utilizzata in ambienti marini per la sua buona resistenza alla corrosione e la sua moderata durezza.
   • Silicio (Si): Migliora le proprietà di colata e la durezza moderata. La lega per colata 356, che contiene silicio, è comunemente utilizzata nei componenti automobilistici per le sue buone caratteristiche di colata e la sufficiente durezza.
   • Zinco (Zn): Aumenta notevolmente la durezza e la resistenza. La lega 7075, contenente zinco, è una delle leghe di alluminio più resistenti, utilizzata in applicazioni che richiedono un'elevata resistenza, come le strutture degli aerei.
2. Processi di trattamento termico:
   • Trattamento termico della soluzione: Consiste nel riscaldamento della lega per sciogliere gli elementi di lega, seguito da un rapido raffreddamento per creare una soluzione supersatura. Questo processo aumenta la durezza di leghe come la 6061 e la 7075.
   • Invecchiamento: I processi di invecchiamento naturale e artificiale consentono la formazione di precipitati, aumentando la durezza. Ad esempio, la tempra T6 prevede un trattamento termico in soluzione seguito da invecchiamento artificiale, che aumenta la durezza di leghe come la 6061-T6 e la 7075-T6.
3. Invecchiamento naturale: Con il passare del tempo, le leghe di alluminio invecchiano naturalmente, provocando variazioni di durezza dovute alla lenta formazione di precipitati. Questo processo può essere accelerato attraverso trattamenti di invecchiamento artificiale.
4. Materiali di rinforzo: L'aggiunta di materiali come il diboruro di zirconio o i gusci di lumaca alle matrici di alluminio può aumentare la durezza e il modulo elastico. La percentuale di rinforzo è direttamente correlata alla durezza e alle proprietà meccaniche del composito.

I fattori che influenzano la durezza svolgono un ruolo cruciale nel determinare l'idoneità di una lega di alluminio per applicazioni specifiche.

Determinare la lega migliore per esigenze specifiche

Processo decisionale basato su durezza e proprietà

La scelta della migliore lega di alluminio per un'applicazione specifica richiede di considerare l'equilibrio desiderato tra durezza, resistenza, duttilità e altre proprietà meccaniche. Questo processo decisionale comporta:

1. Requisiti per l'applicazione: Comprendere le esigenze specifiche dell'applicazione, come la capacità di carico, la resistenza all'usura e le condizioni ambientali.
2. Proprietà meccaniche: Valutazione della resistenza alla trazione, della resistenza allo snervamento e dell'allungamento delle leghe potenziali per garantire che soddisfino i criteri di prestazione.
3. Capacità di trattamento termico: Considerare la fattibilità e i vantaggi dei processi di trattamento termico per migliorare la durezza e altre proprietà.
4. Costo e disponibilità: Bilanciare i costi e la disponibilità dei materiali con le caratteristiche prestazionali richieste.

Casi di studio o esempi di confronto

1. Alluminio 6061 vs 7075:
   • Alluminio 7075: Conosciuto per la sua durezza e resistenza superiori, con una durezza Brinell di circa HB 150 nella tempra T6. È ideale per applicazioni ad alta sollecitazione come i componenti aerospaziali e militari.
   • Alluminio 6061: Offre una durezza moderata (HB 90-95 nella tempra T6) e una buona lavorabilità, che lo rendono adatto a componenti automobilistici e di costruzione.
2. Alluminio 5052 vs 6063:
   • Alluminio 5052: Offre una buona resistenza alla corrosione e una durezza moderata, comunemente utilizzata in ambienti marini e per applicazioni architettoniche.
   • Alluminio 6063: Una lega trattabile termicamente che può raggiungere una maggiore durezza attraverso il rinvenimento, spesso utilizzata nei processi di estrusione per telai di finestre e tubazioni.
3. Compositi rinforzati:
   • L'aggiunta di diboruro di zirconio alle matrici di alluminio aumenta la durezza e il modulo elastico, rendendo questi compositi adatti ad applicazioni che richiedono proprietà meccaniche migliori.

Comprendendo e confrontando la durezza e le proprietà meccaniche delle diverse leghe di alluminio, ingegneri e produttori possono prendere decisioni informate per selezionare i materiali più adatti alle loro esigenze specifiche, garantendo prestazioni ottimali e una lunga durata nelle loro applicazioni.

Conformità e standard

Importanza degli standard nell'industria dell'alluminio

La conformità agli standard industriali è essenziale per garantire l'affidabilità, la sicurezza e le prestazioni delle leghe di alluminio in varie applicazioni. Questi standard forniscono un quadro uniforme per i test, la classificazione e la garanzia di qualità, assicurando che i componenti in alluminio soddisfino i severi requisiti di diversi settori industriali come quello aerospaziale, automobilistico e delle costruzioni.

Panoramica degli standard di settore

Diversi standard chiave regolano la durezza e altre proprietà delle leghe di alluminio, facilitando la coerenza e il controllo di qualità nei processi di produzione e applicazione.

AMS 2658D

La specifica AMS 2658D, "Ispezione della durezza e della conduttività di parti in lega di alluminio battuto", è fondamentale per l'industria aerospaziale. Stabilisce i criteri di accettazione per la durezza e la conducibilità elettrica di parti finite o semilavorate di leghe di alluminio battuto. Questo standard specifica i valori richiesti per la durezza e la conducibilità, garantendo che i materiali soddisfino i criteri di prestazione necessari per le applicazioni aerospaziali.

ASTM B647-10(2016)

La norma ASTM B647-10(2016) descrive l'uso del calibro di durezza Webster per la misurazione della durezza delle leghe di alluminio. Sebbene sia meno sensibile delle macchine di durezza Rockwell o Brinell, il calibro Webster è prezioso per il controllo della produzione e per le prove sul campo. Questo standard aiuta a mantenere la qualità durante la produzione e garantisce che i pezzi di alluminio rispettino i livelli di durezza specificati.

Norme EN

Le norme EN forniscono un quadro completo per le leghe di alluminio, coprendo le proprietà meccaniche, le designazioni dei trattamenti termici e la resistenza alla corrosione. Queste norme, che hanno sostituito quelle più vecchie come la BS1470, garantiscono coerenza e qualità in diverse applicazioni e settori. Sono essenziali per i produttori per produrre componenti in alluminio che soddisfino le specifiche e i criteri di prestazione richiesti.

Standard specifici per la durezza dell'alluminio

Le diverse leghe di alluminio hanno standard e proprietà specifiche che devono essere rispettate per garantirne l'idoneità alle applicazioni previste. Ad esempio:

• 2024-T351: Conosciuta per la sua elevata forza e resistenza alla fatica, questa lega è ampiamente utilizzata nelle applicazioni aerospaziali. Gli standard per la 2024-T351 garantiscono la conformità alla durezza e alle proprietà meccaniche richieste per i componenti strutturali critici.
• 6061-T651: Questa versatile lega è utilizzata in diversi settori, tra cui quello automobilistico e delle costruzioni. Gli standard per la 6061-T651 ne specificano la durezza, la resistenza alla trazione e alla corrosione, garantendo prestazioni affidabili in diverse applicazioni.
• 7075-T651: Una delle leghe di alluminio a più alta resistenza, la 7075-T651 è essenziale per le applicazioni ad alte sollecitazioni come le ali degli aerei e i veicoli militari. Gli standard di questa lega assicurano che soddisfi i severi requisiti di durezza e proprietà meccaniche necessari per queste applicazioni impegnative.

Garantire la conformità nella produzione

I produttori devono attenersi agli standard industriali per garantire la qualità e le prestazioni delle leghe di alluminio. Ciò comporta rigorosi processi di test e certificazione per verificare che i materiali soddisfino i criteri specificati.

Processi di test e certificazione

• Test di durezza: Per misurare la durezza delle leghe di alluminio si utilizzano metodi come le prove di durezza Rockwell, Brinell e Vickers. Questi test assicurano che i materiali soddisfino i livelli di durezza richiesti dagli standard industriali.
• Misure di conducibilità: Le misure di conducibilità elettrica, espresse come percentuale dello standard internazionale del rame ricotto (IACS), sono utilizzate per verificare le proprietà dei pezzi di alluminio trattati termicamente. Queste misure sono influenzate dalla quantità di elementi di lega in soluzione solida e dalla natura dei precipitati che si formano durante il trattamento termico.

Conseguenze della non conformità

La mancata conformità agli standard del settore può avere gravi conseguenze, tra cui:

• Fallimenti del prodotto: I componenti in alluminio che non soddisfano le caratteristiche meccaniche e di durezza richieste possono cedere sotto sforzo, causando rischi per la sicurezza e potenziali guasti catastrofici in applicazioni critiche come i componenti aerospaziali e automobilistici.
• Perdite finanziarie: La non conformità può comportare costosi richiami, riparazioni e responsabilità legali, con ripercussioni sulla reputazione e sulla stabilità finanziaria del produttore.
• Sanzioni regolamentari: La mancata adesione agli standard industriali può comportare sanzioni normative e la perdita delle certificazioni, limitando la capacità del produttore di fornire materiali a determinati settori.

Garantire la conformità a standard come AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) e gli standard EN è essenziale per mantenere la qualità, la sicurezza e le prestazioni delle leghe di alluminio in varie applicazioni. Questi standard forniscono un quadro di riferimento per i test, la classificazione e l'applicazione, aiutando i produttori a produrre componenti in alluminio affidabili e di alta qualità che soddisfano i severi requisiti dei diversi settori industriali.

Quali elementi aggiunti a una lega di alluminio possono aumentarne in modo significativo la durezza?

Elementi come magnesio, manganese, titanio e terre rare (come lantanio e ittrio) possono essere aggiunti a una lega di alluminio per aumentarne la durezza. L'aggiunta di magnesio può aumentare notevolmente la resistenza alla trazione dell'alluminio; per ogni aumento di 1% di magnesio, la resistenza alla trazione aumenta di circa 34 MPa.

L'introduzione del manganese può completare l'effetto di rafforzamento e diminuire la suscettibilità alle cricche termiche.

Inoltre, l'aggiunta di elementi delle terre rare (come il lantanio e l'ittrio) può aumentare la resistenza al distacco dello strato di ossidazione. Pertanto, l'incorporazione di questi elementi può aumentare la durezza delle leghe di alluminio in misura variabile.

Come si possono migliorare la durezza e la resistenza all'usura delle leghe di alluminio attraverso i metodi di trattamento superficiale?

Esistono diversi metodi che possono essere impiegati per migliorare la durezza e la resistenza all'usura delle leghe di alluminio attraverso il trattamento superficiale:

Trattamento di ossidazione anodica: Questo metodo comune prevede la formazione di un film di ossido denso sulla superficie della lega di alluminio, migliorandone la durezza e la resistenza alla corrosione.

Galvanotecnica di superficie: Rivestendo la superficie della lega di alluminio con uno strato di metallo (come stagno o rame), è possibile migliorarne efficacemente la durezza e la resistenza all'usura.

Spruzzatura di rivestimenti resistenti all'usura: Uno speciale rivestimento antiusura viene spruzzato uniformemente sulla superficie del materiale in lega di alluminio per formare un rivestimento uniforme, denso e duro. Questo metodo non solo migliora la resistenza all'usura e alla corrosione, ma ne migliora anche l'aspetto.

Indurimento a freddo: Questo metodo indurisce la lega di alluminio a temperatura ambiente attraverso una lavorazione a freddo, adatta a materiali in lega di alluminio che devono mantenere la loro forma originale.

Trattamento termico: Per alcuni tipi specifici di leghe di alluminio (come la 6061), la loro resistenza e durezza possono essere migliorate attraverso un trattamento di invecchiamento. Di solito si tratta di un trattamento di invecchiamento dopo il trattamento in soluzione.

Deposizione per sputtering magnetronico in corrente continua di un rivestimento amorfo in CrAlN: Questo metodo deposita un rivestimento amorfo di CrAlN sulla superficie della lega di alluminio, migliorandone la resistenza alla corrosione e all'usura.

Spruzzatura termica e sintesi auto-propagante ad alta temperatura: Questi metodi possono preparare rivestimenti ceramici resistenti all'usura sulla superficie della lega di alluminio, migliorando significativamente la resistenza all'usura della lega di alluminio.