アルミニウム合金硬度表：HW、HB、HV、HRB、HBA

はじめに

アルミニウム硬度の定義

アルミニウムの硬度とは、圧痕、摩耗、貫通によって起こりうる局所的な塑性変形に対する材料の抵抗力のことです。この特性は、様々な機械的応力や条件下でのアルミ合金の性能を理解する上で極めて重要です。硬度は、アルミニウム合金の耐久性、耐摩耗性、および全体的な機械的性能に影響を与える重要なパラメータです。

アルミニウム合金における硬度の重要性

アルミ合金の硬度は、様々な用途への適合性を決定する重要な要素です。硬度は、材料の耐摩耗性、機械的応力下での形状保持能力、そして全体的な寿命に直接影響します。例えば、航空宇宙や自動車部品のように、耐摩耗性や構造的完全性が重要な用途では、アルミ合金の硬度は高い方が望ましいです。

硬度はまた、引張強さや降伏強さなどの他の機械的特性とも相関しており、材料選択プロセスにおける重要な考慮事項となっています。アルミニウム合金の硬度を理解することは、エンジニアや製造業者が、選択した材料が特定の用途の性能要件を満たし、安全性、信頼性、および効率を向上させることを保証するのに役立ちます。

アルミニウム合金の硬さ測定

アルミニウム合金の硬度は、いくつかの異なる方法を用いて測定することができ、それぞれが独自の関連性と用途を持っています。最も一般的な方法には、ブリネル硬さ試験、ロックウェル硬さ試験、ビッカース硬さ試験があります。

• ブリネル硬さ試験:この方法では、硬い鋼球または超硬球を一定の荷重をかけて材料に押し付ける。材料に残ったくぼみの直径を測定し、硬度値を算出する。ブリネル硬度（BHN）は、より軟らかいアルミニウム合金に一般的に使用される。
• ロックウェル硬さ試験:ロックウェル試験は、大きな荷重をかけた圧子の押し込み深さを、予備荷重による押し込み深さと比較して測定します。ロックウェル硬さ番号（HR）は、この深さの差から算出されます。この方法はより迅速で簡単であり、広範囲のアルミニウム合金に適しています。
• ビッカース硬度試験:ダイヤモンドピラミッド圧子を使用し、特定の荷重をかけて圧痕を作る方法。その圧痕の大きさを顕微鏡で測定し、ビッカース硬さ（HV）を算出します。ビッカース硬さ試験は高精度で、硬質アルミニウム合金にも軟質アルミニウム合金にも使用できます。

例えば、6061アルミ合金のブリネル硬度は通常約95BHNですが、高強度で知られる7075アルミ合金のブリネル硬度は約150BHNです。これらの値は、異なるアルミ合金がいかに硬度が大きく異なり、その用途に影響を与えるかを示しています。

アルミニウム合金の硬度に影響を与える要因

アルミニウム合金の硬度には、合金元素、熱処理、加工硬化など、いくつかの要因が影響します。

仕事のハード化:アルミニウム合金を室温で変形させる工程は、その硬度を高めることができる。圧延やハンマーのような冷間加工は、材料の結晶構造に転位を導入し、より硬く、より強くします。

合金元素:銅、マグネシウム、シリコン、亜鉛などの元素は、硬度などの機械的特性を高めるためにアルミニウムに添加される。例えば、7075アルミ合金に亜鉛を添加すると、その硬度と強度が著しく向上します。

熱処理:固溶化熱処理や時効処理などの熱処理工程は、アルミニウム合金の微細構造を変化させ、硬度に影響を与える。例えば、6061アルミニウムのT6焼戻し工程では、溶体化熱処理に続いて人工時効処理を行い、硬度と機械的特性を向上させます。

アルミニウム合金硬度表

以下の表は、異なる熱処理工程を施した約400種類のアルミニウム合金材料について、天星式W-20ビッカース硬度計で測定した代表的なビッカース硬度値です。

表中のビッカース硬度値は、各種アルミニウム合金材料の代表的な硬度値の実測値であり、材料が適格であるかどうかの基準として使用されるものではない。様々な材料の硬度資格値は、対応する製品の技術仕様を参照する必要があります。例えば、国家標準GB 5237.1「アルミニウム合金建築用構造部品第1部：母材」では、6063-T5のビッカース硬度値は8HWを下回ってはならず、6063A-T5のビッカース硬度値は10HWを下回ってはならないと規定されています。

について ブリネル硬度ビッカース硬度、ロックウェル硬度、バーコル硬度は参考値であり、換算には使用できません。換算が必要な場合は、米国規格ASTM E140の硬度換算表を使用することを推奨します。

アルミニウム合金硬度表

比較分析

アルミニウム合金間の硬度比較

比較の方法

アルミニウムの硬さの比較分析を行うには、合金の種類、焼き戻し、補強材の有無などの様々な要因を評価する必要があります。比較は通常、ロックウェル、ブリネル、ビッカースのような標準化された硬さ試験法に基づいて行われます。これらの試験は、同様の条件下で異なる合金の硬度レベルを比較するために使用できる定量可能な測定値を提供します。

硬度に影響を与える要因

アルミニウム合金の硬度にはいくつかの重要な要因が影響します：

1. 合金元素:
   • 銅（Cu）:硬度と強度を高める。例えば、銅を含む合金2024は高い強度と硬度で知られ、航空宇宙用途に適しています。
   • マグネシウム (Mg):適度な硬度と耐食性に寄与。マグネシウムを含む5052合金は、耐食性に優れ、適度な硬度を持つため、海洋環境で使用される。
   • ケイ素 (Si):鋳造性を向上させ、適度な硬度を持つ。シリコンを含む鋳造用合金356は、良好な鋳造特性と十分な硬度を持つため、自動車部品によく使用される。
   • 亜鉛:硬度と強度を大幅に向上させる。亜鉛を含む7075合金は、最も強度の高いアルミ合金の一つで、航空機構造のような高い強度が要求される用途に使用される。
2. 熱処理プロセス:
   • 溶液熱処理:合金を加熱して合金元素を溶解し、その後急冷して過飽和溶液を作る。6061や7075のような合金の硬度を高める。
   • エイジング:自然時効処理と人工時効処理の両方が析出物の形成を可能にし、硬度を高める。例えば、6061-T6や7075-T6のような合金の硬度を高めるT6調質では、溶体化熱処理に続いて人工時効処理が行われる。
3. ナチュラル・エイジング:時間の経過とともに、アルミニウム合金は自然に老化し、ゆっくりとした析出物の形成による硬度の変化をもたらす。このプロセスは、人工的な時効処理によって促進することができる。
4. 補強材:アルミニウムのマトリックスに二ホウ化ジルコニウムやカタツムリの殻のような材料を加えることで、硬度と弾性率を高めることができます。強化率は、複合材料の硬度と機械的性質に直結します。

硬度に影響を与える要因は、特定の用途に対するアルミニウム合金の適合性を決定する上で重要な役割を果たします。

特定のニーズに最適な合金の決定

硬度と特性に基づく決定プロセス

特定の用途に最適なアルミ合金を選択するには、硬度、強度、延性、その他の機械的特性の望ましいバランスを考慮する必要があります。この意思決定プロセスには以下が含まれます：

1. 応募資格:耐荷重、耐摩耗性、環境条件など、用途に特有の要求を理解すること。
2. 機械的特性:潜在的な合金の引張強さ、降伏強さ、伸びを評価し、性能基準を満たしていることを確認する。
3. 熱処理能力:硬度やその他の特性を向上させるための熱処理工程の実現可能性と利点を検討する。
4. コストと入手可能性:材料コストと入手可能性と要求される性能特性のバランスをとること。

ケーススタディまたは比較例

1. 6061アルミと7075アルミの比較:
   • 7075アルミニウム:優れた硬度と強度で知られ、ブリネル硬度はT6調質でHB150程度。航空宇宙や軍事部品のような高応力用途に最適。
   • 6061アルミニウム:適度な硬さ（T6調質でHB90-95）と良好な被削性を持ち、自動車部品や建築に適している。
2. 5052アルミと6063アルミの比較:
   • 5052アルミニウム:優れた耐食性と適度な硬度を持ち、海洋環境や建築用途によく使用される。
   • 6063アルミニウム:焼戻しによってより高い硬度を得ることができる熱処理可能な合金で、窓枠や配管の押出工程でよく使用される。
3. 強化複合材料:
   • アルミニウム・マトリクスに二ホウ化ジルコニウムを添加すると、硬度と弾性率が向上するため、これらの複合材料は機械的特性の向上が必要な用途に適している。

様々なアルミ合金の硬度と機械的特性を理解し比較することで、エンジニアやメーカーは、特定のニーズに最適な材料を選択するための十分な情報に基づいた決定を下すことができ、用途における最適な性能と寿命を確保することができます。

コンプライアンスと基準

アルミニウム産業における規格の重要性

様々な用途におけるアルミ合金の信頼性、安全性、性能を確保するためには、業界標準への準拠が不可欠です。これらの規格は、試験、分類、品質保証のための統一された枠組みを提供し、アルミ部品が航空宇宙、自動車、建設などの様々な業界の厳しい要件を満たすことを保証します。

業界標準の概要

アルミニウム合金の硬度やその他の特性は、いくつかの主要な規格によって規定されており、製造工程や応用工程における一貫性と品質管理を容易にしています。

AMS 2658D

AMS2658D規格「鍛造アルミニウム合金部品の硬度および導電率検査」は、航空宇宙産業において極めて重要である。この規格は、鍛造アルミニウム合金の完成品または半完成品の硬度と導電率の合格基準を定めています。この規格は、硬度と導電率の要求値を規定し、材料が航空宇宙用途に必要な性能基準を満たしていることを保証します。

ASTM B647-10(2016)

ASTM B647-10(2016)規格は、アルミニウム合金の硬さ測定におけるウェブスター硬さゲージの使用について記述しています。ロックウェル硬さ試験機やブリネル硬さ試験機よりも感度は劣るものの、ウェブスター硬さ計は生産管理や実地試験において有用です。この規格は、製造中の品質維持に役立ち、アルミニウム部品が指定された硬度レベルに準拠していることを保証します。

EN規格

EN規格はアルミニウム合金の包括的な枠組みを提供し、機械的特性、熱処理指定、耐食性をカバーしています。BS1470のような古い規格に取って代わったこれらの規格は、様々な用途や産業における一貫性と品質を保証しています。メーカーが、要求される仕様や性能基準を満たすアルミ部品を製造するために不可欠なものです。

アルミニウム硬度の特定規格

様々なアルミ合金には、特定の規格や特性があり、意図した用途への適合性を確保するために、それらを満たす必要があります。例えば

• 2024-T351:高い強度と耐疲労性で知られるこの合金は、航空宇宙用途に広く使用されています。2024-T351の規格は、重要な構造部品に要求される硬度と機械的特性を満たすことを保証しています。
• 6061-T651:6061-T651は、自動車や建築など様々な産業で使用されている汎用性の高い合金です。6061-T651の規格は、硬度、引張強さ、耐食性を規定しており、様々な用途で確実に性能を発揮します。
• 7075-T651:最も高強度なアルミ合金の一つである7075-T651は、航空機の翼や軍用車両などの高応力用途に不可欠です。この合金の規格は、これらの厳しい用途に必要な厳しい硬度と機械的特性の要件を満たすことを保証しています。

製造業におけるコンプライアンスの確保

アルミ合金の品質と性能を保証するために、メーカーは業界標準を遵守しなければなりません。これには、材料が指定された基準を満たしていることを確認するための厳格な試験と認証プロセスが含まれます。

試験と認証プロセス

• 硬度試験:アルミニウム合金の硬度を測定するために、ロックウェル硬さ試験、ブリネル硬さ試験、ビッカース硬さ試験などの方法が採用されています。これらの試験は、材料が業界標準によって指定された要求硬度レベルを満たしていることを保証します。
• 導電率測定:電気伝導率測定は、国際焼鈍銅標準（IACS）に対するパーセンテージで表され、熱処理されたアルミニウム部品の特性を確認するために使用されます。これらの測定値は、固溶体中の合金元素の量と熱処理中に形成される析出物の性質に影響されます。

コンプライアンス違反の結果

業界基準への不遵守は、以下のような深刻な結果をもたらす可能性がある：

• 製品の不具合:要求される硬度や機械的特性を満たさないアルミ部品は、応力下で破損する可能性があり、航空宇宙や自動車部品などの重要な用途において、安全上のリスクや致命的な故障の可能性につながります。
• 財務上の損失:コンプライアンス違反は、費用のかかるリコール、修理、法的責任を招き、メーカーの評判と財務の安定性に影響を与える。
• 規制罰則:業界標準を守らなかった場合、規制当局の罰則や認証の喪失につながり、メーカーが特定の業界に材料を供給する能力が制限される可能性がある。

AMS 2658D、ASTM B647-10(2016)、EN規格などの規格に確実に準拠することは、様々な用途でアルミ合金の品質、安全性、性能を維持するために不可欠です。これらの規格は、試験、分類、適用に関する枠組みを提供し、メーカーが様々な業界の厳しい要件を満たす信頼性の高い高品質のアルミ部品を製造するのに役立ちます。

アルミニウム合金の硬度を最も著しく高める元素は？

マグネシウム、マンガン、チタン、希土類元素（ランタンやイットリウムなど）といった元素は、アルミニウム合金の硬度を高めるために添加することができる。マグネシウムを添加すると、アルミニウムの引張強さが著しく向上します。マグネシウムが1%増加するごとに、引張強さは約34MPa増加します。

マンガンを導入することで、強化効果を補うことができ、また熱亀裂への感受性を低下させることができる。

さらに、希土類元素（ランタンやイットリウムなど）の添加は、酸化層の剥離に対する耐性を高めることができる。したがって、これらの元素を取り入れることで、アルミニウム合金の硬度をさまざまな程度まで高めることができる。

アルミニウム合金の硬度と耐摩耗性は、表面処理によってどのように改善されるのでしょうか？

表面処理によってアルミニウム合金の硬度と耐摩耗性を向上させるために採用できる方法はいくつかある：

陽極酸化処理： この一般的な方法では、アルミニウム合金の表面に緻密な酸化皮膜を形成し、硬度と耐食性を高める。

表面電気メッキ： アルミニウム合金の表面に金属（スズや銅など）の層をコーティングすることで、その硬度と耐摩耗性を効果的に向上させることができる。

耐摩耗性コーティングの吹き付け： 特殊な耐摩耗コーティングをアルミニウム合金素材の表面に均一に吹き付け、均一で緻密な硬い皮膜を形成します。この方法は、耐摩耗性と耐食性を向上させるだけでなく、外観も向上させます。

冷間加工硬化： この方法は、冷間加工によって室温でアルミニウム合金を硬化させるもので、元の形状を維持する必要があるアルミニウム合金材料に適している。

熱処理： 特定の種類のアルミニウム合金（6061など）については、時効処理によって強度と硬度を高めることができます。これには通常、溶体化処理後の時効処理が含まれる。

アモルファスCrAlNコーティングの直流マグネトロンスパッタリング成膜： この方法は、アルミニウム合金の表面にアモルファスCrAlN皮膜を析出させ、耐食性と耐摩耗性を向上させる。

溶射と自己増殖型高温合成： これらの方法により、アルミニウム合金の表面に耐摩耗性セラミック被膜を形成することができ、アルミニウム合金の耐摩耗性を大幅に向上させることができる。