Hardheidsgrafiek aluminiumlegering: HW, HB, HV, HRB, HBA

Inleiding

Definitie van aluminiumhardheid

Hardheid in aluminium verwijst naar het vermogen van het materiaal om gelokaliseerde plastische vervorming te weerstaan, die kan optreden door indrukking, schuring of penetratie. Deze eigenschap is cruciaal om te begrijpen hoe aluminiumlegeringen zullen presteren onder verschillende mechanische spanningen en omstandigheden. Hardheid is een belangrijke parameter die de duurzaamheid, slijtvastheid en algemene mechanische prestatie van aluminiumlegeringen beïnvloedt.

Het belang van hardheid in aluminiumlegeringen

De hardheid van aluminiumlegeringen is een belangrijke factor bij het bepalen van hun geschiktheid voor verschillende toepassingen. Het heeft een directe invloed op de weerstand van het materiaal tegen slijtage, het vermogen om vorm te behouden onder mechanische spanning en de algehele levensduur. Hogere hardheidswaarden in aluminiumlegeringen zijn bijvoorbeeld wenselijk in toepassingen waar slijtvastheid en structurele integriteit kritisch zijn, zoals in de ruimtevaart en auto-onderdelen.

Hardheid correleert ook met andere mechanische eigenschappen, zoals treksterkte en vloeigrens, waardoor het een essentiële overweging is in het materiaalselectieproces. Inzicht in de hardheid van aluminiumlegeringen helpt ingenieurs en fabrikanten ervoor te zorgen dat het gekozen materiaal voldoet aan de prestatie-eisen van specifieke toepassingen, waardoor de veiligheid, betrouwbaarheid en efficiëntie toenemen.

Meting van hardheid in aluminiumlegeringen

Hardheid in aluminiumlegeringen kan worden gemeten met behulp van verschillende methoden, elk met zijn eigen relevantie en toepassing. De meest voorkomende methoden zijn Brinell, Rockwell en Vickers hardheidsmetingen.

• Brinell hardheidstest: Bij deze methode wordt een harde stalen of hardmetalen kogel onder een bepaalde belasting in het materiaal gedrukt. De diameter van de indrukking in het materiaal wordt gemeten en de hardheidswaarde wordt berekend. Brinell hardheidsgetallen (BHN) worden vaak gebruikt voor zachtere aluminiumlegeringen.
• Rockwell hardheidstest: De Rockwell test meet de indringdiepte van een indringlichaam onder een grote belasting in vergelijking met de indringdiepte van een voorafgaande belasting. Het Rockwell hardheidsgetal (HR) wordt afgeleid uit het diepteverschil. Deze methode is sneller en eenvoudiger en geschikt voor een groot aantal aluminiumlegeringen.
• Vickers-hardheidstest: Deze methode maakt gebruik van een diamant piramide indringlichaam en past een specifieke belasting toe om een indrukking te creëren. De grootte van de indrukking wordt microscopisch gemeten en het Vickers hardheidsgetal (HV) wordt berekend. De Vickers test is zeer nauwkeurig en kan gebruikt worden voor zowel harde als zachte aluminiumlegeringen.

De 6061 aluminiumlegering heeft bijvoorbeeld een Brinell hardheid van ongeveer 95 BHN, terwijl de 7075 aluminiumlegering, bekend om zijn hoge sterkte, een Brinell hardheid heeft van ongeveer 150 BHN. Deze waarden illustreren hoe verschillende aluminiumlegeringen aanzienlijk kunnen verschillen in hardheid, wat hun toepassing beïnvloedt.

Factoren die de hardheid van aluminiumlegeringen beïnvloeden

Verschillende factoren beïnvloeden de hardheid van aluminiumlegeringen, inclusief legeringselementen, warmtebehandeling en werkharding.

Hard werken: Het vervormen van de aluminiumlegering bij kamertemperatuur kan de hardheid verhogen. Koud bewerken, zoals walsen of hameren, introduceert dislocaties in de kristalstructuur van het materiaal, waardoor het harder en sterker wordt.

Legeringselementen: Elementen zoals koper, magnesium, silicium en zink worden aan aluminium toegevoegd om de mechanische eigenschappen, waaronder hardheid, te verbeteren. De toevoeging van zink in de 7075 aluminiumlegering verhoogt bijvoorbeeld de hardheid en sterkte aanzienlijk.

Warmtebehandeling: Warmtebehandelingsprocessen, zoals oplossingswarmtebehandeling en veroudering, kunnen de microstructuur van aluminiumlegeringen veranderen en daardoor hun hardheid beïnvloeden. Bijvoorbeeld, het T6 hardingsproces voor 6061 aluminium omvat warmtebehandeling gevolgd door kunstmatige veroudering, wat resulteert in verbeterde hardheid en mechanische eigenschappen.

Aluminiumlegering hardheidsgrafiek

De tabel hieronder geeft typische Vickers-hardheidswaarden gemeten met een Tianxing W-20 Vickers-hardheidsmeter voor bijna 400 verschillende soorten aluminiumlegeringen met verschillende warmtebehandelingsprocessen.

De Vickers hardheidswaarden in de tabel zijn werkelijk gemeten typische hardheidswaarden van verschillende aluminiumlegeringen en worden niet gebruikt als basis voor de kwalificatie van het materiaal. De hardheidskwalificeringswaarden voor verschillende materialen moeten verwijzen naar de overeenkomstige technische productspecificaties. In de nationale norm GB 5237.1 "Aluminum Alloy Building Profiles Part 1: Base Material" staat bijvoorbeeld dat de Vickers-hardheidswaarde van 6063-T5 niet minder dan 8HW mag zijn en de Vickers-hardheidswaarde van 6063A-T5 niet minder dan 10HW.

De Brinell-hardheidDe Vickers-hardheid, Rockwell-hardheid en Barcol-hardheid zijn alleen bedoeld als referentie en kunnen niet worden gebruikt voor conversie. Als omrekening nodig is, wordt aanbevolen om de hardheidsconversietabel van de Amerikaanse standaard ASTM E140 te gebruiken.

Aluminiumlegering hardheidsgrafiek

Vergelijkende analyse

Vergelijking van hardheid tussen aluminiumlegeringen

Methodologie voor vergelijking

Het uitvoeren van een vergelijkende analyse van de hardheid van aluminium omvat het evalueren van verschillende factoren zoals het type legering, de hardheid en de aanwezigheid van versterkende materialen. De vergelijking is meestal gebaseerd op gestandaardiseerde hardheidsmethodes zoals Rockwell, Brinell en Vickers. Deze testen leveren kwantificeerbare metingen die kunnen worden gebruikt om de hardheidsniveaus van verschillende legeringen onder vergelijkbare omstandigheden te vergelijken.

Factoren die de hardheid beïnvloeden

Verschillende sleutelfactoren beïnvloeden de hardheid van aluminiumlegeringen:

1. Legeringselementen:
   • Koper (Cu): Verbetert de hardheid en sterkte. Zo staat legering 2024, die koper bevat, bekend om zijn hoge sterkte en hardheid, waardoor het geschikt is voor ruimtevaarttoepassingen.
   • Magnesium (Mg): Draagt bij aan een matige hardheid en corrosiebestendigheid. Alloy 5052, die magnesium bevat, wordt gebruikt in mariene omgevingen vanwege de goede corrosiebestendigheid en matige hardheid.
   • Silicium (Si): Verbetert de gieteigenschappen en heeft een matige hardheid. Gietlegering 356, die silicium bevat, wordt vaak gebruikt in auto-onderdelen vanwege de goede gieteigenschappen en voldoende hardheid.
   • Zink (Zn): Verhoogt de hardheid en sterkte aanzienlijk. Alloy 7075, die zink bevat, is een van de sterkste aluminiumlegeringen en wordt gebruikt in toepassingen die een hoge sterkte vereisen, zoals vliegtuigconstructies.
2. Warmtebehandelingsprocessen:
   • Oplossing Warmtebehandeling: Hierbij wordt de legering verhit om legeringselementen op te lossen, gevolgd door snelle afkoeling om een oververzadigde oplossing te creëren. Dit proces verhoogt de hardheid van legeringen zoals 6061 en 7075.
   • Veroudering: Zowel natuurlijke als kunstmatige verouderingsprocessen maken de vorming van precipitaten mogelijk, waardoor de hardheid toeneemt. De T6-toestand bijvoorbeeld bestaat uit een warmtebehandeling in oplossing gevolgd door kunstmatige veroudering, waardoor de hardheid toeneemt in legeringen zoals 6061-T6 en 7075-T6.
3. Natuurlijke veroudering: Na verloop van tijd verouderen aluminiumlegeringen op natuurlijke wijze, wat leidt tot veranderingen in hardheid door de langzame vorming van precipitaten. Dit proces kan versneld worden door kunstmatige verouderingsbehandelingen.
4. Versterkende materialen: Het toevoegen van materialen zoals zirkoniumdiboride of slakkenhuizen aan aluminium matrices kan de hardheid en elasticiteitsmodulus verhogen. Het versterkingspercentage correleert direct met de hardheid en mechanische eigenschappen van het composiet.

De factoren die de hardheid beïnvloeden spelen een cruciale rol bij het bepalen van de geschiktheid van een aluminiumlegering voor specifieke toepassingen.

De beste legering voor specifieke behoeften bepalen

Beslissingsproces gebaseerd op hardheid en eigenschappen

Het selecteren van de beste aluminiumlegering voor een specifieke toepassing vereist het overwegen van de gewenste balans tussen hardheid, sterkte, vervormbaarheid en andere mechanische eigenschappen. Dit beslissingsproces omvat:

1. Aanvraagvereisten: Inzicht in de specifieke eisen van de toepassing, zoals draagvermogen, slijtvastheid en omgevingsomstandigheden.
2. Mechanische eigenschappen: Evalueren van de treksterkte, vloeigrens en rek van potentiële legeringen om er zeker van te zijn dat ze voldoen aan de prestatiecriteria.
3. Warmtebehandelingsmogelijkheden: Overwegen van de haalbaarheid en voordelen van warmtebehandelingsprocessen om de hardheid en andere eigenschappen te verbeteren.
4. Kosten en beschikbaarheid: Het in evenwicht brengen van de materiaalkosten en beschikbaarheid met de vereiste prestatiekenmerken.

Casestudies of voorbeelden van vergelijkingen

1. 6061 vs 7075 aluminium:
   • 7075 aluminium: Bekend om zijn superieure hardheid en sterkte, met een Brinell-hardheid van ongeveer HB 150 in de T6-toestand. Het is ideaal voor toepassingen met hoge belasting, zoals ruimtevaart en militaire componenten.
   • 6061 aluminium: Biedt een gemiddelde hardheid (HB 90-95 in de T6-toestand) en goede bewerkbaarheid, waardoor het geschikt is voor auto-onderdelen en de bouw.
2. 5052 vs 6063 aluminium:
   • 5052 aluminium: Biedt een goede weerstand tegen corrosie en een matige hardheid, wordt vaak gebruikt in maritieme omgevingen en voor architecturale toepassingen.
   • 6063 aluminium: Een warmtebehandelbare legering die een hogere hardheid kan bereiken door ontlaten, vaak gebruikt in extrusieprocessen voor raamkozijnen en buizen.
3. Versterkte composieten:
   • Het toevoegen van zirkoniumdiboride aan aluminiummatrices verhoogt de hardheid en elasticiteitsmodulus, waardoor deze composieten geschikt zijn voor toepassingen die verbeterde mechanische eigenschappen vereisen.

Door de hardheid en mechanische eigenschappen van verschillende aluminiumlegeringen te begrijpen en te vergelijken, kunnen ingenieurs en fabrikanten weloverwogen beslissingen nemen om de meest geschikte materialen te kiezen voor hun specifieke behoeften, zodat ze optimale prestaties en een lange levensduur in hun toepassingen kunnen garanderen.

Naleving en normen

Het belang van normen in de aluminiumindustrie

Naleving van industriestandaarden is essentieel om de betrouwbaarheid, veiligheid en prestaties van aluminiumlegeringen in verschillende toepassingen te garanderen. Deze normen bieden een uniform kader voor testen, classificatie en kwaliteitsborging en zorgen ervoor dat aluminium onderdelen voldoen aan de strenge eisen van verschillende industrieën, zoals lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie en de bouw.

Overzicht van industriestandaarden

Verscheidene belangrijke standaarden bepalen de hardheid en andere eigenschappen van aluminiumlegeringen, wat consistentie en kwaliteitscontrole bij productie- en toepassingsprocessen vergemakkelijkt.

AMS 2658D

De specificatie AMS 2658D, "Hardheids- en geleidingsinspectie van onderdelen van een smeedaluminiumlegering", is van cruciaal belang in de ruimtevaartindustrie. Het legt de acceptatiecriteria vast voor de hardheid en elektrische geleidbaarheid van afgewerkte of halfafgewerkte onderdelen van smeedaluminiumlegeringen. Deze norm specificeert de vereiste waarden voor hardheid en geleidbaarheid en zorgt ervoor dat de materialen voldoen aan de noodzakelijke prestatiecriteria voor ruimtevaarttoepassingen.

ASTM B647-10(2016)

De ASTM B647-10(2016) standaard beschrijft het gebruik van de Webster hardheidsmeter voor het meten van de hardheid van aluminiumlegeringen. Hoewel de Webster hardheidsmeter minder gevoelig is dan Rockwell of Brinell hardheidsmachines, is hij waardevol voor productiecontrole en veldtesten. Deze standaard helpt de kwaliteit te handhaven tijdens de productie en verzekert dat de aluminium onderdelen voldoen aan de gespecificeerde hardheidsniveaus.

EN-normen

De EN-normen bieden een uitgebreid raamwerk voor aluminiumlegeringen, dat mechanische eigenschappen, warmtebehandelingsaanduidingen en corrosiebestendigheid omvat. Deze normen, die oudere normen zoals BS1470 hebben vervangen, zorgen voor consistentie en kwaliteit in verschillende toepassingen en industrieën. Ze zijn essentieel voor fabrikanten om aluminium onderdelen te produceren die voldoen aan de vereiste specificaties en prestatiecriteria.

Specifieke normen voor aluminiumhardheid

Verschillende aluminiumlegeringen hebben specifieke normen en eigenschappen waaraan ze moeten voldoen om geschikt te zijn voor de beoogde toepassingen. Bijvoorbeeld:

• 2024-T351: Deze legering staat bekend om zijn hoge sterkte en weerstand tegen vermoeiing en wordt veel gebruikt in ruimtevaarttoepassingen. De normen voor 2024-T351 zorgen ervoor dat het voldoet aan de vereiste hardheid en mechanische eigenschappen voor kritieke structurele componenten.
• 6061-T651: Deze veelzijdige legering wordt gebruikt in diverse industrieën, waaronder de auto-industrie en de bouw. Normen voor 6061-T651 specificeren de hardheid, treksterkte en corrosiebestendigheid, zodat het betrouwbaar presteert in diverse toepassingen.
• 7075-T651: 7075-T651 is een van de aluminiumlegeringen met de hoogste sterkte en is essentieel voor toepassingen met hoge belasting, zoals vliegtuigvleugels en militaire voertuigen. De normen voor deze legering zorgen ervoor dat het voldoet aan de strenge eisen voor hardheid en mechanische eigenschappen die nodig zijn voor deze veeleisende toepassingen.

Naleving bij productie garanderen

Fabrikanten moeten zich houden aan industriële normen om de kwaliteit en prestaties van aluminiumlegeringen te garanderen. Dit houdt strenge test- en certificeringsprocessen in om te controleren of de materialen voldoen aan de gespecificeerde criteria.

Test- en certificeringsprocessen

• Hardheid testen: Methoden zoals Rockwell, Brinell en Vickers hardheidstesten worden gebruikt om de hardheid van aluminiumlegeringen te meten. Deze testen zorgen ervoor dat de materialen voldoen aan de vereiste hardheidsniveaus zoals gespecificeerd door de industriestandaarden.
• Geleidbaarheidsmetingen: Elektrische geleidbaarheidsmetingen, uitgedrukt als een percentage van de International Annealed Copper Standard (IACS), worden gebruikt om de eigenschappen van warmtebehandelde aluminium onderdelen te verifiëren. Deze metingen worden beïnvloed door de hoeveelheid legeringselementen in vaste oplossing en de aard van de precipitaten gevormd tijdens de warmtebehandeling.

Gevolgen van niet-naleving

Niet-naleving van de industrienormen kan ernstige gevolgen hebben, waaronder:

• Productstoringen: Aluminium onderdelen die niet voldoen aan de vereiste hardheid en mechanische eigenschappen kunnen onder spanning falen, wat leidt tot veiligheidsrisico's en mogelijke catastrofale defecten in kritieke toepassingen zoals luchtvaart- en auto-onderdelen.
• Financiële verliezen: Niet-conformiteit kan leiden tot kostbare terugroepacties, reparaties en wettelijke aansprakelijkheid, wat de reputatie en financiële stabiliteit van de fabrikant kan aantasten.
• Boetes: Het niet naleven van industrienormen kan leiden tot boetes en verlies van certificeringen, waardoor het vermogen van de fabrikant om materialen te leveren aan bepaalde industrieën wordt beperkt.

Naleving van normen zoals AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) en de EN-normen is essentieel voor het behoud van de kwaliteit, veiligheid en prestaties van aluminiumlegeringen in verschillende toepassingen. Deze normen bieden een kader voor het testen, classificeren en toepassen, en helpen fabrikanten bij het produceren van betrouwbare aluminium onderdelen van hoge kwaliteit die voldoen aan de strenge eisen van verschillende industrieën.

Welke elementen die aan een aluminiumlegering worden toegevoegd, kunnen de hardheid ervan aanzienlijk verhogen?

Elementen zoals magnesium, mangaan, titanium en zeldzame aardelementen (zoals lanthaan en yttrium) kunnen worden toegevoegd aan een aluminiumlegering om de hardheid te verhogen. Het toevoegen van magnesium kan de treksterkte van aluminium aanzienlijk verhogen; voor elke toename van magnesium met 1% neemt de treksterkte toe met ongeveer 34 MPa.

De toevoeging van mangaan kan het versterkende effect aanvullen en ook de gevoeligheid voor thermisch kraken verminderen.

Bovendien kan de toevoeging van zeldzame aardelementen (zoals lanthaan en yttrium) de weerstand tegen het afbladderen van de oxidatielaag verhogen. De toevoeging van deze elementen kan de hardheid van aluminiumlegeringen dus in verschillende mate verhogen.

Hoe kunnen de hardheid en slijtvastheid van aluminiumlegeringen worden verbeterd door oppervlaktebehandelingsmethoden?

Er zijn verschillende methoden die gebruikt kunnen worden om de hardheid en slijtvastheid van aluminiumlegeringen te verbeteren door oppervlaktebehandeling:

Anodische oxidatiebehandeling: Bij deze veelgebruikte methode wordt een dichte oxidelaag gevormd op het oppervlak van de aluminiumlegering, waardoor de hardheid en corrosiebestendigheid worden verbeterd.

Oppervlakte galvaniseren: Door een laagje metaal (zoals tin of koper) op het oppervlak van de aluminiumlegering aan te brengen, kunnen de hardheid en slijtvastheid effectief worden verbeterd.

Spuiten van slijtvaste coatings: Een speciale slijtvaste coating wordt gelijkmatig op het oppervlak van het aluminiumlegeringsmateriaal gespoten om een uniforme, dichte en harde coating te vormen. Deze methode verbetert niet alleen de slijtvastheid en corrosiebestendigheid, maar verbetert ook het uiterlijk.

Koudverharding: Deze methode verhardt de aluminiumlegering bij kamertemperatuur door koud bewerken, geschikt voor materialen van aluminiumlegeringen die hun oorspronkelijke vorm moeten behouden.

Warmtebehandeling: Voor bepaalde specifieke soorten aluminiumlegeringen (zoals 6061) kunnen hun sterkte en hardheid worden verbeterd door een verouderingsbehandeling. Dit houdt meestal een verouderingsbehandeling in na de oplossingsbehandeling.

Afzetting van amorfe CrAlN-coating met gelijkstroom door magnetronsputteren: Deze methode deponeert een amorfe CrAlN-coating op het oppervlak van de aluminiumlegering, waardoor de corrosiebestendigheid en slijtvastheid worden verbeterd.

Thermisch spuiten en zelfproducerende synthese bij hoge temperatuur: Deze methoden kunnen slijtvaste keramische coatings op het oppervlak van de aluminiumlegering voorbereiden, waardoor de slijtvastheid van de aluminiumlegering aanzienlijk wordt verbeterd.