Alüminyum Alaşım Sertlik Tablosu: HW, HB, HV, HRB, HBA

Giriş

Alüminyum Sertliğinin Tanımı

Alüminyumda sertlik, malzemenin girinti, aşınma veya penetrasyon nedeniyle oluşabilecek lokalize plastik deformasyona direnme kabiliyetini ifade eder. Bu özellik, alüminyum alaşımlarının çeşitli mekanik gerilimler ve koşullar altında nasıl performans göstereceğini anlamak için çok önemlidir. Sertlik, alüminyum alaşımlarının dayanıklılığını, aşınma direncini ve genel mekanik performansını etkileyen önemli bir parametredir.

Alüminyum Alaşımlarında Sertliğin Önemi

Alüminyum alaşımlarının sertliği, farklı uygulamalar için uygunluklarının belirlenmesinde önemli bir faktördür. Malzemenin aşınma ve yıpranmaya karşı direncini, mekanik stres altında şeklini koruma kabiliyetini ve hizmetteki genel uzun ömürlülüğünü doğrudan etkiler. Örneğin, alüminyum alaşımlarında daha yüksek sertlik değerleri, havacılık ve otomotiv bileşenleri gibi aşınma direncinin ve yapısal bütünlüğün kritik olduğu uygulamalarda arzu edilir.

Sertlik aynı zamanda çekme mukavemeti ve akma mukavemeti gibi diğer mekanik özelliklerle de ilişkilidir, bu da onu malzeme seçim sürecinde hayati bir husus haline getirir. Alüminyum alaşımlarının sertliğini anlamak, mühendislerin ve üreticilerin seçilen malzemenin belirli uygulamaların performans gereksinimlerini karşılamasını sağlayarak güvenliği, güvenilirliği ve verimliliği artırmasına yardımcı olur.

Alüminyum Alaşımlarında Sertlik Ölçümü

Alüminyum alaşımlarında sertlik, her biri kendi uygunluğu ve uygulaması olan birkaç farklı yöntem kullanılarak ölçülebilir. En yaygın yöntemler Brinell, Rockwell ve Vickers sertlik testlerini içerir.

• Brinell Sertlik Testi: Bu yöntem, sert bir çelik veya karbür bilyenin belirli bir yük altında malzemeye bastırılmasını içerir. Malzemede kalan girintinin çapı ölçülür ve sertlik değeri hesaplanır. Brinell sertlik sayıları (BHN) genellikle daha yumuşak alüminyum alaşımları için kullanılır.
• Rockwell Sertlik Testi: Rockwell testi, bir ön yük tarafından yapılan penetrasyona kıyasla büyük bir yük altında bir girintinin penetrasyon derinliğini ölçer. Rockwell sertlik sayısı (HR) derinlik farkından elde edilir. Bu yöntem daha hızlı ve daha basittir, çok çeşitli alüminyum alaşımları için uygundur.
• Vickers Sertlik Testi: Bu yöntemde bir elmas piramit girinti kullanılır ve bir girinti oluşturmak için belirli bir yük uygulanır. Girintinin boyutu mikroskobik olarak ölçülür ve Vickers sertlik sayısı (HV) hesaplanır. Vickers testi son derece doğrudur ve hem sert hem de yumuşak alüminyum alaşımları için kullanılabilir.

Örneğin, 6061 alüminyum alaşımı tipik olarak yaklaşık 95 BHN Brinell sertliğine sahipken, yüksek mukavemetiyle bilinen 7075 alüminyum alaşımı yaklaşık 150 BHN Brinell sertliğine sahiptir. Bu değerler, farklı alüminyum alaşımlarının sertlik açısından nasıl önemli ölçüde değişebildiğini ve uygulamalarını nasıl etkilediğini göstermektedir.

Alüminyum Alaşımlarında Sertliği Etkileyen Faktörler

Alüminyum alaşımlarının sertliğini alaşım elementleri, ısıl işlem ve işle sertleştirme dahil olmak üzere çeşitli faktörler etkiler.

İş Güçlendirme: Alüminyum alaşımını oda sıcaklığında deforme etme işlemi sertliğini artırabilir. Haddeleme veya çekiçleme gibi soğuk işlem, malzemenin kristal yapısına dislokasyonlar ekleyerek onu daha sert ve daha güçlü hale getirir.

Alaşım Elementleri: Bakır, magnezyum, silikon ve çinko gibi elementler, sertlik de dahil olmak üzere mekanik özelliklerini geliştirmek için alüminyuma eklenir. Örneğin, 7075 alüminyum alaşımına çinko eklenmesi sertliğini ve mukavemetini önemli ölçüde artırır.

Isıl İşlem: Çözelti ısıl işlemi ve yaşlandırma gibi ısıl işlem süreçleri, alüminyum alaşımlarının mikro yapısını değiştirebilir ve böylece sertliklerini etkileyebilir. Örneğin, 6061 alüminyum için T6 temperleme işlemi, çözelti ısıl işlemini ve ardından yapay yaşlandırmayı içerir, bu da sertliği ve mekanik özellikleri iyileştirir.

Alüminyum Alaşım Sertlik Tablosu

Aşağıdaki tabloda, farklı ısıl işlem süreçlerine sahip yaklaşık 400 farklı sınıf alüminyum alaşımlı malzeme için Tianxing W-20 Vickers sertlik test cihazı ile ölçülen tipik Vickers sertlik değerleri verilmektedir.

Tablodaki Vickers sertlik değerleri, çeşitli alüminyum alaşımlı malzemelerin gerçek ölçülen tipik sertlik değerleridir ve malzemenin nitelikli olup olmadığı konusunda temel olarak kullanılmaz. Çeşitli malzemeler için sertlik yeterlilik değerleri, ilgili ürün teknik özelliklerine bakmalıdır. Örneğin, GB 5237.1 "Alüminyum Alaşımlı Yapı Profilleri Bölüm 1: Ana Malzeme" ulusal standardında 6063-T5'in Vickers sertlik değerinin 8HW'den az olmaması ve 6063A-T5'in Vickers sertlik değerinin 10HW'den az olmaması öngörülmektedir.

Bu Brinell sertliğiVickers sertliği, Rockwell sertliği ve Barcol sertliği sadece referans içindir ve dönüştürme için kullanılamaz. Dönüştürme gerekiyorsa, Amerikan standardı ASTM E140'ın sertlik dönüştürme tablosunun kullanılması önerilir.

Alüminyum Alaşım Sertlik Tablosu

Karşılaştırmalı Analiz

Alüminyum Alaşımları Arasında Sertlik Karşılaştırması

Karşılaştırma için Metodoloji

Alüminyum sertliğinin karşılaştırmalı bir analizinin yapılması, alaşım tipi, temper ve takviye malzemelerinin varlığı gibi çeşitli faktörlerin değerlendirilmesini içerir. Karşılaştırma tipik olarak Rockwell, Brinell ve Vickers gibi standartlaştırılmış sertlik testi yöntemlerine dayanır. Bu testler, farklı alaşımların sertlik seviyelerini benzer koşullar altında karşılaştırmak için kullanılabilecek ölçülebilir ölçümler sağlar.

Sertliği Etkileyen Faktörler

Alüminyum alaşımlarının sertliğini etkileyen birkaç temel faktör vardır:

1. Alaşım Elementleri:
   • Bakır (Cu): Sertliği ve mukavemeti artırır. Örneğin, bakır içeren 2024 alaşımı, yüksek mukavemeti ve sertliği ile bilinir, bu da onu havacılık ve uzay uygulamaları için uygun hale getirir.
   • Magnezyum (Mg): Orta sertlik ve korozyon direncine katkıda bulunur. Magnezyum içeren alaşım 5052, iyi korozyon direnci ve orta sertliği nedeniyle deniz ortamlarında kullanılır.
   • Silisyum (Si): Döküm özelliklerini ve orta sertliği geliştirir. Silisyum içeren döküm alaşımı 356, iyi döküm özellikleri ve yeterli sertliği nedeniyle otomotiv parçalarında yaygın olarak kullanılır.
   • Çinko (Zn): Sertliği ve mukavemeti önemli ölçüde artırır. Çinko içeren 7075 alaşımı, uçak yapıları gibi yüksek mukavemet gerektiren uygulamalarda kullanılan en güçlü alüminyum alaşımlarından biridir.
2. Isıl İşlem Prosesleri:
   • Çözelti Isıl İşlemi: Alaşım elementlerini çözmek için alaşımın ısıtılmasını ve ardından aşırı doymuş bir çözelti oluşturmak için hızlı soğutmayı içerir. Bu işlem 6061 ve 7075 gibi alaşımların sertliğini artırır.
   • Yaşlanma: Hem doğal hem de yapay yaşlandırma işlemleri çökeltilerin oluşumuna izin vererek sertliği artırır. Örneğin, T6 temperleme, 6061-T6 ve 7075-T6 gibi alaşımlarda sertliği artıran çözelti ısıl işlemini ve ardından yapay yaşlandırmayı içerir.
3. Doğal Yaşlanma: Zamanla, alüminyum alaşımları doğal olarak yaşlanır ve çökeltilerin yavaş oluşumu nedeniyle sertlikte değişikliklere yol açar. Bu süreç yapay yaşlandırma işlemleri ile hızlandırılabilir.
4. Takviye Malzemeleri: Alüminyum matrislere zirkonyum diborid veya salyangoz kabuğu gibi malzemelerin eklenmesi sertliği ve elastik modülü artırabilir. Takviye yüzdesi, kompozitin sertliği ve mekanik özellikleri ile doğrudan ilişkilidir.

Sertliği etkileyen faktörler, bir alüminyum alaşımının belirli uygulamalar için uygunluğunun belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar.

Özel İhtiyaçlar için En İyi Alaşımın Belirlenmesi

Sertlik ve Özelliklere Dayalı Karar Verme Süreci

Belirli bir uygulama için en iyi alüminyum alaşımının seçilmesi, istenen sertlik, mukavemet, süneklik ve diğer mekanik özellikler dengesinin dikkate alınmasını gerektirir. Bu karar verme süreci şunları içerir:

1. Başvuru Koşulları: Yük taşıma kapasitesi, aşınma direnci ve çevresel koşullar gibi uygulamanın özel taleplerinin anlaşılması.
2. Mekanik Özellikler: Performans kriterlerini karşıladıklarından emin olmak için potansiyel alaşımların gerilme mukavemeti, akma mukavemeti ve uzamasının değerlendirilmesi.
3. Isıl İşlem Yetenekleri: Sertliği ve diğer özellikleri geliştirmek için ısıl işlem süreçlerinin fizibilitesini ve faydalarını göz önünde bulundurmak.
4. Maliyet ve Bulunabilirlik: Malzeme maliyetleri ve bulunabilirliği ile gerekli performans özelliklerinin dengelenmesi.

Vaka Çalışmaları veya Karşılaştırma Örnekleri

1. 6061 vs 7075 Alüminyum:
   • 7075 Alüminyum: T6 temperinde yaklaşık HB 150 Brinell sertliği ile üstün sertliği ve mukavemeti ile bilinir. Havacılık ve askeri bileşenler gibi yüksek stresli uygulamalar için idealdir.
   • 6061 Alüminyum: Orta sertlik (T6 temperinde HB 90-95) ve iyi işlenebilirlik sunarak otomotiv parçaları ve inşaat için uygun hale getirir.
2. 5052 vs 6063 Alüminyum:
   • 5052 Alüminyum: İyi korozyon direnci ve orta sertlik sağlar, genellikle deniz ortamlarında ve mimari uygulamalar için kullanılır.
   • 6063 Alüminyum: Temperleme yoluyla daha yüksek sertlik elde edilebilen, genellikle pencere çerçeveleri ve borular için ekstrüzyon işlemlerinde kullanılan ısıl işlem uygulanabilir bir alaşım.
3. Güçlendirilmiş Kompozitler:
   • Alüminyum matrislere zirkonyum diborür eklenmesi sertliği ve elastik modülü artırarak bu kompozitleri gelişmiş mekanik özellikler gerektiren uygulamalar için uygun hale getirir.

Mühendisler ve üreticiler, farklı alüminyum alaşımlarının sertlik ve mekanik özelliklerini anlayarak ve karşılaştırarak, özel ihtiyaçları için en uygun malzemeleri seçmek üzere bilinçli kararlar verebilir ve uygulamalarında optimum performans ve uzun ömürlülük sağlayabilirler.

Uyumluluk ve Standartlar

Alüminyum Sektöründe Standartların Önemi

Endüstri standartlarına uyum, çeşitli uygulamalarda alüminyum alaşımlarının güvenilirliğini, güvenliğini ve performansını sağlamak için gereklidir. Bu standartlar, test, sınıflandırma ve kalite güvencesi için tek tip bir çerçeve sağlayarak alüminyum parçaların havacılık, otomotiv ve inşaat gibi farklı endüstrilerin katı gereksinimlerini karşılamasını sağlar.

Endüstri Standartlarına Genel Bakış

Alüminyum alaşımlarının sertlik ve diğer özelliklerini düzenleyen birkaç temel standart, üretim ve uygulama süreçlerinde tutarlılığı ve kalite kontrolünü kolaylaştırır.

AMS 2658D

AMS 2658D, "Dövme Alüminyum Alaşımlı Parçaların Sertlik ve İletkenlik Muayenesi" spesifikasyonu havacılık ve uzay endüstrisinde çok önemlidir. İşlenmiş alüminyum alaşımlarından mamul veya yarı mamul parçaların sertlik ve elektrik iletkenliği için kabul kriterlerini belirler. Bu standart, sertlik ve iletkenlik için gerekli değerleri belirleyerek malzemelerin havacılık ve uzay uygulamaları için gerekli performans kriterlerini karşılamasını sağlar.

ASTM B647-10 (2016)

ASTM B647-10 (2016) standardı, alüminyum alaşımlarının sertliğini ölçmek için Webster sertlik ölçerin kullanımını açıklamaktadır. Rockwell veya Brinell sertlik makinelerinden daha az hassas olmasına rağmen, Webster mastarı üretim kontrolü ve saha testleri için değerlidir. Bu standart, üretim sırasında kalitenin korunmasına yardımcı olur ve alüminyum parçaların belirtilen sertlik seviyelerine uymasını sağlar.

EN Standartları

EN standartları, alüminyum alaşımları için mekanik özellikleri, ısıl işlem tanımlarını ve korozyon direncini kapsayan kapsamlı bir çerçeve sunar. BS1470 gibi eski standartların yerini alan bu standartlar, farklı uygulamalar ve endüstriler arasında tutarlılık ve kalite sağlar. Üreticilerin gerekli özellikleri ve performans kriterlerini karşılayan alüminyum parçalar üretmeleri için gereklidirler.

Alüminyum Sertliği için Özel Standartlar

Farklı alüminyum alaşımları, amaçlanan uygulamalara uygunluklarını sağlamak için karşılanması gereken belirli standartlara ve özelliklere sahiptir. Örneğin:

• 2024-T351: Yüksek mukavemeti ve yorulma direnci ile bilinen bu alaşım, havacılık ve uzay uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. 2024-T351 standartları, kritik yapısal bileşenler için gerekli sertlik ve mekanik özellikleri karşılamasını sağlar.
• 6061-T651: Bu çok yönlü alaşım, otomotiv ve inşaat dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. 6061-T651 için standartlar sertliğini, çekme mukavemetini ve korozyon direncini belirtir ve çeşitli uygulamalarda güvenilir bir şekilde performans göstermesini sağlar.
• 7075-T651: En yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarından biri olan 7075-T651, uçak kanatları ve askeri araçlar gibi yüksek stresli uygulamalar için gereklidir. Bu alaşımın standartları, bu zorlu uygulamalar için gerekli olan katı sertlik ve mekanik özellik gereksinimlerini karşılamasını sağlar.

Üretimde Uyumluluğun Sağlanması

Üreticiler, alüminyum alaşımlarının kalitesini ve performansını sağlamak için endüstri standartlarına uymalıdır. Bu, malzemelerin belirtilen kriterleri karşıladığını doğrulamak için titiz test ve sertifikasyon süreçlerini içerir.

Test ve Belgelendirme Süreçleri

• Sertlik Testi: Alüminyum alaşımlarının sertliğini ölçmek için Rockwell, Brinell ve Vickers sertlik testleri gibi yöntemler kullanılır. Bu testler, malzemelerin endüstri standartları tarafından belirtilen gerekli sertlik seviyelerini karşılamasını sağlar.
• İletkenlik Ölçümleri: Uluslararası Tavlanmış Bakır Standardının (IACS) yüzdesi olarak ifade edilen elektriksel iletkenlik ölçümleri, ısıl işlem görmüş alüminyum parçaların özelliklerini doğrulamak için kullanılır. Bu ölçümler, katı çözeltideki alaşım elementlerinin miktarından ve ısıl işlem sırasında oluşan çökeltilerin doğasından etkilenir.

Uyumsuzluğun Sonuçları

Endüstri standartlarına uyulmaması, aşağıdakiler de dahil olmak üzere ciddi sonuçlar doğurabilir:

• Ürün Arızaları: Gerekli sertlik ve mekanik özellikleri karşılamayan alüminyum parçalar stres altında arızalanabilir, bu da havacılık ve otomotiv bileşenleri gibi kritik uygulamalarda güvenlik risklerine ve potansiyel yıkıcı arızalara yol açabilir.
• Finansal Kayıplar: Uyumsuzluk maliyetli geri çağırmalara, onarımlara ve yasal yükümlülüklere yol açarak üreticinin itibarını ve mali istikrarını etkileyebilir.
• Düzenleyici Cezalar: Endüstri standartlarına uyulmaması, düzenleyici cezalara ve sertifika kaybına yol açarak üreticinin belirli endüstrilere malzeme tedarik etme kabiliyetini kısıtlayabilir.

AMS 2658D, ASTM B647-10 (2016) ve EN standartları gibi standartlarla uyumluluğun sağlanması, çeşitli uygulamalarda alüminyum alaşımlarının kalitesini, güvenliğini ve performansını korumak için gereklidir. Bu standartlar test, sınıflandırma ve uygulama için bir çerçeve sağlayarak üreticilerin farklı endüstrilerin katı gereksinimlerini karşılayan güvenilir ve yüksek kaliteli alüminyum parçalar üretmesine yardımcı olur.

Bir alüminyum alaşımına eklenen hangi elementler sertliğini en önemli ölçüde artırabilir?

Magnezyum, manganez, titanyum ve nadir toprak elementleri (lantan ve itriyum gibi) gibi elementler, sertliğini artırmak için bir alüminyum alaşımına eklenebilir. Magnezyum eklenmesi alüminyumun gerilme mukavemetini önemli ölçüde artırabilir; magnezyumdaki her 1%'lik artış için gerilme mukavemeti yaklaşık 34 MPa artar.

Manganez ilavesi güçlendirme etkisini tamamlayabilir ve ayrıca termal çatlamaya karşı hassasiyeti azaltabilir.

Ayrıca, nadir toprak elementlerinin (lantan ve itriyum gibi) eklenmesi, oksidasyon tabakasının soyulmasına karşı direnci artırabilir. Dolayısıyla, bu elementlerin eklenmesi alüminyum alaşımlarının sertliğini değişen derecelerde artırabilir.

Alüminyum alaşımlarının sertliği ve aşınma direnci yüzey işleme yöntemleri ile nasıl geliştirilebilir?

Yüzey işleme yoluyla alüminyum alaşımlarının sertliğini ve aşınma direncini artırmak için kullanılabilecek çeşitli yöntemler vardır:

Anodik oksidasyon işlemi: Bu yaygın yöntem, alüminyum alaşımının yüzeyinde yoğun bir oksit filmi oluşturmayı ve böylece sertliğini ve korozyon direncini artırmayı içerir.

Yüzey elektrokaplama: Alüminyum alaşımının yüzeyine bir metal tabakası (kalay veya bakır gibi) kaplayarak, sertliği ve aşınma direnci etkili bir şekilde geliştirilebilir.

Aşınmaya dayanıklı kaplamaların püskürtülmesi: Düzgün, yoğun ve sert bir kaplama oluşturmak için alüminyum alaşımlı malzemenin yüzeyine eşit şekilde aşınmaya dayanıklı özel bir kaplama püskürtülür. Bu yöntem sadece aşınma direncini ve korozyon direncini artırmakla kalmaz, aynı zamanda görünümü de iyileştirir.

Soğuk iş sertleşmesi: Bu yöntem, alüminyum alaşımını soğuk işleme yoluyla oda sıcaklığında sertleştirir ve orijinal şeklini koruması gereken alüminyum alaşımlı malzemeler için uygundur.

Isıl işlem: Bazı özel alüminyum alaşımları için (6061 gibi), mukavemet ve sertlikleri yaşlandırma işlemi ile artırılabilir. Bu genellikle çözelti işleminden sonra bir yaşlandırma işlemini içerir.

Amorf CrAlN kaplamanın doğru akım magnetron püskürtme ile biriktirilmesi: Bu yöntem, alüminyum alaşımının yüzeyinde amorf bir CrAlN kaplama biriktirerek korozyon direncini ve aşınma direncini artırır.

Termal püskürtme ve kendi kendine ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi: Bu yöntemler, alüminyum alaşımının yüzeyinde aşınmaya dayanıklı seramik kaplamalar hazırlayarak alüminyum alaşımının aşınma direncini önemli ölçüde artırabilir.