La durezza dei metalli è la resistenza di un materiale alla penetrazione permanente e all'usura. Determina il comportamento di un pezzo in esercizio — e quanto sia difficile lavorarlo. La durezza si misura con prove normalizzate come Brinell (HB), Rockwell (HRC, HRB) e Vickers (HV), e ogni scala è adatta a materiali diversi.
Questa guida spiega che cosa si intende per durezza dei metalli, come funzionano e si confrontano le prove di durezza, come convertire i valori tra le diverse scale e come la durezza influisce sulla scelta degli utensili, sui parametri di taglio e sulla progettazione dei pezzi nella lavorazione CNC.
Che cos'è la durezza dei metalli?
La durezza dei metalli è la resistenza di un metallo alla deformazione plastica in superficie: di solito si misura premendo un penetratore duro nel materiale e valutando la dimensione o la profondità dell'impronta. I metalli duri resistono a usura, abrasione e penetrazione; i metalli teneri si deformano più facilmente, ma sono più facili da lavorare.
La durezza è correlata ad altre proprietà meccaniche, ma non coincide con esse:
- Resistenza meccanica: è la resistenza alla rottura sotto carico. Per gli acciai, la resistenza a trazione può essere stimata dalla durezza: resistenza a trazione in MPa ≈ 3,3 × durezza Vickers.
- Tenacità: è la capacità di assorbire energia senza rompersi. Gli acciai molto duri sono spesso fragili: un'elevata durezza significa di solito una minore tenacità.
- Resistenza all'usura: in genere aumenta con la durezza, motivo per cui utensili da taglio, guide e stampi vengono temprati.
Prove di durezza: Brinell, Rockwell e Vickers a confronto
Per i metalli si utilizzano tre prove normalizzate, che differiscono per penetratore, forza di prova e modalità di misura del risultato:
| Prova | Penetratore | Valore misurato | Norma | Ideale per |
|---|---|---|---|---|
| Brinell (HBW) | Sfera in carburo di tungsteno, di solito da 10 mm | Diametro dell'impronta | ISO 6506 | Metalli da teneri a mediamente duri, getti, materiali a grana grossa; fino a circa 650 HBW |
| Rockwell (HRC, HRB) | Cono di diamante (HRC) o sfera in acciaio o in metallo duro (HRB) | Profondità dell'impronta | ISO 6508 | Prove rapide in produzione: HRC per acciai temprati, HRB per metalli più teneri |
| Vickers (HV) | Piramide di diamante a base quadrata, 136° | Diagonali dell'impronta | ISO 6507 | Tutti i metalli, da teneri a molto duri, pezzi sottili, rivestimenti e strati superficiali |
Durezza Brinell (HBW)
Una sfera in carburo di tungsteno viene premuta sulla superficie con una forza definita e si misura il diametro dell'impronta. Poiché l'impronta è grande, la prova Brinell fornisce un valore medio sulla microstruttura, il che la rende ideale per getti e materiali a grana grossa. L'acciaio dolce, ad esempio, ha una durezza di circa 120–140 HBW. Le sfere in acciaio non sono più ammesse dalla norma vigente: per questo il simbolo è HBW.
Durezza Rockwell (HRC, HRB)
La prova Rockwell misura la profondità dell'impronta e mostra il risultato direttamente sul durometro: è quindi rapida e molto diffusa in produzione e nel controllo in accettazione. La scala definisce penetratore e forza: la HRC utilizza un cono di diamante ed è lo standard per acciai temprati e acciai per utensili — l'acciaio per utensili temprato raggiunge 58–64 HRC. La HRB utilizza una sfera e copre metalli più teneri come leghe di rame, acciai dolci e alluminio.
Durezza Vickers (HV)
Una piramide di diamante a base quadrata produce una piccola impronta, le cui diagonali vengono misurate al microscopio. La prova Vickers copre l'intero campo di durezza con un'unica scala e, con forze di prova ridotte, consente di misurare anche pezzi sottili, strati cementati e rivestimenti (microdurezza). La cromatura dura, ad esempio, raggiunge circa 800–1.000 HV.
Conversione della durezza: HV, HB e HRC
Non esiste una formula esatta per convertire i valori tra le scale di durezza, perché ogni prova deforma il materiale in modo diverso. Tabelle di conversione approssimative per gli acciai sono riportate nella ISO 18265. Usale solo come orientamento: per le prove di collaudo misura sempre nella scala indicata a disegno.
| Vickers (HV) | Brinell (HBW) | Rockwell |
|---|---|---|
| 150 | Circa 143 | Circa 79 HRB |
| 200 | Circa 190 | Circa 92 HRB |
| 250 | Circa 238 | Circa 22 HRC |
| 300 | Circa 284 | Circa 30 HRC |
| 400 | Circa 379 | Circa 41 HRC |
| 500 | Circa 471 | Circa 49 HRC |
| 600 | Circa 564 | Circa 55 HRC |
| 700 | – | Circa 60 HRC |
| 800 | – | Circa 64 HRC |
Durezza tipica dei metalli più comuni
La durezza di un metallo dipende fortemente dalla lega e dallo stato (ricotto, incrudito, temprato). Questi valori approssimativi aiutano nella scelta del materiale e nella pianificazione della lavorazione:
| Materiale | Stato | Durezza tipica |
|---|---|---|
| Leghe di alluminio (EN AW-5052, EN AW-6061) | Incrudito o invecchiato | Circa 60–95 HBW |
| Rame (Cu-ETP) | Da ricotto a incrudito | Circa 40–100 HBW |
| Ottone (CW614N) | Barra trafilata | Circa 90–150 HBW |
| Acciaio da costruzione S235 (EN 1.0038) | Allo stato laminato | Circa 120–140 HBW |
| Acciaio al carbonio C45 (EN 1.1191) | Normalizzato | Circa 170–210 HBW |
| Acciaio inox EN 1.4301 | Ricotto | Circa 150–200 HBW |
| Acciaio legato 42CrMo4 (EN 1.7220) | Bonificato | Circa 26–32 HRC |
| Titanio Ti-6Al-4V | Ricotto | Circa 30–36 HRC |
| Acciaio per utensili EN 1.2379 | Temprato e rinvenuto | Circa 58–63 HRC |
Scopri di più sui materiali nelle nostre guide su acciaio al carbonio, acciaio inox e leghe di rame.
Come la durezza dei metalli influisce sulla lavorazione CNC
Scelta dell'utensile
Più il pezzo in lavorazione è duro, più l'utensile da taglio deve essere duro e resistente al calore:
| Durezza del pezzo | Materiali tipici | Utensili consigliati |
|---|---|---|
| Tenero (sotto circa 150 HBW) | Alluminio, rame, ottone, acciaio dolce | HSS o metallo duro non rivestito con taglienti affilati |
| Medio (circa 150–300 HBW) | Acciai al carbonio, acciai inox, acciai pretemprati | Metallo duro rivestito |
| Duro (circa 45–65 HRC) | Acciai per utensili e acciai per cuscinetti temprati | Metallo duro rivestito per la lavorazione su temprato, CBN, ceramica; rettifica per la finitura |
La durezza non è l'unico fattore. Il titanio e le leghe a base di nichel come l'Inconel sono difficili da lavorare pur non essendo estremamente duri: conducono poco il calore e tendono a incrudirsi, quindi richiedono utensili in metallo duro affilati, basse velocità di taglio e abbondante refrigerante.
Parametri di taglio
All'aumentare della durezza, i parametri di taglio vanno ridotti per tenere sotto controllo l'usura dell'utensile e il calore:
| Durezza | Velocità di taglio | Avanzamento | Profondità di passata | Usura dell'utensile |
|---|---|---|---|---|
| Bassa (sotto circa 150 HBW) | Alta | Da medio ad alto | Da media ad alta | Bassa |
| Media (circa 150–300 HBW) | Media | Medio | Media | Media |
| Alta (oltre circa 300 HBW / 30 HRC) | Bassa | Basso | Bassa | Alta |
Parametri errati causano scheggiature dell'utensile, surriscaldamento, scarsa finitura superficiale ed errori dimensionali.
Metalli teneri e metalli duri nella lavorazione CNC
I metalli teneri come alluminio, rame, ottone e acciaio dolce si lavorano rapidamente:
- Velocità di taglio elevate e tempi di lavorazione ridotti.
- Lunga durata dell'utensile e buona finitura superficiale.
- Le leghe di alluminio e di rame offrono inoltre una buona resistenza alla corrosione.
Gli svantaggi: minore resistenza meccanica e all'usura; inoltre i materiali teneri e duttili possono formare bave e tagliente di riporto sull'utensile.
I metalli duri come gli acciai per utensili temprati e gli acciai inox martensitici garantiscono prestazioni elevate:
- Elevata resistenza meccanica ed eccellente resistenza all'usura.
- Stabilità dimensionale sotto carico, ideale per guide, stampi, alberi e parti soggette a usura.
Gli svantaggi: lavorazione più lenta, maggiore usura e costo degli utensili, e necessità di macchine rigide, utensili speciali e un raffreddamento efficace.
Consigli di progettazione per materiali duri
La durezza dovrebbe influenzare fin dall'inizio la geometria, le tolleranze e il ciclo di fabbricazione di un pezzo:
- Mantieni la geometria semplice: nei materiali duri evita tasche profonde, pareti sottili e piccoli raggi interni, perché causano flessione dell'utensile e lunghi tempi di lavorazione.
- Prevedi raccordi e smussi: riducono le concentrazioni di tensione e il rischio di cricche durante la tempra.
- Usa tolleranze realistiche: tolleranze molto strette su pezzi temprati aumentano notevolmente i costi.
- Prima lavora allo stato tenero, poi tempra: se il pezzo finito deve essere molto duro, lavoralo allo stato tenero o pretemprato, esegui il trattamento termico e in seguito finisci solo le superfici critiche.
- Valuta gli acciai pretemprati: gli acciai bonificati con circa 30 HRC possono essere lavorati direttamente e spesso non richiedono ulteriori trattamenti termici.
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- Acciai pretemprati e bonificati: EN 1.1206 equiv. (durezza di riferimento 20–34 HRC), EN 1.7220 equiv. (26–32 HRC) e NAK55 equiv. (37–43 HRC).
- Tempra alla durezza richiesta: EN 1.2379 equiv. fino a 63 HRC, EN 1.7220 equiv. fino a 55 HRC ed EN 1.1206 equiv. fino a 50 HRC; la durezza minima da te indicata è garantita.
- Materiali teneri per una lavorazione rapida: alluminio, rame, ottone e materie plastiche sia per la fresatura sia per la tornitura CNC.
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Domande frequenti sulla durezza dei metalli
Che cos'è la durezza dei metalli?
La durezza dei metalli è la resistenza di un metallo alla penetrazione permanente, alla scalfittura e all'usura. Si misura premendo un penetratore duro sulla superficie e valutando l'impronta, ad esempio con la prova Brinell, Rockwell o Vickers.
Qual è la differenza tra HRC, HB e HV?
Sono scale di durezza diverse. La HRC (Rockwell C) misura la profondità di penetrazione di un cono di diamante e si usa per gli acciai temprati. La HB (Brinell) misura il diametro dell'impronta lasciata da una sfera ed è adatta ai metalli più teneri. La HV (Vickers) misura le diagonali di un'impronta piramidale e copre tutti i livelli di durezza.
Come si converte la durezza HRC in HV o HB?
Si usano le tabelle di conversione secondo ISO 18265, valide solo per gli acciai. Ad esempio, 30 HRC corrispondono a circa 300 HV e 284 HBW, e 55 HRC a circa 600 HV. Le conversioni sono approssimative e non sostituiscono una misurazione.
Quali metalli sono i più difficili da lavorare?
Gli acciai per utensili temprati oltre circa 45 HRC sono i più difficili da tagliare e richiedono spesso utensili in CBN o la rettifica. Anche il titanio e le leghe a base di nichel sono difficili da lavorare, non perché siano molto duri, ma perché conducono poco il calore e si incrudiscono.
Meglio lavorare l'acciaio prima o dopo la tempra?
Di solito prima. La lavorazione allo stato tenero o pretemprato è più rapida ed economica. Dopo la tempra si finiscono solo le superfici critiche, ad esempio con fresatura su temprato o rettifica, per correggere le deformazioni e ottenere tolleranze strette.
Conclusione
La durezza dei metalli indica quanto un materiale resiste alla penetrazione e all'usura e si misura con le prove Brinell, Rockwell e Vickers. Più il metallo è duro, più il pezzo è resistente all'usura, ma più lenta e costosa è la lavorazione. Scegli la durezza di cui la funzione ha davvero bisogno, usa acciai pretemprati oppure lavora allo stato tenero prima della tempra, e adatta utensili e parametri di taglio al materiale.