Rockwelli kõvadus HRC, HRB ja HRA – mõõtmismeetod, skaalad ja rakendused

Rockwelli kõvadus on üks enimkasutatavaid meetodeid metallide kõvaduse mõõtmiseks kvaliteedikontrollis, partiitootmises ja materjalide testimisel. Erinevalt Brinelli ja Vickersi meetoditest, mis mõõdavad taandemasina jäetud taande mõõtmeid, kasutab Rockwelli meetod taandeseadme püsiva läbitungimissügavuse mõõtmineSee võimaldab tulemust otse kõvadusmõõtjalt lugeda, ilma optilist taandemõõtmist teostamata.
Kõige levinumad skaalad on HRC, HRB ja HRA, kuid Rockwelli süsteem sisaldab ka teisi skaalasid erinevate materjalide, kõvadusvahemike ja komponentide paksuste jaoks. Õige skaala valimine on täpsete ja võrreldavate tulemuste saamiseks ülioluline.

Mida tähendab Rockwelli kõvadus?

Rockwelli meetod määrab kõvaduse, tuginedes sissetungimissügavuse erinevusele kahe jõutaseme mõjul: eelkoormus ja täiskoormus.
Sõltuvalt kasutatavast skaalast kasutatakse järgmist:

• teemantkoonus,
• karbiidkuul volfram.

Tulemuse silt sisaldab numbrilist väärtust ja skaala sümbolit, näiteks:

• 62 HRC,
• 45 HRC,
• 85 HRBW,
• 75 HRA.

Ärge esitage ainult numbrilist väärtust ilma skaala tähistuseta. Näiteks väärtused 60 HRC ja 60 HRA esindavad erinevate mõõtmistingimuste korral saadud tulemusi ega ole otseselt samaväärsed.

Mis on Rockwelli meetod?

Katse algab stantsimismasina kokkupuutega proovi pinnaga. Seejärel rakendatakse algjõudu F₀, mis määrab võrdluspunkti ja piirab väiksemate pinna ebatasasuste ja lõtkude mõju mõõtesüsteemis.
Kui stantsimisseadme asend on stabiliseerunud, rakendatakse täiendavat jõudu, mis põhjustab materjali edasist läbitungimist. Alg- ja lisajõu summa moodustab kogu katsejõu F.
Teatud aja möödudes lisajõud eemaldatakse, kuid algne jõud jääb kehtima. Materjali deformatsioon taastub osaliselt elastselt.
Kõvadusmõõtur mõõdab läbitungimissügavuse püsivat erinevust ja kasutab seda Rockwelli kõvaduse väärtuse määramiseks.
Uuringu ülesehitust saab esitada järgmiselt:
taandkeha kokkupuude → eelkoormus → tugipunkti määramine → kogukoormus → materjali läbitungimine → lisakoormuse eemaldamine → püsiva sügavuse mõõtmine → kõvaduse näit

Miks Rockwell mõõdab jäljendi sügavust, mitte läbimõõtu?

See on üks olulisemaid erinevusi Rockwelli meetodi ning Brinelli ja Vickersi meetodite vahel.
Brinelli meetod mõõdab kuulijälje läbimõõtu. Vickersi meetod mõõdab teemantpüramiidijälje diagonaale. Rockwelli meetod mõõdab sügavust otse kõvadusmõõturi mõõtesüsteemis.
See võimaldab oluliselt lühendada uuringuaega ja piirab operaatori mõju jäljendipiiride optilisele määramisele.
Sel põhjusel on Rockwelli meetod eriti kasulik seeriatootmise juhtimisel.

HRC skaala – Rockwell C

skaala HRC on kõige sagedamini seostatav Rockwelli skaala ja üks põhimeetodeid karastatud teraste kõvaduse hindamiseks.
Kasutatakse HRC skaalat teemantkoonusAlgjõud on ligikaudu 98,07 N, samas kui kogu uurimisvõimsus on ligikaudu 1471 N, ajalooliselt võrdne 150 kgf-ga.
HRC skaalat kasutatakse muuhulgas järgmise uurimiseks:

• karastatud terased,
• tööriistaterased,
• martensiitsed terased,
• elemendid pärast termiline parendus,
• laagrid,
• suure kõvadusega võllid ja masinaosad,
• tööriistad,
• mõned martensiitsed roostevabad terased i sademetega karastatud.

Standardi ISO 6508-1:2023 kohaselt on C-skaala tüüpiline rakendusvahemik 20–70 HRC.

Kuidas teemant-indentor HRC skaalal töötab?

HRC, HRA ja HRD kaaludes kasutatav taandtang on teemantkoonuse kujuline, millel on sobiva kujuga ots.
Teemanti kasutatakse selle väga kõrge kõvaduse ja püsiva deformatsiooni vastupidavuse tõttu.
See on eriti oluline karastatud teraste testimisel, mille kõvadus oleks paljudel Rockwelli skaaladel sfäärilise indentori piisavaks kasutamiseks liiga kõrge.
Tandusvahendi seisukord mõjutab otseselt mõõtmise täpsust. Kahjustused, kulumine või vale otsa geomeetria võivad põhjustada süstemaatilisi vigu tulemustes.

HRB skaala ja tänapäevane HRBW tähistus

B-skaala on mõeldud peamiselt materjalidele, mille kõvadus on madalam kui tüüpilistel karastatud terastel.
See skaala kasutab 1,5875 mm ehk 1/16 tolli läbimõõduga kuuli. Kaasaegne volframkarbiidist kuuli ISO standard kasutab tähistust HRBW.
Esialgne jõud on ligikaudu 98,07 Nja kogu uurimisjõud on ligikaudu 980,7 N, st ajalooliselt 100 kgf.
B-skaalat saab muuhulgas kasutada järgmiselt:

• pehmed terased,
• lõõmutatud olekus teras,
• sulamid vask,
• messingist
• pruunid
• mõned sulamid alumiinium,
• muud materjalid, mille kõvadus on madalam kui tüüpiline HRC vahemik.

Tehnilises praktikas on lühend HRB endiselt väga levinud , eriti vanemates dokumentides, tabelites ja materjalikaartidel.

HRA skaala – Rockwell A

skaala HRA kasutab HRC-ga sarnast teemantkoonust, kuid kasutatav kogukatsetusjõud on madalam ja ligikaudu 588,4 N, mis ajalooliselt vastab 60 kgf-le.
HRA-d saab muuhulgas kasutada järgmiselt:

• väga kõvad materjalid,
• tsementeeritud karbiidid,
• mõned õhukesed elemendid,
• materjalid, mille puhul HRC-s suurema jõu rakendamine oleks ebasoodne.

Standardi ISO 6508-1:2023 kohaselt on A-skaala rakendusvahemik 20–95 HRA.

HRA, HRBW ja HRC võrdlus

Muud Rockwelli skaalad

HRA, HRBW ja HRC ei ole ainsad Rockwelli skaalad. Standard ISO 6508-1 hõlmab samuti skaalasid. D, E, F, G, H ja K.
Need erinevad treimisseadme tüübi, kuuli läbimõõdu ja kogukatsetusjõu väärtuse poolest.

Kuidas arvutatakse Rockwelli kõvadust?

Rockwelli skoor on seotud taandeseadme püsiva läbitungimissügavusega pärast täiendava katsejõu eemaldamist.
Klassikaliste Rockwelli skaalade puhul vastab sügavuse muutuse ühik järgmisele: 0,002 mm.
Sõltuvalt skaala tüübist kasutatakse sobivat skaalakonstanti.
Teemantkoonust kasutavate kaalude, näiteks HRA, HRC ja HRD puhul on seos järgmine:
HR = 100 − h / 0,002
ja klassikaliste kaalude puhul palli abil:
HR = 130 − h / 0,002
kus h tähendab püsivat läbitungimissügavust millimeetrites.
See tähendab, et püsiva jäljendi sügavuse suurenedes Rockwelli kõvaduse väärtus väheneb.

Miks eellaadimist kasutatakse?

Eelkoormus on Rockwelli meetodi iseloomulik tunnus.
Selle peamine ülesanne on:

• sügavuse mõõtmiseks võrdluspunkti loomine,
• tagades stantsimisseadme ja proovi vahelise hea kontakti,
• väiksemate pinnaebatasasuste mõju piiramine,
• mehaanilise lõtku mõju piiramine mõõtesüsteemis.

Alles pärast esialgse jõu rakendamist rakendatakse täiendavat jõudu, mis põhjustab materjali olulise läbitungimise.

HRC skaala vahemik

Standardi ISO 6508-1:2023 kohaselt on HRC skaala põhirakendusala järgmine: 20–70 HRC.
Kui materjal on HRC-testimiseks liiga pehme, tuleks kasutada teistsugust Rockwelli skaalat või kõvaduse mõõtmise meetodit.
HRC skaalat ei tohiks käsitleda universaalsena ainuüksi seetõttu, et see on kõige äratuntavam.
Näiteks võib mahe konstruktsiooniteras või lahuses karastatud austeniitteras vajada teistsugust skaalat või Brinelli või Vickersi meetodit.

Mida tähendab 60 HRC?

väärtus 60 HRC tähendab Rockwelli C-skaalal tulemust 60, mis on saadud määratud taande, sisendjõu ja kogukatsejõu abil.
Praktikas näitab 60 HRC materjali, millel on kõrge kõvadus. Selliseid väärtusi võib esineda näiteks korralikult karastatud tööriista- või laagriterastes.
Siiski ei määra ainuüksi 60 HRC väärtus terase klassi ega kõiki selle mehaanilisi omadusi.
Kaks identse HRC kõvadusega terast võivad erineda:

• löögitugevus,
• vastupidavus pragunemisele,
• väsimustugevus,
• kulumiskindlus,
• korrosioonikindlus,
• stabiilsus kõrgetel temperatuuridel.

Terase HRC ja kuumtöötlus

HRC mõõtmine on eriti kasulik terase kuumtöötluse jälgimiseks.
Kõvenemine võib viia kõva martensiitse struktuuri moodustumiseni, samas kui järgnev karastamine muudab kõvadust ja muid mehaanilisi omadusi.
HRC mõõtmine võimaldab teil kiiresti kontrollida, kas komponent on saavutanud nõutava kõvadusvahemiku.
Seda kasutatakse muuhulgas järgmise kontrollimiseks:

• tööriistad,
• muldkehad
• hammasrattad
• laagrid,
• maatriksid,
• margid
• tööriistaterasest elemendid,
• martensiitsed roostevabad terased.

Roostevabade teraste Rockwelli kõvadus

Roostevabade teraste puhul sõltub skaala valik materjaligrupist ja selle seisukorrast.
Austeniitsed roostevabad terased, näiteks 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 oraz 316L, ei ole klassikaliselt kuumkarastatud. Külmtöötlemise teel saab aga nende kõvadust oluliselt suurendada.
Martensiitsed terased, näiteks 1.4021, 1.4034 või 1.4112aga pärast karastamist ja noolutamist võivad nad saavutada suure kõvaduse, mistõttu on HRC skaala nende jaoks väga oluline.
Eraldi rühma moodustavad sademetega karastuvate teraste, näiteks 1.4542 / 17-4PH, mille kõvadus sõltub kuumtöötlusastmest, nt H900, H1025, H1075, H1100 või H1150.

Proovi paksus ja Rockwelli mõõtmine

Üks olulisemaid tingimusi õige mõõtmise jaoks on testitud elemendi sobiv paksus.
Kui proov on liiga õhuke, võib taande all olev deformatsioonitsoon vastaspinna või toega suhelda.
See võib viia vale tulemuseni.
Proovi vastasküljel ei tohiks olla mõõtmise tagajärjel tekkinud nähtavaid deformatsiooni märke.
Õhukeste elementide puhul kaaluge Rockwelli pinnaskaalade või mõne muu meetodi, nt Vickersi, kasutamist sobivalt valitud jõuga.

Rockwelli pinnakaalud

Õhemate elementide ja madalamate kihtide puhul Rockwelli pinnakaalud.
Nende hulka kuuluvad muuhulgas:

• HR15N,
• HR30N,
• HR45N,
• HR15T,
• HR30T,
• HR45T.

Pindmistel skaaladel kasutatakse väiksemaid jõude kui klassikalistel Rockwelli skaaladel.
Tähega kaalud N kasutage teemant-taandet, samal ajal kui tähega kaalud T nad kasutavad sfäärilist treppi.
Need on muuhulgas kasulikud õhukeste elementide, väikeste osade ja spetsiifiliste pinnakihtide testimiseks, kus klassikaline Rockwelli koormus tooks kaasa liiga sügava läbitungimise.

Pinna ettevalmistamine Rockwelli testimiseks

Proovipind peab olema puhas, stabiilne ja korralikult ettevalmistatud.
Järgmised tuleks eemaldada:

• skaala
• lahtised tooted korrosioon,
• reostus,
• paksud oksiidikihid,
• muud kihid, mis võivad mõjutada indentori läbitungimist.

Pind peaks olema piisavalt sile, et ebatasasused ei mõjutaks oluliselt sügavuse mõõtmist.
Samal ajal ei tohi pinna ettevalmistamine põhjustada pinnakihi ülekuumenemist, töötlemiskõvenemist ega muid muutusi.

Nõuetekohase proovitoe olulisus

Testitud element peab olema stabiilselt toestatud.
Proovi mis tahes liikumist jõu rakendamise ajal saab mõõtesüsteem tõlgendada taandkeha täiendava läbitungimisena.
Erilist tähelepanu tuleks pöörata järgmisele:

• silindrilised elemendid,
• rullid,
• torud,
• ebakorrapärase kujuga elemendid,
• õhukesed proovid.

Silindriliste elementide jaoks kasutatakse sobivaid tuge, sealhulgas V-tüüpi prismasid.

Rockwelli mõõtmine silindrilistel pindadel

Pinna kõverus mõjutab trelli ja materjali kokkupuute geomeetriat ning võib põhjustada erinevuse loetud ja tegeliku kõvaduse vahel.
Standardid näevad teatud juhtudel ette teadaoleva raadiusega kumerate pindade tulemuste korrektsioonid.
Mida väiksem on testitava võlli või silindrilise elemendi läbimõõt, seda suurem võib olla kõveruse mõju tulemusele.
Seetõttu ei tohiks rullide testimisel toor-HRC või HRB näitu kriitikavabalt tõlgendada samaväärsena tasasel pinnal tehtud mõõtmisega.

Kaugus servast ja prinditud piltide vahel

Iga mõõtmine põhjustab materjali lokaalset plastset deformatsiooni.
Järgmist jäljendit ei tohiks teha eelmisele liiga lähedale, kuna deformatsioonitsoonid võivad üksteist mõjutada.
Samuti peaksite proovi servast hoidma sobivat kaugust.
Täpsed minimaalsed vahekaugused tuleks valida vastavalt asjakohase standardi nõuetele ja kasutatavale skaalale.

Kõige levinumad vead Rockwelli mõõtmisel

Levinud veaallikate hulka kuuluvad:

• vale skaala kasutamine,
• liiga õhuke proov,
• elemendi ebastabiilne tugi,
• määrdunud või liiga kare pind,
• jättes servale liiga lähedale mulje,
• järgnevate muljete liiga lähestikku asetamine
• kulunud või kahjustatud trellpea,
• vale kõvadusmõõtja kontrollimine,
• vibratsioon testimise ajal,
• proovi vale positsioneerimine taande telje suhtes,
• testitud elemendi kõveruse arvesse võtmata jätmine.

Rockwelli meetodi eelised

Kõige olulisemate eeliste hulka kuuluvad:

• väga kiire mõõtmine,
• tulemuse otsene lugemine,
• prindi optilist mõõtmist pole vaja
• suur kasulikkus partiide kontrollimisel,
• lai valik kaalusid,
• võime testida väga erineva kõvadusega materjale,
• suhteliselt väike taane võrreldes Brinelli meetodiga,
• väga lai tööstuslik rakendus.

Rockwelli meetodi piirangud

Rockwelli meetodil on ka piirangud.
Tulemus võib olla eriti tundlik järgmise suhtes:

• vale skaala valik,
• väike elemendi paksus,
• pinna karedus,
• ebastabiilne tugi,
• proovi kõverus,
• Mikrostruktuuri lokaalne mittehomogeensus.

Taande suurus on väiksem kui Brinelli meetodil, seega saab tulemus esindada rohkem lokaalseid materjali omadusi.
Väga heterogeensete materjalide, näiteks mõnede malmide või suurte valandite puhul võib Brinell anda mikrostruktuuri representatiivsema keskmise.

Rockwell ja Brinell

Rockwell ja Vickers

Vickers kasutab teemantpüramiidi ja taandediagonaalide optilist mõõtmist. Rockwell seevastu mõõdab läbitungimissügavust.
Vickersi meetod on väga mitmekülgne ja seda saab kasutada ka väikeste pindade ja mikrokõvaduse mõõtmiseks. Rockwelli meetod seevastu on kiirem ja sobib eriti hästi tootmiskontrolliks.

HRC konverteerimine HBW-ks ja HV-ks

Praktikas on sageli vaja võrrelda HRC väärtusi Brinelli või Vickersi tulemustega.
Sellised konversioonid on ligikaudne ja sõltuvad testitava materjali tüübist.
HRC-d, HBW-d ja HV-d ei tohiks käsitleda skaaladena, mis on omavahel seotud ühe universaalse matemaatilise seosega.
Tehnilisteks teisendusteks kasutage konkreetse materjalirühma jaoks sobivaid teisendustabeleid.
Erilist ettevaatust on vaja:

• austeniitsed terased,
• dupleks- ja superduplekskonstandid,
• sademetega karastatavad terased,
• malm,
• niklisulamid,
• lugusid alumiinium.

Rockwelli kõvaduse mõõtmise standardid

Rockwelli kõvaduse testimise peamine rahvusvaheline standardite seeria on ISO 6508.

Tehnilises dokumentatsioonis tuleks pöörata tähelepanu kliendi poolt märgitud standardi täpsele väljaandele, materjali spetsifikatsioonile või vastuvõtutingimustele.

ISO 6508-1 ja ASTM E18

ISO 6508-1 ja ASTM E18 kirjeldavad Rockwelli kõvaduse testimist, kuid vastuvõtutestimise puhul ei tohiks neid pidada automaatselt vahetatavateks dokumentideks igas detailis.
Kui tellimus, tootestandard või kliendi spetsifikatsioon nõuab katsetamist vastavalt standardile ASTM E18, tuleks tulemus saada vastavalt standardile ASTM E18. Samamoodi, kui on nõutav standard ISO 6508-1, tuleks kohaldada selle standardi nõudeid.
See on eriti oluline järgmistel juhtudel:

• vastuvõtukatsed,
• materjalide tarnimise kontroll,
• laboriaruannete koostamine,
• sertifitseerimine,
• eri laborites saadud tulemuste võrdlemine.

Kus kasutatakse Rockwelli mõõtmist?

Rockwelli meetodit kasutatakse tavaliselt järgmistel juhtudel:

• metallurgia
• tööriistade tööstus,
• laagrite tootmine,
• hammasrataste ja võllide tootmine,
• kuumtöötluse kontroll,
• autotööstus,
• masinaosade tootmine,
• materjalilaborid,
• seeriakvaliteedi kontroll.

Testimise kiirus tähendab, et ühe kõvadusmõõturiga saab kontrollida suurt hulka tootmiskomponente.

Kas HRC määrab terase tugevuse?

Kõvadus võib olla seotud mõnede mehaaniliste omadustega, kuid HRC ei ole tõmbetugevuse otsene mõõt.
Kõiki materjali omadusi ei tohiks määrata ainult HRC põhjal.
Suure kõvadusega terasel võib olla ka madalam venivus või löögikindlus. Karastamine seevastu võib küll vähendada kõvadust, kuid parandada materjali purunemiskindlust.
Seetõttu tuleks Rockwelli mõõtmist tõlgendada koos järgmise teabega:

• materjali tüüp,
• mikrostruktuurid,
• stanu kuumtöötlus,
• tõmbetugevus Rm,
• voolavuspiir Rp0,2,
• pikendus A,
• löögitugevus KV.

Rockwelli meetod on üks olulisemaid tööstuslikke meetodeid metallide kõvaduse mõõtmiseks. Selle peamine eelis on see, et see määrab kõvaduse, mis põhineb taande tungimise sügavus, seega saab tulemuse kiiresti ja ilma jäljendi optilise mõõtmiseta.
Kõige kuulsam skaala on HRC, kasutatakse peamiselt karastatud teraste ja muude suure kõvadusega materjalide jaoks. Katlakivi HRBW kasutab palli ja seda kasutatakse madalama kõvadusega materjalide jaoks, samas kui HRA kasutab teemant-indentorit, mille kogujõud on väiksem kui HRC-l.
Õige mõõtmine eeldab skaala õiget valimist, proovi sobivat paksust ja ettevalmistust, elemendi stabiilset tuge ning tõhusat ja nõuetekohaselt taadeldud kõvadusmõõturit.
Meetodi peamine rahvusvaheline standard on ISO 6508-1: 2023, samas kui ASTM-süsteemis seda kasutatakse ASTM E18.

Rakendus – kõvaduse muundur Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Metallide ja teraste kõvadus – mõõtmismeetodid, kõvadusskaalad ja teisendamine
Rockwelli kõvadus HRC, HRB ja HRA – mõõtmismeetod, skaalad ja rakendused
Brinelli kõvadus HBW – mõõtmismeetod, skaala, valem ja rakendus
Vickersi kõvadus HV – mõõtmismeetod, valem ja rakendus
Knoopi kõvadus HK – mõõtmismeetod, mikrokõvadus ja rakendamine
Mohsi skaala – mineraalide ja materjalide kõvaduse tabel
HBW, HRC, HRB ja HV kõvaduse teisendamine – teisendustabelid