Rockwell kovuusmittari

Kovuusmittarilla voi mitata materiaalien kovuutta ja lujuutta. Mittaus tapahtuu timanttikärjellä tai kuulalla painamalla. Painauman määrä mitataan ja tästä johdetaan kovuustarvo. Koska kovuuden skaala on hyvin suuri, wolframkarbideista pehmeisiin muoveihin, on rockwell-asteikkoja useita. Tavallisimmat ovat A- B- ja C-asteikot. Esimerkiksi C-asteikko merkitään usein kirjaimilla HRC. Joskus näitä lyhennetään myös muotoon RC. Toistaiseksi kovuusmittari on testattu ja kalibroitu vain HRC-asteikolla.

Mittarin käyttö

Toistaiseksi mittarilla mitataan vain HRC-asteikkoa, koska mittari on kalibroitu vain sille ja painoja ei ole testattu muilla.

• Käännä säätöpyörästä alasinta alaspäin niin paljon, että saat kappaleen asetettua kärjen ja alasimen väliin kolhimatta timanttikärkeä. On viisasta laskea alasinta niin paljon että tilaa on reilusti, koska timanttikärki vaurioituu helposti jos sitä kolhii kappaleella.
  • Tarvittaessa vaihda sopiva alasin, esimerkiksi V-alasin jos mittattava kappale on pyöreä, esimerkiksi akseli.
• Tarkasta, että mittarin oikealla puolella oleva painojen vapautuskahva on yläasennossa. Tarvittaessa käännä se ylös.
• Käännä säätöpyörää niin, että kappale koskettaa timanttikärkeä tasaisesta kohdasta. Varmista ettei kappale pääse liikkumaan tai pyörähtämään mittausvoimasta. Tarvittaessa kappaleeseen voi tehdä tasaisen kohdan esimerkiksi viilalla.
• Käännä säätöpyörää lisää niin, että mittarissa pieni viisari on punaisen viivan kohdalla ja iso viisari nollassa. Nyt 10kg esijännitys on asetettu.
• Vapauta painot mittarin oikealla puolella olevasta kahvasta vetämällä itseesi päin. Vedä kahvasta vain sen verran, että se alkaa laskea itsestään. Nyt mittari laskee 150kg mittausvoiman kärjelle hydraulivaimentimen hidastamana.
• Kun mittari on kokonaan pysähtynyt ja ollut paikallaan muutaman sekunnin, nosta kahva takaisin ylös. Tämä vapauttaa painot.
• Lue arvo mitta-asteikolta. Tämä on kappaleen kovuuden HRC-arvo. Luotettava asteikko on noin 20-70 välissä. Jos mittaus jää sen alle, joko kappale on hyvin pehmeää, esimerkiksi pehmeää, lämpökäsittelemätöntä terästä. Jos mittaus on yli HRC70, joko jotain on mennyt pieleen tai kappale on äärimmäisen kovaa, esimerkiksi karbidia.
• Lopuksi vapauta ja poista kappale kääntämällä alasimen pyörästä vastapäivään.

Toimintaperiaate

Rockwell-kovuusmittari mittaa painauman syvyyttä. Mittaus tehdään asettamalla mittauskärjelle ensin esijännitusvoima (minor load), HRC-asteikolla 10kg. Sen jälkeen mittakärjen voima kasvatetaan mittausvoimaan (major load), HRC-asteikolla 150kg. Tämän jälkeen mittausvoima poistetaan ja mittari kertoo kuinka paljon syvemmällä kärki nyt on 10kg esijännitysvoimalla.

Perinteisessä mittakoneessa on painot, jotka vipuvarren kautta luovat mittausvoiman. Esimerkiksi labin koneessa vipuvarsi on 1:20 ja painoja tarvitaan C-skaalalla 7.5kg. Voiman kasvua ja painojen laskua hidastetaan hydraulisella iskunvaimentimella. Voiman hallittu kasvu on tärkeää, jotta tulokset ovat luotettavia.

Kovuuden ja lujuuden yhteys

Koska kovuusmitari toimintaperiaatteensa mukaan mittaa kappaleen plastista muovautumista, se mittaa käytännössä suoraan siis murtolujuutta. Normaaleilla tasalaatuisilla teräksillä kovuusmittauksesta voidaankin aivan suoraan johtaa metallin murtolujuus (tensile strength tai ultimate tensile strength). Mittaus ei kuitenkaan kerro myötörajasta (yield strenght) mitään.

Yleisesti mitä kovempaa teräs on, sitä lähempänä myötöraja on murtorajaa ja aivan kovimmissa materiaaleissa myötö- ja murtorajat ovat liki sama, eli kappale ei jousta tai veny lainkaan ennen kuin se murtuu. Useimmiten tämä on ongelma, koska ilman mitään joustoa kappale on hauras ja pettää varsin äkillisesti ja väkivaltaisesti.

HRC

HRC on soveltuva lämpökäsitellyille teräksille ja muille koville aineille. Testin mittaskaala on HRC20-HRC70, sen ulkopuolella testi on epäluotettava. Pehmeimmät, lämpökäsittelemättömät teräkset ovat alle HRC20 ja esimerkiksi tavalliset karbidi-insertit ovat arvoltaan noin HRC70.

HRC-testi tehdään timanttikärjellä ja 10kg esijännitysvoimalla ja yhteensä 150kg mittausvoimalla.

Vickers

Vickersin menetelmän mittaus (HV, hardness vickers) painamisosuus on mahdollista tehdä samalla mittarilla kuin Rockwell-mittauskin ja labin koneessa on myös Vickersin timanttikärki. Itse jäljen mittaus pitää kuitenkin tehdä mikroskoopilla tai vastaavalla määrittämällä jäljen leveys ja siitä pinta-ala. Vickersin mittauksessa mittausvoima on tunnettava tarkasti, eikä tällä hetkellä sitä tiedetä niin tarkastei että tarkkoja Vickersin painamisia voisi tehdä.

Kovuusmittauksen historiaa

Metallien ja erityisesti teräksen kovuusmittaus on äärimmäisen tärkeä osa teräslaatujen kehityksen historiaa, koska se mahdollistaa teräslaatujen ja lämpökäsittelyjen nopean testaamisen. Koska teräksen teollinen historia on sekin vielä varsin lyhyt, ovat kaikki merkittävät testausmenetelmätkin kehitetty vasta 1900-luvulla.

Ensimmäinen laajasti käytettyn menetelmän kehitti ruotsalainen Brinell vuonna 1900, tämä menetelmä tunnetaan Brinellin kovuutena ja se on edelleen käytössä. Mittauksessa kuula painetaan mitattavaan kappaleeseen ja uppouman leveys mitataan. Ongelmana Brinellin menetelmässä on mittauksessa käytetty pallo, joka jättääkseen riittävän jäljen koviin materiaaleihin vaatii enimmillään 3000kg voiman. Siksi menetelmää ei voi pitää rikkomattomana, vaan suuren voiman vuoksi testikappale saattaa vaurioitua.

Brinellistä edelleen kehitetty Vickersin menetelmä vähentää voimaa käyttämällä terävää pyramidin muotoista timanttikärkeä. Tämän menetelmän kehitti 1920-luvulla Vickers englannissa ja se on edelleen laajasti käytössä.

Vickers ja Brinell perustuvat molemmat painauman leveyden, tai siitä johdetun pinta-alan mittaukseen, eli asteikot ovat käytännössä mittausvoima jaettuna jäljen pinta-alalla. Vickersin menetelmän timantin muoto on tarkoituksella valittu sellaiseksi, että Brinellin ja Vickersin asteikot ovat liki identtiset. Pinta-alan mittaus vaatii optisen välineen, käytännössä erillisen tai mittalaitteeseen integroidun mikroskoopin, jossa on soveltuvat kursorit ja mittalaite, jolla jäljen halkaisija voidaan mitata käyttäjän toimesta. Tämä on ongelmallista, koska se tekee menetelmästä verrattain hitaan ja altistaa sen käyttäjän virheille.

Rockwell-menetelmän kaupalliseksi tuotteeksi kehittivät Rockwellin veljekset yhdysvalloissa 1910- ja 1920-luvuilla. Menetelmä erosi aiemmista siten, että se perustui jäljen syvyyden mittaukseen. Ajatuksen tieteellinen konsepti siis kehitettiin vasta 1900-luvulla, kun havaittiin että terävän kärjen painauman syvyydellä ja teräksen kovuudella, eli käytännössä murtolujuudella, oli suora yhteys. Rockwellin menetelmä oli suuri menestys, johtuen sen nopeudesta ja luotettavuudesta tuotantoympäristössä ja sen helposta automatisoinnista.

Koska menetelmät ovat ajalta ennen standardisaatiota ja SI-järjestelmää, on huomattava että kaikissa menetelmissä käytetään tänäkin päivänä kilogrammoja tai kilopondeja voiman yksikkönä. Standardit käsittelevät niitä Newtoneina, mutta koska alkuperäiset yksiköt ovat kilogrammoina, tulee niistä Newtoneina varsin epäkäytännöllisiä.

VMT Lentokonetehtaiden kovuusmittari

Labilla olevan mittalaitteen on valmistanut entinen Valtion Lentokonetehdas vuonna 1948. Puolustusvoimien alainen lentokonetehdas, kuten kaikki muutkin asetehtaat, siirrettiin kauppa- ja teollisuusministeriön alaisuuteen sodan jälkeen Neuvostoliiton mieliksi. Samalla lentokonetehtaan nimi muuttui Valtion Metallitehtaiksi.

Koska lentokoneille ei ollut juuri tilausta, keskittyi Valtion Metallitehtas muihin erityisen haastaviin laitteisiin ja koneisiin, mukaanlukien instrumentteihin, kuten tähän kovuusmittauslaitteeseen.

Mielenkiintoisena historiallisena huomiona Valtion Metallitehdas suunnitteli ja valmisti sotakorvauksiksi myös ensimmäiset lukit, joilla ennen meriliikenteen kontteja siirreltiin muita suuria ja pitkiä esineitä, kuten tukkeja. Tämä lukeista alkunsa saanut kuormankäsittelylaitteita valmistava konepajateollisus on voimissaan tänäkin päivänä. Kaikki tämä sai alkunsa pohjois-amerikasta tuodusta kuvasta, jossa oli lukin kaltainen laite. Koska tämä kuva oli suomalaisen hallussa, pyysi neuvostoliitto suomalaisia toimittamaan tällaisia laitteita sotakosvauksina.