Rockwell kovuusmittari

Rockwell kovuusmittari

Kovuusmittarin vaihtokärjet

Kovuusmittarilla voi mitata materiaalien kovuutta ja lujuutta. Mittaus tapahtuu timanttikärjellä tai kuulalla painamalla. Painauman määrä mitataan ja tästä johdetaan kovuusarvo. 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- ja HRB-asteikolla.

Mittarin käyttö

HRC-asteikko

HRC-asteikko soveltuu koville materiaaleille. Lämpökäsittelemättömät teräkset ovat usein liian pehmeitä mitattavaksi. Mittaus suoritetaan 150kg voimalla ja timanttikärjellä.

Yksinkertainen ohje

• Purista mitattava kappale kiinni mittauskärkeen niin, että mittakellon pieni viisari on punaisen viivan kohdalla ja iso viisari nollassa.
• Vedä painon vapautuskahvasta itseesi päin niin, että se alkaa laskea itsestään.
• Kun mittakello on kokonaan pysähtynyt, odota muutama sekunti ja nosta painojen vapautuskahva ylös.
• Lue HRC-kovuusarvo mittakellosta. Arvon on oltava välillä HRC20-70.

Yksityiskohtainen ohje

• 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. Akseleita voi mitata pyöreästä pinnasta, kunhan akseli on V-alasimessa ja keskellä.
• 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 lämpökäsittelemätöntä terästä tai jotain on mennyt pieleen. Jos mittaus on yli HRC70, joko timantin kärki on rikki, eikä uppoa kunnolla tai kappale on äärimmäisen kovaa, esimerkiksi karbidia.
• Lopuksi vapauta ja poista kappale kääntämällä alasimen pyörästä vastapäivään.

HRB-asteikko

HRB-asteikko soveltuu koville alumiineille ja pehmeille teräksille. Mittaus suoritetaan 1/16" pallolla ja 100kg voimalla.

Yksinkertainen ohje

Lue HRC-mittauksen ohje, mittaus tapahtuu samalla tavalla seuraavin eroin:

• Mittarissa tulee olla painot 3 ja 4, joissa on lukemat 46,9kg ja 37,5kg.
• Mittapäässä 1/16" pallo, se on pallopäistä pienin.
• Esijännitys käännetään nollaan kuten HRC-asteikollakin, mutta tulokseen lisätään 30, eli asteikolla 50 vastaa HRB-asteikolla arvoa HRB80.

Yksityiskohtainen ohje

• Vaihda mittakärjeksi 1/16" pallopää, se on palloista pienin. Mittapää irtoaa 2mm kuusiokololukkoruuvilla. Jos mittapään suoja on paikallaan, poista se ensin löysäämällä ylempää tasapääruuvia ja vetämällä suoja pois alaspäin.
• Avaa luukku koneen takaa ja ota sieltä ylin paino (numero 5, 50kg) pois, koneeseen jää painot 3 ja 4, joissa on lukemat 46,9kg ja 37,5kg.
• Nyt kone mittaa 100kg voimalla ja pallopäällä.
• Lopetettuasi aseta kolmas 50kg paino ja timanttikärki takaisin paikalleen, koneen perustila on HRC-mittaus.

Toimintaperiaate

Rockwell-kovuusmittari mittaa painauman syvyyttä. Mittaus tehdään asettamalla mittauskärjelle ensin 10kg esijännitysvoima (minor load). 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 7kg. 10kg esijännitysvoima tulee koneen mekanismismin painosta. 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 painamalla pintaan kolon, 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 yhtä suuret, 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 skaala on epälineaarinen ja epätarkka, koska timantti painuu pidintään myöten materiaaliin. Pehmeimmät, lämpökäsittelemättömät teräkset ovat alle HRC20 ja esimerkiksi tavalliset karbidi-insertit ovat arvoltaan noin HRC70 tai enemmän.

HRC-testi tehdään kartion muotoisella 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 tarkasti, että tarkkoja Vickersin painamisia voisi tehdä. Rockwell-asteikon mittauksen voi senkin tietenkin muuttaa Vickers-arvoksi muunnostaulukon avulla.

Standardit ja muunnostaulukot

Kovuusmittaukset ovat erittäin hyvin standardisoituja ja dokumentoituja. Koska standardit ovat tekijänoikeuksien alaista materiaalia, Rockwell-mittauksia koskevat tärkeimmät standardit ovat vain paperisina mittarin varusteissa.

On hyvä tutustua testistandardiin ISO 6508-1, koska mittaus ja sen antama tulos ovat suoraan sovellettavissa vain riittävän paksuun, tasalaatuiseen ja suoraan kappaleeseen. Standardi käsittelee mm. korjauskertoimia erilaisissa poikkeustilanteissa, esimerkiksi pyöreillä kappaleilla.

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 ja myöhemmin Valmetiksi.

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.

Vipusuhde 1:20
Painoripustimen massa 283g