Визначення твердості за Роквеллом

Принципова відмінність методу вимірювання твердості за Роквеллом (S.P. Rockwell (18611918) – американський металург) від ме­тоду Бринелля полягає в тому, що твердість визначають за глибиною відбитка, який отримують завдяки вдовбуванню алмазного конуса або стальної кульки, а не за площею відбитка (лунки).

Визначення твердості проводять на приладі Роквелла (рис. 3). Встановлений на столику 2 зразок обертанням маховика 1 дово­дять до стискання його зі стальною кулькою чи алмазним конусом 3. Потім продовжують обертання маховика до тих пір, поки мала стрілка на циферблаті 4 дійде до червоної точки, а велика стрілка зупиниться у верти­кальному положенні. Цим створюється попереднє навантаження 100Н. Далі за допомогою рукоятки 5 на зразок застосовується основне навантаження. Потім (вдовбування триває 56 с) знімається основне навантаження зворотним обертанням рукоятки 5 і за показа­ми великої стрілки циферблата визначають твердість, яка є умовною величиною, що характеризує різницю глибин відбитків.

Рис. 3. Прес Роквелла

Індентором слугує алмазний конус з кутом при вершині 120° і радіу­сом закруглення 0,2 мм або кулька із загартованої сталі діаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм). Величину твердості оцінюють за глибиною вдовбування індентора (рис. 4). Щоб зафіксувати первинне положення індентора, його підтискують до досліджуваної поверхні під попереднім навантаженням Р₀ = 10 кгс, після чого стрілку індикатора глибини вдовбування виводять на нуль. Потім прикладають основне навантаження P₁ = 140 кгс при використанні алмазного конуса і P₁ = 90 кгс при використанні кулькового ін­дентора. Таким чином, загальне навантаження Р = P₀ = P₁ у першому випадку дорівнює 150 кгс, а у другому  100 кгс. Після зняття основного навантаження P₁ (навантаження Р₀ залишається) індикатор глибини вдовбування прямо показує число твердості за Роквеллом. Число твердості за Роквеллом при використанні алмазного конуса позначають символом HRC (С от англ. Cone  конус), а при використанні кулькового індентора  символом HRB (В від англ. Ball  куля).

Чим менша твердість, тим більша глибина вдовбування індентора е, а різниця між умовно вибраним числом і глибиною вдовбування:

і

HRB = 130  е,

де е вимірюється в одиницях, що дорівнюють ціні однієї поділки індикатора (0,002 мм). Таким чином, числа твердості за Роквеллом є безрозмірними величинами.

За шкалою В вимірюють твердість порівняно м’яких об’єктів, а за шкалою С  більш твердих. Для вимірювання тонкості твердих шарів чи виробів використовують алмазний конус, Р₀ = 10 кгс і P₁ = 50 кгс, тобто зменшене загальне навантаження на конус: 60 кгс замість 150 кгс. У цьому випадку число твердості позначають символом HRA (HRA = 100  е).

Важливою перевагою методу Роквелла є те, що не треба виміряти відбиток і знаходити за таблицями число твердості. Це число зчитується одразу після зняття основного навантаження зі шкали індикатора приладу. Простота, висока продуктивність, можливість автомати­зації вимірювань, пристосованість до м’яких і твердих об’єктів зробили метод Роквелла найбільш поширеним засобом контролю твердості у виробничих умовах.

а

б

Рис. 4. Вимірювання твердості за Роквеллом:

Випробування вдовбуванням алмазної піраміди методом Віккерса (“Віккерс” – назва британського концерну “Vickers Ltd”) використовують для визначення твердості деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість. При випробуванні у метал вдовбують чотиригранні піраміди (з кутом при вершині  = 136°) під навантаженням від 50 Н до 1000 Н. Діагональ відбитка вимірюють за допомогою мікроскопа, укріпленого на приладі, і за отриманими показами визначають число твердості, що позначається HV, як питомий тиск на одиницю поверхні відбитка:

де Р – навантаження на піраміду, Н; d  середнє арифметичне двох діагональних відбитків, виміряних післе зняття навантаження.

Твердість великогабаритних і важких виробів можна також виміряти методом пружного бійка (методом Шора, ГОСТ 23273  78). Для вимірювання твердості використовують переносний прилад, обладнаний трубкою, всередині якої може вільно падати бойок певної маси з алмазним наконечником у вигляді конуса. Твердість оцінюється в умовних одиницях, пропорційних висоті відскоку бійка. Чим м’якший випробовуваний матеріал, тим менша висота відскоку, через те що енергія удару буде витрачається на остаточну деформацію матеріалу деталі. Твердість, що вира­жається в умовних одиницях, позначається HSD. Переваги ме­тоду: простота, висока продуктивність, можливість перевірки шліфованих деталей без помітного погіршення якості поверхні. Недоліки методу: висота відскоку залежить від модуля пружності Е випробовуваного матеріалу (мате­ріали з різними значеннями модуля пружності Е дають незіставні результати); на покази приладу впливають розміри й стан по­верхні дослідної деталі; числа твердості умовні, їх можна лише порівнювати між собою.

Пластмаси — велика група штучних матеріалів, одер­жаних на основі синтетичних або природних високомоле-кулярних сполук (смоли). Пластмаси поділяють на прості та складні (композиційні). Прості пластмаси складаються з чистих смол, а складні — із зв'язуючої речовини, напов­нювача, пластифікаторів, барвників, мастильних речовин, каталізаторів та інших добавок. Зв'язуючою речовиною є природні та синтетичні смоли, бітум, асфальт, цемент. Як наповнювачі використовують деревне борошно, бавовняні та лляні волокна, деревний шпон, скловолокно, дрібно порізану тканину та папір, крейду, гіпс, графіт, каолін, віск, гліцерин, мило тощо. Для збільшення пластичності та текучості пластмаси застосовують пластифікатори. Пластмаси містять 1...2 % мастильних речовин, основне призначення яких — усунути прилипання зв'язуючих речовин до прес-форми. Як мастильні речовини застосо­вують віск, стеарин, трансформаторне масло тощо. Для забарвлення пластмаси в потрібний колір застосовують охру, додалін, нігрозин, зелений бриліант тощо.

Пластмаси залежно від компонентів, що входять до неї, поділяють на прес-порошки, волокні­ти, шаруваті та відлиті пластики та листові термопластмаси. Прес-порошками називають пластмаси, одержані з порошкоподібних вихідних матеріалів (деревне борошно, молотий кварц, молота слюда). Волокнітами називають пластмаси, одер­жані з волокнистих вихідних матеріалів (бавовняних, скляних та ін.). Шаруватими пластмасами називають такі, які одержані з вихідних матеріалів у вигляді тканини або паперу (текстоліт, склотекстоліт, гетинакс).

Ливарні пластики — пластмаси, що складаються лише з одного компонента — смоли, за типом якої вони й класифікуються. Листові пластики — пластмаси, до скла­ду яких, крім смоли, входять також у невеликій кількості пластифікатори та стабілізатори (органічне скло, вініпласт).

Залежно від зв'язуючої речовини розрізняють фенопласти, амінопласти та епоксипласти. Від того, як виявляє себе зв'язуюча речовина під час нагрівання, пластмаси поділяють на термо­пластичні та термореактивні. Термо­пластичні, або термооборотні, пластмаси мають властивості за нагрівання розм'якшуватись і плавитись, а після пресування охолоджуватися, твердіти, не втрачаючи цієї властивості до розчинності та повторної переробки. Тер­мореактивні, або термонеоборотні, пластмаси мають властивість під час нагрівання до певної температури вступати в хімічні реакції. Вони є необоротними й пов­торному формуванню не піддаються, тому браковані деталі після подрібнення використовують як наповнювачі для виробництва прес-порошків.

Полістирол — прозорий безбарвний полімер з висо­кою водостійкістю, стійкістю до агресивних середовищ, радіоактивного випромінювання, має високі електроізо­ляційні властивості, добру оброблюваність пресуванням, литтям під тиском та відливанням у форми. Поряд з добрими механічними властивостями полістирол вдало поєднує в собі низьку густину, твердість та інші якості, в результаті чого його застосовують у високочастотних ус­тановках, в радіотехніці, в хімічному апаратобудуванні. Недоліки полістиролу — крихкість, невелика теплостій­кість (80°С) тощо.

Поліетилен — найбільш легка термопластична пласт­маса, одержана полімеризацією газоподібного етилену. Поліетилен має високу кислотостійкість, діелектричність, міцність, достатню твердість і еластичність, яка зберіга­ється й до температури -60°С. Поліетилен застосовують в основному як ізоляційний матеріал для високочастотних кабелів, деталей радіоапаратури у вигляді тонких плівок (до 0,04...0,05 мм), ізоляційних прокладок, пакувального та захисного матеріалу, виготовлення водопровідних і нафтопровідних труб, ємкостей, що працюють у агресив­них середовищах. З нього виготовляють зубчасті колеса для приладів і верстатів, що мають невеликі навантажен­ня. Добра твердість, напівпрозорість, нетоксичність та інертність дають змогу застосовувати поліетилен для виробництва посуду, що не розбивається.

Політетрофторетилен — матеріал з високими діелект­ричними властивостями, цілком не змочується водою та не набухає, має високу термічну та хімічну стійкість до агресивних середовищ, яка перевершує стійкість золота та платини. Твердість політетрофторетилену невисока. Він текучий на холоді й тому його використовують для виго­товлення деталей методом холодного пресування з на­ступним спіканням. Політетрофторетилен використову­ють як ізоляційний матеріал у техніці надвисоких частот і для виготовлення хімічно стійких деталей. Тонкі плівки (0,02...0,04 мм) використовують для пазової ізоляції елект­ричних машин і для виготовлення плівкових конденса­торів.

Політрифторхлоретилен під час нагрівання розм'як­шується та плавиться, на холоді текучості не має; має високі механічні характеристики у порівнянні з політетрофторетиленом. Політрифторхлоретилен переробляють у деталі методом гарячого пресування, прес-лиття, шпри­цюванням; він використовується в техніці для виготовлен­ня особливо відповідальних деталей як зв'язуючий матеріал і для виготовлення складних деталей (каркасів, котушок індуктивності тощо).

Поліамід — стійкий до спрацювання матеріал, густина якого 1,13 г/см³, температура розм'якшення 240...260 °С. Цей матеріал має високу стійкість до кислот, лугів, вуглеводнів і масел; використовується для виготовлення зубчастих коліс, деталей лічильних машин та інших дета­лей, що піддаються тертю. Наприклад, підшипники, які в сильно абразивному середовищі порівняно з бронзовими працюють у 4...5, а вали в 3...10 разів довше, ніж у парі з бронзовими. Деталі з поліаміду в 2...З рази легші та де­шевші, ніж деталі з олов'яного сплаву.

Капрон — тверда речовина білого чи світло-жовтого кольору, одержана в'результаті поліконденсації капролак­таму. Капронові деталі мають високу поверхневу твердість і міцність на згин та удар, малий коефіцієнт тертя ковзан­ня й мале спрацювання, стійкі проти жирів, мастил і лугів. Недоліки капрону — значна усадка (до 2 %) і схильність до старіння за підвищених температур. Капрон застосовують для виготовлення деталей, стійких до спра­цювання, і використовують як ізоляційний матеріал для виготовлення арматури, каркасів тощо.

Вініпласт — продукт, одержаний з поліхлорвінілової смоли, жорсткий, стійкий до води, спирту, мінеральних масел, майже всіх лугів і кислот, добрий діелектрик. Світлочутливість і схильність до повзучості в нормальних умовах є його недоліком. Вініпласт застосовують для виготовлення деталей, які піддаються дії агресивних речовин. Листи та труби з вініпласту використовують як футеровку ванн і резервуарів, а також для виготовлення друкарського шрифту, кліше та ін. Спеціальною обробкою пластифікаторами та речовинами, які полегшують роз­чинність смол, одержують еластичний матеріал — полівінілхлоридовий пластикат. З нього виготовляють прокла-дочні та підстилкові матеріали. Вініпласт і пластикат можна зварювати.

Поліметилметакрилат (плексиглас, або органічне скло) є продуктом переробки складних органічних сполук поліметакрилових смол. Це прозорий ізоляційний матеріал, добре протидіючий ударам, в два рази легший за звичайне силікатне скло, має достатню твердість і міцність, анти­корозійні властивості та стійкість до багатьох мінеральних і органічних розчинників. До його недоліків належить низька теплостійкість. Поліметилметакрилат застосовують для засклення приладів, апаратури, виготовлення друко­ваних схем та ін.

Волокніти — пластмаси, одержані обробкою волок­нистих наповнювачів і термореактивної смоли. Деталі з волокніту пресують гарячим способом на основі таких наповнювачів, як бавовняні та скляні волокна з фенол-формальдегідними, аніліноформальдегідними, меламіно-формальдегідними, полісилоксановими та іншими смо­лами — зв'язуючими речовинами. Волокніти мають під­вищену ударну в'язкість.

Залежно від наповнювача розрізняють волокніт (ба­вовняні очіси) і скловолокніт (скляне волокно). Волокні­ти застосовують для виготовлення деталей машин, які працюють на удар. Деталі з скловолокніту корозієстійкі до багатьох агресивних середовищ, водо- і теплостійкі (350 °С), мають високі електроізоляційні властивості. Зі скловолокніту виготовляють деталі, що працюють як ді­електрики, корозієстійкі та високоміцні труби, масло-відсіки, човни, вагони.

Шаруваті пластмаси — матеріали, виготовлені пресу­ванням термореактивної смоли з листовим наповнюва­чем. Залежно від наповнювача розрізняють тексто­літи, гетинакси, склотекстоліти та деревошарові пластики.

Текстоліти одержують пресуванням наповнювача (ба­гатошарової бавовняної тканини) разом із зв'язуючою речовиною, найчастіше бакелітом. Текстоліт має високі електроізоляційні та фрикційні властивості, стійкість до спрацювання. Випускають текстоліт у вигляді листів (зав­товшки 0,5...50 мм), плит і стержнів. Його застосовують для панелей апаратів, виготовлення підшипників, зуб­частих коліс тощо. На деталях з текстоліту можна нарі­зувати різьбу.

Гетинакс, або бакелітова фібра, є шаровою пластма­сою, в якій наповнювачем є папір. Гетинакс має добрі діелектричні властивості з задовільною механічною міц­ністю. Випускають гетинакс у вигляді листів завтовшки 0,2...50 мм і застосовують для виготовлення зубчастих коліс, плит, прокладок і як ізоляційний матеріал. Недолік гетинаксу — його гігроскопічність.

Склотекстоліт — високоміцна шарова пластмаса, яку одержують аналогічно до текстоліту, лише як наповнювач використовують скляну тканину. Склотекстоліт випуска­ють у вигляді листів завтовшки 0,5...30 мм; застосовують у загальному машинобудуванні, електро- і радіотехніці для виготовлення особливо навантажених деталей, бо цей матеріал має високу міцність, пружність, теплостійкість; це чудовий діелектрик.

Деревошарові пластики відрізняються від шарових пластмас тим, що в них наповнювач складається з тонких листів лущеної деревини (дерев'яного шпону), які так само, як і пластмасові наповнювачі, сполучені між собою синтетичною смолою за високої температури та тиску. Можна одержати сополімери з високими теплоізоляцій­ними властивостями та пористі пластики з високими тепло- і звукоізоляційними властивостями, які не бояться вологи та морозу. Такі порівняно нові матеріали належать до класу газонаповнених пластмас. Пластмаси переробля­ють різйими способами: звичайне листове пресування, лиття під тиском, видування, штампування, зварювання та обробка різанням. Вибір способу залежить від хімічних і фізичних властивостей матеріалів, що піддаються пере­робці.

Асортимент деталей з гуми нараховує десятки тисяч назв. З каучуку і гуми виготовляють шини, елементи технічного обладнання, а також конвеєрні стрічки, рукави, приводні кордні паси, манжети, кільця, мембрани, прок­ладки, амортизатори, втулки, килимки, ізоляційні стріч­ки, надувні човни, матраци, протигази, скафандри і ще безліч виробів та матеріалів різного призначення. Викори­стовується багато видів гуми: м'яка вулканізована, не-вулканізована; губчата, армована тканинами та металевою сіткою тощо. її застосовують для автомобільних, літакових покришок, шлангів, пасів, прокладок, втулок. За спосо­бом виготовлення гуму поділяють на штамповану, формо-ву, клеєну, а за застосуванням — на гуму загального призначення, тепло- і морозостійку, масло- і бензостійку, кислото- і лугостійку, для роботи в дизельному та іншому паливі, для харчової промисловості та медицини. Для переробки гумової суміші та напівфабрикату застосовують лиття під тиском, пресування, безперервне витиснення.

Графіт має низьку твердість, жирність, високу жаро­стійкість, електропровідність, хімічну стійкість. Колір — від сріблястого до чорного з металевим блиском. Графіт має малу щільність і твердість (НВ 1...2) та залишає при зіткненні сліди на поверхні, має малий коефіцієнт тертя, але пружний. Дріт з графіту, подібно олову, згинається в спіраль. Графіт плавиться за температури 3572 °С, темпе­ратура кипіння 3927 °С. Подібно до металу він електро­провідний, його питомий електричний опір становить 0,5⁶ Ом • мм²/м. Графіт і особливо вуглеграфітові матеріа­ли — продукт високотемпературного відпалу спресованої суміші порошків різних речовин — використовують для фільтрування гарячих газів, розплавів тощо.

шліфзерно (200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16),

шліфпорошки (12, 10, 8, 6, 5, 4, 3),

мікропорошки (М63, М50, М40, М28, М20, М14),

тонкі мікропорошки (М10, М7, М5).

Цифри зернистості шліфзерна та шліфпорошку пока­зують соту частку міліметра, а шліфпорошків — мікро­метра. Чим менша зернистість, тим нижчою буде шорст­кість поверхні, що обробляється. Цементуюча речовина — зв'язка для абразивних матеріалів. Вона буває кераміч­ною, бакелітовою, вулканітовою та металевою.

Як абразивні матеріали застосовують пісковик, на­ждак, корунд, електрокорунд, карборунд, карбід бору, алмаз та інші матеріали. Найтвердішим природним мате­ріалом є алмаз. Алмаз використовують у вигляді порошку і пилу, з яких виготовляють особливо тверді інструменти для обробки надтвердих матеріалів і правки шліфувальних кругів.

Синтетичні алмази одержують з графіту за температури 2500 °С і високого тиску. Синтетичні алмази подібно до природних після обробки та сортування використовують для виготовлення кругів, брусків, надфілів та ін. Синте­тичні алмази застосовують для кінцевої обробки деталей у вигляді порошків і паст.

Набули поширення надтверді матеріали — кубоніт (кубічний нітрид бору), ельбор і Славутич. Кубоніт — це хімічна сполука бору і азоту (43,6 % бору та 56,4 % азоту). Він твердий, як алмаз, але перевершує його за теплостій­кістю. Ельбор — також кубічний нітрид бору. Славутич — надтвердий матеріал з високою стійкістю до спрацювання, що перевершує за міцністю алмаз. Його застосовують для виготовлення олівців, брусків і роликів, необхідних для правки абразивних кругів.

Шліфувальні круги класифікують за хімічним складом (твердість), розміром зерна (зернистість) та геометричною формою. Твердість абразивних інструментів позначають літерами та цифрами, наприклад М — круги м'які (МІ, М2, МЗ); CM — середньої м'якості (СМ1, СМ2); С — середні (СІ, С2); СТ — середньотверді (СТ1, СТ2, СТЗ); Т — тверді (ТІ, ТІ), ВТ — дуже тверді (ВТ1, ВТ2), ЧТ -надзвичайно тверді (ЧТ1, ЧТ2).

Вибір шліфувального круга залежить від матеріалу де­талі. Деталі з твердої сталі та чавуну обробляють м'якими кругами, з м'якої сталі — твердими кругами з крупними зернами. На вибір кругів впливає режим різання: чим більша швидкість, тим м'якішим повинен бути круг і т. д. Крім того, вибір абразивних інструментів залежить від форми та розмірів поверхонь, що обробляються.
Лакофарбові матеріали

Лакофарбові матеріали призначаються для захисту ме­талевих деталей машин і механізмів від передчасного руй­нування від корозії, а дерев'яних — від гниття та для надання красивого зовнішнього вигляду, тепло- і електроізоляції тощо. Вони в своєму складі мають плівкоутворюючі речовини, смоли, розчинники, пігменти, пласти­фікатори, сикативи та наповнювачі, завдяки яким після висихання утворюють оболонку певної товщини, твердості та кольору з відповідним блиском, необхідною еластичністю. Залежно від плівкоутворюючих речовин ла­кофарбові матеріали можна поділити на олійні та ефіро-целюлозні. Олійні плівкоутворюючі речовини одержують з рослинних олій, штучні — з органічних кислот, ефіро-целюлозні — з бавовни.

Смоли є важливою частиною лаків; вони надають їм необхідної твердості, міцності, блиску і липучості. Для цієї мети застосовують каніфоль, асфальт тощо. Для розчинення плівкоутворюючих речовин використовують скипидар, бензин, ацетон, спирти тощо. їх призначення — розчинювати плівки, поліпшуючи цим процес забарвлен­ня поверхні. Вони повинні швидко вивітрюватися із за­барвленої поверхні.

Пігменти — нерозчинні речовини у вигляді порошку, які надають поверхні певного кольору. Вони знаходяться в лакофарбових матеріалах у зваженому стані та забарвлю­ють плівку. Як пігменти застосовують оксиди чи солі кольорових металів, металеві порошки (алюмінієва, брон­зова пудри) та сажу. Білі пігменти — свинцеві та цинкові білила, важкий шпат і алюмінієві порошки. Жовті пігменти — цинковий і свинцевий крон, вохра, забарвле­ні оксидом заліза. Червоний пігмент — свинцевий сурик, кіновар, кармін; синій — ультрамарин, кобальт, лазур (складна сполука заліза з синильною кислотою); зелений — зелений крон (хромова зелень — оксид хрому); чорний — сажа.

Пластифікатори — речовини, які надають необхідної еластичності плівці та захищають її від розтріскування. Як пластифікатори застосовують складні ефіри мінеральних і органічних кислот (дибутилфталат, трикрезилфосфат) або масла.

Сикативи вводять у лакофарбові речовини для приско­рення процесів висихання. До них належать оксиди свинцю, мангану, кобальту, взяті в певному співвідно­шенні.

Наповнювачі — речовини, які вводять до складу лако­фарбових матеріалів для здешевлення, а інколи й для підвищення міцності. Як наповнювачі застосовують крей­ду, вапно, тальк, каолін.

Крім лаків і олійних лакофарбових матеріалів застосо­вують емалеві фарби та шпаклівку. Емалеві фарби — матеріали, одержані зі спеціального олійного лаку дода­ванням до нього фарби та відповідних розчинників. Емалі бувають ґрунтувальні та покривні. Шпаклівки — це лако­фарбові матеріали, які містять в розчинникові плівкоутво-рюючі речовини, пігмент і наповнювач у 2...З рази більше, ніж емалі. Додавання вказаних компонентів надає шпак­лівці необхідної густоти.

Для фарбування заґрунтованих металевих поверхонь деталей машин застосовують нітроцелюлозні емалі марок НЦ-25 і НЦ-11, а для виробів, які експлуатуються на відкритому повітрі, емалі марок ХВ-1100 і НЦ-132 тощо. Для фарбування залізних і алюмінієвих приладів, а також інструментів застосовують емалі марки ГФ-1426. Для фар­бування машин, приладів, виробів з різних матеріалів застосовують багато інших масляно-смоляних, поліефір-них, силіційорганічних, бітумних лаків і фарб.