Twardościomierze i ich rola w kontroli jakości

Produkcja różnego rodzaju elementów metalowych musi być poprzedzona badaniami, które dowiodą, jakie siły będą na nie oddziaływać i w związku z tym, z jakich materiałów należy je wykonać. Twardość materiału i wytrzymałość gotowych części sprawdza się za pomocą twardościomierzy.

Wybrane rodzaje metod stosowanych do badania twardości metali

Twardość mierzy się według różnych metod. W przypadku metali korzysta się ze skali Rockwella, Brinella, Vickersa i Shore’a, które dokonuje się poprzez wciskanie twardszego od badanego materiału wgłębnika. Twardościomierze Rockwella dokonują pomiaru za pomocą diamentowego stożka lub stalowej, hartowanej kulki. Dokładna procedura została opisana w normie PN-EN ISO 6508. Próba pozostawia na przedmiocie ledwie widoczną skazę, dlatego można ją przeprowadzać na gotowych wyrobach. Twardość Rockwella oznacza się HR w skalach:

• dla stali hartowanych,
• stali niehartowanych i metali nieżelaznych,
• próbek o niewielkich rozmiarach i cienkich grubościach.

Jej zakres wynosi od 20 miękkich stopów do 100 dla stali hartowanej.

Twardość w skali Brinella oznacza się HBW. Próbka jest badana za pomocą kulki z węglików spiekanych. Dokładną procedurę można znaleźć w normie PN-EN ISO 6506. Tego rodzaju metoda charakteryzuje się dużym, niszczącym naciskiem, dlatego stosuje się ją np. przy odbiorze materiałów hutniczych.

Twardość metodą Vickersa mierzy się poprzez wgniecenie w powierzchnię danego materiału czworobocznego foremnego ostrosłupa diamentowego. Wartość liczbową podaje się w HV. Jest to badanie, które łączy dwie powyższe metody, tzn. stosuje uniwersalną skalę dla wszystkich klas materiałów jak w metodzie Brinella, lecz umożliwia także sprawdzenie cienkich elementów jak w przypadku twardościomierza Rockwella. Pomiar tą metodą przeważnie można wykonywać na gotowych elementach ze względu na niską inwazyjność. Jest to jednak bardzo czasochłonny proces, dlatego stosuje się go rzadziej.

Pomiar Shore’a odbywa się metodą dynamiczną na dużych przedmiotach w przypadku, gdy nie da się zastosować metod statycznych. Proces polega na opuszczeniu bijaka z określonej wysokości. Uderzenie nie powoduje poważnych zniszczeń. Choć przyjęło się, że twardość metodą Shore’a mierzy się twardościomierzem, w rzeczywistości są to skleroskopy do metali.

Znaczenie kontroli jakości

Dobór odpowiedniej procedury i urządzenia uzależnia się od rodzaju produktu. Dla każdego z materiałów powstały metody klasyfikacji, pomiary twardości i skale pomiarowe. Wartości z różnych metod zazwyczaj nie da się porównać. Przeprowadzanie kontroli jakości umożliwia standaryzację produkcji i powtarzalność jakości w elementach seryjnych. Kontrola z użyciem twardościomierzy pozwala zachować narzucone standardy i wyrabiać produkty według określonej dokumentacji. Dzięki temu elementy złączne, wyroby nietypowe czy różnego rodzaju inne części metalowe trafiają do firm, w których mogą być dalej wykorzystywane m.in. do produkcji maszyn i urządzeń.

Nowoczesne rozwiązania w badaniu twardości

Wraz z rozwojem technologii przemysłowej rośnie zapotrzebowanie na szybkie i precyzyjne metody oceny jakości materiałów. Twardościomierze coraz częściej wyposażane są w zaawansowane systemy cyfrowe, które umożliwiają automatyczne zbieranie i analizę wyników. Urządzenia te pozwalają na bezpośrednie przesyłanie danych do systemów zarządzania produkcją, co ułatwia dokumentację i kontrolę procesów. Wprowadzenie takich rozwiązań znacząco usprawnia przebieg badań oraz umożliwia szybkie reagowanie na ewentualne odchylenia od norm.

Nowoczesne twardościomierze często oferują możliwość programowania sekwencji pomiarowych oraz pracy w trybie ciągłym, co jest szczególnie istotne w warunkach produkcji seryjnej. Zastosowanie automatyki w badaniach twardości eliminuje ryzyko błędów wynikających z czynnika ludzkiego, a także zwiększa powtarzalność uzyskiwanych wyników. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie jednolitego poziomu jakości w dużych seriach wyrobów metalowych.

Twardość jako kluczowy parametr projektowy

Znajomość twardości materiału odgrywa istotną rolę nie tylko na etapie produkcji, ale również już podczas projektowania elementów. W zależności od planowanego zastosowania, konstruktorzy muszą dobrać odpowiedni stop metalu, który będzie spełniał wymagania dotyczące wytrzymałości i trwałości. Twardość decyduje m.in. o odporności na ścieranie, nacisk oraz inne obciążenia mechaniczne, dlatego jej dokładne określenie jest niezbędne przy tworzeniu dokumentacji technicznej.

W wielu branżach, takich jak motoryzacja, lotnictwo czy energetyka, dopuszczalne zakresy twardości są ściśle określone normami. Przekroczenie tych wartości może skutkować odrzuceniem partii produkcyjnej, a nawet zagrożeniem dla bezpieczeństwa użytkowników. Z tego powodu twardościomierze są nieodłącznym elementem laboratoriów badawczych, gdzie każdy detal musi zostać dokładnie sprawdzony przed dopuszczeniem do dalszego etapu produkcji.