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1 ernsthardnesstesters.com piccola guida al controllo della durezza

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3 INTRODUZIONE 3 Introduzione Questa piccola guida al controllo della durezza dei metalli non intende essere un trattato completo e approfondito, ma una guida pratica per gli utilizzatori e per tutti coloro che conoscono e trattano i nostri prodotti, ai quali ci riferiamo nell esame dei singoli procedimenti e problemi. Per chi vorrà prendere visione delle norme DIN in materia, diamo indicazione delle principali: Härteprüfung nach Rockwell C, A, B, F T1 Härteprüfung nach Rockwell N und T T2 Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Brinell Richtlinien für die Gestaltung und Anwendung von Aufnahmevorrichtungen Umwertungstabellen Härtevergleichsplatten NOTE: I riferimenti (1), (2)... (11) inclusi nel testo, sono riportati in appendice.

4 4 INDICE Indice Introduzione 3 Note generali sul controllo della durezza 5 Procedimento Rockwell 7 Campo di utilizzazione delle varie scale Rockwell 11 Controllo di superfici cilindriche 13 Vantaggi e limitazioni del procedimento Rockwell 14 Variante al procedimento Rockwell 15 Procedimento Brinell 17 Denominazione delle prove Brinell 19 Campo di utilizzazione delle varie prove Brinell 20 Vantaggi e limitazioni del procedimento Brinell 22 Prove con carichi e penetratori Brinell secondo il procedimento Rockwell 23 Procedimento Vickers 24 Campo di utilizzazione dei carichi Vickers 25 Vantaggi e limitazioni del procedimento Vickers 26 Procedimento Shore (metalli) - Procedimento Knoop 27 Uso delle tabelle di comparazione e dei provini di controllo 28 Appendice (v. riferimenti inseriti nel testo) 29 Tabella di comparazione dei durometri Ernst 32

5 NOTE GENERALI SUL CONTROLLO DELLA DUREZZA 5 Note generali sul controllo della durezza Fra i vari tipi di misura che si devono eseguire in officina, quello della durezza è senz altro uno dei più differenziati. Capita di controllare con 3000kgf (29430 N) di carico o con poche centinaia di grammi (tralasciando i laboratori di ricerca dove si misura con il grammo); si deve rilevare la durezza di fusioni pesanti tonnellate, oppure perni per orologeria; si devono controllare dai sinterizzati alle leghe più morbide. Vi sono diversi procedimenti e una quantità di scale, che anche la persona con notevole pratica d officina può rimanere spesso perplessa di fronte ad un problema di controllo di questo genere. L elettronica, in questo come in tanti altri campi di applicazione, ha portato ad un notevole e quasi indispensabile affinamento del controllo della durezza, introducendo una maggior precisione nella lettura, la possibilità di memorizzare ed elaborare i dati ai fini di statistiche, grafici, documentazione, ecc. Sia però ben chiaro, che l elettronica si applica principalmente per la lettura dei risultati e, eventualmente, per il comando dei movimenti, mentre rimangono validi i procedimenti meccanici originari che occorre conoscere. Le brevi note che seguono, intendono essere un aiuto ad inquadrare il problema. Sui procedimenti Rockwell, Brinell, Vickers, le loro definizioni, i vantaggi e le limitazioni, tratteremo più ampiamente in seguito; inizialmente, pensiamo sia utile puntualizzare brevemente gli aspetti che ci sembrano più rilevanti nella caratterizzazione dei differenti strumenti: 1. il carico di prova 2. il campo di durezza 3. la precisione richiesta per la misura 4. l adattabilità dello strumento alla forma e alle dimensioni dei pezzi 5. l aspetto economico. 1. Carico di prova Come regola, il carico deve essere tale da non provocare una penetrazione superiore a 1/10 dello spessore del pezzo da misurare o dello strato indurito, in caso di trattamento superficiale; tenuto conto di questa condizione, è consigliabile, quando possibile, operare con un carico piuttosto alto, poiché permette di ottenere una precisione maggiore, dato che la superficie dei pezzi, normalmente, è soggetta a decarburazione durante il trattamento; con un carico alto, inoltre, la misura è meno sensibile al grado di finitura della superficie. D altra parte, occorre assicurarsi che l impronta troppo forte non danneggi il pezzo e possa, eventualmente, rappresentare un innesco di rottura su pezzi molto sollecitati. Il grado di omogeneità del materiale è un elemento di scelta:

6 6 NOTE GENERALI SUL CONTROLLO DELLA DUREZZA un caso tipico è la ghisa, che, normalmente, è controllata con carico alto, eccetto laddove è trattata superficialmente ad induzione, come ad esempio i bancali per le macchine utensili. 2. Campo di durezza Al di sopra di 50 HRC (acciai di ca. 485 HB30), normalmente, è preferibile utilizzare un penetratore di diamante; al di sotto di questa durezza, si può usare anche un penetratore di acciaio o di metallo duro. La prova Brinell, non prevedendo il penetratore di diamante, non può essere impiegata per gli acciai temprati duri; la prova Rockwell è invece più universale, poiché prevede l impiego sia del penetratore di diamante sia a sfera d acciaio. La prova Vickers, che prevede unicamente l impiego di un penetratore a piramide di diamante, può operare su tutto il campo di durezza, ma si adatta più al laboratorio che all officina. 3. Grado di precisione Questo dipende molto anche dall accuratezza con la quale si opera: superfici ben preparate, costanza nei tempi di misura, frequenti verifiche dello strumento con provini attendibili. In genere, dove possibile, è preferibile l impiego di sistemi statici a quelli dinamici. La precisione della misura diviene particolarmente critica, quando si opera con carichi molto bassi. 4. Adattabilità dello strumento alla forma e alle dimensioni del pezzo Si può portare il pezzo sullo strumento o lo strumento sul pezzo. Nel primo caso, ovviamente, si tratta di strumenti fissi (da banco), che devono possedere una capacità tale da contenere il pezzo e, molto importante, la possibilità di bloccarlo rigidamente anche a sbalzo; gli strumenti da banco sono i più idonei al controllo di pezzi di piccole e medie dimensioni (1). Nel secondo caso, invece, si tratta di strumenti portatili, che possono essere bloccati al pezzo (morsetto, catena, ecc.) o, nel caso di pezzi molto grandi e irregolari, semplicemente appoggiati (2). Di questi ultimi, quelli per alti carichi possono essere solo dinamici (3), mentre per bassi carichi ne esistono anche di statici (4). Vi sono altri casi di controllo su superfici particolarmente difficili, che devono essere valutati di volta in volta. 5. Budget Si compone di vari elementi: prezzo d acquisto dello strumento, grado di universalità d uso, tempo necessario alla misurazione e grado di attenzione richiesto all operatore. I primi due aspetti sono decisivi nel caso in cui il controllo è saltuario e su pezzi di forma e trattamento disparati, come, normalmente, avviene per l artigianato o la piccola industria; al contrario, dove il controllo è eseguito su serie notevoli, la rapidità e la possibilità di impiegare personale non particolarmente qualificato diventano fondamentali.

7 PROCEDIMENTO ROCKWELL 7 Procedimento Rockwell Le varie operazioni del procedimento Rockwell che analizzeremo qui di seguito, saranno, per maggior chiarezza, numerate ed indicate nello schema (fig. A), nel quale figurerà anche il comparatore che, collegato con il penetratore, ne registra gli spostamenti fortemente amplificati FIGURA A - Schema del procedimento Rockwell 1. Si porta la superficie da controllare a contatto con il penetratore e, applicandovi un carico iniziale F0 (precarico), si determina una prima piccola penetrazione, dopodiché si azzera il comparatore. 2. Si applica, gradualmente e senza urti, un carico supplementare F1 che, sommandosi al precarico, viene definito carico di prova (F). Il penetratore, sottoposto a questo carico, penetrerà nel materiale più o meno, in base alla durezza del materiale stesso; si attende in questa posizione fino a penetrazione avvenuta (per i materiali duri è praticamente immediata, mentre per i materiali meno duri occorrerà attendere qualche secondo). La penetrazione è indicata dal movimento della lancetta del comparatore. 3. Si rimuove il carico supplementare F1 e si ritorna alla condizione di precarico; con ciò il penetratore rimane nell impronta fatta sotto carico, ma saranno eliminate tutte le deformazioni elastiche provocate dall applicazione del carico stesso. Il comparatore indicherà, perciò, la differenza di penetrazione tra precarico e carico. I penetratori, i precarichi, i carichi e le unità di misura, sono, nel procedimento Rockwell, standardizzati in due gruppi: Rockwell normale e Rockwell superficiale.

8 8 PROCEDIMENTO ROCKWELL Rockwell normale (5) Il procedimento Rockwell normale prevede un solo penetratore diamante a forma conica di 120, con un arrotondamento in punta di 0,2mm di raggio (fig. B), e vari penetratori a sfera d acciaio duro, il cui diametro, sempre espresso in pollici, può essere di 1/16 1/8 ¼ ½ FIGURA B - Profilo del penetratore Rockwell a cono diamante Il precarico è costante: 10kgf (98.1 N). I carichi di prova (precarico + carico supplementare) sono: kgf (588.4, 980.7, 1471 N). NOTA: Secondo le attuali norme DIN, precarichi e carichi dei vari procedimenti Rockwell, Brinell e Vickers, devono essere espressi unicamente in N (Newton). Tuttavia, per motivi pratici, si ritiene più razionale utilizzare ancora le indicazioni originarie in kgf (kilogramm force). L unità di misura Rockwell normale corrisponde a 0.002mm di penetrazione. Poiché il valore di durezza deve, ovviamente, essere crescente con la durezza, mentre la differenza di penetrazione tra precarico e carico diminuisce con l aumentare della durezza stessa, il numero di durezza Rockwell si ricava sottraendo da 100 (con penetratore diamante), ovvero da 130 (con uno qualsiasi dei penetratori a sfera), la differenza di penetrazione espressa in unità di 0.002mm.

9 PROCEDIMENTO ROCKWELL 9 Esempio Con penetratore diamante e differenza di penetrazione di 0.082mm, si ha: (82:2) = 59 Rockwell. Con la medesima differenza di penetrazione, ma con un penetratore a sfera, si avrebbe invece: (82:2) = 89 Rockwell. Negli strumenti originari con il comparatore, che segnala gli spostamenti del penetratore, generalmente, il quadrante è suddiviso in 100 graduazioni, in modo che il giro completo corrisponda a 0.2mm. I comparatori riportano due serie di numeri: i numeri neri, ai quali riferirsi quando si opera con il penetratore diamante; i numeri rossi per i penetratori a sfera. L azzeramento è sempre fatto sullo 0 nero (130 rosso). Nel caso di lettura digitale, i dati sono direttamente indicati sul display, al termine dell intero ciclo. Con le varie combinazioni di penetratori e carichi, è possibile ottenere una vasta gamma di differenti scale, ognuna delle quali è indicata da una lettera, come risulta dalla tabella 1. Carico kgf scala HR 150 C G K P V 100 D B E M S 60 A F H L R penetratore diamante sfera 1/16 sfera 1/8 sfera 1/4 sfera 1/2 numeri neri rossi TABELLA 1 - Scale Rockwell normali Esempio Se si utilizza il penetratore diamante e un carico di 150kgf, la denominazione sarà HRC, dove H rappresenta la durezza in senso generale, R il procedimento Rockwell e C la scala particolare. Il numero di durezza si antepone alla sigla (esempio: 60 HRC).

10 10 PROCEDIMENTO ROCKWELL Rockwell superficiale (6) Il procedimento Rockwell superficiale (o Super Rockwell) prevede l impiego degli stessi penetratori di quello normale. Il penetratore a cono diamante, però, pur avendo geometricamente il medesimo profilo, richiede una maggior precisione di esecuzione sia sulla parte conica a 120, sia, in particolare, sull arrotondamento di 0.2mm, poiché, in questo procedimento, i carichi bassi causano una penetrazione molto piccola e una lieve imperfezione della punta falserebbe il risultato. Il precarico è costante: 3kgf (29,43 N). I carichi (precarico + carico supplementare) sono: kgf (147.1, 294.2, N). L unità di misura Rockwell superficiale corrisponde a 0.001mm di penetrazione. A differenza della prova Rockwell normale, nella Rockwell Superficiale l azzeramento è sempre fatto sul 100 (0 comparatore), sia si utilizzi il penetratore diamante sia quello a sfera. I comparatori, infatti, prevedono una sola serie di numeri e, essendo i loro quadranti suddivisi in 100 graduazioni, un giro completo della lancetta corrisponde a 0.1mm. Esempio Con penetratore di diamante o a sfera, e una differenza di penetrazione di 0.082mm, si ha: = 18 Rockwell superficiali. Le scale Rockwell superficiali, ottenibili con le varie combinazioni di penetratori e carichi, sono indicate da una lettera preceduta da una cifra (il carico di prova), come risulta dalla tabella 2. Il numero di durezza si antepone alla sigla (esempio: 65 HR30 T). carico kgf scala HR 45 45N 45T 45W 45X 45Y 30 30N 30T 30W 30X 30Y 15 15N 15T 15W 15X 15Y penetratore diamante sfera 1/16 sfera 1/8 sfera 1/4 sfera 1/2 TABELLA 2 - Scale Rockwell superficiali

11 CAMPO DI UTILIZZAZIONE DELLE VARIE SCALE ROCKWELL 11 Campo di utilizzazione delle varie scale Rockwell Come si è visto, l insieme delle scale Rockwell normali e superficiali è notevole: la scelta di una scala dipende dalla durezza del materiale, dallo spessore del pezzo o dello strato indurito (nel caso di trattamenti superficiali come cementazione, nitrurazione, ecc.). La durezza del materiale determina la scelta del penetratore: cono diamante o sfera in acciaio duro. Il cono diamante si utilizza, in pratica, solo per gli acciai temprati, o bonificati, e per il metallo duro; il suo impiego non è consigliabile per gli acciai aventi una resistenza inferiore a 785 N/mm². I penetratori a sfera d acciaio sono invece impiegati per i materiali più teneri: meno duri saranno i materiali, maggiore dovrà essere il diametro delle sfera e minori i carichi. Per esempio, con la scala HRB (sfera 1/16 e carico 100kgf), non è possibile controllare materiali così teneri come con la scala HRL (sfera ¼ e carico 60kgf). Le sfere più grandi sono, generalmente, utilizzate solo per il controllo di materiali plastici o simili. Con particolari accorgimenti, il metodo Rockwell permette di controllare materie plastiche anche sotto carico. Riguardo al controllo di pezzi molto sottili, come lamine, o pezzi induriti superficialmente, occorre considerare che l impronta creata dal penetratore sotto carico influirà sul materiale per una zona piuttosto estesa, attorno all impronta stessa e che, se questo campo di deformazione raggiunge i limiti del pezzo stesso, la misura sarà falsata. Ne consegue che, per il controllo di un pezzo sottile, è necessario utilizzare un carico tale che la deformazione non superi lo spessore del pezzo stesso, manifestandosi sulla parte opposta. Questo vale, generalmente, per tutti i procedimenti di misura della durezza. Esiste, pertanto, uno spessore minimo misurabile, da considerare per ogni tipo di prova. A questo proposito, non esistono, però, regole precise, poiché queste dipendono, in gran parte, dal tipo di materiale. Convenzionalmente, si considera lo spessore minimo misurabile pari ad almeno dieci volte la profondità di penetrazione (tabella 3).

12 12 CAMPO DI UTILIZZAZIONE DELLE VARIE SCALE ROCKWELL F kgf HRC TABELLA 3 - Spessori minimi misurabili per le prove Rockwell con penetratore di diamante Questo vale anche per gli strati superficiali induriti (cementazione, ecc.): per il controllo di pezzi cementati, ad esempio, si è soliti utilizzare la scala HRA (cono diamante-60kgf). Le scale Rockwell che l uso ha reso più comuni sono: HRC (cono diamante 150kgf) E la più tipica delle scale Rockwell, usata per il controllo di pezzi temprati, bonificati o profondamente cementati. Quando si parla di durezza Rockwell, generalmente, si intende la scala HRC; questo può provocare anche una certa confusione, poiché, a volte, è richiesta, impropriamente, una durezza espressa in HRC, anche quando le piccole dimensioni del pezzo rendono impossibile l utilizzo di un carico di 150kgf e si deve, quindi, ricorrere ad altre scale Rockwell o ad altri procedimenti di misura. Rimane, poi, la possibilità di convertire i valori rilevati in HRC per mezzo di tabelle di conversione che, come vedremo in seguito, sono da considerarsi approssimative. HRA (cono diamante 60kgf) E utilizzata principalmente per pezzi cementati e per il metallo duro, dove l elevata durezza dei carburi potrebbe provocare la scheggiatura del diamante e, per questo motivo, è sconsigliato impiegare un carico troppo elevato. HRB (sfera 1/16 100kgf) Usata generalmente in Europa per le leghe di rame (ottone, bronzo, ecc ) e negli USA anche per le leghe ferrose fino a ca. 686 N/mm² ROCKWELL SUPERFICIALE o SUPER ROCKWELL Le scale HR 15N, HR 30N, HR 45N (cono diamante) sono consigliabili per il controllo di parti a cementazione sottile; le scale HR 15T, HR 30T, HR 45T (sfera 1/16 ) per lamiere sottili. Per la scelta dei carichi di prova, rimangono, in ogni caso, valide le considerazioni generali già fatte per tutti i procedimenti.

13 CONTROLLO DI SUPERFICI CILINDRICHE 13 Controllo di superfici cilindriche E evidente, che le condizioni sono differenti se si opera su superfici cilindriche anziché piane. Se sui grandi diametri le differenze non sono sensibili, sui diametri piccoli occorre tenerne conto, aumentando i risultati ottenuti di una determinata quantità, in base al diametro del pezzo e al tipo di durezza (tabella 4). SCALA HR C-D-A SCALA HR 15N-30N-45N Diametro del pezzo TABELLA 4 - Valori di correzione per prove Rockwell su superfici cilindriche con penetratore di diamante (da aggiungere al risultato su display o comparatore)

14 14 VANTAGGI E LIMITAZIONI DEL PROCEDIMENTO ROCKWELL Vantaggi e limitazioni del procedimento Rockwell Tra quelli più conosciuti, il procedimento Rockwell è l unico che permette una lettura diretta del numero di durezza, senza dover ricorrere a misurazioni ottiche, come i metodi Brinell e Vickers. E, quindi, il metodo più rapido e l unico che si presta ad essere completamente automatizzato. Essendo il meno soggetto alla valutazione personale, si può affermare che, tra i vari strumenti per il controllo della durezza, quelli con procedimento Rockwell siano i più diffusi. Anche se, secondo le norme, la superficie da controllare deve essere liscia ed accuratamente levigata, fra i vari procedimenti, questo è quello meno sensibile alla rugosità della superficie. La limitazione principale è costituita dal fatto che, fra il carico massimo (150kgf) ed il carico minimo (15kgf) vi è un rapporto di sole 10 volte, mentre, nel controllo della durezza, tralasciando la ricerca di laboratorio dove si opera con il grammo, in officina o in fonderia sono spesso necessari carichi di prova da 1 a 3000kgf. Per esempio, non esiste una scala Rockwell adatta al controllo della ghisa, né una adatta per un lamierino di acciaio per molle sotto a 0.15mm. Per sopperire alla limitazione nel senso dei bassi carichi, si producono strumenti che, pur seguendo il procedimento Rockwell con precarico e carico, operano con carichi non standardizzati molto più bassi (1), (2). Benché le scale siano numerose, per una gamma di materiali molto importanti, come gli acciai non trattati, non esiste una scala Rockwell normalmente usata e si preferisce, in questi casi, utilizzare lo strumento a procedimento Rockwell con penetratori e carichi Brinell (vedi capitolo a pagina 23)

15 VARIANTE AL PROCEDIMENTO ROCKWELL 15 Variante al procedimento Rockwell Un grave svantaggio dei tradizionali strumenti per misure Rockwell è dovuto al fatto che la precisione della misura dipende notevolmente dal perfetto contatto tra il pezzo da controllare e la superficie d appoggio, chiamata normalmente incudine. Infatti, richiamandoci alle operazioni del procedimento Rockwell al punto 3, cioè quando si toglie il carico supplementare e si ritorna alle condizioni di precarico eliminando così le deformazioni elastiche, l unica deformazione avvertita dal comparatore dovrebbe essere l impronta stessa. Questo, però, succede solo se l appoggio tra pezzo e incudine è perfetto; se, invece, come facilmente accade, vi è anche solo un leggero strato d olio o grasso o qualche corpo estraneo, sotto carico si verifica un cedimento non elastico che, sommandosi alla profondità dell impronta, falsa il risultato diminuendo l indicazione della durezza. Poiché, non sempre gli strumenti possono operare in condizioni ideali, nei reparti di trattamento termico o in officina questo rappresenta un evidente limitazione. Per ovviare a quest inconveniente, quasi tutti gli strumenti di nostra produzione (serie AT, TWIN, BRE-AUT, COMPUTEST SC, DYNATEST SC) agiscono secondo una variante del sistema Rockwell, di cui segnaliamo lo schema in figura C. Il riferimento per la misura della penetrazione è dato da un appoggio proprio sulla superficie da controllare, in modo che eventuali cedimenti del pezzo, della vite di alzo o dello stesso stativo, non influiscano sul risultato. Sotto quest aspetto, si ottiene uno dei vantaggi attribuiti ai procedimenti Brinell e Vickers.

16 16 VARIANTE AL PROCEDIMENTO ROCKWELL FIGURA C - Schema di variante al procedimento Rockwell (riferimento di misura e penetratore) j L insieme scende sul pezzo da misurare e il penetratore arretra, offrendo una resistenza equivalente al valore di precarico. La messa a zero è automatica. k Viene applicato il carico. l Si rimuove il carico e si rileva lo spostamento (penetrazione) di (a) rispetto a (b). In caso di un cedimento del pezzo da misurare, la relazione tra (a) e (b) rimane costante, eliminando la possibilità di errore tipica della misurazione Rockwell originale. Per analogia, lo stesso procedimento è usato per la misura Rockwell superficiale. Nei nostri durometri c è un terzo elemento, che non deve essere confuso con il nottolino (b). Quest elemento, negli strumenti con stativo è denominato pressapezzo e serve, in molti casi, per bloccare con forza il pezzo da misurare, evitando l esecuzione di appoggi speciali; può essere facilmente rimosso, se occorre. Negli strumenti portatili, quest elemento si chiama base, è intercambiabile e serve a creare un perfetto appoggio sul pezzo da controllare.

17 PROCEDIMENTO BRINELL 17 Procedimento Brinell Il procedimento Brinell consiste, fondamentalmente, nel premere una sfera di acciaio duro (di vari diametri, espressi sempre in mm, a differenza delle Rockwell espresse sempre in pollici) sulla superficie da controllare, piana e ben levigata, con un carico prestabilito per un tempo definito (di norma 15 ). Dell impronta che ne risulta, avente forma di calotta sferica, si misurerà il diametro con mezzi ottici (microscopio o proiettore); nel caso di impronta non perfettamente circolare, si assumerà il valore medio. Sfera La durezza Brinell (HB) è data dal rapporto tra il carico applicato e la superficie della calotta sferica, secondo la formula: HB= 2F π D(D- D 2 -d 2 ) dove F rappresenta il carico in kgf, D il diametro della sfera in mm e d il diametro dell impronta in mm. FIGURA D - Schema del procedimento Brinell In pratica, ci si avvale di tabelle con le quali, dato il carico, il diametro della sfera e il diametro dell impronta, si ricava direttamente il numero di durezza Brinell. Normalmente, nel procedimento Brinell si utilizzano sfere con diametro 10, 5 e 2.5mm. I carichi di prova sono: 3000, 1000, 750, 500, 250, 187.5, 125, 62.5, 31.25kgf (29420, 9807, 7355, 4903, 2452, 1839, 1226, 612.9, N).

18 18 PROCEDIMENTO BRINELL Nella prova Brinell, occorre considerare i seguenti punti: 1. Condizione richiesta dalle norme, ma non sempre rispettata, è che il diametro dell impronta sia compreso tra 0.24 e 0.6 del diametro della sfera; perché questa condizione sia soddisfatta, è necessario che vi sia un certo rapporto tra il diametro della sfera e il carico adatto al tipo di materiale da controllare. E chiaro che, se, su un materiale morbido, si utilizza una sfera di piccolo diametro piccolo e un carico alto, la sfera penetrerà troppo; al contrario, con una sfera di grande diametro e un carico basso su un pezzo molto duro, si avrà un impronta più piccola di 0.24 del diametro della sfera e perciò illeggibile. 2. Nel procedimento Brinell, esiste un rapporto fondamentale F/D² tra il carico (kgf) e il diametro (mm) della sfera al quadrato, che è caratteristico di ogni singola prova Brinell. I rapporti convenzionalmente usati sono: 30, 10, 5, 2.5 (nel caso di materiali particolarmente morbidi, possono essere usati anche rapporti inferiori). Per esempio, con una sfera di diametro 10mm e un carico di 3000kgf, il rapporto sarà 30: infatti, 3000:10²=30. Con una sfera di diametro 5mm e un carico di 125kgf, il rapporto sarà 5. E chiaro che, più duro è il materiale, più alto sarà il rapporto da usare. 3. Il rapporto F/D² è importante, poiché i risultati saranno differenti proprio in base al rapporto usato. Lo stesso materiale, infatti, controllato con sfera 10mm e carico 1000kgf (rapporto HB10) darà un altra durezza se controllato con sfera 10mm e carico 500kgf (rapporto HB5). Se, invece, lo stesso materiale è controllato con sfera 2.5mm e carico 62.5 (rapporto HB10) si otterrà lo stesso risultato della prima prova, avendo operato, nei due casi, con il medesimo rapporto (presupponendo, che il materiale sia omogeneo e senza stratificazioni di differente durezza).

19 DENOMINAZIONE DELLE PROVE BRINELL 19 Denominazione delle prove Brinell La sigla HB significa durezza Brinell, dove H sta per durezza e B per Brinell. Il numero di durezza Brinell si antepone alla sigla, seguita dall indicazione della sfera in mm, dal carico in kgf (oppure N) e dal tempo di permanenza sotto carico in secondi. Esempio: 305 HB 2.5/187.5/15. Per gli strumenti portatili si usa la sigla HB seguita dal rapporto F/D². Esempio: 305 HB30. Per i differenti rapporti normalizzati consultare la tabella 5. Diametro sfera mm Carico kgf Ratio HB30 HB10 HB5 HB2.5 TABELLA 5 - Prove Brinell e rapporto F/D² Se si utilizza una sfera in metallo duro (Widia), nel caso di prove su acciai semiduri, per maggior precisione si è soliti specificare con la sigla HBW e usare le speciali tabelle

20 20 CAMPO DI UTILIZZAZIONE DELLE VARIE SCALE BRINELL Campo di utilizzazione delle varie prove Brinell La durezza del materiale determina in primo luogo, dovendo rispettare quanto considerato in precedenza, quale dei rapporti può essere usato. Stabilito il rapporto adatto, il carico sarà scelto in funzione di alcuni elementi: 1. Lo spessore del pezzo da controllare, poiché rimangono valide le considerazioni espresse nel capitolo sul procedimento Rockwell e cioè che, convenzionalmente, si considera lo spessore minimo misurabile pari a 10 volte la profondità dell impronta (tabella 6). Sfera mm F kgf HB HB HB HB HB TABELLA 6 - Spessori minimi misurabili per le prove Brinell Il grado di omogeneità del materiale, poiché, per materiali poco omogenei, è preferibile impiegare un carico alto. 3. La facilità di lettura, poiché la rilevazione del diametro dell impronta, sia con il microscopio, sia con il proiettore, è più facile su un impronta grande che su una piccola.

21 CAMPO DI UTILIZZAZIONE DELLE VARIE SCALE BRINELL 21 Segnaliamo, qui di seguito, le prove Brinell utilizzate per i diversi materiali: Acciaio Si usa praticamente sempre la prova HB30. Per gli acciai, la prova Brinell è molto importante, perché esiste un rapporto costante, abbastanza preciso, tra la durezza Brinell e la resistenza a trazione (con un rapporto di 0.36 per gli acciai al carbonio, al cromo e al cromo-manganese; con un rapporto di 0.34 per gli acciai al nichel-cromo). Esempio: 225 HB30x0.36x9.807= N/mm² Questo è l unico metodo non distruttivo, per conoscere la resistenza a trazione di un acciaio. Per gli acciai temprati duri, però, il procedimento Brinell non è utilizzabile, perché, non prevedendo il penetratore di diamante, non è generalmente impiegato per gli acciai bonificati superiori a 1765 N/mm². Per il controllo del ferro dolce, si impiega, normalmente, la prova HB30, nonostante il diametro dell impronta superi lo 0.6 del diametro della sfera. Ghisa Si usa sempre la prova HB30. A causa della scarsa omogeneità, è consigliabile usare il carico più alto compatibile con lo spessore del pezzo; normalmente, si utilizza il carico di 3000kgf. Leghe leggere Si usa normalmente la prova HB10 o HB5 e, per leghe molto morbide, anche la HB 2.5. Essendo diverse le prove possibili, facilmente si crea confusione quando non è ben specificato il tipo di prova da eseguire (a differenza delle leghe ferrose, per le quali si utilizza sempre la prova HB30). Leghe di rame Si usa la prova HB10 per il bronzo (se particolarmente duro anche HB30) e HB5 o HB10 per gli ottoni.

22 22 VANTAGGI E LIMITAZIONI DEL PROCEDIMENTO BRINELL Vantaggi e limitazioni del procedimento Brinell I vantaggi principali del procedimento Brinell, consistono nella possibilità di impiegare carichi particolarmente alti con strumenti concettualmente semplici e strutturalmente robusto. L impronta, inoltre, può essere misurata con l ausilio di un semplice microscopio o persino con un oculare. Si può operare anche in condizioni di posizionamento del pezzo non ideali, poiché, a differenza del metodo Rockwell, eventuali cedimenti non influiscono sul risultato. Moltiplicando il valore Brinell per un coefficiente specifico per ogni tipo di materiale, si ottiene il valore di resistenza alla trazione. Le eventuali deformazioni nell impronta possono rivelare tensioni esistenti nel materiale controllato. Le limitazioni più evidenti consistono nel fatto che, la misurazione del diametro dell impronta avviene otticamente ed è perciò soggetta ad errori di valutazione da parte dell operatore. Nonostante si lavori con carichi alti, resta indispensabile preparare la superficie ben levigata, per consentire una misurazione dell impronta in condizioni ideali e, quindi, sufficientemente precisa. Per questi motivi, la prova Brinell non può essere considerata una prova rapida e non è adatta ad eseguire controlli di serie. Per superare questi inconvenienti, si ricorre spesso all impiego del procedimento Rockwell, utilizzando, però, penetratori e carichi Brinell (v. capitolo seguente) (9). Nel caso di controllo su superfici cilindriche, sarà necessario ricavare un tratto di superficie piana su cui eseguire l impronta (10).

23 PROVE CON CARICHI E PENETRATORI BRINELL SECONDO IL PROCEDIMENTO ROCKWELL 23 Prove con carichi e penetratori Brinell secondo il procedimento Rockwell Come accennato al capitolo precedente, per ovviare ai vari inconvenienti del metodo Brinell, e anche per utilizzare maggiormente gli strumenti Rockwell, si impiegano frequentemente questi strumenti per eseguire prove con penetratori e carichi Brinell. La maggior parte di questi strumenti, infatti, oltre ai carichi Rockwell, prevede anche i carichi normali per le prove Brinell (62.5, 125, 187.5/612.9, 1226, 1839N). La misura dell impronta avviene misurando la differenza di penetrazione tra precarico e carico secondo il procedimento Rockwell, anziché misurare il diametro come nel procedimento Brinell. La lettura avviene direttamente su display o su un quadrante applicato al comparatore, nel caso di strumenti analogici. Se la lettura viene fatta su comparatore, il risultato ottenuto (che non è una durezza Rockwell) dovrà essere convertito nella scala Brinell con le apposite tabelle. Occorre chiarire che questo procedimento non è una vera prova Brinell, poiché questa richiederebbe la rilevazione ottica del diametro dell impronta; i risultati ottenuti dalla conversione, infatti, non sono uguali per tutti i materiali (per esempio, la conversione per l acciaio non è la stessa che per la ghisa). Questo procedimento è, però, molto conveniente, nel caso si debbano eseguire dei controlli in serie o si voglia evitare la lettura ottica dell impronta e, di conseguenza, la preparazione della superficie di prova. Per gli acciai, vi è, inoltre, il vantaggio di utilizzare una scala tarata direttamente in resistenza alla trazione in kgf/mm² o N/mm². Per una maggiore precisione nei controlli in serie, i durometri ERNST offrono la possibilità di impostare una nuova e provvisoria calibrazione della scala, basata su provini Brinell o su un campione precedentemente misurato con il sistema Brinell ottico.

24 24 PROCEDIMENTO VICKERS Procedimento Vickers Il procedimento di prova è analogo al metodo Brinell, ma, in questo caso, è previsto un solo penetratore diamante a forma di piramide a base quadra, avente un angolo tra le facce di 136 Dopo aver eseguito la prova, si misurano le due diagonali dell impronta e, poiché queste raramente saranno uguali, si assumerà il valore medio. FIGURA E - Schema del procedimento Vickers Analogamente al numero Brinell, il numero di durezza Vickers HV è dato dal rapporto tra il carico applicato e la superficie dell impronta, secondo la formula: 2F 136 F HV=. sen = d 2 2 d 2 dove F rappresenta il carico in kgf e d la diagonale (o media delle diagonali) in mm. Ovviamente, anche in questo caso, ci si avvale delle tabelle per determinare direttamente la durezza. I carichi di prova sono molteplici, ma quelli più utilizzati sono: 1, 2, 5, 10, 30kgf (9.81, 19.62, 49.05, 98.10, ); è possibile impiegare carichi anche parecchio inferiori a 1kgf (9.81 N), entrando, così, nel campo delle microdurezze che trovano largo impiego specialmente nei laboratori metallografici.

25 CAMPO DI UTILIZZAZIONE DEI CARICHI VICKERS 25 Campo di utilizzazione dei carichi Vickers Essendo previsto un solo penetratore e, dato che il numero Vickers rappresenta il carico specifico permm² sulla superficie dell impronta, i valori ottenuti con carichi diversi sono comparabili tra loro. Per esempio, se si esegue la prova sullo stesso materiale con un carico di 30kgf ( N) e di 1kgf (9.81 N) i risultati coincideranno (fermo restando che il materiale sia omogeneo, senza stratificazioni di differenti durezze). Anche nel caso di stratificazioni, la prova Vickers può essere convenientemente impiegata, utilizzando carichi crescenti, per determinare lo spessore dei trattamenti superficiali, come la nitrurazione. Occorre considerare che, quando i carichi di prova sono inferiori a 200 grammi, anche se il materiale è omogeneo, si registrerà un incremento del numero della durezza a causa di fenomeni di tensione superficiale. Anche per la prova Vickers, convenzionalmente, lo spessore minimo misurabile è considerato pari a 10 volte la profondità di penetrazione (tabella 7). F kgf HV TABELLA 7 - Spessori minimi misurabili nelle prove Vickers La denominazione delle prove Vickers è HV (H=durezza, V=Vickers), seguito dal carico di prova. Il numero di durezza si antepone alla sigla, seguita dall indicazione del carico in kgf o N. e, eventualmente, dal tempo di permanenza sotto carico espresso in secondi. Esempio: 715 HV 5/15 La prova Vickers è utilizzabile soprattutto per il controllo di pezzi piccoli, sottili o con trattamenti superficiali, vale a dire dove è necessario operare con carichi bassi; il suo impiego si evita, infatti, sui materiali poco omogenei come le ghise.

26 26 VANTAGGI E LIMITAZIONI DEL PROCEDIMENTO VICKERS Vantaggi e limitazioni del procedimento Vickers Il vantaggio principale del procedimento Vickers consiste nel fatto che prevede una sola scala, che può variare dalle durezze più basse alle più alte e, per questo motivo, è considerato nei laboratori un mezzo fondamentale per la ricerca. Eventuali deformazioni dell impronta possono rivelare caratteristiche strutturali del materiale controllato. Come il metodo Brinell, il procedimento Vickers non risente di eventuali cedimenti del pezzo. Il numero di durezza Vickers, a differenza del valore Rockwell, e più del numero Brinell, ha un significato evidente, perché rappresenta un carico specifico su un impronta avente sempre uguale forma. Le limitazioni del metodo Vickers sono dovute alla sua scarsa rapidità, poiché la misurazione dell impronta deve sempre essere eseguita otticamente (microscopio o proiettore). La superficie destinata all impronta deve essere preparata con molta cura e la perpendicolarità con l asse del penetratore diventa molto importante, poiché una lieve inclinazione provocherebbe un impronta irregolare. Per questi motivi, il metodo Vickers male si adatta ai controlli in serie. Su alcuni materiali, l impronta è difficilmente leggibile anche a causa dell irregolare ripartizione delle sollecitazioni, che avvengono maggiormente sugli spigoli piuttosto che sulle facce dell impronta piramidale. In conclusione, si può sostenere che il metodo Vickers è più adatto all impiego in laboratorio che in officina. Per superare le suddette limitazioni, abbiamo realizzato per i nostri strumenti la possibilità di rilevare la durezza Vickers con procedimenti più rapidi e meno laboriosi (11).

27 PROCEDIMENTO SHORE PER METALLI PROCEDIMENTO KNOOP 27 Procedimento Shore per metalli Si basa sul principio per cui una sfera (o asta con punta a sfera) lasciata cadere sul pezzo da misurare, rimbalza in altezza più o meno, in base alla durezza del pezzo stesso. E un metodo poco utilizzato, perché, pur essendo il principio molto semplice, la precisione dipende dalla massa del pezzo da controllare, come pure dalla perfetta perpendicolarità dell asse di caduta. La misura della durezza è espressa in punti SHORE ed è normalizzata per le misurazioni su grossi cilindri rettificati (calandre). E possibile dotare alcuni dei nostri durometri della scala Shore per una lettura diretta (comparazione) di questa durezza (12). Procedimento Knoop E analogo al procedimento Vickers con penetratore a punta di diamante a forma di piramide romboidale, con diagonali in rapporto 1:7. E usato solamente nei laboratori per le prove con pochi grammi di carico.

28 28 USO DELLE TABELLE DI COMPARAZIONE E DEI PROVINI DI CONTROLLO Uso delle tabelle di comparazione L equivalenza tra le varie scale di durezza è frutto di varie esperienze empiriche, ma non esiste alcuna correlazione matematica fra di loro. Le tabelle provenienti da fonti differenti, infatti, spesso danno comparazioni diverse con differenze anche sensibili. Solitamente, le tabelle di comparazione riportano anche i valori di resistenza alla trazione in kgf/mm² e N/mm² per gli acciai, con rapporti di conversione rispetto alla durezza HB30 di 0.34 o 0.36, oppure la conversione secondo DIN che è compreso tra le due. I valori ricavati dalle tavole di conversione non possono considerati assoluti, ma solo orientativi. Uso dei provini di controllo Generalmente, nel corredo di un durometro si trovano uno o più provini di controllo. Questi provini devono essere di materiale molto omogeneo, opportunamente trattato, e tarati con particolare cura su di una sola faccia. E importante controllare spesso gli strumenti con i provini, per verificarne il regolare funzionamento. Normalmente, si usando due tipi di provini: - Provini per taratura (ufficialmente riconosciuti), ottenibili su tutta la gamma delle durezze, forniti da poche ditte specializzate nel mondo. Materiale: acciaio ed eventualmente ottone e bronzo. - Provini di controllo forniti con il durometro Per ogni scala si fornisce, generalmente, un solo provino, la cui durezza è scelta in modo da ottenere un controllo ottimo (punto medio-alto della scala). Materiale: acciaio, ottone, bronzo e alluminio. Per l alluminio, non potendo ottenere un confronto con provini ufficialmente riconosciuti, che non esistono, utilizziamo per i nostri durometri materiale di alluminio, fornitoci con taratura dal laboratorio di un importante ditta del ramo. Le impronte fatte sui provini non devono avere, di regola, una distanza tra loro inferiore a circa due volte il diametro dell impronta stessa. Sui provini di circa HRC 60 devono distare tra loro non meno di 2mm. Quando la superficie del provino è interamente ricoperta da impronte, è uno sbaglio cercare di recuperarlo tramite rettifica, perché il materiale sottostante avrà sicuramente modificato la propria struttura e darà per questo risultati falsati. Con il tempo, la durezza dei provini può, anche se non di molto, modificarsi. Da esperienze fatte, si è, infatti, riscontrato che la durezza di alcuni provini da HRC 60 dopo circa cinque anni aumenterebbe di -1 punto HRC.

29 APPENDICE - DUROMETRI DA BANCO (VEDI I RIFERIMENTI INDICATI NELLA GUIDA) 29 Per ulteriori informazioni sui nostri prodotti, consultare la documentazione specifica (1) Durometri da banco come: NR3D Versione R Strumento semplice e robusto per prove Rockwell, con precarico e carico normalizzati. Con carichi per prove Brinell. Versione SR Versione Rockwell Superficiale del modello NR3-DR. Con carichi per prove Brinell. AT130 Versione DR Durometro per prove Rockwell con indicazione digitale. Precarichi e carichi normalizzati. Con carichi per prove Brinell. Quattro stativi a scelta. Versione DSR Versione Rockwell Superficiale del modello AT130-DR. Con carichi per prove Brinell. AT250 Versione DR Analogo all AT130, con lettura digitale tramite microprocessore. Maggiore rapidità e possibilità di stampare i dati, ottenere risultati statistici, tolleranze e altro. Otto o più scale selezionabili. Quattro stativi a scelta. Con carichi per prove Brinell. Versione DSR Versione Rockwell Superficiale del modello AT250-DR. Con carichi per prove Brinell. ESATEST MTR X (principio ESATEST DIN 50158) Il modello MTR X è la versione motorizzata da banco della serie ESATEST. La serie ESATEST utilizza un nuovo principio di misura, che permette di raggiungere punti fino ad oggi inaccessibili con i normali procedimenti. Con un unica misura è possibile ottenere immediatamente i valori di durezza, rilevati su un ampia gamma di carichi: ciò è particolarmente utile nel controllo di parti trattate superficialmente, per avere un immediata valutazione della profondità del trattamento. I risultati delle prove sono automaticamente visualizzati su monitor. L impiego dell elettronica offre svariate funzioni supplementari.

30 30 APPENDICE - DUROMETRI AUTOMATICI (VEDI I RIFERIMENTI INDICATI NELLA GUIDA) Durometri automatici come: BRE-AUT (8) Durometro di grandi dimensioni per la misurazione automatica della durezza Brinell con carichi variabili da 500 a 3000kgf. Facilmente inseribile in una linea in caso di progettazione di impianti completi. TWIN X Strumento che consente il controllo della durezza Rockwell e Rockwell superficiale. Lo spostamento della testa, il cambio e l applicazione del carico avvengono in modo automatico. Corsa del penetratore di 45mm. Struttura insensibile a eventuali cedimenti o flessioni del pezzo. E possibile rimuovere il gruppo vite e inserire lo strumento in una linea automatica per il controllo in serie.l impiego dell elettronica offre svariate funzioni supplementari. AT350 versione DRT-M Strumento motorizzato, evoluzione dei modelli AT130 e AT250, studiato per produzioni di grandi volumi (ca pezzi/h). Può essere integrato in linee di produzione per un processo di misura completamente automatizzato. OMNITEST Durometro universale adatto a tutti i procedimenti di misura più comuni e standardizzati, quali: Rockwell, Superficial Rockwell, Brinell, Vickers e Knoop (su richiesta). Omnitest è completo di PC industriale integrato che opera su piattaforma Windows 7, Fotocamera USB ad alta risoluzione (2 mega pixel) con illuminazione LED, software che permette il rilievo completamente automatico di tutte le impronte, con possibilità di operare manualmente. Omnitest misura con carichi da 9,804N a 2451N (1kgf - 250kgf). L immagine dell impronta può essere acquisita e memorizzata con la possibilità di essere richiamata in qualsiasi momento.

31 APPENDICE - DUROMETRI PORTATILI For (VEDI more I RIFERIMENTI information, please INDICATI ask NELLA us for the GUIDA) leaflets. (2) (4) Durometri portatili come: COMPUTEST SCX (DIN 50157) Strumento a lettura diretta della durezza su display. Sette e più scale selezionabili. Controllo statico su superfici piane e cilindriche e su differenti metali. Carico 5kgf. 31 DYNATEST SCX (DIN 50157) Simile a Computest SCX, ma con carichi di oltre 100kgf. Possibilità di selezionare quattro e più scale. Unico nel suo genere, consente la stessa precisione di un durometro da banco, grazie al suo alto carico di prova. Carico oltre 100kgf. HANDY ESATEST X (principio ESATEST DIN 50158) Versione portatile del modello ESATEST MTR X di soli 1.5 kg di peso. (3) STE Sistema dinamico o statico dinamico a spina tarata. Carico 1580kgf. Risultati in scala Brinell e resistenza alla trazione. Conforme alle norme Brinell HB30. APPENDICE - TRATTAMENTO TERMICO (VEDI I RIFERIMENTI INDICATI NELLA GUIDA) Trattamento Termico: HTD1500 Sistema automatico di determinazione dello spessore del trattamento termico mediante penetratore di metallo duro, basato sul principio di misurazione di profondità in relazione alla superficie del pezzo di prova. Spessore misurabile 0,05mm - 1,3mm. Carico massimo applicabile 1500kgf (14 710N). HTD4000 Sistema automatico di determinazione dello spessore del trattamento termico mediante penetratore di metallo duro, basato sul principio di misurazione di profondità in relazione alla superficie del pezzo di prova. Spessore misurabile 0,5mm - 2,7mm. Carico massimo applicabile 4000kgf (39 227N).

32 32 TABELLA DI COMPARAZIONE DEI DUROMETRI ERNST DUROMETRI PORTATILI DUROMETRI STE COMPUTEST SCX DYNATEST SCX HANDY ESATEST X ESATEST MTR X NR3 MATERIALE ACCIAIO LEGHE LEGGERE GHISA PLASTICA X X X X X X X X X X X X X X X X IRREGOLARE X X X X X X FORMA E DIMENSIONE DEL PEZZO GRANDE PICCOLO SOTTILE INTERNO X X X X X X X X X X X X X X X X X X EVOLVENTI/ INGRANAGGI X X DUREZZA ROCKWELL BRINELL VICKERS X X X X X X X X X X X X X

33 TABELLA DI COMPARAZIONE DEI DUROMETRI ERNST 33 DA BANCO DUROMETRI AUTOMATICI TRATTAMENTO TERMICO AT130 AT250 AT350 TWIN X BRE-AUT OMNITEST HTD1500 HTD4000 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

34 NOTE

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36 C.I.S.A.M. s.a.s. costruzione italo-svizzera apparecchi misura v. Monte Tagliaferro, 6 I Induno Olona (VA) Tel I Fax I sales.cisam@ernsthardnesstesters.com IT07 Ci riserviamo il diritto di apportare eventuali modifiche al contenuto