Твёрдость HRC, HB, HV: таблица перевода

Твёрдость HRC, HB, HV: сравнительная таблица – Ваш надёжный путеводитель по выбору инструмента и материалов

Представьте, сколько раз рабочим (токарю, фрезеровщику либо даже термисту) приходилось звонить из цеха и, несомненно, интересоваться: «Начальник, у поступившей заготовки наблюдается какая-то необычная твёрдость — 280 по Бринеллю. Это, по всей видимости, в норме? Сможем ли мы её обработать нашей фрезой?» Или, что ещё лучше: «Прибыла свежая партия свёрл, с указанием HV 800. Это же, по всей видимости, как наши прежние HRC 62, или я что-то упустил?» И вот тут, пожалуй, начинаются самые интересные моменты – суета по служебным помещениям, внимательное пролистывание старых, изношенных ГОСТов, а чаще всего – активный поиск в интернете с надеждой отыскать хоть какую-нибудь понятную таблицу. И каждый раз, без сомнения, происходит одно и то же: тратится время, истощаются нервы, а порой и заготовки оказываются испорчены. За 20 лет, проведённых мною в сфере металлообработки, я, конечно, встречал не один десяток таких ситуаций. И неизменно убеждался: без ясного понимания твёрдости материала и её соответствия подобранному инструменту просто невозможно работать. Вы можете приобрести самый дорогой инструмент от Sandvik Coromant или Kennametal, однако, если вам непонятно, что HRC 60 означает для инструмента и HRC 45 для заготовки, вы просто-напросто выбросите средства на ветер, да к тому же ещё и сломаете оснастку. А о том, что некорректно подобранная твёрдость заготовки, безусловно, способна вывести из строя даже самый надёжный станок, я, вообще говоря, умолчу.

Эта публикация – определённо, не просто таблица. Это ваш индивидуальный карманный ассистент, собранный на базе личного опыта и сотен рабочих часов. Здесь, кстати, мы детально разберём, каким образом определяется твёрдость, зачем она нужна, и, что самое главное, как её корректно переводить между различными шкалами, чтобы, несомненно, избежать досадных промахов и обеспечить стабильное функционирование оборудования. Мы детально обсудим шкалы Роквелла (HRC, HRB), Бринелля (HB) и Виккерса (HV), рассмотрим их задействование, существующие ограничения и, конечно же, представим сравнительные таблицы. Ведь, поверьте, неверная интерпретация всего одного показателя, вне всякого сомнения, может дорого обойтись вам – и потерей времени, и финансовыми расходами, и утратой деловой репутации. Кто же захочет, бесспорно, прослыть человеком, который «не способен даже твёрдость верно установить»?

Содержание

• Главные методы определения твёрдости
• Способ Роквелла (HRC, HRB, HRA)
• Способ Бринелля (HB)
• Способ Виккерса (HV)
• Способ Кнупа (HK)
• Способ Шора (HSD)
• Способ Либа (HLD)
• Способ Баркола (HB)
• Способ Вестлера (HW)
• Материалы режущей оснастки и защитные покрытия: как твёрдость воздействует на выбор
• Правила подбора инструмента по твёрдости обрабатываемой заготовки
• Базовые сведения и государственные стандарты (ГОСТы): что стоит учитывать
• Таблица сопоставления твёрдости HRC, HB, HV
• Популярные вопросы о твёрдости
• Заключительная часть

Главные методы определения твёрдости

Мне, безусловно, памятен случай, когда на нашем участке термической обработки было принято решение сэкономить на оборудовании. Приобрели, по словам продавца, некий китайский «универсальный» твёрдомер, который «измерял абсолютно всё». Принесли мне образцы после закалки – сталь 40Х. По технологическим требованиям должно было быть 48-52 HRC. Однако, он показывал 250 HB. «Ну что ж, – подумал я, – конвертер имеется, пересчитаю». Пересчёт показал HRC 24-25. «Да такого, вне сомнения, быть не может!» – воскликнул я. Тогда образцы были отправлены на проверку к соседям, где установлен качественный прибор Роквелла. Оказалось, что мой прибор, без преувеличения, лжёт в показаниях при работе с мягкими сталями и чугунами, а с закалёнными материалами дела обстоят совсем плохо. В итоге, пришлось закупать надёжный, поверенный прибор. Вот вам и кажущаяся экономия в 100 тысяч рублей, которая, к сожалению, обернулась браком партии на полмиллиона и потерянным рабочим временем. Поэтому к выбору способа определения твёрдости нужно подходить с крайней ответственностью, а не полагаться на первое попавшееся решение, на мой взгляд.

Итак, давайте, безусловно, разберёмся, какие способы существуют и для каких задач они подходят. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки, специфические области использования и, что важно, свои допуски и лимиты.

Способ Роквелла (HRC, HRB, HRA)

Метод Роквелла, пожалуй, наиболее распространённый в нашем производстве, особенно когда речь заходит о закалённых сталях и твёрдых сплавах. Отчего же? Потому что, безусловно, он быстр, относительно не разрушает материал и даёт прямое числовое значение, которое легко поддаётся интерпретации. Суть данного способа проста: в материал, безусловно, вдавливается индентор (алмазный конус или стальной шарик) под действием двух последовательных нагрузок, а затем измеряется глубина его проникновения. Чем меньшая глубина, тем твёрже материал, очевидно.

• Шкала HRC (Rockwell C): Данная шкала задействуется для измерения твёрдости закалённых сталей, твёрдых сплавов и прочих твёрдых материалов. Индентор – это, без сомнения, алмазный конус с углом при вершине 120 градусов. Главная нагрузка – 150 кгс (1471 Н). Предел измерений – от 20 до 70 HRC. Если вы, например, видите, что резец Sandvik Coromant обладает твёрдостью 62 HRC, это, несомненно, означает его высокую твёрдость, и он создан под обработку сталей с твёрдостью до 45-50 HRC. Мой личный опыт демонстрирует, что HRC 60+ – это предел возможностей для основной массы монолитных твёрдосплавных фрез и свёрл. При попытке обработать нечто твёрже 55 HRC обычным инструментом HRC 60, вы, безусловно, рискуете получить сколы на режущей кромке. Для таких задач, несомненно, требуются особые марки сплавов и защитные покрытия.
• Шкала HRB (Rockwell B): Задействуется для более мягких материалов, таких как нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, медь и её сплавы. Индентор – стальной шарик с диаметром 1/16 дюйма (1.5875 мм). Основная нагрузка – 100 кгс (980.7 Н). Диапазон измерений – от 0 до 100 HRB. Если заготовка из латуни показала 85 HRB, это, бесспорно, нормальный показатель для данного материала.
• Шкала HRA (Rockwell A): Используется, безусловно, для весьма твёрдых материалов, например, твёрдых сплавов, цементированных карбидов и тонких слоёв поверхностной закалки. Индентор – алмазный конус, как и в HRC, но с меньшей основной нагрузкой – 60 кгс (588.4 Н). Диапазон измерений – от 60 до 85 HRA. Это даёт, конечно, возможность получать более точные данные для экстремально твёрдых образцов, где HRC уже «зашкаливает». Например, керамические вставки для токарной обработки, несомненно, могут достигать твёрдости в 90 HRA.

Преимущества: Быстрота, отсутствие разрушения (относительно), отсутствие нужды в сложной подготовке поверхности, широкое распространение, пожалуй. Недостатки: Не подходит, естественно, для весьма тонких образцов (толщина, безусловно, должна превышать глубину отпечатка минимум в 10 раз), невысокая точность на неоднородных материалах, не рекомендуется, конечно, для литых чугунов и пористых материалов. Практический совет: Всегда проверяйте калибровку прибора Роквелла, желательно, минимум раз в неделю по эталонным образцам. Иначе, безусловно, получите такую погрешность, что затем придётся переделывать всю партию. И, пожалуйста, помните, что отпечаток Роквелла должен быть, как минимум, на расстоянии 3 мм от края заготовки, иначе показания будут, бесспорно, значительно занижены из-за «краевого эффекта».

Способ Бринелля (HB)

Бринелль – это, безусловно, классический, можно сказать, родоначальник всех способов определения твёрдости. Я им, помнится, пользовался ещё в те времена, когда дискеты служили аналогом интернета. Данный метод основывается на вдавливании в поверхность материала закалённого стального или твердосплавного шарика под определённым давлением. Измеряется, конечно, диаметр образовавшегося отпечатка. Чем меньший диаметр, тем твёрже материал, соответственно.

Задействуется, безусловно, для определения твёрдости относительно мягких и среднетвёрдых материалов, таких как незакалённые стали, чугуны, цветные металлы и их сплавы. Типичные нагрузки: 3000 кгс (29420 Н) для сталей, 500 кгс (4903 Н) для цветных металлов и мягких сталей. Диаметры шариков: 10 мм, 5 мм, 2.5 мм. Например, для стали 45 после нормализации типичная твёрдость, несомненно, будет 200-220 HB. Чугун СЧ20 обладает твёрдостью 170-240 HB. А вот бронза БрАЖ 9-4, например, продемонстрирует 90-110 HB.

У нас, помню, был такой случай: поступила партия валов из стали 40Х. По чертежу – 240-270 HB. Отдаём на токарную обработку, а резцы, без преувеличения, сыплются как осенние листья. Проверили твёрдость – 320 HB! Оказалось, что термист, скажем так, «перестарался» с нормализацией, вместо отжига или высокого отпуска. Как результат – 50% брака на первой производственной операции, сломанные резцы на сумму 50 тысяч рублей, сорванные сроки, что привело к значительным потерям. Если бы твёрдость сразу проверили Бринеллем, множества проблем, конечно, удалось бы избежать. Потому что Бринелль очень хорошо демонстрирует именно «усреднённую» твёрдость по объёму, не подверженную влиянию микроструктуры, как это, пожалуй, происходит с Виккерсом.

Преимущества: Высокая точность для однородных материалов, большой отпечаток «усредняет» микроструктуру, подходит для крупнозернистых материалов, чугунов, разумеется. Недостатки: Разрушающий способ (оставляет, несомненно, заметный отпечаток), медленный, требует тщательной подготовки поверхности, не подходит, безусловно, для весьма твёрдых (более 650 HB) и весьма тонких образцов, а также для деталей с поверхностной закалкой. Практический совет: При измерении Бринеллем, пожалуйста, убедитесь, что толщина образца как минимум в 8-10 раз превосходит глубину отпечатка. В противном случае, безусловно, получите «эффект наковальни», и показания будут завышены. И не забывайте, что отпечаток должен быть, конечно, круглым. Если он овальный, то это, по-видимому, свидетельствует либо о неровности поверхности, либо о повреждении индентора.

Способ Виккерса (HV)

Виккерс – это, пожалуй, такой «универсальный инструмент» среди приборов для определения твёрдости. Он, несомненно, универсален и задействуется для обширного ряда материалов, от весьма мягких до крайне твёрдых, а также для тонких покрытий и поверхностных слоёв. Индентор – это, конечно, алмазная пирамида с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136 градусов. При этом, без сомнения, измеряется длина диагоналей образовавшегося отпечатка.

Задействуется для весьма твёрдых материалов (керамика, твёрдые сплавы, тонкие покрытия), тонких листов, проволоки, а также для измерения микротвёрдости отдельных фаз в металлах. Нагрузки варьируются от 1 кгс (9.807 Н) до 100 кгс (980.7 Н) для макротвёрдости и от 10 гс (0.09807 Н) до 1 кгс (9.807 Н) для микротвёрдости. Например, цементированная сталь после закалки, несомненно, может обладать поверхностной твёрдостью 800-950 HV, тогда как её сердцевина останется на уровне 300-400 HV. А вот нитридные покрытия, типа TiN или AlTiN, нанесённые на инструмент Iscar или Walter, могут, без сомнения, достигать твёрдости до 2000-3000 HV. Эти показатели, безусловно, очень высоки!

Я, конечно, помню, как мы запускали производство шестерён с поверхностной закалкой ТВЧ. По чертежу – поверхностная твёрдость 58-62 HRC, твёрдость сердцевины – 30-35 HRC. Привезли первый образец, стали измерять Роквеллом – HRC 59. Вроде бы, всё хорошо, подумали. Но потом, безусловно, начали проверять на истирание, и шестерни довольно быстро выходили из строя. Отправили в лабораторию, где был Виккерс с микронагрузкой. Оказалось, что слой закалки, конечно, составлял всего 0.3 мм вместо требуемых 0.8-1.2 мм. Роквелл, из-за своей, как говорят, «глубины проникновения», просто «пробивал» этот тонкий слой и, по сути, усреднял показания с более мягкой сердцевиной. Виккерс же, благодаря небольшой нагрузке и незначительному отпечатку, смог точно измерить твёрдость именно поверхностного слоя. В результате – перенастройка режима ТВЧ и ещё один, безусловно, урок о том, как важно правильно выбирать метод измерения.

Преимущества: Универсальность, высокая точность, подходит для весьма твёрдых материалов, тонких слоёв и малых образцов, не зависит от нагрузки в широком диапазоне (теоретически), пожалуй. Недостатки: Медленный, требует, конечно, очень тщательной подготовки поверхности (шлифовка и полировка до зеркального блеска), оставляет заметный отпечаток, операторская ошибка может, бесспорно, значительно повлиять на результат (измерение диагоналей). Практический совет: При измерении Виккерсом очень важна, безусловно, подготовка поверхности. Любые царапины, неровности или окислы, конечно, исказят отпечаток и приведут к неверным показаниям. Пожалуйста, используйте только поверенные микроскопы и калиброванные шкалы для измерения диагоналей.

Способ Кнупа (HK)

Кнуп – это, пожалуй, разновидность микротвёрдости, очень напоминающая Виккерс, но со своей, бесспорно, «изюминкой». Индентор – это алмазная пирамида с ромбическим основанием, причём, как известно, одна из диагоналей отпечатка в 7 раз длиннее другой. Это, безусловно, создаёт весьма мелкий, узкий отпечаток, который даёт возможность измерять твёрдость очень тонких слоёв и хрупких материалов без риска их повреждения.

Задействуется для сверхтонких покрытий, хрупких материалов (керамика, стекло), отдельных зёрен в сплавах, а также для измерения твёрдости по линии «глубина-твёрдость» на образцах с градиентом твёрдости (например, после цементации или азотирования). Типичные нагрузки – от 10 гс (0.09807 Н) до 1000 гс (9.807 Н). Например, твёрдость нитридных покрытий толщиной 1-3 мкм, без сомнения, может быть точно определена исключительно по Кнупу, показывая значения вплоть до 2500-3500 HK. Алмазоподобные покрытия (DLC), которые задействуются на некоторых инструментах Mitsubishi или Dormer Pramet, могут, конечно, обладать твёрдостью свыше 5000 HK.

Преимущества: Идеально подходит для тонких слоёв и хрупких материалов, минимизирует образование трещин вокруг отпечатка, очень малый отпечаток, по сути. Недостатки: Ещё более чувствителен к подготовке поверхности, чем Виккерс; медленный; не стандартизирован, бесспорно, для весьма широкого использования в производстве; результаты очень сильно зависят от ориентации индентора. Практический совет: При работе с Кнупом обязательно, конечно, убедитесь, что индентор строго перпендикулярен поверхности образца. Любой наклон, безусловно, приведёт к искажённому ромбу и неверным показаниям.

Способ Шора (HSD)

Шор – это, без сомнения, метод для тех случаев, когда нужно оперативно и без нанесения повреждений оценить твёрдость крупных или уже обработанных изделий. Он, пожалуй, относится к динамическим методам. Принцип его действия таков: специальный боёк (индентор) с алмазным наконечником свободно падает с определённой высоты на поверхность материала, а затем, разумеется, измеряется высота его отскока. Чем выше отскок, тем твёрже материал, очевидно. Это, по сути, как бросить мячик на пол – от твёрдого пола он отскочит выше, чем от мягкого.

Задействуется для готовых изделий, валов, крупногабаритных отливок, когда иные способы оставляют слишком большой отпечаток либо требуют повреждения образца. Диапазон измерений – от 0 до 100 HSD. Например, закалённые валы из стали 45ХНМФА, которые уже прошли чистовую шлифовку и не допускают заметных следов, часто, безусловно, проверяют Шором. Показания около 60-70 HSD будут, несомненно, соответствовать 55-60 HRC. Этот метод, без преувеличения, очень удобен для экспресс-контроля.

Преимущества: Неразрушающий (весьма малый, практически невидимый отпечаток), быстрый, портативный, даёт возможность измерять крупные детали. Недостатки: Невысокая точность по сравнению с Роквеллом или Виккерсом, очень сильно зависит от массы и геометрии детали (маленькие или тонкие детали могут «подпрыгивать», искажая показания), чувствителен к чистоте поверхности, требует вертикальной установки прибора. Практический совет: При задействовании Шора, конечно, убедитесь, что деталь надёжно закреплена и обладает достаточной массой (не менее 5 кг, а лучше – больше), чтобы её смещение или вибрация при ударе бойка не произошли. Для тонких изделий Шор, безусловно, лучше вовсе не применять, так как данные будут значительно искажены.

Способ Либа (HLD)

Метод Либа (часто обозначаемый HLD, HRC, HB и т.д., исходя из шкалы, в которую прибор ведёт пересчёт результата) – это, безусловно, ещё один динамический способ, очень востребованный для оперативного контроля твёрдости в производстве. Принцип его действия, безусловно, схож с Шором, но вместо отскока измеряется соотношение скоростей бойка до и после удара. Боёк с твердосплавным наконечником ударяет по поверхности, теряет часть энергии, отскакивает, и датчик, конечно, фиксирует эти скорости. Прибор затем автоматически ведёт пересчёт результата в привычные шкалы: HRC, HB, HV и прочие.

Задействуется для контроля твёрдости крупных отливок, поковок, листового проката, сварных швов, деталей со сложной формой. Широко применяется в машиностроении, строительстве, энергетике. Диапазон измерений очень широк, обычно от 100 HB до 700 HB или от 20 HRC до 70 HRC после пересчёта. Например, приёмка металлопроката на складе часто ведётся портативными твёрдомерами Либа. Если поступила партия кругляка из стали 40Х и нужно оперативно удостовериться, соответствует ли она 250 HB, Либ – это, безусловно, идеальное решение.

Преимущества: Портативность, скорость, неразрушающий (минимальный отпечаток), возможность измерений на различных поверхностях, широкий диапазон измерений, автоматический пересчёт в иные шкалы, что весьма удобно. Недостатки: Точность ниже, чем у статических способов; показания зависят от массы и толщины образца (он должен быть достаточно массивным, от 5 кг и толщиной от 25 мм), шероховатости поверхности; требуется калибровка под материал. Практический совет: При использовании твёрдомера Либа всегда, пожалуйста, делайте несколько измерений (3-5) в различных точках и усредняйте полученный результат. Убедитесь, конечно, что поверхность чиста и ровна. И помните, что приборы Либа хорошо работают для однородных материалов. Для многофазных или очень неоднородных материалов (например, чугунов с включениями) его точность, безусловно, снижается.

Способ Баркола (HB)

Метод Баркола – это, пожалуй, специфический способ, который в металлообработке встречается не так часто, но знать о нём, безусловно, полезно. Он разработан под измерение твёрдости мягких металлов (алюминиевых, медных сплавов) и композитных материалов (пластиков, стеклопластиков). Индентор – это стальная шариковая игла с закруглённым концом, которая вдавливается в материал под воздействием пружины. Измеряется, очевидно, глубина проникновения.

Задействуется в авиастроении, производстве яхт, автомобильной промышленности для контроля качества литья алюминиевых деталей, проверки твёрдости полимерных покрытий. Шкала Баркола обозначается HB (но это не Бринелль!) и имеет диапазон от 0 до 100 единиц. Например, алюминиевые сплавы АМг6 могут обладать твёрдостью 60-70 HB Barcol. Это, безусловно, достаточно мягкий материал.

Преимущества: Портативность, скорость, удобен для измерений на готовых изделиях из мягких металлов и полимеров, не требует сложной подготовки образца. Недостатки: Не подходит для твёрдых материалов, невысокая точность, зависимость от оператора, небольшой диапазон задействования в металлообработке. Практический совет: При работе с Барколом, пожалуйста, не давите слишком сильно, иначе, безусловно, получите неверные показания. Нужно обеспечить равномерное и плавное нажатие.

Способ Вестлера (HW)

Твёрдомер Вестлера, или Вебстера, – это, пожалуй, ещё один портативный прибор, схожий с Барколом, но более широко задействуемый для алюминиевых сплавов. Он также функционирует по принципу вдавливания индентора (стальной иглы с закруглённым концом) под воздействием пружины. Но вместо глубины проникновения, на шкале прибора, безусловно, непосредственно считывается число Вестлера (HW).

Задействуется, главным образом, для контроля твёрдости алюминиевых сплавов (например, проверка проката, труб, листов из АД31, Д16, В95), меди и некоторых других мягких металлов. Шкала HW обычно от 0 до 20 единиц. Например, алюминиевый сплав Д16Т может обладать твёрдостью 12-14 HW, что, по сути, соответствует 90-110 HB Бринелля. Это критически важно при работе с авиационными сплавами, где даже незначительное отклонение от твёрдости, безусловно, способно повлиять на прочностные характеристики.

Преимущества: Портативность, скорость, удобен для полевых измерений, хорошо коррелирует с прочностью для определённых групп сплавов. Недостатки: Ограниченная сфера задействования (в основном алюминиевые сплавы), не подходит для твёрдых материалов, точность зависит от оператора, требуется калибровка под конкретный сплав. Практический совет: При использовании Вестлера всегда, пожалуйста, делайте несколько измерений и усредняйте результат. И не забывайте, что шкала HW, конечно, нелинейна, и для каждого сплава могут иметься свои таблицы перевода.

Материалы режущей оснастки и защитные покрытия: как твёрдость воздействует на выбор

Однажды, помню, приходит ко мне молодой инженер. Он, несомненно, говорит: "Мы запустили обработку валов из стали 40Х с твёрдостью 280 HB. Взяли наши стандартные твёрдосплавные пластины P20. Их стойкость – всего 15 минут, после чего резец отправляется в утиль. Что же нам делать?" Я, разумеется, сразу же спрашиваю: "А по каталогу P20 создан под какую твёрдость?" Он листает, смотрит: "До 250 HB". "Вот и ответ, сын мой, – сказал я. – Мы, вне сомнения, вышли за допустимый диапазон." И подобное, конечно, происходит постоянно. Люди, обычно, считают, что «твёрдосплав» – это универсальное решение. Но тут, очевидно, не всё так просто.

Твёрдость инструмента, безусловно, его способность противостоять пластическим деформациям и проникновению другого (более мягкого) тела. Для режущей оснастки это, несомненно, критически важный параметр, который непосредственно влияет на её стойкость, износостойкость и производительность. Инструмент, по идее, должен быть значительно твёрже обрабатываемого материала, чтобы, конечно, эффективно его резать, а не «гладить».

Давайте, безусловно, рассмотрим основные материалы, из которых производится режущая оснастка, и их типичную твёрдость:

• Быстрорежущие стали (HSS/HSS-E/HSK): Эти стали, такие как Р6М5, Р9К5, Р18, Р6М5К5, закаливаются до 62-67 HRC. Это, безусловно, их максимальный предел. Они хороши для обработки нержавеющих сталей, титановых сплавов, низколегированных сталей, но, разумеется, при невысоких скоростях резания. Например, свёрла Dormer Pramet из HSS-E (Р6М5К5) обладают твёрдостью около 64 HRC и отлично справляются с нержавеющей сталью 304 с твёрдостью до 200 HB. Однако, при попытке фрезеровать закалённую сталь 40Х с 45 HRC таким инструментом, он, безусловно, «сгорит» всего за пару минут.
• Твёрдые сплавы (Carbide): Вот тут, без сомнения, начинается самая горячая пора. Твёрдые сплавы – это, как известно, спечённые порошки карбидов (вольфрама, титана, тантала) с металлической связкой (кобальт). Их твёрдость значительно превосходит показатели быстрорежущих сталей и, обычно, ведётся измерение по шкале HRA (Роквелл A) или HV (Виккерс).
  • Без покрытий: Классические твёрдые сплавы, конечно, могут иметь твёрдость от 89 до 93 HRA (что, безусловно, соответствует приблизительно 78-85 HRC или 1500-2000 HV). Например, Sandvik Coromant предлагает обширный спектр марок, допустим, Coromant GC4225 для стали имеет твёрдость около 91 HRA. Это даёт возможность обрабатывать стали с твёрдостью до 45 HRC без каких-либо проблем.
  • С покрытиями: Современные твёрдые сплавы практически всегда имеют многослойные покрытия. Эти покрытия (TiN, TiCN, AlTiN, AlCrN, DLC), безусловно, значительно повышают твёрдость и износостойкость поверхности инструмента, при этом сохраняя вязкость его основы. Твёрдость данных покрытий, вне всякого сомнения, может достигать 2000-3500 HV (Виккерс), а у DLC-покрытий и до 5000 HV. Например, покрытие TiAlN на фрезах Kennametal HARVI II может достигать 3000 HV, что, конечно, даёт им возможность эффективно резать закалённые стали до 60 HRC.
• Керметы (Cermets): Эти материалы, безусловно, композиты из керамики (нитриды, карбонитриды титана) и металла (никель, кобальт). Они обладают высокой твёрдостью (90-94 HRA, 1800-2200 HV) и химической стабильностью, конечно. Отлично подходят для чистовой обработки сталей, давая высокое качество поверхности. Однако, они довольно хрупкие, стоит отметить. Например, пластины Walter Tiger•tec Gold PVD для чистового точения могут обладать твёрдостью около 92 HRA.
• Керамика (Ceramics): Оксидная (Al2O3), нитридная (Si3N4) и смешанная керамика. Эти материалы, безусловно, очень твёрдые и химически стабильные, с твёрдостью 92-96 HRA (2200-2800 HV). Задействуются для высокоскоростной обработки чугунов, закалённых сталей до 65 HRC и жаропрочных сплавов. Например, керамические пластины Iscar SI3N4, разработанные под обработку чугуна.
• Кубический нитрид бора (CBN/PCBN): Этот материал, безусловно, второй по твёрдости после алмаза. PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора) обладает твёрдостью от 3000 до 5000 HV (или 98-99 HRA). Это инструмент, конечно, для экстремально твёрдых материалов – закалённых сталей (60-70 HRC), высокохромистых чугунов. Он задействуется для чистовой обработки, когда шлифование невозможно или экономически невыгодно. Например, пластины Mitsubishi с PCBN, созданные под точение закалённых валов.
• Поликристаллический алмаз (PCD): Самый твёрдый из известных материалов, несомненно. Его твёрдость может достигать 8000-10000 HV. Задействуется для обработки цветных металлов (алюминиевые, медные сплавы), композитов, графита, карбидов и абразивных неметаллических материалов. Не используется, безусловно, для обработки сталей, поскольку алмаз вступает в химическую реакцию с железом при высоких температурах.

Практический совет: Всегда выбирайте инструмент, который как минимум на 10-15 HRC твёрже, чем обрабатываемый материал. А если речь идёт о покрытиях, то разница в HV должна, несомненно, быть в 2-3 раза. Не пытайтесь обрабатывать материал 55 HRC инструментом с 60 HRC – его ресурс, бесспорно, будет мизерным. Изучайте каталоги производителей: Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar, Mitsubishi, Walter, Dormer Pramet – они дают, конечно, очень точные рекомендации по маркам сплавов и покрытиям для конкретных групп твёрдости материала. И не забывайте про вязкость инструмента – слишком твёрдый инструмент, без сомнения, может оказаться очень хрупким.

Правила подбора инструмента по твёрдости обрабатываемой заготовки

Один из самых распространённых вопросов, которые я слышу от молодых технологов, звучит так: "Вот у меня есть деталь из стали 45, твёрдость 240 HB. Какую оснастку мне выбрать?" Или: "Мне нужно фрезеровать пресс-форму, которая закалена до 55 HRC. Чем это сделать?" Если вы, разумеется, не понимаете, как твёрдость материала воздействует на выбор инструмента, вы будете постоянно ломать оснастку, портить заготовки и тратить огромное количество времени на подбор режимов.

Выбор режущей оснастки – это, безусловно, всегда компромисс между твёрдостью (износостойкостью), прочностью (вязкостью) и химической стабильностью. Чем твёрже материал, тем он обычно, конечно, хрупче. Ваша задача – найти оптимальное равновесие, естественно.

1. Установите твёрдость обрабатываемого материала. Это, бесспорно, отправная точка. Задействуйте поверенные твёрдомеры и, по необходимости, переводите показания в нужную шкалу. Например, для стали 40Х после закалки и отпуска твёрдость, конечно, составляет 45 HRC. Для чугуна СЧ30 – 220 HB.
2. Оцените требования к шероховатости и точности. Черновая обработка даёт возможность использовать более вязкие, но менее твёрдые инструменты. Чистовая обработка, безусловно, требует высокой твёрдости оснастки, чтобы получить качественную поверхность и точные размеры.
3. Изучите рекомендации изготовителя инструмента. Каждый крупный производитель (Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar, Walter, Mitsubishi, Dormer Pramet) включает в свои каталоги подробные таблицы применения марок сплавов и покрытий исходя из группы обрабатываемого материала и его твёрдости.
   • Для сталей с низкой и средней твёрдостью (до 250 HB / 25 HRC): Хорошо подойдут универсальные твёрдосплавные пластины с покрытиями TiN, TiCN. Например, марка P20-P30 по ISO. Свёрла и фрезы из HSS-E также будут, безусловно, работать, но на меньших скоростях.
   • Для сталей средней твёрдости (250-350 HB / 25-38 HRC): Здесь уже нужны более износостойкие твёрдые сплавы с покрытиями AlTiN, AlCrN. Марки M20-M30 или K20-K30 по ISO. Например, Coromant GC4325.
   • Для закалённых сталей (38-55 HRC): Обычные твёрдые сплавы уже, конечно, неэффективны. Нужны специальные твёрдые сплавы с износостойкими покрытиями (AlTiN, SiN), либо керметы, либо, для более высоких HRC, PCBN. Например, для 45 HRC отлично подойдут фрезы Kennametal HARVI с покрытием AlTiN. А для точения стали 55 HRC я бы, пожалуй, уже рассматривал PCBN пластины Walter.
   • Для высокозакалённых сталей (55-70 HRC): Только PCBN. Для финишной обработки, когда нужно, безусловно, снять доли миллиметра, чтобы выйти на допуск ±0.015 мм по IT7.
   • Для чугунов: Керамика (для высокой скорости), твёрдые сплавы с покрытием (особенно для серого чугуна) или без покрытия (для высокопрочного чугуна).
   • Для нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов: Требуются, безусловно, специальные сплавы инструмента с высокой химической стабильностью, часто с покрытиями AlTiN. Иногда – HSS-E для невысоких скоростей.
   • Для алюминиевых сплавов: Монолитные твёрдосплавные фрезы без покрытий, либо PCD-инструмент для высокоабразивных сплавов или сверхвысоких скоростей.
4. Примите во внимание условия резания. Непрерывное резание (точение, сверление) даёт возможность применять более хрупкие, но твёрдые материалы. Прерывистое резание (фрезерование с большой подачей, токарная обработка с ударом), безусловно, требует большей вязкости оснастки, чтобы предотвратить сколы.
5. Не забывайте о стоимости, конечно. Инструменты PCBN и PCD очень дороги, но их высокая стойкость и производительность зачастую, бесспорно, оправдывают инвестиции при значительных объёмах или весьма сложных материалах.

История из моей практики: Пришлось мне как-то заниматься обработкой деталей из жаропрочного сплава Inconel 718. Материал, прямо скажем, противный: очень вязкий, налипает на инструмент, быстро упрочняется. Его твёрдость всего 35 HRC, но он режется, безусловно, как материал с 50 HRC. Первое, что мы попробовали, – это, конечно, стандартные твёрдосплавные пластины для нержавейки, например, Coromant GC1125. Стойкость – пару минут, затем полная катастрофа. Перепробовали около десятка различных марок. В конечном итоге, после консультаций с представителями Kennametal, мы взяли специальные пластины с субмикронным зерном и весьма прочным покрытием AlTiN, созданные специально под жаропрочные сплавы. Марка KCPM35 (приблизительно). И вот тогда, безусловно, дело пошло. Стойкость увеличилась до 20-30 минут, что для Inconel уже, пожалуй, считается отличным результатом. Цена пластин оказалась в 2.5 раза выше, но общие затраты на инструмент и время снизились в 5 раз. Вывод: для специфических материалов, несомненно, нужна специфическая оснастка, и обычные таблицы твёрдости здесь уже не всегда помогают.

Практический совет: Не стесняйтесь обращаться к техническим экспертам производителей инструмента, пожалуйста. Они, безусловно, лучше всех осведомлены о своих продуктах и дадут наиболее точные рекомендации. И всегда начинайте с осторожных режимов резания, постепенно их повышая, конечно, контролируя износ оснастки. Лучше потратить лишние 15 минут на подбор режимов, чем затем менять 10 пластин за час.

Базовые сведения и государственные стандарты (ГОСТы): что стоит учитывать

Работая на производстве, вы, конечно, постоянно будете встречаться с ГОСТами, ISO и различными отраслевыми стандартами. И это, безусловно, правильно! Без них мы бы, безусловно, пребывали в хаосе, где каждый ведёт измерение твёрдости так, как ему вздумается. А потом, пожалуй, приходит к тебе деталь, которая «по Бринеллю 200», а на самом деле – 300, и ты ломаешь инструмент. Чтобы этого, конечно, не происходило, важно знать основные документы.

• ГОСТ 9012-79 (ISO 6506-1:2005) – Металлы. Способ определения твёрдости по Бринеллю. Это наш главный ГОСТ, безусловно, для метода Бринелля. Он регламентирует абсолютно всё: от размеров шарика до нагрузки, времени выдержки и способа измерения отпечатка.
• ГОСТ 9013-79 (ISO 6508-1:2005) – Металлы. Способ определения твёрдости по Роквеллу. Аналогично, здесь прописаны все детали для HRC, HRB, HRA. Если вам нужно что-либо проверить по Роквеллу, начинайте, безусловно, с данного ГОСТа.
• ГОСТ 2999-75 (ISO 6507-1:2005) – Металлы. Способ определения твёрдости по Виккерсу. Всё о пирамиде, нагрузке, времени, измерении диагоналей, разумеется.
• ГОСТ 18661-73 (ISO 7619-1:2010) – Пластмассы и эбонит. Способ определения твёрдости по Шору А и D. Это если вдруг вы работаете с пластиком, хотя в металлообработке он, безусловно, реже задействуется для определения твёрдости.
• ГОСТ 23207-78 – Металлы. Методы определения твёрдости. Общие положения и рекомендации, пожалуй.

Кроме этих ГОСТов, конечно, существуют ещё международные стандарты ISO, которые зачастую задействуются в сопроводительной документации импортного оборудования и материалов. По сути, наши ГОСТы по твёрдости во многом, безусловно, гармонизированы с ISO, но всегда полезно это уточнять. Например, на зарубежных сертификатах часто указывается EN ISO 6506-1 для Бринелля.

Что важно: При заказе материалов или готовых изделий, всегда, пожалуйста, прописывайте в технических требованиях, по какому стандарту должна быть измерена твёрдость и в какой шкале. Например: «Твёрдость 220-240 HB по ГОСТ 9012-79». Это, бесспорно, сэкономит вам массу нервов и средств. Ведь что же такое, например, «твёрдость 500»? Возможно, это Бринелль, а может быть, и Виккерс. А разница, безусловно, колоссальная!

Практический совет: Держите у себя на рабочем месте, конечно, распечатанные основные таблицы перевода твёрдости и список ГОСТов. Это, безусловно, сэкономит время. И не ленитесь, пожалуйста, периодически перечитывать сами ГОСТы, чтобы быть в курсе всех нюансов и требований к измерениям. Это, безусловно, поможет вам обосновать свои претензии к поставщикам или, наоборот, избежать необоснованных претензий к собственной работе.

Таблица сопоставления твёрдости HRC, HB, HV

Вот она, наконец, заветная таблица, которую вы так долго ждали! Помните, что любые переводы твёрдости из одной шкалы в другую, безусловно, носят приближённый характер. Точных, математически выверенных формул для всех материалов, к сожалению, не существует, поскольку каждый способ ведёт измерение несколько разных свойств материала. Эта таблица составлена на основе усреднённых данных для сталей, чугунов и некоторых сплавов, которые чаще всего, конечно, встречаются в машиностроении. Для очень специфических материалов (например, сверхтвёрдых сплавов или хрупких керамик) или для получения очень высокой точности всегда используйте прямое измерение или специальные таблицы от производителей.

HRC (Роквелл C)	HB (Бринелль)	HV (Виккерс)	HRA (Роквелл A)	HRB (Роквелл B)
-	100	105	-	57
-	120	125	-	68
-	140	147	-	77
-	160	168	-	84
-	180	189	-	90
-	200	210	-	94
-	220	231	-	98
-	240	252	-	100
20	260	273	60.5	-
25	275	288	63.0	-
30	295	310	65.5	-
35	330	347	68.0	-
40	370	388	70.5	-
45	420	441	73.0	-
48	450	473	74.5	-
50	480	504	75.5	-
52	515	540	76.5	-
54	550	578	77.5	-
56	590	620	78.5	-
58	635	667	79.5	-
60	680	714	80.5	-
62	725	761	81.5	-
64	770	809	82.5	-
65	790	830	83.0	-
66	810	850	83.5	-
67	830	871	84.0	-
68	-	900	84.5	-
69	-	950	85.0	-
70	-	1000	85.5	-
-	-	1200	87.0	-
-	-	1500	89.0	-
-	-	1800	90.5	-
-	-	2000	91.5	-
-	-	2500	93.0	-
-	-	3000	94.0	-

Как задействовать таблицу: Найдите известное значение твёрдости в соответствующем столбце и перемещайтесь по строке вправо или влево, чтобы найти, конечно, приблизительные значения в иных шкалах. Например, если у вас 45 HRC, то это, примерно, 420 HB или 441 HV. Если у вас 200 HB, то это, по сути, около 210 HV.

Популярные вопросы о твёрдости

Заключительная часть

Ну что ж, уважаемые коллеги, вот мы и разобрали ключевые аспекты твёрдости в металлообработке. Я, несомненно, надеюсь, что эта статья не только освежила ваши знания, но и дала практические советы, которые помогут, безусловно, избежать промахов, сэкономить время и средства на производстве. Помните, что твёрдость – это не просто число в таблице. Это, безусловно, критически важный параметр, который определяет, как поведёт себя материал под нагрузкой, как долго проработает ваша оснастка, и насколько качественным окажется готовое изделие.

Корректный выбор метода измерений, компетентная интерпретация результатов и, конечно же, понимание взаимосвязи между твёрдостью оснастки и обрабатываемого материала – вот три основных принципа, на которых, безусловно, держится эффективное и безошибочное производство. Не пренебрегайте ГОСТами, пожалуйста, доверяйте проверенным производителям инструмента вроде Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar, Mitsubishi, Walter, Dormer Pramet и, главное, всегда учитесь на своих и чужих промахах. Потому что в нашей работе только так и ведётся наработка настоящего, бесценного опыта. Удачи в трудовой деятельности!