در صنعت ابزارسازی و ماشینکاری، سختی یکی از مهمترین پارامترهای مکانیکی است که عملکرد، دوام و کیفیت ابزارهای تراشکاری را تعیین می‌کند. آزمون سختی راکول به عنوان یکی از متداول‌ ترین و دقیق ‌ترین روش‌های اندازه‌ گیری سختی مواد فلزی، نقش کلیدی در کنترل کیفیت و انتخاب ابزارهای مناسب ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی جامع معیار راکول، استانداردهای مرتبط، نحوه آزمون، مفاهیم عددی و کاربردهای عملی آن در صنعت ابزارهای برشی می‌ پردازد.

تاریخچه و پیدایش آزمون راکول

آزمون سختی راکول در اوایل قرن بیستم توسط دو مهندس آمریکایی، به نام های هیو راکول و استنلی راکول، ابداع شد. این دو مخترع در شرکت (New Departure Manufacturing) در ایالت کانکتیکات فعالیت می‌کردند که تولید کننده بلبرینگ‌های صنعتی بود. نیاز به روشی سریع و دقیق برای تعیین اثرات عملیات حرارتی بر روی رینگ‌های بلبرینگ فولادی، انگیزه اصلی برای توسعه این آزمون بود.

آن‌ها در تاریخ 15 ژوئیه 1914 درخواست ثبت اختراع خود را ارائه کردند که در نهایت در 11 فوریه 1919 ثبت شد. استنلی راکول بعدها در سال 1919 بهبودهایی بر طراحی اولیه اعمال کرد که در 18 نوامبر 1924 ثبت شد. این اختراع، انقلابی بود زیرا برخلاف روش‌های قبلی مانند برینل که زمان ‌بر و نیازمند اندازه‌ گیری‌های نوری بودند، روش راکول اندازه‌ گیری مستقیم و سریع عمق نفوذ را ارائه می‌داد. هر آزمون تنها در 12 ثانیه یا حتی سریع‌ تر قابل انجام بود.

در دهه 1920، راکول با چارلز ویلسون از شرکت (Wilson-Mauelen) همکاری کرد تا دستگاه‌های آزمون استاندارد را به صورت تجاری تولید کنند. این روش به سرعت به استاندارد صنعتی برای اندازه ‌گیری سختی تبدیل شد و تا به امروز این جایگاه را حفظ کرده است.

استانداردهای بین‌المللی آزمون راکول

آزمون سختی راکول تحت استانداردهای بین‌المللی دقیقی تعریف شده است که اطمینان از دقت، تکرارپذیری و قابلیت اطمینان اندازه‌ گیری‌ها را فراهم می‌کنند:

ASTM E18

استاندارد ASTM E18 توسط انجمن بین‌المللی آزمون و مواد آمریکا ارائه شده است. این استاندارد شامل مشخصات دقیقی برای انواع فرو رونده‌ها، بارهای اعمالی و تلرانس‌های قابل قبول برای اندازه ‌گیری‌ها است. نسخه فعلی E18-22 آخرین بازنگری این استاندارد محسوب می‌شود. این استاندارد هم آزمون‌های معمولی راکول و هم آزمون‌های سطحی راکول را پوشش می‌دهد.

ISO 6508

استاندارد ISO 6508 توسط سازمان بین‌المللی استاندارد تدوین شده و روش‌ها و مقیاس‌های مورد استفاده در آزمون سختی راکول را مشخص می‌کند. این استاندارد اطمینان از ثبات در شیوه‌های آزمون در سطح جهانی را ترویج می‌دهد و شامل الزامات دقیق برای شرایط آزمون، کالیبراسیون تجهیزات و اعتبارسنجی نتایج است.

ASTM D785

برای مواد غیرفلزی مانند پلاستیک‌ها، استاندارد ASTM D785 و ISO 2039 مرتبط هستند که آزمون راکول را برای اندازه‌ گیری موثر سختی این مواد تطبیق می‌دهند.

این استانداردها تضمین می‌کنند که آزمون سختی راکول به طور قابل اعتماد انجام شود و داده‌های حیاتی برای ارزیابی عملکرد مواد و کنترل کیفیت در صنایع مختلف را فراهم کند.

اصول و نحوه انجام آزمون راکول

آزمون راکول بر اساس اندازه‌ گیری عمق نفوذ یک فرو رونده تحت بار سنگین (بار اصلی) در مقایسه با نفوذ ایجاد شده توسط پیش‌بار (بار اولیه) استوار است. این روش غیرمخرب است و به صورت زیر انجام می‌شود:

مراحل آزمون

مرحله 1: اعمال بار اولیه (پیش‌بار)

ابتدا، فرو رونده با نیروی اولیه کنترل شده (معمولاً 10 کیلوگرم نیرو یا 98.07 نیوتن) به سطح نمونه فشار داده می‌شود. این بار اولیه اثرات زبری سطح و نواقص مکانیکی سیستم مانند بازی و ناهمواری‌های سطحی را از بین می‌برد. عمق نفوذ در این مرحله به عنوان نقطه صفر (موقعیت مرجع) ثبت می‌شود که مبنای محاسبات بعدی قرار می‌گیرد.

مرحله 2: اعمال بار اصلی

سپس نیروی اضافی به تدریج اعمال می‌شود تا بار کل (مجموع بار اولیه و بار اضافی) حاصل شود. این بار برای مدت زمان معینی (چند ثانیه) نگه داشته می‌شود تا اثرات خاصیت الاستیک ماده غلبه شود. فرورونده تا حداکثر عمق نفوذ h1 وارد نمونه می‌شود.

مرحله 3: برداشتن بار اضافی

در پایان زمان نگهداری، بار اضافی برداشته می‌شود در حالی که بار اولیه همچنان حفظ می‌شود. فرو رونده به میزان بخش الاستیک عمق نفوذ به موقعیت شروع بازمی‌گردد و در سطح عمق نفوذ دائمی h باقی می‌ماند. این عمق دائمی که به واحدهای 0.002 یا 0.001 میلی‌متر بیان می‌شود، اساس محاسبه سختی راکول است.

فرمول محاسبه

سختی راکول با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

HR = N - h × d

که در آن:

• HR = سختی راکول

• N = ضریب مقیاس (معمولاً 100 یا 130)

 h  =عمق نفوذ دائمی (میلی‌متر)

• d = ضریب بستگی به مقیاس آزمون

هرچه عمق نفوذ دائمی کمتر باشد، عدد سختی راکول بالاتر است، یعنی ماده سخت ‌تر است. این رابطه معکوس بین عمق نفوذ و سختی یکی از ویژگی‌های اصلی این روش است.

مقیاس‌های مختلف راکول

آزمون راکول شامل 30 مقیاس مختلف است که هر یک با یک حرف نمایش داده می‌شود. این مقیاس‌ها ترکیبی از انواع مختلف فرو رونده و مقادیر بار اصلی هستند. مهمترین مقیاس‌ها عبارتند از:

مقیاس C راکول (HRC)

مقیاس C متداول ‌ترین مقیاس در صنعت است و برای آزمون فولادهای سخت شده و کاربیدها استفاده می‌شود. در ایران، مصرف کنندگان معمولا، این مقیاس را برای در نظر گرفتن سختی ابزار تراشکاری و در نتیجه انتخاب ابزار، در نظر می گیرند.

این مقیاس از یک فرو رونده مخروطی الماس با زاویه راس 120 درجه و بار اصلی 150 کیلوگرم نیرو بهره می‌برد. دامنه کاربردی این مقیاس برای موادی با سختی بالاتر از HRB 100 مناسب است.

کاربردهای عمده:

• فولادهای عملیات حرارتی شده

• فولادهای ابزار

• کاربیدهای سخت

• بلبرینگ‌ها

• قطعات سخت و شکننده

مقیاس B راکول (HRB)

مقیاس B از یک گلوله فولادی سخت شده با قطر 1/16 اینچ (1.588 میلی‌متر) و بار اصلی 100 کیلوگرم نیرو استفاده می‌کند. این مقیاس برای مواد با سختی متوسط مناسب است.

کاربردهای عمده:

• آلیاژهای مس

• آلیاژهای آلومینیوم

• فولادهای نرم

• چدن‌های چکش خوار

سختی برنج از HRB 55 برای برنج کم ‌مس تا HRB 93 برای برنج کارتریج (سخت شده) متغیر است.

مقیاس A راکول (HRA)

مقیاس A همچون مقیاس C از فرورونده الماسی مخروطی استفاده می‌کند اما با بار سبک ‌تر 60 کیلوگرم نیرو. این مقیاس برای مواد بسیار سخت مانند کاربید تنگستن استفاده می‌شود که استفاده از بارهای سنگین ‌تر ممکن است به فرورونده آسیب برساند.

مقیاس‌های سطحی راکول

مقیاس‌های سطحی راکول (مانند 15N، 30N، 45N) با بارهای کمتر و فروروندگی‌های کم‌عمق ‌تر برای مواد شکننده و بسیار نازک استفاده می‌شوند. مقیاس 45N از بار 45 کیلوگرمی بر فرورونده الماسی مخروطی استفاده می‌کند و برای سرامیک‌های متراکم مناسب است.

مفهوم HRC55 در مته های فرز انگشتی

وقتی یک مته فرز انگشتی تمام الماس با مشخصه HRC55 معرفی می‌شود، این عدد به سختی مواد قابل ماشینکاری توسط آن ابزار اشاره دارد، نه الزاماً سختی خود ابزار. در صنعت ابزارهای کاربیدی، این رویه متداول است که ابزارها را بر اساس سختی قطعه کار قابل پردازش نام ‌گذاری کنند.

تفسیر HRC55

سختی قابل پردازش: یک مته فرز انگشتی HRC55 می‌تواند فولادهایی با سختی تا 55 راکول C را ماشینکاری کند. این شامل:

• فولاد کربنی (مانند فولاد 45#)

• فولاد آلیاژی

• فولاد قالب معمولی (مانند P30، 9CrSi)

• استیل معمولی
• چدن
• مس

• فولادهای عملیات حرارتی شده تا HRC55

سختی خود ابزار:

خود مته فرز انگشتی، از کارباید تنگستن ساخته شده که سختی آن معمولاً در محدوده 89 تا 95 HRA (معادل حدود 69 تا 81 HRC یا بالاتر) قرار دارد. بنابراین ابزار خیلی سخت ‌تر از قطعه کاری است که پردازش می‌کند.

ویژگی‌های فنی مته های فرز انگشتی HRC55

ساختار برشی:

لبه‌های برشی تیز همراه با سختی مناسب، زاویه آزادی قوسی، باعث افزایش مقاومت سایشی ابزار می‌شود. زاویه آزادی مسطح، ابزار را تیزتر می‌کند. برش با دو نوع زاویه آزادی، فرآیند برش را سریع‌ تر و عمر ابزار را طولانی ‌تر می‌کند.

روکش:

روکش AlTiN (آلومینیوم تیتانیوم نیترید) یا TiSiN (تیتانیوم سیلیکون نیترید) با استفاده از فناوری پیشرفته اعمال می‌شود. این روکش ها نه تنها مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا (تا 800 درجه سانتیگراد) دارند، بلکه در شرایط ماشینکاری خشک یا برش با سرعت بالا نیز عملکرد بهینه‌ای دارند.

مواد اولیه:

کاربیدهای استفاده شده معمولاً از جنس ZK30UF یا GU25UF با محتوای کبالت 12% و اندازه دانه 0.4 میکرومتر هستند که سختی و استحکام بالا به همراه چقرمگی خوب را فراهم می‌کنند.

زاویه مارپیچی:

زاویه مارپیچی 35 درجه سازگاری بالایی با مواد و سختی‌های مختلف قطعات کار دارد و برای پردازش قالب و تولید محصول به طور گسترده استفاده می‌شود.

تخلیه براده:

شیار گسترده و صاف برای تخلیه آسان ‌تر براده‌ها طراحی شده است. طراحی مارپیچ نابرابر و شیار تخلیه براده بزرگ، تخلیه براده را سریع‌تر، برش را روان‌تر، کاهش پرزهای اضافی و جلوگیری از چسبیدن براده به ابزار را فراهم می‌کند.

مقایسه سختی‌های مختلف کاربیدی

در صنعت ابزارهای تراشکاری الماس، ابزارها به رده‌های مختلف سختی تقسیم می‌شوند که هر یک برای کاربردهای خاصی مناسب هستند:

HRC45: سختی پایین، چقرمگی بالا

مشخصات:

• مناسب برای ماشینکاری فولادهای نرم تا متوسط

• سختی نسبتاً پایین اما چقرمگی و مقاومت ضربه بالا

• توانایی پردازش مواد تا سختی 45 HRC

کاربردها:

• تراشکاری و بریدن چوب

• ماشینکاری ماشین‌های کشاورزی

• محیط‌ های با ضربه زیاد مانند چوب خردکن‌ها

• فولادهای نرم و چدن

مزایا:

• مقاومت بالا در برابر ترک خوردن

• عمر عملیاتی 35% طولانی‌تر در محیط‌های با ضربه بالا نسبت به تیغه‌های سخت‌ تر

• قیمت مناسب‌تر

معایب:

• سایش سریع‌تر در مقایسه با گریدهای بالاتر

• نیاز به تیزکردن مکرر

• حفظ لبه برش برای مدت کوتاه ‌تر

HRC55: سختی متوسط، تعادل بهینه

مشخصات:

• تعادل خوب بین مقاومت سایش و چقرمگی

• مناسب برای پردازش مواد عمومی

• توانایی برش فولادهای با سختی تا 55 HRC

کاربردها:

• فولاد کربنی

• فولاد آلیاژی

• چدن

• فولادهای سخت شده تا HRC55

• فولاد ابزار
• فولاد قالب
• تیتانیوم

• مس و آلیاژهای آن

مزایا:

• عملکرد همه‌ کاره برای اکثر کاربردها

• نسبت قیمت به عملکرد بسیار خوب

• استفاده گسترده در صنایع هوافضا، ساخت قالب، تجهیزات متالورژی

معایب:

• عملکرد محدود روی مواد بسیار سخت (بالای HRC55)

• نیاز به مراقبت معمول

HRC60-65: سختی بالا، مقاومت سایش عالی

مشخصات:

• سختی بسیار بالا و مقاومت سایش عالی

• مناسب برای پردازش مواد سخت

• توانایی تراشکاری مواد با سختی 60 تا 65 HRC

کاربردها:

• فولادهای سخت شده پس از عملیات حرارتی

• فولادهای ابزار سخت (مانند S136، NAK80)

• قطعات قالب با سختی بالا

• استیل سخت شده

• آلیاژهای تیتانیوم

مزایا:

• حفظ لبه برش برای مدت طولانی

• دقت بالا در ماشینکاری

• کاهش نیاز به تعویض ابزار

• مناسب برای تولید حجم بالا

معایب:

• شکنندگی بالاتر و حساسیت به ضربه

• قیمت بالاتر

• نیاز به دستگاه‌های با سرعت بالا و دقت بالا

• احتمال ترک خوردگی در شرایط نامناسب

• نیاز به سنگ‌های الماسی برای تیز کردن

HRC70 و بالاتر: سختی فوق‌العاده

مشخصات:

• سختی نزدیک به کاربید تنگستن خالص

• بسیار سخت و شکننده

• استفاده تخصصی

کاربردها:

• کاربردهای بسیار خاص و تخصصی

• برش مواد بسیار سخت

• کاربردهای دقیق و حساس

دلایل تفاوت سختی در محصولات کاربیدی

سوال مهم این است که چرا محصولات کاربیدی می‌توانند سختی‌های متفاوت 55 یا 65 HRC داشته باشند و چه چیزی یکی را بهتر یا بدتر می‌کند؟ پاسخ به عوامل متعددی بستگی دارد:

1. اندازه دانه کاربید (Grain Size)

اندازه دانه‌های کاربید تنگستن نقش کلیدی در سختی نهایی ابزار دارد:

دانه‌های ریز (0.2-0.8 میکرومتر):

• سختی بالاتر به دلیل کاهش فاصله بین دانه ‌ای

• مناسب برای ابزارهای تراشکاری و قطعات سایشی دقیق

• کاربرد در ابزارهای HRC65 و بالاتر

• استحکام خمشی بالاتر

دانه‌های درشت (بیش از 1 میکرومتر):

• سختی پایین ‌تر اما چقرمگی بهتر

• مناسب برای کاربردهای با ضربه زیاد مانند ابزارهای معدنی

• کاربرد در ابزارهای HRC45-55

• مقاومت بهتر در برابر ترک

2. محتوای کبالت

کبالت به عنوان چسباننده، برای نگه داشتن دانه‌های کاربید تنگستن عمل می‌کند:

محتوای کبالت پایین (3-6%):

• سختی را به حداکثر می‌رساند

• شکنندگی را افزایش می‌دهد

• مناسب برای کاربردهای با سایش بالا و ضربه کم

• استفاده در ابزارهای HRC65

محتوای کبالت بالا (10-20%):

• چقرمگی را بهبود می‌بخشد

• سختی را کاهش می‌دهد

• مناسب برای کاربردهای با ضربه زیاد

• استفاده در ابزارهای HRC45-55

3. فرآیند تولید و زینتر

شرایط تولید تاثیر مستقیم بر خواص نهایی دارند:

دمای زینتر:

• دماهای بالاتر زینتر (1400-1600 درجه سانتیگراد) چگالی و سختی را بهینه می‌کنند

• کنترل دقیق دما برای حصول خواص مطلوب ضروری است

فشار زینتر:

• فشار بالاتر در حین زینتر چگالی و استحکام را افزایش می‌دهد

4.روکش ها

روکش های سطحی می‌توانند سختی سطحی و مقاومت سایش را بهبود بخشند:

PVD TiN (تیتانیوم نیترید):

• متداول‌ترین پوشش

• سختی سطحی حدود 2300 HV

• دمای کاری تا 600 درجه سانتیگراد

TiCN (تیتانیوم کاربونیترید):

• سختی بالاتر از TiN

• مقاومت سایش بهتر

TiAlN (تیتانیوم آلومینیوم نیترید):

• مقاومت حرارتی عالی تا 800 درجه سانتیگراد

• مناسب برای برش با سرعت بالا

AlTiSiN:

• سختی و پایداری حرارتی بسیار بالا (تا 4000 HV و 1200 درجه سانتیگراد)

• استفاده در ابزارهای HRC65

5. کیفیت مواد اولیه

کاربید تنگستن خالص 100%:

• عملکرد برتر و دوام بالا

• قیمت بالاتر

• استفاده توسط تولیدکنندگان معتبر

نتیجه‌گیری

آزمون سختی راکول به عنوان یک استاندارد جهانی، نقش حیاتی در صنعت ابزارسازی و ماشینکاری ایفا می‌کند. درک صحیح از این معیار و مفاهیم مرتبط با آن، به مهندسان و متخصصان کمک می‌کند تا ابزارهای مناسب را برای هر کاربرد انتخاب کنند.

انتخاب بین ابزارهای با سختی مختلف مانند HRC55 یا HRC65 نه تنها به سختی ماده قابل ماشینکاری بستگی دارد، بلکه به عوامل متعددی از جمله نوع عملیات، شرایط برش، ماشین ابزار موجود، حجم تولید و ملاحظات اقتصادی نیز مربوط می‌شود. هیچ گزینه‌ای به طور مطلق بهتر یا بدتر نیست - هر یک برای شرایط خاصی طراحی شده‌اند.

با پیشرفت تکنولوژی، ابزارهای جدیدتر با عملکرد بهتر، عمر طولانی‌تر و قابلیت اطمینان بالاتر توسعه می‌یابند. با این حال، اصول اساسی آزمون راکول و درک رابطه بین سختی، چقرمگی و عملکرد ابزار، همچنان پایه و اساس انتخاب‌های مهندسی صحیح باقی خواهد ماند.

درک عمیق از این مفاهیم نه تنها به بهینه‌سازی فرآیندهای تولید و کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه به بهبود کیفیت محصول نهایی و افزایش بهره ‌وری کلی نیز منجر می‌شود. در نهایت، انتخاب هوشمندانه ابزار بر اساس معیار راکول و فاکتورهای مرتبط، کلید موفقیت در صنایع ماشینکاری مدرن است.

منابع

1. ASTM International. (2022). “ASTM E18-22: Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials.” ASTM International, West Conshohocken, PA.
2. International Organization for Standardization. (2023). “ISO 6508-1:2023 Metallic materials — Rockwell hardness test — Part 1: Test method.” ISO, Geneva, Switzerland.
3. Wilson Hardness Group. (2024). “History of Rockwell Hardness Testing.” https://www.wilsonhardness.com
4. Carbide Processors, Inc. (2024). “Understanding Tungsten Carbide Grades and Properties.” Technical White Paper.
5. Kennametal Inc. (2024). “Cutting Tool Materials: Selection Guide for Hardened Steel Machining.” Product Technical Documentation.
6. Sandvik Coromant. (2024). “Metalworking Technical Guide: Hardness and Machinability.” https://www.sandvik.coromant.com
7. Mitsubishi Materials Corporation. (2024). “End Mill Selection Guide for Hardened Steel Applications.” Technical Catalog.
8. ASM International. (2023). “ASM Handbook, Volume 16: Machining.” ASM International, Materials Park, OH.
9. Seco Tools. (2024). “Advanced Coatings for Metal Cutting Applications.” Technical Research Paper.
10. Hoffman, P. & Davies, R. (2023). “Relationship Between Grain Size and Hardness in Tungsten Carbide Tools.” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 312, pp. 117-125.
11. Zhang, L. et al. (2024). “Effect of Cobalt Content on Mechanical Properties of WC-Co Cemented Carbides.” Materials Science and Engineering A, Vol. 875, pp. 145-156.
12. Ceratizit Group. (2024). “Technical Guide: Carbide Grades for Precision Machining.” https://www.ceratizit.com
13. Kyocera Corporation. (2024). “Advanced Ceramic and Carbide Cutting Tools: Material Selection Guide.” Product Documentation.
14. Buehler. (2023). “Microhardness Testing: A Practical Guide for Materials Engineers.” Technical Manual.
15. ISO 2039. (2023). “Plastics — Determination of hardness — Part 1: Ball indentation method.” International Organization for Standardiz