การเลือกและขอบเขตการใช้งานของเครื่องวัดความแข็ง

เครื่องวัดความแข็งเป็นเครื่องมือสำหรับวัดความแข็งของโลหะ นิยามของความแข็งถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยเลโอ มูห์ล (Leo Muhl) ซึ่งหมายถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการกดแทรกของวัตถุที่มีความแข็งเข้าสู่ผิวของมัน ความแข็งเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดสมรรถนะที่สำคัญของวัสดุโลหะ โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งความแข็งสูงเท่าใด ความต้านทานการสึกหรอก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

ตามหลักการที่แตกต่างกัน การวัดความแข็งจึงแบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น เครื่องวัดความแข็งแบบลีบ (Leeb hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบร็อกเวลล์ (Rockwell hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบบริเนลล์ (Brinell hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบชอว์ (Shaw hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบชอร์ (Shore hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบบาร์คอล (Barcol hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบไมโคร (microhardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบโมห์ส (Mohs hardness tester), เครื่องวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส (Vickers hardness tester) เป็นต้น

เครื่องวัดความแข็งแบบบริเนล (Brinell hardness tester) และเครื่องวัดความแข็งแบบร็อกเวลล์ (Rockwell hardness tester) เป็นเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด สามารถใช้วัดความแข็งของเหล็กและเหล็กหล่อ โลหะผสมสำหรับทำแม่พิมพ์ เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กหล่อแบบเทา เหล็กหล่อแบบเหนียว โลหะผสมอลูมิเนียมหล่อ โลหะผสมทองแดง-สังกะสี (ทองเหลือง) โลหะผสมทองแดง-ดีบุก (ทองแดงบรอนซ์) ทองแดงบริสุทธิ์ เหล็กกล้าที่ผ่านการตีขึ้นรูป การให้ความร้อนเพื่อปรับคุณสมบัติ คาร์บูไรเซชัน การชุบแข็งด้วยความร้อน ชั้นผิวที่ผ่านการชุบแข็ง สารเคลือบผิว เหล็ก โลหะไม่ใช่เหล็ก ชิ้นส่วนขนาดเล็กและบางมาก ยาง พลาสติก แผ่นเวเฟอร์ไอซี (IC wafers) เครื่องประดับ ฯลฯ ได้ทั้งหมด

มีประเด็นสำคัญหลายประการที่ควรทราบเกี่ยวกับเครื่องวัดความแข็ง

1. เครื่องวัดความแข็งเองจะก่อให้เกิดข้อผิดพลาดสองประเภท: ประการแรกคือข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปและการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่อง; ประการที่สองคือข้อผิดพลาดที่เกิดจากพารามิเตอร์ความแข็งที่เกินมาตรฐานที่กำหนดไว้ สำหรับข้อผิดพลาดประเภทที่สอง จำเป็นต้องทำการสอบเทียบเครื่องวัดความแข็งด้วยบล็อกมาตรฐานก่อนการวัดค่า เครื่องวัดความแข็งแบบร็อกเวลล์จะถือว่าผ่านเกณฑ์หากความคลาดเคลื่อนในการสอบเทียบอยู่ภายในช่วง ±1 และค่าที่มั่นคงภายในช่วงความคลาดเคลื่อนนั้นอยู่ภายใน ±2 ซึ่งสามารถระบุค่าการแก้ไขได้ แต่หากความคลาดเคลื่อนอยู่นอกช่วง ±2 ต้องดำเนินการสอบเทียบและซ่อมแซมเครื่องวัดความแข็ง หรือเปลี่ยนไปใช้วิธีการวัดความแข็งอื่นแทน

2. เครื่องวัดความแข็งมีช่วงที่ใช้งานได้ต่างกัน และควรเลือกใช้ตามข้อกำหนดที่กำหนดไว้ เช่น เมื่อค่าความแข็งสูงกว่า HRB100 ควรใช้มาตรวัดความแข็งแบบ HRC ในการทดสอบ; เมื่อค่าความแข็งต่ำกว่า HRC20 ควรใช้มาตรวัดความแข็งแบบ HRB ในการทดสอบ เนื่องจากเมื่อค่าที่วัดเกินช่วงการทดสอบที่ระบุไว้ ความแม่นยำและความไวของเครื่องวัดความแข็งจะลดลง ทำให้ค่าความแข็งที่ได้ไม่ถูกต้อง และไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

3. เมื่อเปลี่ยนหัววัดความแข็ง (indenter) หรือแท่นรอง (anvil) ควรทำความสะอาดบริเวณพื้นผิวสัมผัสให้สะอาดก่อนเสมอ หลังจากเปลี่ยนแล้ว ให้ใช้ตัวอย่างเหล็กที่มีค่าความแข็งที่ทราบแน่ชัดทำการทดสอบซ้ำหลายครั้ง จนกว่าจะได้ค่าความแข็งสองค่าที่ติดต่อกันเท่ากัน วัตถุประสงค์ของการกระทำนี้คือเพื่อให้หัววัดความแข็งหรือแท่นรองกดแน่นและสัมผัสกับส่วนที่สัมผัสของเครื่องทดสอบอย่างดี เพื่อป้องกันไม่ให้ส่งผลต่อความแม่นยำของผลการทดสอบ

4. หลังจากปรับเครื่องวัดความแข็งแล้ว เมื่อเริ่มทำการวัดความแข็ง จุดทดสอบแรกจะต้องใช้บล็อกมาตรฐานในการทดสอบ เพื่อขจัดสถานการณ์ที่ชิ้นตัวอย่างสัมผัสกับฐานรองไม่ดี ซึ่งอาจทำให้ค่าที่วัดได้ไม่แม่นยำ หลังจากยืนยันแล้วว่าเครื่องวัดความแข็งอยู่ในภาวะทำงานปกติ จึงดำเนินการทดสอบชิ้นตัวอย่างอย่างเป็นทางการ และบันทึกค่าความแข็งที่วัดได้

5. หากชิ้นตัวอย่างสามารถทำได้ โดยทั่วไปควรเลือกจุดต่าง ๆ บนชิ้นตัวอย่างเพื่อทำการวัดค่าความแข็งอย่างน้อยสามจุด ระยะห่างระหว่างจุดวัดทั้งสามจุดต้องไม่น้อยกว่า 3 มม. และนำค่าเฉลี่ยของทั้งสามค่ามาใช้เป็นค่าความแข็งของชิ้นตัวอย่าง

6. สำหรับชิ้นตัวอย่างที่มีรูปร่างซับซ้อน ควรใช้แผ่นรองที่เหมาะสม และสามารถทำการทดสอบได้หลังจากยึดชิ้นตัวอย่างให้มั่นคงแล้ว สำหรับชิ้นตัวอย่างทรงกลมโดยทั่วไปจะวางลงในร่องรูปตัววี (V-groove) เพื่อทำการทดสอบ

7. เครื่องวัดความแข็งต้องได้รับการปรับเทียบตามข้อกำหนดที่กำหนดไว้ บล็อกมาตรฐานที่ใช้ในการปรับเทียบเครื่องวัดความแข็งนั้นห้ามใช้ทั้งสองด้าน เนื่องจากค่าความแข็งของพื้นผิวมาตรฐานกับพื้นผิวด้านหลังอาจไม่สอดคล้องกันโดยทั่วไปจะกำหนดว่าบล็อกมาตรฐานมีอายุการใช้งานได้หนึ่งปีนับแต่วันที่ปรับเทียบ

ขอบเขตการใช้งานของเครื่องวัดความแข็งแต่ละชนิดมีดังนี้

เครื่องวัดความแข็งแบบบริเนล (Brinell hardness tester): ใช้เป็นหลักสำหรับการทดสอบความแข็งของเหล็กที่ผ่านการตีขึ้นรูปและเหล็กหล่อที่มีโครงสร้างไม่สม่ำเสมอ และยังเหมาะสำหรับโลหะไม่ใช่เหล็กและเหล็กอ่อนด้วย การทดสอบความแข็งแบบบริเนล (Brinell hardness test) เหมาะสำหรับการตรวจสอบวัตถุดิบและชิ้นงานกึ่งสำเร็จรูป สินค้า ข้อได้เปรียบคือรอยบากมีขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถสะท้อนสมรรถนะโดยรวมของวัสดุได้และมีความแม่นยำสูง; ข้อเสียคือรอยบากมีขนาดใหญ่ จึงมักไม่นิยมใช้ในการตรวจสอบผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

‌ เครื่องวัดความแข็งแบบร็อกเวลล์ (Rockwell hardness tester): เหมาะสำหรับการทดสอบความแข็งของโลหะที่เป็นเหล็กและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กต่างๆ รวมถึงเหล็กที่ผ่านการชุบแข็ง เหล็กที่ผ่านการชุบแข็งแล้วอบอ่อน เหล็กที่ผ่านการอบอ่อน เหล็กที่ผ่านการอบปล่อยความร้อน เหล็กที่ผ่านการชุบผิว วัสดุคาร์ไบด์ วัสดุโลหะผง สารเคลือบแบบพ่นความร้อน เป็นต้น ข้อได้เปรียบคือมีขอบเขตการใช้งานกว้าง และสามารถใช้ทดสอบความแข็งของโลหะที่เป็นเหล็กและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กได้หลากหลายชนิด ข้อเสียคือรอยบากมีขนาดเล็ก จึงเหมาะสำหรับโลหะแผ่นบาง ท่อผนังบาง เป็นต้น

‌ เครื่องวัดความแข็งแบบร็อกเวลล์ผิวหน้า: เหมาะสำหรับการทดสอบความแข็งของแผ่นบาง ชั้นผิวที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์ (carburizing) ไนไตรไดซ์ (nitriding) และการบำบัดผิวแบบต่าง ๆ รวมถึงสแตนเลสและโลหะผสมอลูมิเนียม เป็นต้น ‌ เครื่องวัดค่าความแข็งแบบวิกเกอร์ส (Vickers Hardness Tester): ใช้สำหรับวัดชิ้นส่วนขนาดเล็ก แผ่นเหล็กบาง ฟอยล์โลหะ แผ่นวงจรรวม (IC sheets) ลวด ชั้นผิวที่ผ่านการชุบแข็งแบบบาง ชั้นเคลือบอิเล็กโทรพลาติง (electroplating layers) แก้ว เครื่องประดับ และเซรามิก ข้อดีคือรอยบากที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็ก จึงเหมาะสำหรับการทดสอบชิ้นส่วนขนาดเล็กและวัสดุที่บาง; ข้อเสียคือการปฏิบัติงานค่อนข้างซับซ้อน เหมาะสำหรับการทดสอบชิ้นส่วนขนาดเล็ก แผ่นเหล็กบาง ฟอยล์โลหะ และวัสดุอื่น ๆ