材料硬度の基礎知識：スクラッチ・リバウンド・圧子硬度と試験法（ブリネル・ロックウェル・ビッカース）

部品に使用する材料の適合性は、その部品が意図した環境で機能できるかどうかの観点から非常に重要です。材料の適合性を決定する要素の一つが材料の硬度です。プロジェクトに鋼のような高硬度材料が必要か、より軟らかい材料が必要かを判断します。

間違った材料をプロジェクトで使用すると、特にその部品がより大きなプロジェクトの一部である場合、災害的な影響を及ぼす可能性があることは周知の通りです。したがって、生産前に材料の硬度を評価することは不可欠です。

高い圧痕や摩耗に耐え、変形しない物質が必要なら、硬い材料を選ぶべきです。しかし、高硬度材料がすべてのプロジェクトに適しているわけではありません。専門の加工会社に相談し、あなたのプロジェクトに適した材料を判断してもらう必要があります。

材料硬度とは？

材料硬度とは、材料が変形、引っかき、貫通、圧痕に対して力を受けても耐えられる能力です。言い換えれば、外力が加わっても物理的特性を維持できる材料の能力です。

硬度は材料によって異なり、鋼のような材料は錫のような材料より高硬度です。木材やプラスチックなどの非金属材料も、軟らかい金属に近い特性を示します。

材料の硬度は、塑性、弾性剛性、延性、靭性、ひずみ、強度、粘弾性、粘性など、いくつかの要因に依存します。

材料硬度の種類

材料は条件によって異なる振る舞いを示します。例えば、ある材料が巨大な一回の衝撃に耐えても、継続的な荷重には耐えられないかもしれません。したがって、プロジェクトのニーズに合わせて材料硬度試験を行う必要があります。

材料硬度は3つに分類できます。材料はこれらの異なる硬度タイプで異なる値を示します。それらは：

• スクラッチ硬度（引っかき硬度）
• リバウンド硬度（反発硬度）
• 圧子硬度（圧痕硬度）

スクラッチ硬度

機械技師はスクラッチ硬度を、材料が表面の引っかき傷に抵抗する能力と定義します。引っかき傷は材料表面の狭い連続線です。鋭くより硬い材料が軟らかい材料の表面を擦ると、その表面に引っかき傷が生じます。

機械技師はセラミックスなどの脆性材料にスクラッチ試験を用います。一部の材料は塑性変形に至らないものの、引っかき傷には耐えられません。一部の設計は引っかき傷に敏感なため、高いスクラッチ硬度を持つ材料が必要です。

例えば、機械の特定部品で摩擦が必要な場合、スクラッチ硬度の低い材料を使用すると不十分です。わずかな摩擦で材料が滑らかな表面を失い、最終的に機械全体の機能に影響を与える可能性があるからです。つまり、頻繁な修理費用がかさむことになります。スクラッチ硬度試験を行い、材料が摩擦に耐え、滑らかな表面を維持できるかを確認することで、これを防止できます。

リバウンド硬度

この同義語は動的硬度で、塑性硬度より弾性硬度に近いものです。弾性硬度とは、材料が永久変形せず、外力が加わったときのみ形状を変え、外力が除去されると自動的に元の形状に戻ることを意味します。これは、材料が元の形状に戻れない塑性変形とは異なります。したがって、リバウンド硬度は弾性硬度と言えます。

リバウンド硬度では、材料が衝撃でエネルギーを吸収し、それを圧子に返す必要があります。機械技師は圧子を用いてリバウンド硬度を試験します。圧子として使用される材料は既知の硬度を持ち、機械技師はそれを測定対象材料の硬度と比較します。

ダイヤモンドチップのハンマーを材料に落とし、衝撃後のハンマーの跳ね返り高さを測定することで、材料の反発・動的硬度を測定できます。ハンマーが元の落下高さに近いところまで跳ね返れば、材料のリバウンド硬度値は高いです。逆に、ハンマーが落下高さ近くまで戻らなければ、リバウンド硬度は低いです。

圧子硬度

機械技師は圧子硬度を用いて、材料の変形に対する硬度を判定します。これは、試験材料に連続荷重で圧子を押し込み、圧痕を形成させることを必要とします。機械技師は、試験材料と目的に応じて、微視的および巨視的スケールで圧子硬度試験を行います。

エンジニアと冶金学者が材料硬度について語るとき、しばしば圧子硬度を指します。材料の圧子硬度値を測定することで、材料が変形する前にどれだけの荷重を負担できるかがわかります。

材料硬度の測定単位

一部の機械技師は、硬度のSI単位を圧力のSI単位と混同しがちです。前者のSI単位はN/mm²、別名パスカルです。後者はN/m²、またはkg·m⁻¹·s⁻²です。

前述の各硬度タイプには異なる測定スケールがあります。単位は各測定法から導かれるため、直接比較には適しません。ただし、比較用の換算表を用いることは可能です。「管理可能」と言うのは、比較が100%正確ではないものの、適切な指標にはなるからです。

硬度測定の一般的な単位には、ブリネル硬度数（HB）、ロックウェル硬度数（HRA、HRB、HRCなど）、リーブ硬度値（HLD、HLS、HLEなど）、ビッカース硬度数（HV）があります。以下の表で測定法を比較しました。

材料硬度の試験方法

各タイプの材料硬度は異なる方法で測定されます。以下に各硬度の試験方法を示します：

ブリネル試験

機械技師がよく利用する一般的な硬度試験です。まず、機械技師は試験機に慣れ、モニターで必要な設定を行ってから試験を実施します。

原理は、直径10mmの鋼球を試験片に押し込み、圧痕を作ることです。この圧痕を計測して材料のブリネル硬度数を求めます。

機械が鋼球を材料に押し下げ、約30秒保持します。その後、機械技師が鋼球に荷重を加えます。試験対象の金属種類によって加える荷重が決まります。

一部の金属は500kgの荷重を必要とし、一部は標準荷重である3000kgまで必要とします。圧子を取り除いた後、エンジニアは低倍率顕微鏡で観察し、圧痕のサイズを測定します。他の領域を除外し、直角方向の測定値の平均を計算します。

試験完了後、機械技師はブリネル硬度計算式で硬度数を算出します。

ここで、

F – 荷重、N

D – 圧子直径、mm

d – 圧痕直径、mm

ロックウェル硬度試験

これも一般的な硬度試験の一つです。試験対象材料の種類によって使用するスケールが決まります。

30種類のスケールから選択可能で、材料に適したものを選べます。しかし、最も一般的に使用されるのは「B」と「C」スケールです。

試験者は最初に予備荷重（マイナーロード）を加え、その後試験荷重（メジャーロード）を加えます。予備荷重は圧子を試験片に適切に固定し、表面の不規則性を排除してより正確な結果を得るために役立ちます。

その後、試験荷重を加えて圧子を材料に押し込み、圧痕を作ります。圧痕を測定して硬度を決定します。試験者は永久圧痕深さの増加分（予備荷重基準）を計算し、硬度値を算出します。

ロックウェル硬度の式は：

ここで、

N – 使用スケールによるスケールファクター

s – 使用スケールによるスケールファクター

d – 予備荷重基準での永久圧痕深さ、mm

ビッカース硬度試験

硬度測定のもう一つの方法です。より少ない荷重で済む軟らかい材料に適しています。したがって、軟らかい材料でより高い精度が必要な場合、ビッカース試験が最適です。

ビッカースはすべての材料に単一のダイヤモンド圧子を使用するため、計算が容易です。

試験者はまず機械に慣れ、部品を機械に載せ、顕微鏡で適切な高さを見つけます。画面の画像を見て正しい位置を判断します。より鮮明な画像が得られれば、セットアップ完了です。

ダイヤモンド圧子を部品に押し込み、指定時間保持します。

圧子を持ち上げ、以下の式で圧痕値を測定します：

ここで、

F – 荷重、N

d – 圧痕対角線、mm

モース硬度試験

スクラッチ硬度を測定したい場合に採用できる適切な方法です。伝統的に、この試験は既知の硬度を持つ基準材料に試験材料を引っかけることで行われます。モース硬度試験では、硬度の異なる10種類の基準材料を使用します。試験対象材料の種類によって使用する基準材料が決まります。結果は、試験材料に数値硬度値を割り当てることで得られます。

タルクが最も軟らかく、値は1。一方、最も硬いのはダイヤモンドで、値は10です。

現代のモース硬度試験ではロックウェルダイヤモンド圧子を使用します。機械の動作原理は伝統的な方法と似ています。適切な荷重で、指定期間試験片を引っかくことを含みます。

スコープ硬度試験（ショア硬度）

スコープ硬度計を用いて材料のリバウンド硬度を決定できます。中空の垂直ガラス管をスタンドに接続し、ダイヤモンドハンマーを管を通して試験片に落とします。ハンマーは跳ね返り、その跳ね返り高さを測定・記録します。硬度の高い材料は跳ね返りが高く、軟らかい材料は低くなります。

材料硬度チャート

材料硬度チャートは、一般的な材料タイプの硬度を判断する最も簡単な方法の一つです。チャートは、さまざまな測定法を用いてこれらの材料の硬度値を示します。例えば、上記のチャートはブリネルスケールなどを用いてアルミニウムやチタンなどの金属硬度値を示しています。リストにある材料を使用する場合、原材料の硬度を自前で評価する必要がありません。

ただし、使用するチャートが標準条件下で評価されたものであることを確認してください。

結論

プロジェクトに適した材料を選定したいなら、適切な材料硬度試験を行うことが不可欠です。材料硬度を試験する方法は多岐にわたります。専門会社に相談し、材料硬度についてプロフェッショナルなアドバイスを受けてください。

RapidDirect加工サービス

あらゆる材料に対応できる信頼性の高い加工サービスをお探しなら、ここで検索終了です。RapidDirectでは、あなたの材料硬度を無料で分析します。私たちはあなたのすべての加工サービスニーズに応える最適な会社です。

低量試作から大量生産まで、コスト効率の良いオンデマンド金属加工を提供します。CADファイルをアップロードし要件を指定するだけで、12時間以内に最もコスト効率の良い見積もりを提供し、設計の製造適合性に関する無料のプロフェッショナル分析も付帯します。

豊富な経験を持ち、あなたのプロジェクトに技術的提案を行う準備ができています。