硬さ試験技法：ロックウェル法とブリネル法

学習目標

このユニットを修了すると、以下のことができるようになります：

• ロックウェル硬さ試験を実施できる
• ブリネル硬さ試験を実施できる

自社熱処理の検証だけでなく、生産現場でも硬さ試験が必要になることがあります。計画外ですが、未知合金の仕事が舞い込んだり、材質は分かっても硬度が不明なケースがあります。ヤスリで大まかな切削性を判断することは可能ですが、工具選定・切削条件決定には正確な硬度測定が最適です。

ブリネル法： 既知サイズの硬質球を押し込み、できたへこみの直径を読み取って硬度を求める。

ロックウェル法： 規定形状・サイズの圧子（ダイヤモンド円錐または鋼球）を規定荷重で押し込み、押し込み深さを読み取って硬度を求める。

ロックウェル硬さ試験

ロックウェル法は軟らかい金属から硬い金属まで広範囲に対応し、工具・小規模生産現場・教育現場で最も普及しています。規定形状・サイズの圧子が、規定荷重で材料に食い込む深さから「柔らかさ（軟さ）」を測定します。

ロックウェル硬度スケール

ロックウェルには複数のスケールがあります。ここでは焼入れ鋼に適したCスケール（HRC）を使用します。Cスケールは焼なまし鋼を0、HSS工具ビットより硬い超硬工具付近の68までをカバーします。記号はHRC（RにCを下付き）で表します。

ロックウェル試験の2段階プロセス

ステップ1：基準荷重（初期荷重）の適用

試験片を下部アンビル上に安定させ、動かないようにする。円錐ダイヤモンド圧子を接触させ、10kgf（約98N）の基準荷重で押し込む。圧子は0.003〜0.006インチ（約0.076〜0.15mm）食い込む。この時点で大型ダイヤル指示計をゼロセットする。

ステップ2：試験荷重（主荷重）の適用

基準荷重を維持したままダイヤルをゼロにした状態で、追加の140kgf（約1,373N）を加え、合計150kgf（約1,471N）の試験荷重とする。圧子がさらに食い込む深さがダイヤルに表示されるが、逆相関である：深く食い込む＝軟らかい＝数値が低い。浅い＝硬い＝数値が高い。

ロックウェル法の詳細手順

1. 試験片を準備する（表面仕上げ、平行度、厚み要件を満たす）。
2. 試験片をアンビル上に置く。
3. ダイヤモンド圧子を用いて予備試験力（プリロード／マイナーロード、通常10kgf）を適用。この負荷がゼロ点（基準位置）となり、表面粗さの影響を排除する。
4. 予備試験力後、追加試験力（メジャーロード）を加えて総試験力（150kgf）とする。
5. この力を所定時間（保持時間：10〜15秒）保持し、弾性回復を待つ。
6. メジャーロードを解除し、予備試験力のみの状態に戻す。最終位置と予備試験力由来の位置の差（押し込み深さ変化）を測定し、硬度数値に換算する。

ブリネル硬さ試験

ブリネル試験も圧子を押し込む点ではロックウェルと同様ですが、測定対象は既知サイズの硬質鋼球または超硬球が押し込まれた痕の直径です。硬質鋼球は軟らかい材料に、超硬球は硬い材料に使用します。

ブリネル球自体の硬度上限があるため、この試験は軟らかい〜中程度の硬さの金属に適しています。

ブリネル硬度スケール

スケール範囲：焼なまし鋼で約160 HB から、非常に硬い鋼で約700 HB まで。

ブリネル硬さ試験手順

1. 試験片を準備する。
2. 試験片をアンビル上に置く。
3. 圧子を試験面上に位置決めする。
4. マイナーロードを適用し、ゼロ基準位置を確立する。
5. メジャーロードを所定時間（10〜15秒）ゼロ点を超えて適用する。
6. メジャーロードを解除し、マイナーロードのみの状態にする。
7. アルミニウム試料でのブリネル硬度測定プロセス：
   1. 精密制御された試験力で圧子を試料に押し込む。
   2. 所定の保持時間（通常10〜15秒）力を維持する。
   3. 保持時間後、圧子を取り除き、球形のへこみを残す。
   4. へこみサイズを光学的に測定：ポータブル顕微鏡または負荷装置一体型顕微鏡で、円形へこみの対角線2方向を測定する。
   5. ブリネル硬度数（BHN）は、試験力をへこみの球面積で割った値。へこみは球面とみなし、半径は球の直径の半分。2方向対角線の平均値を用いて以下の式で計算する。

BHN = 2F / [πD(D - √(D² - d²))]

（F：試験力、D：球直径、d：へこみ平均直径）

単元テスト

1. 熱処理安全上の注意を5つ挙げよ。
2. 鋼材熱処理で最初に知るべき最も重要なことは何か。
3. 板厚1〜2インチの浸漬時間はどのくらいか。
4. 「浸漬時間（ソークタイム）」を説明せよ。
5. 浸漬時間完了後の次のステップは何か。
6. 焼戻し時の炉温度は何度か。
7. 「オーステナイト化＋焼入れ」を説明せよ。
8. 「空冷（エアクール）」を説明せよ。
9. ロックウェル法を説明せよ。
10. ブリネル硬さ試験を説明せよ。

出典情報

この章は以下の資料から派生しています。

• 熱処理：マサチューセッツ工科大学「Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels」、CC:BY-NC-SA 4.0
• ブリネル硬さ試験式：CORE-Materials Resource Finder「Brinell Hardness」、CC:BY