評価してください、壊さないでください—硬度テストとファウンドリ

非破壊的アプローチを使用して金属部品を認定する際の重要なステップ

硬さ試験は、鋳造金属の特性とさまざまな用途への適合性を測定するために鋳造所で使用される品質試験です。その人気は、テストの非破壊的性質、および他の機械的特性との関係によるものです。鋳造所は、硬さ試験結果に基づいて材料の引張応力を推測します。

鋳造金属の特性は、金属の組成、プロセス条件、および熱処理によって異なります。鋳造金属製品が目的の最終用途に適していることを証明することが重要です。鋳造金属ユーザーにとって重要なプロパティの4つの主要なカテゴリ：

• 強さ
• 影響
• 硬度
• 耐食性

ファウンドリは、製品の鋳造と一緒にテストクーポンを鋳造することがあります。テストクーポンの品質テスト結果は、鋳造製品にも当てはまると想定されています。引張応力や衝撃などの一部のテストでは、プロセス中にテストピースが破壊されます。ただし、非破壊検査（NDT）は、結果を得るために金属サンプルを破壊しません。 NDTの利点は、テストピースではなく、鋳造金属製品自体でテストを実行できることです。

硬さ試験の利点：

• 熱処理操作およびケース深さ分析で部品の熱処理を検証する機能
• 材料がその使用目的に必要な特性を備えているかどうかを判断する機能
• ターゲットアプリケーションの材料またはコンポーネントを効果的に認定およびリリースするための非破壊検査の代替手段
• 低コストと迅速なパフォーマンス

硬さ試験とは何ですか？

用語、硬度 、通常、変形に対する抵抗を意味します。金属の場合、特性は永久変形または塑性変形に対する耐性の尺度です。金属と鋳造金属の硬度を測定するためのいくつかの異なるテストが存在します。

ブリネル硬さ試験

ブリネル硬さ試験では、方法ASTME10-金属材料のブリネル硬さの標準試験方法を使用します。米国材料試験協会（ASTM）は、この規格の管理者です。これは、高負荷を使用して測定値を取得するマクロインデンテーションテストです。鋳造金属は、コースの粒子構造と不均一な材料の可能性があるため、マクロ硬度テストが必要です。

ブリネル硬さ（BHN）を得るには、固定直径の超硬ボールを一定の圧力で一定時間金属に押し込みます。負荷を取り除くと、オペレーターは残されたくぼみの直径を測定し、次の式を使用してそれをBHNに変換します。

\（BHN ={2PoverπD（D-sqrt {D ^ 2-d ^ 2}）} \）

P =加えられた力（kgf）
D =圧子の直径（mm）
d =くぼみの直径（mm）

米国では、鋼と鉄のテスト荷重は通常、10mmのボールで最大3000kgfに設定されています。アルミニウムは500kgfの低いテスト荷重を使用し、場合によっては5mmの小さな圧子を使用します。金属の一般的なBHNの範囲は50〜750です。以下のエンジニアリングツールボックスのブリネル硬度の表に、BHNの例をいくつか示します。

材質
ブリネル硬さ数

真ちゅう製

60

軟鋼

130

焼きなましされたノミ鋼

235

白い鋳鉄

415

窒化された表面

750

ブリネル硬さ試験用の金属表面の準備は非常に重要です。ギザギザの表面やその他の欠陥が結果に影響を与えます。結果のばらつきを最小限に抑えるために、テストの準備として金属表面を研磨することをお勧めします。

ブリネル硬さ試験の起源は1900年にまでさかのぼります。試験の初期には、結果はオペレーターの視点に強く影響されていました。オペレーターが異なれば、結果も異なり、測定のばらつきが大きくなります。しかし、電子測定機器の導入により、一貫性のレベルが大幅に向上しました。

ロックウェル硬さ試験

ロックウェル硬さ試験では、方法ASTME18-金属材料のロックウェル硬さの標準試験方法を使用します。ロックウェルテストには2つの段階があります。装置は、ダイヤモンドまたはボール圧子を使用してサンプルに予備試験力を適用します。この段階の目的は、金属の表面を突き破り、最終結果に対する表面仕上げの影響を減らすことです。オペレーターは、この時点でベースラインのくぼみの深さを測定します。予圧を一定時間保持した後、大きな荷重がかかります。この場合も、力は事前に設定された時間保持されてから、再び予圧力に減少します。時間が経過すると、オペレーターはくぼみの深さを測定します。ロックウェル硬度の数値は、ベースラインと最終的な深さの測定値の差に基づいています。

テスト軸のロックウェルテストの精度は、垂直から2度以内であることが重要です。テストにはロックウェル硬さスケールが付属しています。

\（RHN ={N-（h / S）} \）

N =定数
S =スケール単位
h =くぼみの深さ

リーブリバウンド硬さ試験

Leebテストでは、ASTMA956-鉄鋼製品のLeeb硬度テストの標準テスト方法を使用します。 Leebテストは、テストサンプルからのオブジェクトのリバウンドの尺度です。金属の硬度はリバウンドエネルギーに影響を与えます。硬い材料はより大きなリバウンドを生成し、柔らかい材料はリバウンドエネルギーを減衰させます。オブジェクトがサンプルに当たる前後のオブジェクトの速度が、リバウンド値の基礎を形成します。 Leeb試験装置には、リバウンド試験に使用される磁気ボールの誘導電圧を測定するコイルが含まれています。この誘導電圧は、試験装置のコイルを移動するボールの速度に直接関係しています。リーブ硬度値は、次の式を使用して計算されます。

\（LHN ={Rebound; Velocity over Impact; Velocity} x1000 \）

Leeb法の利点には、テストサンプルに残されたくぼみが他の方法よりもはるかに小さいという事実が含まれます。また、持ち運び可能で、使いやすく、ブリネル硬さ試験機やロックウェル硬さ試験機よりも高速です。欠点は、サンプルの表面が不均一な場合に結果が変動する可能性があることです。サンプルの厚さ、および炭素含有量も結果に影響を与える可能性があります。

硬度数変換

ASTM E140-12be1は、ある硬さ試験方法から別の硬さ試験方法に変換するための金属の標準硬さ変換表を提供します。これらの変換は概算であり、材料の組成、微細構造、熱処理などの要因に依存することに注意することが重要です。表はさまざまな方法での多数のテストに基づいていますが、変換結果は、比較可能な値の推定値としてのみ見なすことができます。

硬度数と熱処理

鋳造金属は、その特性を操作するために熱処理されます。熱処理は、材料の温度を所定の値まで上げることを含みます。次に、製品の望ましい特性に応じて特定の速度で冷却されます。加熱サイクルの最終温度と冷却速度は、金属の微細構造に直接影響します。

より速い冷却速度によって引き起こされる微細なパーライトおよびフェライトの微細構造は、より大きな硬度値を有する。金属を急冷すると、急速に冷却されると、マルテンサイトの微細構造が得られます。これは、すべての中で最も高い硬度を持っています。微細構造と硬さには直接的な関係があるため、硬さ試験は熱処理が成功したかどうかの迅速な指標です。

硬度数と鋳造金属の特性

表は、引張強度が特定の材料の硬度とどのように相関するかを示しています。引張応力の測定は破壊的なプロセスであるのに対し、硬さ試験は非破壊的であるため、これは有用な相関関係です。ただし、硬度から引張強度への変換には制限があり、これらの表は概算にすぎません。

ブリネル硬さ数と引張応力の関係：

\（TS（MPa）=begin {cases} 3.55 cdot HB（HB le 175）[2ex] 3.38 cdot HB（HB> 175）end {cases} \）\（TS（psi）=begin {cases} 515 cdot HB （HB le 175）[2ex] 490 cdot HB（HB> 175）end {cases} \）

HB =材料のブリネル硬さ（標準圧子と3000kgfの荷重で測定）

キャスト製品とグレーディング

多くの要因が鋳鋼の等級に影響を与えます。製品の組成、化学的および機械的特性、および熱処理プロセスはすべて、該当するASTM規格に対する各鋳造製品の認証において役割を果たします。

ASTMは、さまざまなグレードの金属製品の標準仕様を設定します。各用途に適したグレードを選択するには、これらのグレードとその特性を理解することが重要です。 ASTM A27は、一般的な用途の炭素鋼鋳物を対象とする規格です。

鋳造所での硬さ試験

硬さ試験の開発により、金属鋳造所は1つの簡単な試験に基づいて製品の特性を簡単に推定できるようになりました。それは非破壊的であり、それはそれが損傷を引き起こすことなく完成品に実行できることを意味します。これは迅速なプロセスであり、製品が生産ラインを離れるときにファウンドリに製品に関する迅速なフィードバックを提供します。硬度数と引張強度の相関関係は、製品グレードの初期評価を行うための有用なガイドです。ファウンドリは、製品を顧客にリリースする前に、一連の認定テストを完了します。

硬さ試験は、鋳造所が熱処理プロセスをチェックするのにも役立ちます。結果は、材料の微細構造が予想どおりに変化したかどうかを示しています。硬さ試験は、金属鋳造所の品質管理とプロセス調整の重要な要素です。