ロックウェル、ブリネル、ビッカース: 3 つの主要な硬さ試験方法を理解する
硬度試験では、定義された荷重下での材料の永久変形に対する耐性を測定します。ロックウェル、ブリネル、ビッカースの 3 つの主要な方法は、それぞれ異なる圧子の形状、荷重範囲、測定アプローチを使用しており、異なる材料や用途に適しています。
ロックウェル硬度 (HR) 小さな予荷重の後に大きな荷重を加え、正味の押し込み深さを測定します。結果は光学測定を行わずにダイヤルまたはデジタル ディスプレイから直接読み取られるため、生産現場のテストでは最も速い方法となります。複数のスケール (硬い鋼には HRC、柔らかい金属には HRB、超硬には HRA) が使用され、それぞれが特定の圧子と荷重の組み合わせによって定義されます。
ブリネル硬度 (HB または HBW) 硬化鋼またはタングステンカーバイドのボールを一定の荷重 (鋼および鋳鉄の場合は通常 3,000 kgf) で表面に押し込みます。くぼみの直径は光学的に測定され、HB 数は加えられた荷重をくぼみの曲面面積で割った値から計算されます。インデントが比較的大きいため、ブリネル平均化は局所的な微細構造の変動の影響を受けにくく、鋳造品や鍛造品などの粗粒材料に適しています。
ビッカース硬さ（HV） は、1 gf (マイクロ ビッカース) 未満から 120 kgf (マクロ ビッカース) の範囲の荷重で 136° の面角を持つ四角ベースのダイヤモンド ピラミッド圧子を使用します。正方形のくぼみの両方の対角線が測定され、平均化されます。 HV 数は、荷重を印象の接触表面積で割った値を使用して計算されます。ビッカースは最も汎用性の高い方法であり、薄いコーティング、肌硬化層、溶接熱影響部、バルク材料などにすべて単一の連続スケールで適用されます。
| 方法 | 圧子 | 測定 | 最適な用途 |
|---|---|---|---|
| ロックウェル | ダイヤモンドコーンまたはスチールボール | くぼみの深さ | 焼入れ鋼の迅速な生産試験 |
| ブリネル | 超硬ボール（ø1～10mm） | インデント径（光学） | 鋳物、鍛造品、粗粒合金 |
| ビッカース | ダイヤモンドピラミッド (136°) | 対角長（光学） | 薄いコーティング、溶接、微小硬度 |
ビッカース硬度からロックウェル硬度への変換: その仕組みと不足点
ビッカース硬度からロックウェル硬度への変換、またはその逆の変換は、工学図面で 1 つのスケールが指定されているが、利用可能な試験装置が別のスケールを使用している場合に頻繁に必要になります。最も広く受け入れられている参考文献は、 ASTM E140 、さまざまな鉄および非鉄材料の標準化された変換テーブルを提供します。
工具や構造用途で一般的に使用される範囲の硬化鋼の場合、おおよその関係は次のとおりです。
- HV 940 ≈ HRC 68 (ロックウェル C スケールの上限付近)
- HV 800 ≈ HRC 65
- HV 600 ≈ HRC 57
- HV 400 ≈ HRC 41
- HV 200 ≒ HRB 93 (柔らかい材質の場合は B スケールに移行します)
- HV 100 ≈ HRB 56
これらの変換には重要な注意点があります。 それらは材料固有のものです 。炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタンでは弾塑性変形比が異なります。炭素鋼に有効なビッカースからロックウェルへの変換は、オーステナイト系ステンレスまたはニッケル超合金に適用すると誤差が生じます。 ASTM E140 では、まさにこの理由から、さまざまな材料ファミリーに対して個別のカラムが提供されています。
極端な場合には追加の制限が発生します。ロックウェル C スケールは HRC 20 と HRC 70 の間でのみ信頼できます。この範囲外の値は、より適切なスケール (HRC 70 を超える非常に硬い材料の場合は HRA、HRC 20 未満の柔らかい材料の場合は HRB) で測定するか、変換せずに HV で直接報告する必要があります。
溶接検査および品質管理された環境では、換算値に常に推定値としてフラグを立てる必要があります。目的のスケールで直接測定することが、追跡可能な仕様に準拠した結果を得る唯一の方法です。
冶金サンプルの前処理: 信頼できる硬度データの基礎
硬度試験の精度は、測定する表面の精度によって決まります。サンプルの前処理が不十分だと、機器の校正では修正できない誤差が生じます。これは、測定が光学的であり、表面反射率が対角線または直径の読み取り精度に直接影響するビッカース法およびブリネル法に特に当てはまります。
セクショニング
最初のステップは、平坦で代表的な断面を作成することです。あ 精密カッターマシン (研磨ソーまたはダイヤモンドカットオフソーとも呼ばれます) は、入熱と機械的変形を最小限に抑えてワークピースを切断するために使用されます。鈍いブレード、過剰な送り速度、または不適切な冷却剤を使用する乱暴な切削は、表面層の変形または熱影響を引き起こし、硬度の測定値を人為的に上昇または低下させます。冶金グレードの切断では、連続水冷を備えたダイヤモンド ウェーハリング ブレードが硬鋼や超硬鋼には標準であり、樹脂結合酸化アルミニウム切断ホイールはより柔らかい構造金属に適しています。
取り付けと研削
切断後、サンプルは通常、研削および研磨中に安全に取り扱うことができるように、熱硬化性または低温硬化エポキシ樹脂にマウントされます。エッジ保持マウントは、ケース深さやコーティング界面などの表面近くの硬度勾配をエッジを丸めることなく測定する必要がある場合に指定されます。
研削は、粗いSiC研磨紙から細かいSiC研磨紙（通常120→320→600→1200グリット）の順序に従い、前の方向からの傷を除去するために各ステップ間でサンプルを90°回転させます。各段階では、前の段階で生じた変形を完全に除去する必要があります。
研磨
最終研磨では、起毛布に 3 μm と 1 μm のダイヤモンドを懸濁させて研磨し、傷のない鏡面仕上げを実現します。ビッカース微小硬度の場合、 0.25μmコロイダルシリカ仕上げ 低荷重で小さなくぼみを測定する場合、表面反射率の誤差を最小限に抑えるために指定されることがよくあります。試験を開始する前に、研磨された表面には凹凸、汚れ、孔食があってはなりません。
硬さ試験ツール とその選択基準
適切な硬さ試験ツールを選択するには、機器の荷重範囲と圧子のタイプを材料の厚さ、予想される硬さの範囲、および必要な空間分解能に適合させる必要があります。
- ベンチトップ型ロックウェル試験機 — バルク鋼部品の受入検査および熱処理検証の標準的な選択肢です。負荷アプリケーションは電動で一貫性があり、最新のデジタル モデルには SPC 統合用のテスト記録が保存されます。ロックウェル法は、インデントの深さが材料の厚さに近づき、最小厚さのルールに違反するため、薄い素材 (HRC では通常 1 mm 未満) には使用できません。
- ビッカース/ヌープ微小硬度計 — 薄箔、電気めっきコーティング、拡散硬化表面、微細構造内の個々の相に使用されます。荷重範囲は通常 1 gf ～ 1 kgf です。統合された光学顕微鏡は、対角測定のためにくぼみを画像化します。多くの場合、オペレーターのばらつきを減らすために自動画像分析が行われます。
- ポータブルリバウンド (Leeb) 硬さ試験機 — 研究室に持ち込むことができない大型の設置済みコンポーネントに適しています。バネ駆動の衝撃体が表面に衝突します。反発力と衝撃速度の比からリーブ値 (HL) が得られ、これが HRC、HB、または HV に変換されます。精度はワークピースの表面仕上げ、質量、形状によって異なります。
- 超音波接触インピーダンス (UCI) テスター — 振動ロッドにビッカース ダイヤモンドを使用します。接触時の周波数シフトは硬度と相関します。 UCI 機器は、肉眼で確認できる表面損傷を与えることなく、現場で薄い表面硬化層やコーティングを測定するのに特に役立ちます。
計測器のタイプに関係なく、測定の信頼性を維持するには、認定された基準ブロック (NIST や PTB などの国家標準にトレーサブル) に対する定期的な校正が必要です。基準ブロックは、製造部品の予想される硬度範囲にわたる必要があります。
炭素鋼溶接検査：熱影響部の硬さ試験
溶接部の硬度トラバースは、構造製作におけるビッカース試験の最も重要な用途の 1 つです。炭素鋼が溶接されると、熱影響部 (HAZ) が急速な熱サイクルを受けます。十分な炭素当量（CE）を持つ鋼では、これによってマルテンサイトが生成される可能性があります。マルテンサイトは硬くて脆い微細構造であり、母材金属よりも HAZ 硬度が大幅に上昇し、水素誘起割れ（HIC）に対する感受性が増加します。
業界の受け入れ基準 通常、HAZ 硬度は最大に制限されます。 350HV10 一般構造用鋼の溶接 (EN ISO 15614-1 および AWS D1.1 ガイダンスによる)、および 250～300 HV10 オフショア、サワーサービス、または高靭性用途向け。これらのしきい値を超えると失格となり、予熱、パス間温度、溶接手順の見直しが必要になります。
標準的な溶接硬度トラバースには、溶接金属から溶融線を通って HAZ を横切り、影響を受けていない母材に至る、定義された間隔 (通常は 0.5 mm または 1 mm 間隔) での一連のビッカース圧痕が含まれます。トラバースは金属組織学的に準備された断面で行われ、2 ～ 5% のナイタールでエッチングされ、くぼみを配置する前に融合境界が現れます。重要な測定場所には、マルテンサイトが形成される可能性が最も高い溶融線のすぐ隣の粗粒 HAZ が含まれます。
ルートパスおよび狭ギャップ溶接の場合、HAZ 内で適切な空間分解能を達成するには、HV1 または HV0.5 のマイクロビッカースが必要になる場合があります。これは、一部の高入熱プロセスでは 0.2 ～ 0.5 mm まで狭い場合があります。試験荷重の選択は、インデントのサイズに直接影響し、したがって最小測定可能ゾーン幅に影響します。 HV10 は、300 HV で直径約 0.3 ～ 0.4 mm のインデントを生成します。 、一方、HV1 ではこれが約 0.1 mm に減少します。
金属組織学的サンプル前処理における精密カッターマシン
精密カッター マシンは、あらゆる金属組織学的ワークフローの入り口となります。その主な機能は、溶接 HAZ、肌焼き表面、コーティング界面などの対象領域を正確に表す、平坦で損傷を最小限に抑えた断面を作成することです。
実験室での使用には 2 つの主要なカテゴリが存在します。
- 研磨カットオフソー — 消耗品の樹脂結合ホイールを使用し、生産スループットに適しています。ホイールの選択 (鋼および鋳鉄には酸化アルミニウム、非鉄には炭化ケイ素、焼入れ工具鋼には CBN) と冷却剤流量が主要なプロセス パラメーターです。切断面の焼け跡や青みがかった場合は、過剰な熱を示しており、送り速度を遅くするか新しい砥石を選択する必要があります。
- ダイヤモンドウェーハソー — 金属または樹脂で結合されたダイヤモンドブレードを、オイルクーラントを使用して低速で使用します。これらは最も低い変形層 (通常は 5 μm 未満) を生成し、切断面のミクロン以内に無傷の微細構造を保存する必要がある脆性セラミック、電子部品、サンプルには不可欠です。
硬さ試験準備用の精密カッターを選択する際の主な仕様は次のとおりです。 最大ワーク径、チャッククランプ力、ブレード回転数範囲、クーラント供給方法 。自動送り制御 (鋸が固定速度ではなく一定の力で前進する) により、オペレータ間のばらつきが大幅に減少し、ブレードの寿命が延びます。
特に溶接検査サンプルの場合、カッターは安定した固定具で不規則な形状 (T ジョイント、パイプ部分、肉盛被覆) に対応する必要があります。不安定なクランプは振動によるびびりマークを引き起こし、それがサンプルの奥深くまで伝播し、過剰な削り取りを行わないと後続の研削ステップで完全に除去できない変形層が形成されます。
