硬度試験機とは
硬度試験機とは、物質の硬さを測定するための測定機です。
試験片を特定の力で圧縮したり、引っ掻いたりして、その変形や跡の大きさを測定して硬度を求めます。硬さの定義にはロックウェル式、ビッカース式、ブリネル式などの種類があり、試験対象の特性に合った硬度試験機で測定することが重要です。
硬度試験機は据え置き型が一般的ですが、ポータブルタイプで場所を問わずに試験できる試験機もあります。
硬度試験機の使用用途
硬度試験機は新しい製品の開発や、既にある製品の品質管理のために用いられます。試験対象ごとに硬さが違うため、試験対象物に適した硬度試験機を用いる必要があります。
1. 材料の品質確認
製品の品質管理の一環として、製品が設計上の要件を満たすための十分な硬度を持っているかを確認するために使用されます。
2. 材料の比較
同じ種類や異なる種類の材料を比較するために硬度試験機が使用されます。これにより、特定の用途に最適な材料の選択が可能になります。
3. 研究開発
新しい材料や処理方法を開発する際に、その効果を評価するために硬度試験機が使われます。
4. トラブルシューティング
製品の故障分析の一環として、故障部品の硬度を測定して、故障の原因を特定する手助けになります。
硬度試験機の原理
測定原理の異なる様々な硬度試験機があります。それぞれの試験対象の使用用途や、硬さに応じて適切な試験機を選択する必要があります。
1. ロックウェル硬さ試験機
試験片にダイヤモンド圧子を押し当てて、その際にできるくぼみの深さから硬度を算出する方式です。頂点角が120°の圧子を用いるものをHRC、薄板等をより弱い試験力で測定するHRA、ダイヤモンド圧子の代わりに鋼球を用いるHRBなどに分類されます。硬度は「HRC70」などと表現されます。
2. ブリネル硬さ試験機
超硬合金製の鋼球を押し当てて、その際に試験片にできるくぼみの表面積と押し当てる際の荷重を基に硬度を算出する方式です。薄物や小さな対象物の測定はできず、硬さが不均一な物や表面粗度が荒い物の測定に向いています。表記はHBやHBWで表します。
3. ビッカース硬さ試験機
対面角136°のダイヤモンド四角錘圧子を押し当てて、その際に試験片にできるくぼみの対角線長さと、その時の荷重から硬度を算出する方式です。ブリネル硬さと同じ測定原理ですが、より幅広い硬度の範囲の材料の測定が可能です。試験荷重が非常に少ない、表面硬度を測定するためのマイクロビッカース硬さ試験もあります。
4. ショア硬さ試験機
ダイヤモンド製のハンマを試験片へ落下させ、その跳ね上がりの高さを測定することで硬度を算出する試験機です。ロックウェル、ブリネル、ビッカースが押込み対する硬さを表すのに対して、ショア硬さは動的な反発弾性を表す硬さです。測定後に傷や跡が残りにくいため、出荷製品の硬さ測定にも用いることが可能です。
5. デュロメーター
先端が針状の圧子に荷重をかけて、圧子が押し込まれる深さをもとに硬度を算出します。ポータブルタイプの硬度計で、製造現場で簡単に測定できます。硬度の違いにより、圧子の形状を変えて測定を行い、ゴムやエラストマ等の柔らかいものはA型、硬いプラスチックなどはD型で測定し、「HDA80」「HDD70」などと表記されます。
「HDA80」を「ショアA硬さ80」などとも表記されることがあるため、ショア硬さと混同されることがあり、注意が必要です。弾性係数が大きく異なる素材の直接比較には向いておらず、近年では欧州などで殆ど利用されなくなっています。
6. 鉛筆硬度試験機
塗装塗膜の表面硬度の測定に用いられ、一定の先端形状にした鉛筆に荷重をかけてこする機械です。硬度の測定は6B～B，HB，F，H～6Hの鉛筆で試験を行い、3mm以上の傷が目視で確認できる鉛筆の硬さを求めます。傷跡が生じない最も硬い鉛筆の硬度 (5Hなど) が鉛筆硬度になります。
7. モース硬度
硬度試験機ではありませんが、鉱物の硬度を求める方法でモース硬度と呼ばれる方法があります。これは10または15段階の硬度ごとに定められた標準鉱物があり、これらとこすり合わせて、対象物に傷がつくところを硬度とする方法です。
硬度試験機のその他情報
硬度試験機の使用上の注意
硬度は長さや重さのように明確な定義がなく、それぞれの硬度試験機によって初めて数値が決定されるものです。このため、測定値が正確かどうかを別の方法で検証できないので、測定された数値を信じるしかありません。
測定器の荷重や寸法測定機構に狂いがないことを日常から検査する必要があります。なお、検査には定期的に行われる専門家による直接検証と、日常的に既知の硬度の試験片を測定して正常性を確認する間接検証があります。
また、同じ試料に対して種類の違う硬度試験機を使って測定を行った場合、試験機によって試料の硬さの順序が変わる場合があります。これは、前述の通り硬度が装置毎に違う方法で定義されていることが原因です。各硬度試験機の硬さを対応させることができる換算表もありますが、正しいデータを収集したい場合は比較したい試料に対して同一の硬度試験機を用いることが一般的です。
参考文献
https://monozukuri.sqcd-aid.com/index-of-application/introduction-of-hardness/
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe/75/10/75_10_1183/_pdf/-char/ja https://www.helmutfischer.jp/technology/microhardnesstester/
https://www.an.shimadzu.co.jp/test/products/mtrl01/index.htm