金属加工・金属切削加工

金属の硬度と試験方法について

2018.07.23

金属の硬度とその試験方法

金属や樹脂材料の物性表を見ると、硬度が書かれています。
硬度は材料の機械的性質のひとつです。
材料の変形しにくさ、傷に対する耐性などがそれに当たります。
硬度にはブリネル硬さやビッカース硬さ等数種類の表記方法があります。
これらの表記は硬度を測定する際に用いられる押し込み試験の方法によって分かれています。
以下それぞれの試験方法や内容について紹介します。

押し込み硬さ試験とは
一定の荷重を材料へ加え、その際にできるくぼみの深さ・面積から、硬さを評価する試験方法です。
変形のしにくさを硬さとして評価します。
初期の試験方法は1859年頃に開発されたもので、材料に3.5mm程度のくぼみをつける為に必要な負荷で計測されていました。
その後、1900年にJ.A.ブリネルが考案した試験方法が標準化されていきます。
その後ブリネル試験の代替えとして、ブリネル試験が効果的だった材料に対し、より正確な試験を行いたいという要望を受け、1924年にビッカース試験が開発されました。
そのビッカース試験より、小さく薄く脆い材料を測定できるように、ヌープ試験が1939年に開発されました。
これまでの3つの試験は圧子を押し込むことによってできたくぼみの直径や対角線の長さを測定し、硬さを求める方法でしたが、
1908年~1914年頃に開発されたロックウェル硬さ試験は、くぼみの深さを測定することによって硬さを求める方法でした。

ブリネル硬さ試験

材料の表面にφ1~φ10の超硬合金の球(圧子)を接触させ、上から決められた圧力で押し込みます。
それで出来たくぼみの直径を顕微鏡などで測定し、計算式は換算表等を使用して硬さを求めます。
くぼみの直径が大きい為、鋳造品・鋳物等の表面が粗い材料に対して使用される試験方法です。
ブリネル硬さの表記記号はHBもしくはHBWです。

ビッカース硬さ試験

材料表面に角錐形のダイヤモンド(圧子)を接触させ、上から圧力で押し込みます。
ビッカース試験ではくぼみの形状が正方形になります。このくぼみの対角線の長さを顕微鏡などで測定、計算等を使用して硬さが求められる方法です。
くぼみの大きさが最大で0.5mmと小さいので、正確に測定する為には材料の表面を研磨しておく必要があります。
幅広い材料に使用される試験方法です。
ビッカース硬さの表記記号はHVです。

ヌープ硬さ試験

ビッカース硬さ試験とほぼ同様の試験方法ですが、使用する圧子が異なります。
ヌープ硬さ試験では細長いひし形のダイヤモンド圧子を使用します。
対角線の長さはビッカース試験に使用される正方形の圧子の約3倍程度になります。
くぼみの深さがビッカース試験の約1/2と浅い為、より薄く、脆い材料に使用される試験方法になります。
表記記号はHKです。

ロックウェル硬さ試験

材料表面にダイヤモンドまたは超硬合金の球もしくは円錐形の圧子を押し込みます。
圧子によってできた丸いくぼみの深さを測定して硬さを求めます。
くぼみの大きさは1mm以下と小さい為、熱処理工場等の現場で評価する際によく使用される試験方法です。
表記記号はHRAやHRCです。HRCは焼入硬度の指示などでよく見られる表記記号です。

押し込み硬度試験は現在でも主に上記の4つの試験方法が材質・使用用途などによって使い分けられています。
一般的に、硬度が高いと摩耗に強いですがその分靭性(粘り強さ)が低下してしまいます。
その為、衝撃に弱くなると言われています。ハードクッキとソフトクッキーで想像すると、硬度と靭性の関係がわかりやすいかと思います。
また、金属は生材では硬度が低くても熱処理を施すことで高めることができます。
硬度は材質を決める際の一つの指標になりますが、同じ材質であっても番手やメーカー、調質によって数値が異なります。
また、他の条件も合わせて比較した方がより良い材質を選定できます。

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