硬度は、特に耐摩耗性が求められる用途において、極めて重要な材料特性です。例えば、旋盤では、高速度鋼のようなより強靭な材料を切削するために、十分な硬度を持つ材料から切削工具が製造されています。 自動車や航空宇宙産業におけるエンジンバルブ、ベアリング、ギアは、激しい摩擦や負荷にさらされるため、焼入れ処理された材料で作られています。研削砥石やサンディングディスクは、その硬度という特性により、材料の除去を効率的に行い、長期にわたる耐久性を発揮します。では、硬度とは一体何なのでしょうか？
硬度とは、材料が局所的な永久変形に抵抗する能力の尺度です。タングステンのように本来硬い材料もあれば、熱処理などの処理方法によって硬度を得る材料もあります。これらの材料は、効果的な試験を行わずに、そのまま工学的な用途に直接適用することはできません。エンジニアは、この硬度を測定するためにさまざまな方法を利用できます。 本ガイドでは、硬度試験の3つの一般的な方法、すなわちショア硬度、ロックウェル硬度、ブリネル硬度について解説します。また、これら3つの硬度尺度から適切なものを選択するための基準を理解する上でも役立ちます。3つの硬度尺度について詳しく掘り下げる前に、まず硬度そのものについて簡単に説明しておくことが重要です。.
材料の硬度にはどのような種類がありますか？
たとえすべて「硬質材料」に分類されるものであっても、材料によって異なる荷重下での挙動は異なります。例えば、ある金属は、一度限りの大きな衝撃を受けても破損することなく耐えることができます。しかし、その同じ材料であっても、継続的な荷重には耐えきれず、破損してしまう場合があります。このことを踏まえ、エンジニアは硬度試験を実施し、材料選定において合理的な判断を下す必要があります。 工学分野で一般的に用いられる3つの硬度試験には、圧痕硬度、引っかき硬度、および反発硬度があります。.
圧痕硬度
エンジニアや冶金学者が「硬度」について論じる際、実際には「圧痕硬度」を指しています。これは、工学上の荷重のほとんどが連続的なものであるためです。圧痕硬度とは、材料が連続的な荷重を受けた際に生じる永久変形に対する抵抗力のことです。この種の硬度は工学設計において広く応用されているため、技術者たちはこの硬度の測定をより重視しています。.
引っかき硬度
セラミックスなどの一部の工学材料は、塑性変形を起こさず、脆性材料と見なされます。ある種の力が加わると、その表面にスクラッチが生じます。技術的には、スクラッチとは、材料がより鋭利で硬い材料と接触した際に、表層に生じる細く連続した凹みを指します。材料が表面のスクラッチに耐える能力を、スクラッチ硬度と呼びます。 引っかき試験は、特にエンジンシリンダーライナーのような摩擦を伴う用途向けの材料を選定する際、極めて重要です。ライナーは、接触する材料よりも高い硬度を持たなければなりません。.
反発硬度または動的硬度
反発硬度は、弾性硬度のひとつです。圧痕硬度や引っかき硬度では、材料は塑性変形に対する抵抗を通じて反応します。一方、反発硬度や動的硬度では、材料は衝撃時のエネルギーを吸収し、それを圧子に返します。圧子が衝撃の発生源となります。.
これらの硬度の種類を測定するには、それぞれ異なる測定器具が必要です。それでは、これらの硬度の測定に使用されるさまざまな硬度尺度について見ていきましょう。.
ショア硬度スケールとは何ですか？
ショア硬度スケールは、エラストマー材料、プラスチック、その他のポリマーの耐性を測定するための、特殊な硬度測定法である。 [1]. 。この測定により、特定の用途に材料を採用する前に、その材料の柔軟性、剛性、および耐久性を評価します。この測定方法は、デュロメーターを用いて行われます。.
デュロメーターはどのように機能するのでしょうか？
ショア硬度計は、バネ式の鋼製ピンまたはコーンを用いて材料に圧入します。この測定器は0～100の数値を示し、これは材料の硬度として解釈されます。 硬い材料ほど数値は高くなり、これはピンが材料に浸透できないことを意味します。スケール上の数値が比較的低い場合は、ピンが材料に深く沈み込んでいることを示します。この場合、その材料は柔らかいと解釈されます。デュロメーターのスケールから得られる測定値は相対的なものであり、物理的な単位は絶対的なものではありません。.
ショアスケールの種類
当社では、さまざまな種類の秤を取り揃えており、多数の素材に対応した異なる測定範囲を備えています。以下の表に、これらの秤の種類をまとめました。.
| 海岸の種類 | 申し込み |
|---|---|
| A | エラストマー、シリコーン、TPU、および一部のプラスチックなどの軟質材料に使用されます。. |
| D | 硬質プラスチック、ナイロン、ポリプロピレン、および一部のゴムなど、硬めの素材に使用されます。. |
| B | 天然ゴム、ネオプレン、EPDMなど、AスケールとDスケールの間の中間材料に使用されます。. |
| 00 | ゲルなどの非常に柔らかい素材に使用されます。. |
| E | 低密度の発泡体や柔らかい素材に使用されます。. |
ショアAとショアDは、広く使用されている2つの硬度規格です。ショアAの一般的な範囲は20～95Aであり、ショアBの場合は30～90Bです。.
材料の硬度は、いくつかの要因によって左右されます。その要因の一つが、化学組成と分子構造です。共有結合が強い成分は、一般的に硬くなります。また、ショア硬度は温度によっても変化します。温度が高いほど、硬度は低くなります。.
ショア硬度試験の長所と短所
以下の表は、ショア硬度試験の利点と限界をまとめたものです。.
メリット
- 非常に高速なテスト（通常2秒未満）
- 携帯用機器
- 最小限の試料前処理
- 柔軟な素材に最適
- 低コストの試験
制限事項
- 金属には適していません
- 試料の厚さに敏感
- オペレーターの操作技術は再現性に影響を与える
- 温度は結果に影響を与える
ロックウェル硬さとは何ですか？
ロックウェル硬度は、硬化させた圧子（インデンター）を試験対象の材料試片に押し込むことで測定されます。この試験では、主荷重と副荷重という2段階の荷重試験が行われます。試験方法およびプロットされる図は、使用するスケールの種類によって異なります。.
ロックウェル硬さ試験はどのように行われるのですか？
この試験では、ダイヤモンド製の円錐または焼入れ鋼製の球を用いて、試験対象の材料に圧痕を付ける。 [2]. 試験を行うたびに、試験片に2つの荷重が加えられます。まず、インデンターに小荷重をかけて材料に押し込みます。この小荷重下での初期の貫入深さを記録します。小荷重をかけたままの状態を維持しつつ、大荷重と呼ばれる追加の荷重を加えます。この大荷重により、材料への貫入深さが増加します。 その後、主荷重を解除することで、作用している力が軽荷重の状態に戻る。.
ロックウェル硬度は、主荷重の加荷および除去によって生じる貫入深さの増加量から算出される。.
ロックウェル硬度の種類
以下の表は、ロックウェル硬度のトップ5と、それぞれの用途を示したものです。硬度スケールの総数は17あり、それぞれに特定の用途があります。.
| スケール | 略語 | 最大積載量（kgf） | 圧子 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | スフェロ・コニカル・ダイヤモンド† | 超硬合金、薄板鋼、浅層焼入れ鋼 |
| B | HRB | 100 | 1/16インチ（1.59 mm）のボール | 銅合金、軟鋼、アルミニウム合金、可鍛鋳鉄 |
| C | HRC | 150 | スフェロ・コニカル・ダイヤモンド† | 鋼、ステンレス鋼、高硬度鋳鉄、パーライト系可鍛鋳鉄、チタン、チタン合金、深層焼入れ鋼、その他100 HRB以上の硬度を有する材料 |
| D | HRD | 100 | スフェロ・コニカル・ダイヤモンド† | 薄板鋼、中程度の表面焼入れ鋼、およびパーライト組織の可鍛鋳鉄 |
| E | HRE | 100 | 1/8インチ（3.18 mm）のボール | 鋳鉄、アルミニウムおよびマグネシウム合金、軸受用金属、熱硬化性プラスチック |
ロックウェル硬さスケールの利点と限界
以下の表は、ロックウェル硬度の長所と限界をまとめたものです。.
メリット
- 高い再現性
- 生産に適した
- 演算子の影響を最小限に抑える
- 熱処理された金属に最適です
- 短いサイクルタイム
制限事項
- 表面仕上げは結果に影響を与える
- 薄い材料には、専用のはかりが必要です
- 非常に柔らかいゴムには不向きです
ブリネル硬度とは何ですか？
ブリネル硬度は、材料がどれほど圧痕に対して抵抗力があるかを表す指標であり、ブリネル硬度試験によって測定されます。この試験では、硬い鋼または超硬合金の球を特定の荷重下で材料の表面に押し込み、生じた圧痕の直径を測定します。 [3]. ブリネル硬度（BHN）は、加えた力を圧痕の表面積で割ることで算出されます。この方法は金属の試験に広く用いられており、材料の強度やさまざまな用途への適合性に関する貴重な情報を提供します。.
ブリネル硬度計のスケールの種類
ブリネル硬度試験では、炭化タングステン製の球を使用し、HBまたはHBWと表記される単一の連続スケールが用いられます。この試験では、1、2.5、5、10 mmなど、約25種類の標準的な球径の組み合わせが使用されます。 この試験では、力と直径の比 F/D² ごとにグループ分けされた、1kgf から 3000kgf までの試験荷重が用いられます。.
F/D²は、単に「比率」と呼ばれます。例えば、比率30とはF/D²=30mmを意味し、比率2.5とはF/D²=2.5mmを意味します。以下の表は、ブリネル硬度で一般的に使用される比率とその用途を示しています。.
| 比率（F/D²） | 用途 |
|---|---|
| 30 | 鋼や鋳鉄などの硬質金属に使用されます。標準試験荷重は通常、10 mmの球を用いて3000 kgfです（HBW 10/3000）。 |
| 10 | 銅合金（真鍮や青銅など）、中硬度の鋼、および鉄に使用されます。一般的な荷重は1000 kgfで、10 mmのボールを使用します（HBW 10/1000）。 |
| 5 | 軟質の銅合金や硬質のアルミニウム合金に使用されます |
| 2.5 | 軟質アルミニウムおよびマグネシウム合金に使用されます。. |
| 1 | 鉛、スズ、軟質白金属など、極めて軟らかい金属に使用されます。. |
ブリネル硬度の利点と限界
メリット
- 異種材料に最適
- 大きな圧痕による良好な平均化効果
- 鋳造に最適
- 重工業の分野で広く受け入れられている
制限事項
- 大きなへこみは、仕上げ面を傷つける
- テストプロセスが遅い
- 光学測定が必要
- 薄切片には不向きです
硬度スケールをどのように比較し、適切なものを選べばよいのでしょうか？
これら3つの方法はいずれも有用であり、他よりも優れているという方法はありません。ただし、試験対象となる材料に応じてすべての方法が適用可能である場合は、迅速かつ費用対効果の高い方法を選択することができます。 ショア硬度の試験時間は1～2秒と最も短く、次いでロックウェル硬度が5～15秒かかります。ブリネル硬度試験には30～60秒かかります。生産用途においては、ショア硬度とロックウェル硬度の両方が優れた結果をもたらしますが、ブリネル硬度は中程度の精度しか得られません。 ショア硬度は、ゴム、エラストマー、およびプラスチック関連材料に適しています。エンジニアリングプラスチックを扱う場合は、ロックウェル硬度を選択します。一方、鋳物、鍛造品、および粗粒金属を扱う場合は、ブリネル硬度を選択することができます。.
参考文献
[1] TWI Global. (発行年不明). 機械試験とは？（完全ガイド）. TWIグローバル技術知識FAQ. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22：金属材料のロックウェル硬さ試験に関する標準試験方法. ASTM規格。. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (発行年不明). 硬度試験 第1部. TWI Globalの業務知識。. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
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