ブリネル硬さ試験：原理・用途・制約

ブリネル硬さ試験は、制御された圧痕を作って材料の硬さを測定する一般的な方法で、大型材料や粗粒材料に特に有効です。

1900年にJohan August Brinellが開発したこの方法は、材料を大量に評価する産業で今も重要です。

ブリネル硬さ試験：原理と方法（HB）

本方法では球状圧子を材料に規定荷重（62.5～3000 kgf）で押し込みます。圧子はタングステンカーバイドまたは焼入れ鋼製（直径1～10 mm）です。10～30秒保持した後、顕微鏡で圧痕径を測定します。ブリネル硬さ（HBW）は次の式で計算します：

各記号の意味：

• F: 試験力（N）
• D: 圧子の直径（mm）
• d: 圧痕の直径（mm）

注記：kgfを使う場合、式に係数0.102は不要です。

測定手順

1. 試料準備：
   • 試料表面は平坦で滑らか、清潔である必要があります（通常は研削・研磨が必要です）。
2. 負荷の適用：
   • 予備荷重で基準位置を定めます。
   • 主荷重（例：鋼材では3000 kgf）を10～15秒間加えます。
3. 圧痕の測定：
   • 顕微鏡で直交する2方向の圧痕径を測定します。
   • 平均値を用い、換算表またはソフトウェアでHBWを計算します。

規格：ASTM E10およびISO 6506は比率F/D2を規定し、結果の一貫性を確保します。

ASTM E10の規定内容

ASTM E10は金属材料のブリネル硬さ試験に関する米国規格で、次を定めています：

• 負荷範囲：62.5–3000 kgf。
• 圧子の種類：タングステンカーバイド球（HBW）または焼入れ鋼球（HBS、現在はあまり使用されません）。
• 保持時間：10～15秒（アルミニウムなど弾性のある材料では30秒まで延長する場合があります）。
• 圧痕測定：圧痕径は24～60%圧子径の範囲内である必要があります。
• 比率F/D2：30、10、5、1のいずれかに保ちます（例：直径10 mmの球で3000 kgfの場合はF/D2 = 30）。

用途：北米で一般的で、自動車・造船分野の鋳鉄、ステンレス鋼、アルミニウム合金に使われます。

ISOの規定内容

ISO 6506は同等の国際規格で、3部構成です：

• ISO 6506-1：ASTM E10と同様の主試験手順ですが、いくつか違いがあります：
  • 最大荷重：29420 N（約3000 kgf）。
  • 表面要件：粗さRa≤1.6μm（ASTM E10より厳格）。
  • 圧子径公差：±0.005 mm（ASTM E10より厳格）。
• ISO 6506-2：硬さ試験機の校正。
• ISO 6506-3：基準硬さ試験片の校正。

用途：欧州やアジアで広く使われ、特に石油・ガス用鋼管や医療機器の製造に適しています。

2つの規格の比較：

ASTM E10とISO 6506の選び方

• ASTM E10を選ぶ場合：米国・カナダの取引先と業務を行う場合、または航空宇宙分野（FAA要件）で使う場合。
• ISO 6506を選ぶ場合：欧州へ輸出する場合、またはIEC/IATF規格に従って製造する場合。
• 注記：どちらの規格も、認証済み基準片を使った6か月ごとの試験機校正を求めています。

用途

• 自動車：エンジンブロック、クランクシャフト、ギア。
• 機械加工：鋳鉄、鍛造鋼、産業用バルブ。
• エネルギー：配管材料、掘削機器。
• 航空宇宙：着陸装置、耐荷重構造物。

適用材料：アルミニウムや銅などの軟質金属から中硬度鋼まで。超硬材料には不向き圧子が変形するおそれがあるためです。

利点と制約

最新の改良

• 自動試験機： Affri LD3000Aはモーター駆動荷重、電子顕微鏡、HBWのリアルタイム計算を統合しています。
• 支援ソフトウェア：タッチ画面とPDF／CSV出力により品質管理を支援します。
• 遠隔診断：インターネット接続により、技術者が遠隔で問題を診断できます。

重要な注意事項

• 試料厚さ：圧痕深さの8～10倍以上（ISO／ASTMに基づく）。
• 球圧子の荷重比（F/D2）：結果を比較できるよう、一貫性を保ちます。
• 表面品質：誤差を防ぐため、粗い表面は研磨してください。

下表は、ブリネル硬さ試験の用途に応じた圧子と試験力の選定に役立ちます。

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