硬さ計（硬度計）の測定原理・特徴 Measuring principle

＊距離や質量、時間、温度等の物理量に対し、硬さのように測定手法により定義される値は工業量と呼ばれています。2mは1mの2倍の長さ、10kgは5kgの2倍の重さですが、硬さ600HV（HVは硬さの単位の1つ）は300HVよりも硬いことを表していますが、2倍硬いことを示している訳ではありません。工業量で表される値は相対値です。

硬さは、摩耗や曲げ、伸び、ねじりや脆さ等の複数の機械的性質の関係性により決まります。一方で、硬さを測定することで、これらの機会特性を個別に測定することなく、手軽に推定することができます。このため、品質管理において硬さ測定は非常に重要な役割を果たしています。
次の表は、金属の硬度測定で使用されている主な硬さ試験方法を纏めたものです。

UCI（超音波接触インピーダンス）式硬さ計では、薄物・軽量部品や溶接の熱影響部（HAZ）や硬化層の硬さを測定することができますが、測定にはある程度の慣れが必要です。
まず、測定箇所にプローブを置きます。次に、両手でプローブを保持し測定箇所に軽く垂直に押し当てます（予荷重、プリロード）。さらに、プローブを垂直に押し付けます。ダイヤモンド圧子が測定物に着地しても止まらずに、そのまま穏やかに約0.5秒間、所定の荷重でプローブを垂直に押し付けます。
注）激しくプローブを押し付けないでください。ダイヤモンド圧子が損傷し正常な測定ができなくる可能性があります。

リバウンド式硬さ計は、簡単に金属の硬さを測定することができますが、すべての形状・重さの金属を測定できるわけではありません。
ここでは、リバウンド式硬さ計で測定可能な、測定物や測定時の注意点について説明します。

表面粗さ

測定物の表面が粗いと、誤差が大きくなり、場合によっては測定できない場合もあります。インパクトデバイスごとの適切な表面粗さは、以下となります。

重量・厚み

測定物の重量が軽い場合は、平坦でかつ重みがある定盤のようなしっかりとした台（支持台）を用意し、その上で測定を行います。場合よっては、支持台と測定物の間に微量のグリスまたは高粘度の油を塗布し、密着せさる必要があります。また、測定物の厚みが薄い場合も、正しい厚さを得ることができなくなります。

硬化層

ごく浅い表層の硬度測定は、正しい値が得られない可能性があります。測定可能な硬化深さは、以下のようになっています。

残留磁気

測定物に残留磁気があると、装置のセンサーに影響を与えて測定精度が悪化します。必ず脱磁を行った後に測定してください。また、測定中は強い磁気を回避してください。

その他

・測定物が大型板、長防、湾曲している場合、たとえ重量や厚みが条件に合っていても、衝撃力によりサンプルが曲がり、測定エラーとなる場合があります。衝撃の加わる反対面（裏側）を補強してください。

・曲率半径がR30以下の場合は、測定時にサポートリング（アダプター）を使用してください。

・測定物の温度は、80℃以下としてください。

ロックウェル硬さ試験は、圧子を一定の荷重で試料に押し付け、その時のくぼみの深さから硬さを算出する試験方法です。

まず、ダイヤモンド圧子または球圧子を、基準荷重（例：98.07N）で試料表面に押し付けます。次に試験荷重（例：588.4N）でさらに押し込みます。再度基準荷重（例：98.07N）に戻し、はじめの基準荷重と2回目の基準荷重におけるくぼみ深さの差から硬さを求めます。

くぼみ（圧痕）の面積を測定するビッカースやブリネルと異なり、圧子の押し込み深さから硬さを算出するため、簡便にそして素早く硬度を測定する事ができます。

使用する圧子の種類や負荷する基準荷重・試験荷重の組み合わせにより、様々なスケールが用意されています。

MetalTestおよびMetalTest MKIIは、現場での測定に適するように、ロックウェル硬さ試験の原理をもとには開発したポータブル硬さ計です。基準荷重は9.807N（1kgf）、試験荷重は54.92N（5.6kgf）と手動での検査が可能です。ロックウェルの各種スケールへ換算して硬さを表示するだけでなく、ブリネルやビッカースでの表示も可能です。

JIS Z 2245　ロックウェル硬さ試験−試験方法

JIS B 7726　ロックウェル硬さ試験−試験機及び圧子の検証及び校正

JIS B 7730　ロックウェル硬さ試験−基準片の校正

ISO 6508-1　Metallic materials−Rockwell hardness test−Part 1: Test method

ISO 6508-2　Metallic materials−Rockwell hardness test−Part 2: Verification and calibration of testing machines and indenters

ISO 6508-3　Metallic materials−Rockwell hardness test−Part 3: Caribration of reference blocks

ダコタ・ジャパンでは、リバウンド硬さ計、UCI硬さ計、簡易ロックウェル硬さ計の3種類のハンディタイプの硬さ試験機を販売しています。それぞれの硬さ計には特徴があり、測定対象物の重さや厚さ、硬さ、測定用途により、機種を選定する必要があります。
ここでは、リバウンド硬さ計、UCI硬さ計、簡易ロックウェル硬さ計の特徴と違いについて、詳細に説明します。

3種類の硬さ計は、いずれも小型のハンディタイプで、現場や屋外での硬さ測定に適しています。
3種類の装置の中では、最もリバウンド硬さ計が扱いやすく安価です。このため、測定対象物の重さと厚さがそれぞれ5kg以上かつ10ｍｍ以上ある場合は、リバウンド硬さ計がお勧めです。
一方で、UCI硬さ計や簡易ロックウェル硬さ計は、より軽くより薄物の硬さ測定が可能です。UCIは重さ300g、厚さ5mmから測定可能で、簡易ロックウェルでは重さに制限はなく、厚さは最薄で0.08mmから測定することができます。また、簡易ロックウェルでは、リバウンドやUCIよりも測定範囲が広く、特にアルミのような硬度の低い柔らかい金属の硬さ測定にも適しています。

いずれの硬さ測定方式も圧痕はそれほど目立ちませんが、特にUCI硬さ計と簡易ロックウェル硬さ計の圧痕が小さく、リバウンド硬さ計はそれらに比較すると大きくなります。製品の硬さを知らべる場合は、UCIや簡易ロックウェルでの測定が、圧痕が小さく目立たないためお勧めです。
一方で、UCI硬さ計と缶ロックウェル硬さ計は、測定箇所の表面粗さの影響を受け易く、表面が荒いと測定のばらつきが大きくなります。

ブリネル硬さ試験では、超硬合金球の圧子を試験面に一定の力（試験力）で押し込み、試験面にできたくぼみ（圧痕）の直径を顕微鏡などの光学装置で観察し表面積を求めます。求めたくぼみの表面積で試験力を割ることでブリネル硬さを表すことができます。

ブリネル硬さ試験では、試験力をくぼみの表面積で割ったブリネル硬さの値の後ろに、圧子の直径や試験力などの硬さ記号（試験条件）を表示します。

直径1mm、2.5mm、5mm、10mmのいずれかの超硬合金球（tungsten carbide composite ball）を圧子として使用します。圧子の材質については、以前は鋼球の使用も可能でしたが、JIS Z 2243:1998により鋼球は廃止され超硬合金球のみとなりました。
試験力は9.807N～29.42kNの範囲で、くぼみの直径が圧子の直径の0.24～0.6になるような試験力と圧子の直径の組み合わせを選択します。

下の表は、JIS Z 2243-1:2018で示されている圧子の直径と試験力の組み合わせです。測定したブリネル硬さ値の後ろには、試験条件である硬さ記号を必ず表示します。

ブリネル硬さは、試験力をくぼみの表面積で割ることで算出することができますが、その都度くぼみの表面積を算出しブリネル硬さを求めるのは煩雑で時間がかかります。JIS Z 2243-2:2018（ブリネル硬さ試験－第2部：硬さ値表）には、くぼみの平均直径からブリネル硬さを簡単に把握することができるよう一覧表（表1 圧子の直径及び試験力－直径係数と試験力との関係、表2 ブリネル硬さ算出表）が掲載されています。自動機ではなく顕微鏡等で手動でくぼみを測定する場合は、この表を利用することで表面積を計算する必要がなく、くぼみの平均径からブリネル硬さを簡単に求めることができます。