JP2009063438A - 測定物の表面状態試験方法及びその表面状態試験装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定物の表面状態試験方法は、ハンマ12の先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ11を、測定物16に衝突させ、衝突後のハンマ12の反発定数によって、測定物16の表面状況を評価する。これに使用する測定物の表面状態試験装置10は、円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップ11と、チップ11が先端部に設けられたハンマ12と、ハンマ12を挟持し、測定物16とチップ11の間に隙間を設ける挟持手段13と、挟持手段13がハンマ12を放してチップ11を測定物16に衝突させた際に、ハンマ12の反発挙動を検出する検出手段14と、検出手段14の出力を表示又は記録する表示記録手段15とを有する。
【選択図】図1
Description
ビッカース硬さ試験法とは、対面角136度のダイヤモンド製の四角錐圧子を、測定物の表面に所定の荷重で準静的に押し込み、除荷後に形成される圧痕の表面積と押し込み荷重を尺度として、測定物の硬さを定義する方法である。このように、ビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド製の四角錐圧子を用いるため、均質な材料の測定においては、理論上、試験荷重に依存せず、一定の硬さ値が得られるという特徴を有する。従って、測定荷重を小さくすることにより、測定物の表面に設けた表面膜の硬さ測定にも用いることができる。
ビッカース硬さ試験法は、圧子を測定物の表面に準静的に押し込むため、例えば、試験機の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響を受け易いという構造上逃れられない問題がある。
また、ショア硬さ試験法は、ハンマの最大衝突荷重が、測定物の硬度が増加するにつれて増加し、ハンマの質量の1000倍以上にも達する場合がある。従って、測定物の材質によっては、測定物の平均的硬さを得ることはできるが、測定物の表層あるいは表面に設けた表面膜の特性を評価できないという問題がある。
また、球体状のチップを有するハンマを、異なる高さから落下させた場合に形成されるくぼみの形状は、例え測定物が同一のものであっても相似(即ち、直径と深さの比が一定)にはならない。このことは、測定物の硬さが、ハンマの落下高さによって異なる可能性があることを示唆している。
更に、チップとして使用するダイヤモンドは、その結晶構造のため、精確な球面に加工することが極めて困難であり、理想的な球面形状の場合に得られる値と、実測値との間に差が生じる。このことは、チップが設けられたハンマを量産した場合に、個々のハンマで測定値のばらつきが極めて大きくなることを示している。
第1の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることが好ましい。
第1の発明に係る測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことが好ましい。
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有する。
第2の発明に係る測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することが好ましい。
即ち、ビッカース硬さ試験のように、準静的に測定物に対して圧子を押し込む必要がないので、例えば、試験装置の剛性、測定中の振動、及び温度変化の影響のような測定環境の影響を受ける危険性が減少する。また、圧痕の寸法を光学顕微鏡を用いて読み取る必要がないので、個人差をなくし、測定能率の向上が図れる。
そして、衝突荷重を減少させるためにハンマの落下高さを減少させていったとき、ショア硬さ試験で用いられている球体のチップの場合のように、衝突が弾性的となることによって理論上反発係数が1に近づいていくようなことがなく、かつダイヤモンド球体チップよりも形状精度を高めることが容易であるので、測定物の表層あるいは表面に設けた膜の特性も評価できる。
これにより、例えば、金属、高分子材料、表面膜、又はその他の材料の硬さや力学的特性を、容易にしかも精度よく評価できる。
請求項3記載の測定物の表面状態試験方法は、ハンマの反発定数を使用して、測定物の反発硬さを評価できるので、操作方法が簡便で、測定も短時間に実施できる。
請求項4記載の測定物の表面状態試験方法は、測定物へのチップの衝突を、測定物の表面に対し、しかも測定物の評価に適した速度で行うので、測定物の材質に応じた評価が可能になる。
請求項6記載の測定物の表面状態試験装置は、検出手段がレーザをハンマの後端部に発して、ハンマの反発挙動を検出するので、瞬時に簡単かつ正確に、ハンマの反発定数を得ることができ、測定物の表面状況を評価できる。
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る測定物の表面状態試験装置(以下、単に試験装置ともいう)10は、尖端形状のチップ11と、チップ11が設けられたハンマ12と、ハンマ12を挟持する挟持手段13と、ハンマ12の反発挙動を検出するレーザドップラー振動計センサーヘッド(検出手段の一例)14と、レーザドップラー振動計センサーヘッド14の出力を記録する記録計(表示記録手段の一例)15とを有し、チップ11を試験片(測定物の一例)16に衝突させ、衝突後のハンマ12の反発定数によって、試験片16の表面状況を評価するのに使用されている。以下、詳しく説明する。
このハンマ12は、例えば、直径が1mm以上20mm以下、長さが3mm以上250mm以下(好ましくは、下限を20mm、上限を200mm)程度の円柱状又は角柱状のものであり、その質量は、材質と大きさに依存するが、例えば、0.1g以上600g以下(好ましくは、下限を1g、上限を400g)程度である。ここで、ハンマ12の質量は、試験片16の材質に応じて選択する。
なお、本実施の形態で使用するハンマ12は、直径が8mm程度(先側の直径は6mm程度)、長さが100mm程度、質量が約38gの円柱状の棒材である。
チップ11はダイヤモンド製であり、その形状は、先端から側面へ向かって形成される稜線が、直線状に形成されたものである。なお、このチップ11の対面角(頂角)は、30度以上170度以下(好ましくは、下限が90度、更には120度、上限が160度、更には140度)の範囲内で設定されている。
特に、チップの形状を四角錐とする場合、例えば、ビッカース硬さ試験に使用されている圧子として実績のある、対面角が136度のダイヤモンド製の四角錐圧子を用いることができる。また、先端の加工精度が要求される場合には、ナノインデンテーション法で用いられている三角錐のダイヤモンド製の圧子を用いることもできる。
挟持手段13は、カメラ用スタンド17と、このカメラ用スタンド17に上下方向に昇降自在に取付けられ、開閉機構(図示しない)によりハンマ12を挟持可能なモータハンド18を有している。このモータハンド18の開閉制御及び高さ位置の調整制御は、モータハンドコントローラ19によって行われる。
これにより、試験片16の表面とチップ11の先端との間隔S(隙間)を、試験片16の材質に応じて、所定の距離、例えば、0.001mm以上30mm以下(好ましくは、下限を0.005mm、更には0.01mm、上限を20mm、更には10mm)程度に調整できる。なお、この間隔Sの測定は、従来公知のハイトゲージを用いて行っているが、他の手段を用いてもよい。
レーザドップラー振動計センサーヘッド14は、レーザ20をハンマ12の上端面(後端部)に発することで、カメラ用スタンド17のモータハンド18がハンマ12の挟持を解除してチップ11を試験片16に衝突させた際に、ハンマ12の反発挙動を検出できる。
なお、レーザ20の検出精度を高めるため、ハンマ12の上端面に反射テープ22を貼り付け、これにレーザ20を発しているが、必要に応じて反射テープを不要とすることもできる。
また、レーザドップラー振動計センサーヘッド14は、ハンマ12の上方に設置することなく、ハンマ12の側方に配置してもよい。この場合、レーザは、鏡で反射させてハンマの上端面に発する。
まず、ハンマ12を、カメラ用スタンド17のモータハンド18に、ハンマ12の軸心が鉛直方向となるように挟持させる。このとき、ハンマ12に取付けられたチップ11が、ハンマ12の下端位置となるように設置する。
次に、カメラ用スタンド17のつまみを回すことによってモータハンド18を昇降させ、チップ11の先端(下端)の試験片16の表面からの高さ位置を、前記した間隔Sに調整する。
そして、モータハンドコントローラ19によってモータハンド18の開閉機構を開状態にすることにより、チップ11が取付けられたハンマ12を自由落下させ、試験片16の表面に衝突させる。
これにより得られたハンマ12の反発挙動を示す振動信号から、衝突後のハンマ12の反発定数を求め、試験片16の反発硬さを評価できる。
このハンマ12の反発定数は、試験片16に衝突したハンマ12の衝突後の反発速度、反発時間、又は反発距離を利用できる。
また、反発時間を利用する場合は、衝突前後の時間比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドがハンマを放してから試験片へ衝突する直前までの時間T1と、衝突直後からハンマが再度落下しようとするまでの時間T2との比、即ちT2/T1で表される(反発時間で定義した反発定数は、特に規格化されていないが、反発速度を利用した反発係数eと同じ値を求める場合には、T2/T1となる)。
そして、反発距離を利用する場合は、衝突前後の距離比で定義される係数が反発定数となる。この反発定数は、モータハンドに挟持されたハンマのチップ先端から試験片表面までの距離Sと、衝突して上昇したハンマの最大上昇高さS2との比、即ちS2/Sで表される(形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発速度を利用した反発係数eとの間に、e=(S2/S)1/2の関係が成り立つ)。
以下、ハンマ12の落下高さ及び剛性と反発係数との関係について説明する。
図1、図2(A)、(B)に示すように、使用したハンマ12は、ステンレス鋼製であり、直径が8mm(先側の直径は6mm)、長さが104mm、重さが38.2gの円柱状の棒材である。このハンマ12の先端には、ビッカース硬度計用のダイヤモンド製の四角錐圧子であるチップ11をねじ止めした。
ここで、試験片16として用いた材料は、パーライト鋼(Hv≒253)、及びそれとほぼ同等の硬さを有するベイナイト鋼(Hv≒265)の2種類である。
図3に示すように、パーライト鋼の降伏応力は、ベイナイト鋼よりも30%程度小さいが、降伏以降の加工硬化の程度は大きい。なお、各試験片は、表面を2000番の研磨紙で仕上げた後、バフ研磨を施し実験に供したが、パーライト鋼については、更に表層を約50μm電界研磨によって除去している。
具体的には、ハンマ自身の変形の影響を考慮するため、図2(B)に示すように、ハンマ12を8個の質点がばねで連結されているモデルで置き換えた。ただし、圧子の等価ばね定数の見積もりには、従来公知の文献(村上・糸数・田中、日本機械学会論文集、59巻559号A編、1993年、p.835−841)に開示された四角錐圧子の弾性的押込み解析結果を用いた。また、問題を円錐圧子を用いた軸対象問題に置き換え、従来公知の文献(村上・松田、日本機械学会論文集、57巻539号A編、1991年、p.1665−1673)に開示されたビッカース硬さ解析プログラムによる圧子押込み深さ−荷重線図と、円錐圧子のそれとが一致するように、円錐の頂角を142度に決定した。なお、図4(A)〜(C)には、FEM解析を行う際の要素分割方法を示している。ここで、(A)は軸対称弾塑性有限要素法の解析モデルの説明図、(B)は(A)のOABC面上の要素分割の説明図、(C)は(B)のD部の拡大図である。
ハンマの落下高さが5.7mmの場合、衝突後のハンマに衝突時に生じた弾性変形による振動が観察される。しかし、ハンマの落下高さが0.17mmの場合、落下高さが5.7mmの場合と比較して、ハンマの振動が著しく小さいことが分かる。
また、ハンマの落下高さが0.17mmの場合、衝突開始時の速度変化は比較的緩やかであり、鉛直下向きの最大速度は、衝突開始後に生じている。なお、反発係数e(=−V2/V1)は、最小二乗法により求めた衝突後の波形(即ち、振動信号)の平均線から衝突後の速度V2を求め、この衝突後の速度V2と衝突直前の速度V1との比で定義した。
チップに四角錐圧子を用いた場合、図6(A)、(B)から明らかなように、FEM解析で得られた反発係数の結果は、実験で得られた反発係数の結果より若干小さくなっているが、全般的な傾向は一致している。即ち、ハンマの落下高さの増加に伴い、反発係数は増加している。
一方、チップに四角錐圧子を用いた場合、図6(A)、(B)、及び図8(B)から明らかなように、ハンマの落下高さに影響されることなく、パーライト鋼(図8(B)の○)とベイナイト鋼(図8(B)の●)の差が小さいことが確認された。
更に、図9(A)、(B)に、試験片としてビッカース硬さHvが約250のパーライト鋼を使用し、実験及び解析で得られたハンマの落下高さと反発係数の関係を、それぞれ示す。なお、図9(A)は、市販の指示形(D形)ショア硬さ試験機に付属されたハンマ、即ち球形圧子を取付けたハンマの結果であり、図9(B)は、球体圧子の代わりにビッカース硬さ試験で使用する四角錐圧子を取付けたハンマの結果である。
一方、図9(B)から明らかなように、四角錐圧子を使用した場合、ハンマの落下高さが低下すると共に、反発係数が低下する傾向にあるが、その低下の程度は、落下高さが低下すると共に、小さくなっている。更に、ハンマの落下高さが1mm以下であっても、実験結果はFEM解析の結果にほぼ従っている。
以上のことから、落下高さが低くなれば、チップに球体圧子を使用するよりも、四角錐圧子を使用する方が、測定精度上極めて有効であることが分かる。
図10に示すように、負荷過程で試験片の変形に費やされるエネルギーをU1(曲線0−a−b−0で囲まれる面積)、除荷過程の弾性回復エネルギーをU2(曲線a−b−c−aで囲まれる面積)とし、また、最大衝突荷重時にハンマに蓄えられる歪みエネルギーをUsとすると、形成されたくぼみ中心の深さが落下高さより十分小さい場合には、反発係数eは(1)式で表される。
e2=(U2+US)/(U1+US)
=(U2/U1+US/U1)/(1+US/U1) ・・・(1)
また、最大衝突荷重をFmax、圧子の等価ばね定数をk0、圧子とハンマ軸部のばね定数をk1とすると、USは(2)式で表される。
US=Fmax 3/2/3k0+Fmax 2/2k1 ・・・(2)
図11(A)、(B)から明らかなように、ハンマの落下高さhの増加と共に、最大衝突荷重Fmaxは直線的に増加し、(3)式の関係が近似的に成立することが分かった。
Fmax∝h2/3 ・・・(3)
以上のことから、図12に示すように、US/U1は、(4)式のように置き換えられる。
US/U1=C1/3k0+(C2/2k1)h1/3 ・・・(4)
一方、ハンマの剛性が増加すれば、US/U1は0に近づき、反発係数は(U2/U1)1/2に近づくことになる。なお、ハンマの落下高さが減少すると、US/U1の値は圧子の等価ばね定数k0によって決まる一定の値に近づくため、低落下高さにおける反発係数は、U2/U1と圧子の等価ばね定数k0の値に大きく依存することが示唆される。
図13には、剛体のハンマの結果も示しているが、剛体のハンマの場合、その反発係数は落下高さに依存せず、一定となっている。
一方、弾性を有するハンマの場合、ハンマの剛性の低下と共に、傾きが増加、即ち反発係数の増加率が高くなっていることが分かった。
従って、これらを考慮して、試験片16へのチップ11の衝突を、試験片16の表面に対し、しかも試験片16の評価に適した速度、即ち試験片全体の評価を行う場合はハンマ12の落下速度を速く(落下高さを高く)し、試験片の表面に形成された皮膜の評価を行う場合はハンマ12の落下速度を遅く(落下高さを低く)して行う。
また、前記実施の形態においては、ハンマの反発挙動を検出する検出手段として、レーザを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ひずみゲージ、加速度ピックアップ、又は圧電素子を使用し、これをハンマに取付けることにより、ハンマの反発挙動を検出することもできる。更に、コイル又は磁石をハンマに取付けることにより、電磁誘導を利用して、ハンマの反発挙動を検出することもできる。これらの場合、装置のコンパクト化が図れる。
Claims (6)
- ハンマの先端部に設けられた円錐又は角錐で構成される尖端形状のチップを、測定物に衝突させ、衝突後の前記ハンマの反発定数によって、前記測定物の表面状況を評価することを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
- 請求項1記載の測定物の表面状態試験方法において、前記ハンマの反発定数は、前記ハンマの反発速度、反発時間、又は反発距離であることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物の表面状況は、該測定物の反発硬さであることを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の測定物の表面状態試験方法において、前記測定物への前記チップの衝突は、該測定物の表面に対し、しかも該測定物の評価に適した速度で行うことを特徴とする測定物の表面状態試験方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の測定物の表面状態試験方法に使用する測定物の表面状態試験装置であって、
円錐又は角錐で構成される尖端形状の前記チップと、
前記チップが先端部に設けられた前記ハンマと、
前記ハンマを挟持し、前記測定物と前記チップの間に隙間を設ける挟持手段と、
前記挟持手段が前記ハンマを放して前記チップを前記測定物に衝突させた際に、前記ハンマの反発挙動を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力を表示又は記録する表示記録手段とを有することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。 - 請求項5記載の測定物の表面状態試験装置において、前記検出手段はレーザを前記ハンマの後端部に発して、該ハンマの反発挙動を検出することを特徴とする測定物の表面状態試験装置。
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