JP2014020943A - 硬さ試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 試験位置に応じて試験力を適切に選択することにより、正確な硬さ試験を実行することが可能な硬さ試験機を提供する。
【解決手段】 試験位置と圧子に付与される試験力との関係が、試験片の表面からの距離と、その位置における試験片の硬さとの関係を示す関係式である硬さ推移曲線に基づいて決定され、記憶部８１に記憶される。硬さ試験を行うときには、制御部８０がそのときの試験位置に基づいて、想定硬さを求め、想定硬さから圧痕のサイズを演算することにより、適切な試験力を選択する。
【選択図】 図７

Description

この発明は、試験片の硬さを測定する硬さ試験機に関する。

このような硬さ試験機は、試験片を載置する載置台と、試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、試験位置において圧子を試験片に押しつけることにより圧子に試験力を付与する負荷機構と、試験片の表面に形成された圧痕を観察するための対物レンズとを備え、試験片の表面に形成された圧痕のサイズに基づいて試験片の硬さを測定する構成となっている。

このような硬さ試験機においては、試験力の付与後に試験片の表面に形成された圧痕のサイズが過度に小さかった場合には、圧痕のサイズの測定を正確に実行することができず、硬さ試験の精度が低下するという問題がある、一方、試験力の付与後に試験片の表面に形成された圧痕のサイズが過度に大きかった場合には、圧痕が対物レンズの視野から外れることになり、圧痕のサイズを測定することができなくなる。従って、圧痕のサイズをその測定に適した大きさとするため、試験力の値を適切に選択する必要がある。

特許文献１には、圧子の押込深さを、試料を載置した基盤の影響が少ない深さに設定し、当該設定した深さまで圧子を押し込み、そのときの圧子に加えられている荷重と当該設定した深さとから試料の硬さを求める押込硬さ試験方法が開示されている。

特開平９−１２６９７５号公報

例えば、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｇ０５５９：２２０８「鋼の炎焼入及び高周波焼入硬化層深さ測定方法」においては、高周波焼入れ等による焼入硬化層深さを計測する場合について規定されている。この規定に則した検査においては、焼入れを行った後の試験片を硬化面に垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とし、この被検面に対して複数の位置で硬さ試験を実行している。

このように焼入れを実行した後の試験片においては、焼入れがなされた表面付近では試験片が硬く、また、試験片の内部になるほど試験片が柔らかくなる。このため、このような試験片に対して一定の試験力で試験片の表面側から内部に至る位置まで連続的に硬さ試験を行った場合には、試験位置が試験片の内部に移動するに従って圧痕のサイズが大きくなるという現象が生ずる。

代表的な硬さ試験であるビッカース硬さ試験においては、正四角錐の圧子を試験片に押し込み、それにより形成された圧痕の対角線長さの平均値を測定することにより試験片の硬さを測定している。この場合に、互いに隣接する圧痕間の距離が小さくなった場合には、それらが互いに影響する。このため、圧痕の中心間隔を圧痕の対角線長さの３倍以上とすることが要求されている。従って、圧痕のサイズが過度に大きくなった場合には、上記の条件が満たされないことになり、硬さ試験をやり直す必要が生ずる。

また、このようにサイズが異なる圧痕を、同一の倍率を有する対物レンズで測定した場合には、圧痕のサイズが小さかった場合には、圧痕のサイズの測定を正確に実行することができず硬さ試験の精度が低下し、一方、圧痕のサイズが大きかった場合には、圧痕が対物レンズの視野から外れて圧痕のサイズを測定することができなくなるという問題も生ずる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、試験位置に応じて試験力を適切に選択することにより、正確な硬さ試験を実行することが可能な硬さ試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片を載置する載置台と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、試験位置において前記圧子を前記試験片に押しつけることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を観察するための対物レンズと、を備えた硬さ試験機において、前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係を記憶する記憶部と、試験が実行される試験位置に基づいて前記記憶部に記憶された試験力を読み出し、前記負荷機構を制御することにより、読み出された試験力で前記圧子を前記試験片に押しつける制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、オペレータにより予め入力される。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、前記試験位置と前記試験片の硬さとの関係を示す関係式に基づいて決定される。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記試験片は、焼入れによる硬化層深さ測定がなされる鋼である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、前記焼入れがなされた鋼の表面からの距離と、その位置における前記鋼の硬さとの関係を示す硬さ推移曲線に基づいて決定される。

請求項１に記載の発明によれば、記憶部に記憶した試験位置と圧子に付与される試験力との関係に基づいて決定される試験力で圧子を試験片に押しつけることから、試験位置に応じた適切な試験力で硬さ試験を実行することができる。このため、圧痕の大きさを適切に維持して、硬度試験を正確に実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、オペレータが試験位置と圧子に付与されるべき適切な試験力との関係を設定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、試験位置と試験片の硬さとの関係を示す関係式に基づいて、試験位置と圧子に付与される試験力との関係を容易かつ適切に決定することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、鋼に対する焼入れによる硬化層深さ測定を正確に実行することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、焼入れがなされた鋼の表面からの距離とその位置における鋼の硬さとの関係を示す硬さ推移曲線に基づいて、試験位置と圧子に付与される試験力との関係を容易かつ適切に決定することが可能となる。

この発明に係る硬さ試験機の概要図である。 ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。 レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。 圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。 圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図である。 試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。 この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。 歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００に対して焼入れによる硬化層深さ測定を実行するために圧痕が形成された状態を示す概要図である。 図８の部分拡大図である。 硬さ推移曲線を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る硬さ試験機の概要図である。また、図２は、ＸＹステージ１２を昇降する昇降機構の概要図である。

この硬さ試験機は、テーブル１１と、このテーブル１１上に配置され試験片１００を載置する載置台としてのＸＹステージ１２とを備える。ＸＹステージ１２は、試験片１００をＸ方向（図１における左右方向）およびＹ方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動させるためのものである。このＸＹステージ１２には、試験片１００をＸ方向に移動させるためのモータ１３と、試験片１００をＹ方向に移動させるためのモータ１４とが付設されている。また、ＸＹステージ１２は、図２に示す昇降機構の作用により、上下方向（Ｚ方向）に昇降する構成となっている。すなわち、ＸＹステージ１２を支持する支持部５１は、その側面にラック５３が形成された昇降部材５２により支持されている。この昇降部材５２におけるラック５３は、モータ１５の駆動により回転するピニオン５４と噛合している。このため、ＸＹステージ１２は、モータ１５の駆動により昇降する。

また、この硬さ試験機は、試験片１００を目視により観察するための接眼レンズ１６と、試験片１００を撮影するためのカメラ１７と、圧子２１および対物レンズ２３、２４等を支持して回転するレボルバ２０とを備える。このレボルバ２０は、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く軸を中心に回転する。また、この硬さ試験機は、入力部および表示部としても機能するタッチパネル式の液晶表示部５９を備える。

図３は、レボルバ２０に支持された対物レンズ等の配置を示す説明図である。

レボルバ２０には、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００に押し込まれる一対の圧子１９、２１と、５倍の対物レンズ２２、１０倍の対物レンズ２３、４０倍の対物レンズ２４および１００倍の対物レンズ２５とが配設されている。これらの圧子１９、２１および対物レンズ２２、２３、２４、２５は、レボルバ２０の回転中心を中心とした円上に配置されている。なお、対物レンズ２２、２３、２４、２５の倍率および配設個数はこれに限定されるものではない。

再度、図１を参照して、この材料試験機は、試験片１００の表面の像を表示するためのＣＲＴ等の表示部５５と、各種のデータを入力するための入力手段として機能するキーボード５７およびマウス５８と、本体５６とから構成されるコンピュータ５０と接続されている。

図４は、圧子１９および圧子２１に対して試験力を付与するための負荷機構と、試験片１００に形成された圧痕を観察するための光学系の概要図である。なお、図４は、図３において一点鎖線で示す位置における断面を示している。

この硬さ試験機は、圧子１９、２１の先端を試験片１００に対して押し込むための試験力を圧子１９、２１に対して付与する負荷機構と、ＸＹステージ１２上に載置された試験片１００を照明するとともに圧痕を観察するための光学系とを備える。

図４に示すように、レボルバ２０は、軸筒２７がベアリング２９を介して回転軸２８に接続されており、つまみ２６を操作することにより、あるいは、後述するモータ３０の駆動により、鉛直方向を向く回転軸２８を中心に回転する。図４においては、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６を介して圧子２１に試験力が与えられる場合、すなわち、圧子２１が図１に示す試験片１００と対向する位置に配置されている場合を示している。圧子１９に対して試験力を付与する場合には、圧子１９が、図４に示す圧子２１の位置に配置される。

負荷機構は、水平方向を向く軸３１を中心に揺動可能なレバー３２を備える。レバー３２の一端には、中空の押圧部３５が配設されている。この押圧部３５は、レバー３２の揺動に伴って、圧子２１に連結した負荷伝達軸３６の端部に付設された当接部３７を押圧する構成となっている。また、レバー３２の他端には、永久磁石３３が付設されている。この永久磁石３３の外部には、電磁コイル３４が配設されている。この永久磁石３３と電磁コイル３４とにより、ボイスコイルモータが構成される。このボイスコイルモータは、電磁式の負荷機構となり、電磁コイル３４に流れる電流を制御することにより、負荷伝達軸３６の先端に配設された圧子２１による試験片１００への試験力を制御することが可能となる。

なお、この実施形態においては、この時の試験力を、例えば、２ｋｇｆ、１ｋｇｆ、０．５ｋｇｆ、０．３ｋｇｆ、０．２ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ、０．０５ｋｇｆ、０．０２５ｋｇｆ、０．０１ｋｇｆと、段階的に変化させることができる構成となっている。

負荷伝達軸３６は、上下の板バネ６１を支持部材６２を介してレボルバ２０の軸筒２７に固定したロバーバル構造により支持されており、負荷機構により与えられた試験力に応じて昇降可能となっている。負荷伝達軸３６には、この負荷伝達軸３６の移動量を検出する差動トランス式の変位検出器６０が接続されている。この変位検出器６０は、支持部材６３を介してレボルバ２０の軸筒２７に接続され、レボルバ２０の回転により負荷伝達軸３６と同期して移動する。なお、この変位検出器６０は、試験片１００の表面の検出に使用される。すなわち、圧子２１を極めて小さい力で下降させたときの移動量を常に検出し、圧子２１の移動が停止したときに圧子２１が試験片１００の表面と当接したと判断している。

光学系は、ＬＥＤ光源４１と、ＬＥＤ光源４１からの光を水平方向に導く光筒４２と、試験片１００を上から照明するために光筒４２により導かれた光を押圧部３５の中空部に導光するとともに、試験片１００の表面からの反射光をカメラ１７側に透過させるハーフミラー４３と、ハーフミラー４３を透過した試験片１００の表面からの反射光を接眼レンズ１６およびカメラ１７に分割するハーフミラー４４とを備える。対物レンズ２２が図４における負荷伝達軸３６の位置、すなわち試験片１００に形成された圧痕の観察位置に配置された場合には、試験片１００の表面からの反射光が、押圧部３５の中空部、対物レンズ２２、ハーフミラー４３、４４を介して、接眼レンズ１６およびカメラ１７に入射する。これにより、接眼レンズ１６により試験片１００の拡大像を観察することができるとともに、カメラ１７により撮影した拡大像をコンピュータ５０における表示部５５に表示することができる。その他の対物レンズ２３、２４、２５が圧痕の観察位置に配置された場合も、対物レンズ２２による場合と同様である。

図５は、圧子２１により試験片１００に圧痕を形成する様子を模式的に示す説明図であり、図６は、試験片１００に形成された圧痕を示す平面図である。

一対の圧子１９、２１のうち、圧子２１は、硬さ試験としてのビッカース硬さ試験を実行するためのものであり、その先端は四角錐形状となっている。この圧子２１は、図５に示すように、図４に示す負荷機構の作用により試験片１００の表面に深さｈだけ押し込まれる。そして、その試験力を解除し、図１に示すレボルバ２０を回転させて所望の倍率の対物レンズを試験片１００と対向するに移動させる。対物レンズ、カメラ１７を介して得られた試験片１００の表面に形成された圧痕（くぼみ）の画像から、圧痕の対角線長さｄ［ｄ＝（ｄｘ＋ｄｙ）／２］を測定する（図６参照）。ビッカース硬さは、試験力を、底面が正方形で頂点の角度が圧子２１と同じ角錐であると仮定したくぼみの表面積で割って得られる値に比例する。そして、圧痕の対角線長さｄ（ｍｍ：ミリメートル）から求められたくぼみの表面積と試験力から、ビッカース硬さが算出される。

ここで、試験力をＦ（Ｎ：ニュートン)とした場合に、ビッカース硬さＨＶは、下記の式（１）で表される。

ＨＶ ＝ ０．１８９１（Ｆ／ｄ^２ ） ・・・・・（１）
なお、一対の圧子１９、２１のうち、他方の圧子１９としては、例えば、ヌープ硬さ試験に使用される菱形のピラミッド型の圧子が使用される。

図７は、この発明に係る硬さ試験機の主要な制御系を示すブロック図である。

この硬さ試験機は、装置全体を制御する制御部８０を備える。この制御部８０は、上述したカメラ１７、液晶表示部５９、ＬＥＤ光源４１、変位検出器６０、電磁コイル３４、コンピュータ５０、レボルバ２０を回転させるためのモータ３０およびＸＹステージ１２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるためのモータ１３、１４、１５と接続されている。さらに、この制御部８０は、後述するように、試験位置と圧子２１に付与される試験力との関係を記憶する記憶部８１と接続されている。なお、この制御部８０を、硬さ試験機の装置本体内に配設する代わりに、この制御部８０をコンピュータ５０における本体５６内に配設してもよい。

次に、以上のような構成を有する硬さ試験機を使用して、硬さ試験を行う場合の動作について説明する。以下の実施形態においては、歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００に対して、焼入れによる硬化層深さ測定を実行する場合の硬さ試験の動作について説明する。

図８は、歯車の一部を構成する鋼製の試験片１００に対して焼入れによる硬化層深さ測定を実行するために圧痕が形成された状態を示す概要図である。また、図９は、図８の部分拡大図である。なお、これらの図に記載された正方形は、試験片１００に形成された圧痕を示している。

焼入れによる硬化層深さ測定を実行する場合においては、焼入れがなされた試験片１００を、その表面（硬化面）Ｓに垂直に切断し、切断面を研磨仕上げして被検面とする。そして、図９に示す距離Ｄ（例えば、１．５ｍｍ）の範囲内において、表面に垂直な一対の直線上に形成された圧痕に基づいて順次硬さを測定し、それらの硬さから硬さ推移曲線を作成する。ここで、９に示す各圧痕の表面Ｓからの距離の差異（Ｌ４−Ｌ３、Ｌ３−Ｌ２、Ｌ２−Ｌ１）は、０．１ｍｍ以下となっている。

このように焼入れがなされた試験片１００においては、焼入れがなされた表面Ｓ付近では試験片が硬く、また、試験片１００の内部になるほど試験片１００が柔らかくなる。このため、このような試験片１００に対して一定の試験力で試験片１００の表面Ｓ側から内部に至る位置まで連続的に硬さ試験を行った場合には、試験位置が試験片の内部に移動するに従って圧痕のサイズが大きくなるという現象が生ずる。このような現象が発生した場合には、上述したように、圧痕の中心間隔を圧痕の対角線長さの３倍以上とすることができず、また、圧痕が対物レンズの視野から外れてしまうという問題が生ずる。

このため、この発明に係る硬さ試験機においては、試験位置と圧子２１に付与される試験力との関係を記憶部８１に予め記憶しておき、制御部８０が、試験片１００に対して試験が実行される試験位置に基づいて、記憶部８１に記憶された試験力を読み出し、負荷機構を制御することにより、読み出された試験力で圧子２１を試験片１００に押しつける構成を採用している。

ここで、第１の実施形態においては、記憶部８１に記憶される試験位置と圧子２１に付与される試験力との関係は、オペレータにより予め入力される。すなわち、オペレータが硬さ試験を開始するに先立ち、試験位置に対して表面Ｓからの距離毎に、その位置における試験力を入力する。この場合においては、表面Ｓ付近の試験位置においては、大きな試験力が入力され、表面Ｓから離隔するほど小さな試験力が入力される。この入力は、例えば、コンピュータ５０におけるキーボード５７およびマウス５８を使用して実行される。これにより、記憶部８１に、試験位置と圧子２１に付与される試験力との関係が記憶されることになる。

硬さ試験を実行するときには、制御部８０がモータ１３、１４の回転を制御してＸＹステージ１２をＸ−Ｙ方向に移動させ、試験片１００における試験位置と圧子２１とが対向する位置に試験片１００を移動させる。そして、制御部８０がそのときの試験位置に基づいて、記憶部８１に記憶された試験力を読み出す。しかる後、制御部８０が負荷機構を制御することにより、読み出された試験力で圧子２１を試験片１００に押しつける。これにより、試験片１００に対して適切な大きさの圧痕を形成することが可能となる。

一方、第２の実施形態においては、記憶部８１に記憶される試験位置と圧子２１に付与される試験力との関係は、試験片１００の表面Ｓからの距離と、その位置における試験片１００の硬さとの関係を示す関係式である硬さ推移曲線に基づいて決定される。すなわち、同様の構成を有する複数の試験片１００に対して連続して硬さ試験を実行するときには、予め求められた硬さ推移曲線に基づいて、試験片１００の表面Ｓからの距離と、その位置における試験片１００の硬さとの関係を求めることが可能となる。

図１０は、硬さ推移曲線を示すグラフである。

この図において、縦軸はビッカース硬さＨＶを示し、横軸は試験片１００における表面（硬化面）Ｓからの距離（ｍｍ）を示している。この硬さ推移曲線は、図１０において黒四角で示す測定点に基づき、例えば、１から１０次の回帰曲線を選択して最小二乗近似により作成される。この硬さ推移曲線は、予め実験的に測定および作成され、記憶部８１に記憶されている。

この第２の実施形態において硬さ試験を実行する場合には、制御部８０がモータ１３、１４の回転を制御してＸＹステージ１２をＸ−Ｙ方向に移動させ、試験片１００における試験位置と圧子２１とが対向する位置に試験片１００を移動させる。そして、制御部８０がそのときの試験位置に基づいて、記憶部８１に記憶した硬さ推移曲線から、その位置における想定硬さを求める。さらに、上述した式（１）に、そのときの想定硬さと、この硬さ試験機において選択可能な試験力（２ｋｇｆ、１ｋｇｆ、０．５ｋｇｆ、０．３ｋｇｆ、０．２ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ、０．０５ｋｇｆ、０．０２５ｋｇｆ、０．０１ｋｇｆ）とを入力し、そのときの対角線長さｄを求める。そして、求められた対角線長さｄのうち、そのときに使用する対物レンズの視野の中に入る最大の対角線長さｄに対応する試験力を選択する。しかる後、このようにして求められた試験力により硬さ試験を実行する。

この第２の実施形態によれば、焼入れがなされた試験片１００の表面からの距離とその位置における試験片１００の硬さとの関係を示す硬さ推移曲線に基づいて試験力を決定することから、試験力の設定を容易かつ正確に実行することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、試験片１００として焼入れによる硬化層深さ測定がなされる鋼を使用し、試験片１００の表面からの距離とその位置における試験片１００の硬さとの関係に基づいて試験力を決定している。しかしながら、この発明は、このような態様に限定されるものではない。例えば、互いに異なる金属を溶接により接合した試験片に対して連続して硬さ試験を行う場合には、金属毎に硬さが異なり、また、特に溶接部分は金属部分より硬さが小さくなる。このような場合においても、この発明を適用することにより、圧痕の大きさを適切に維持して、硬度試験を正確に実行することが可能となる。

１１ テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ モータ
１４ モータ
１５ モータ
１６ 接眼レンズ
１７ カメラ
１８ 表示部
１９ 圧子
２０ レボルバ
２１ 圧子
２２ 対物レンズ
２３ 対物レンズ
２４ 対物レンズ
２５ 対物レンズ
２６ つまみ
２７ 軸筒
２８ 回転軸
２９ ベアリング
３０ モータ
３１ 軸
３２ レバー
３３ 永久磁石
３４ 電磁コイル
３５ 押圧部
３６ 負荷伝達軸
３８ ネジ
４１ ＬＥＤ光源
４２ 光筒
４３ ハーフミラー
４４ ハーフミラー
５０ コンピュータ
５３ ラック
５４ ピニオン
５５ 表示部
５６ 本体
５７ キーボード
５８ マウス
５９ 液晶表示部
６０ 変位検出器
６１ 板バネ
６２ 支持部材
６３ 支持部材
１００ 試験片

Claims (5)

1. 試験片を載置する載置台と、前記試験片の表面に圧痕を形成するための圧子と、試験位置において前記圧子を前記試験片に押しつけることにより前記圧子に試験力を付与する負荷機構と、前記試験片の表面に形成された圧痕を観察するための対物レンズと、を備えた硬さ試験機において、
   前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係を記憶する記憶部と、
   試験が実行される試験位置に基づいて前記記憶部に記憶された試験力を読み出し、前記負荷機構を制御することにより、読み出された試験力で前記圧子を前記試験片に押しつける制御部と、
   を備えたことを特徴とする硬さ試験機
2. 請求項１に記載の硬さ試験機において、
   前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、オペレータにより予め入力される硬さ試験機。
3. 請求項１に記載の硬さ試験機において、
   前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、前記試験位置と前記試験片の硬さとの関係を示す関係式に基づいて決定される硬さ試験機。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の硬さ試験機において、
   前記試験片は、焼入れによる硬化層深さ測定がなされる鋼である硬さ試験機。
5. 請求項４に記載の硬さ試験機において、
   前記記憶部に記憶される前記試験位置と前記圧子に付与される試験力との関係は、前記焼入れがなされた鋼の表面からの距離と、その位置における前記鋼の硬さとの関係を示す硬さ推移曲線に基づいて決定される硬さ試験機。
   

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