セラミックの硬度は、先進セラミックスを際立たせる材料特性の一つです。ファインセラミックスの高い性能は、一般的にその硬度データに起因しています。硬度が高いほど、ボディーアモルファス、切削工具、ポンプ部品、バルブ、自動車部品など、より優れた性能を発揮します。したがって、剛性を理解することは、機能性を評価する上で非常に重要です。

材料の硬さ：概要

硬度は、応力を受けた材料の挙動を物語る材料特性です。これまでに、一般的な材料の硬度について結論を出すために、数多くの研究が行われてきました。そのような基準の一つが、 モース硬度 規模。

モース硬度スケールについて知っておくべきこと

モース硬度スケールは、様々な物質の硬さや耐傷性に関する情報を提供します。これは、一般的な物質のほとんどがリストアップされた大規模なランキングシステムです。硬度データは1から10のスケールで定義されています。モース硬度スケールは、地質学者が最適な物質を絞り込むのに役立ちます。

モース硬度の読み方

モース硬度の読み方は比較的簡単です。上の図を見ると、最も硬い物質はダイヤモンドです。窒化ホウ素などの工業用セラミックの硬度は10で、これはダイヤモンドに相当します。タングステンカーバイドとチタンカーバイドの硬度も、グラフに示されているように、ほぼ同じスケールにあります。

セラミックの硬度と鋼の硬度

モース硬度スケールのその他の重要なポイントは、鋼の硬度データとセラミックとの比較です。硬化鋼のモース硬度スケールの範囲は7～8です。シリコンや炭化ホウ素などのセラミックのモース硬度は、硬化鋼よりも優れています。通常の鋼は硬度範囲が4～5とはるかに劣り、歯のエナメル質よりもさらに低くなります。

磁器はモース硬度スケールのどこに位置するのでしょうか?

磁器は、半透明で微細な粒子からなるセラミック素材の一種です。カオリン、石英、長石、雲母などの原料が、磁器をより硬くしています。これらの材料を高温で処理することで、一般的に中国陶土として知られる磁器が形成されます。

上に示したモース硬度スケールを見ると、磁器セラミックの範囲は約7です。この素材は、通常の鋼と比較して耐摩耗性に優れています。モース硬度スケールにおける硬度は、石英の硬度に相当します。

セラミックの硬度試験の重要性

セラミックの硬度は、セラミックの塑性変形に対する抵抗力を指します。しかし、硬度は機械的強度を測る唯一の要素ではないことは明らかです。硬度に加えて、靭性や耐摩耗性といった特性も、特定のセラミックをより深く理解するのに役立ちます。

セラミックの硬度に関する考え方は、特定のセラミックの適用分野における適用性を定義する上で非常に重要です。今日の多くの要求では、最低限必要な硬度が規定されています。例えば、外科用インプラントでは、約9.8Nの荷重に対して約11.8GPaのジルコニア硬度が求められます。

上記は、様々な工業用セラミックとその硬度値を簡単に比較した表です。モース硬度のデータと同様に、利用可能なすべてのセラミックの中で、炭化ホウ素が最も高い硬度を示し、次いで炭化ケイ素が続きます。

セラミック材料の硬度をテストするにはどうすればいいですか?

セラミック材料の硬度は、選択されたセラミックの固有の特性に依存します。これらの特性には、セラミックの組成、粒子の大きさ、多孔度、粒界における相転移などが含まれます。セラミックの硬度試験は、用途に応じてセラミック材料の特性を評価するのに役立ちます。では、世界中で実施されている様々なセラミック硬度試験について詳しく見ていきましょう。

インデンテーションテスト

インデンテーション法は比較的単純で分かりやすく、セラミック材料の表面に圧子を押し当て、形成された圧痕を測定し、計算された荷重を材料に加えることで圧痕を形成します。この荷重データと変形量から、セラミックの硬度を測定できます。

試験に使用される圧子は、様々なサイズと形状があります。参考までに、いくつかの形状を以下に示します。圧子のサイズは、試験対象となるセラミックの種類と特性に応じて、ナノ、マイクロ、マクロと様々です。セラミックの硬度試験の一般的な考え方は、材料が硬いほど、形成される圧痕は小さくなるというものです。

圧痕試験には、ビッカース法、ベルコビッチ法、ヌープ法、ブリネル法、ロックウェル法など、いくつかの種類があります。これらの試験は静的であり、所定の荷重を用いて圧痕を形成します。世界中で行われているセラミック硬度試験のほとんどは、ビッカース法、ヌープ法、ベルコビッチ法に基づいています。ロックウェル法とブリネル法は、セラミック硬度試験ではあまり考慮されていません。

ビッカース硬度試験

世界中のエンジニアリングおよび特性評価の約60 %は、ビッカース硬さ試験に従っています。ビッカース硬さ試験では、C1327規格で推奨されているように、通常9.8Nの範囲の荷重を使用します。セラミックの性質によっては、98Nを使用する場合もあります。測定には、ダイヤモンド製の圧子をセラミックに押し付けます。

ビッカース硬さ試験に使用する圧子は、四角錐です。圧子の対向面間の角度は136度に保たれます。加えられる力は約100kgfで、試験時間は約10～15秒です。形成された圧痕を測定し、以下の式を用いてセラミックの硬度を求めます。

H =1.8544Pd2

だった、

Hはビッカースセラミック硬度である

PはKgf単位で強制的に適用される

dはインデントの対角距離である

上の画像は、EV で使用されるシリコン窒化物ボールベアリングのビッカース圧痕を示しています。

ビッカース硬度試験の欠点

ビッカース硬さ試験にはいくつかの欠点があります。圧痕サイズが小さい場合、測定が困難になるため、誤った測定値が出ることがあります。また、非常に高い荷重がかかると、ビッカース硬さ試験では割れや剥離といった一般的な問題も発生します。しかし、これらの欠点を除けば、この試験はあらゆる先端セラミックの特性評価において、規格に沿って確実に推奨されます。

セラミック硬度のヌープ試験

セラミック材料の硬度を測定するヌープ試験では、菱形の圧子を使用します。この圧子はダイヤモンド製で、基本的には長いピラミッドに似ています。ヌープ試験は、脆性材料や薄板の微小硬度を測定するために使用されます。この手法はASTM E-34規格で推奨されています。

ヌープ試験における圧子は、対向面間の角度が172度です。これは、ヌープセラミック硬度試験中に形成された基本的な圧痕の画像です。ビッカース試験に対するヌープ試験の大きな利点の一つは、長い圧子の機能性にあります。長い圧子は、試験中のセラミックの割れを防ぎます。

ヌープ試験によって生じる圧痕の深さは、通常、顕微鏡を用いて測定されます。圧痕は、ビッカース圧痕と比較して、基本的に2.8倍長く浅くなります。ヌープセラミック硬度の計算式は以下のとおりです。

HK= PCpL2

だった、

Pは負荷を表す

Cpは圧子の補正係数です。一般的に使用される値は0.070279程度です。

Lはくぼみの対角線の長さです

ヌープ硬度試験の欠点

理論的には、長い圧痕はヌープ試験の測定を容易にするはずです。しかし、先端が先細りになっていることによる不確かさが試験を困難にしています。ヌープセラミック硬度試験における先端の不確かさの値は、0.5～1mm程度です。測定値に影響を与えるもう一つの要因は、圧痕測定に使用する市販の顕微鏡の分解能です。

セラミック硬度のロックウェル試験

ロックウェル試験では、約150kgfの所定の荷重を使用します。ダイヤモンドまたはタングステンカーバイド製の圧子を使用します。圧子は球形です。圧痕が形成された後、その深さと基準点を比較することで硬度値を算出します。ASTM E-18は、ロックウェル試験の一般的な実施基準です。

ロックウェルセラミック硬さ試験は、他の試験と比較して実施が容易で、比較的正確です。まず、ボールインデンターを用いて予荷重を加えます。予荷重が表面仕上げを突き破った後、生じた圧痕を測定します。

セラミック材料の硬度を測定するベルコビッチ試験

ベルコビッチ試験は、鋭い先端を持つ平らなピラミッドを用いて、主にナノスケールの材料の硬度を測定します。ベルコビッチ試験を行うには、セラミックの厚さは最低100mm必要です。ベルコビッチ試験は通常、小規模な研究に用いられ、より高い精度が得られます。セラミック硬度のベルコビッチ試験で使用される圧子の角度は115度です。

以下は、Berkovich インデンターの代表的な画像です。

 ベルコビッチ試験によるセラミック硬度の測定式は次のとおりです。

H=1569.7 P d2

どこ、

Pは試験力（kgf）を表します。

Dは、くぼみの対角線の長さ（マイクロメートル単位）です。

結論

セラミック材料の硬度を知ることは、様々な状況下におけるセラミックの機能性を評価する上で重要です。ビッカース、ヌープ、ロックウェルといった試験方法は長年にわたり成功を収めてきました。規格で定められているように、有益なデータを得るには、適切な材料に対して適切な試験を実施する必要があります。