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世界をリードするマイクロメカニカルテスター

は、今や世界有数の

マイクロメカニカルテスト

作成者

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD.

はじめに

標準的なビッカース硬度計は、10~2000gfの荷重レンジで使用可能です。標準的なビッカース硬度計は、1~50Kgfの荷重をかけます。これらの測定器は、荷重範囲が非常に限定されているだけでなく、粗い表面や低荷重を扱う場合、圧痕が小さすぎて目視で測定することができないため、不正確な測定となってしまいます。これらの制限は旧来の技術に内在するものであり、その結果、より高い精度と性能をもたらす機器付き圧痕が標準的な選択肢となりつつあります。

ナノベアのマイクロ機械試験システムは、深さ対荷重のデータからビッカース硬度を自動計算し、1つのモジュールで最も広い荷重範囲(0.3g~2Kgまたは6g~40Kg)を実現します。深さ対荷重曲線から硬さを測定するため、ナノベアマイクロモジュールは、非常に弾性の高い材料を含むあらゆる種類の材料を測定することができます。また、ビッカース硬度だけでなく、正確な弾性率やクリープデータ、さらにはスクラッチ付着試験、摩耗試験、疲労試験、降伏強度、破壊靭性など、あらゆる品質管理データを提供することが可能です。

は、現在、世界有数のマイクロメカニカルテスト

このアプリケーションノートでは、マイクロモジュールがどのように設計され、世界有数の計装化された圧痕とスクラッチテストを提供するのかについて説明します。マイクロモジュールの広範な試験能力は、多くのアプリケーションに理想的です。例えば、この荷重レンジにより、薄い硬質皮膜の硬度と弾性率を正確に測定することができ、さらに、同じ皮膜の接着性を測定するために、より高い荷重を加えることができます。

測定目的

マイクロモジュールの容量は、以下のように表示されます。 ナノビア CB500 メカニカルテスター による
0.03〜200Nの広い荷重範囲で、圧痕試験とスクラッチ試験を優れた精度と信頼性で実現します。

ナノビア

CB500

試験条件

ビッカース圧子を用いて、標準的な鋼鉄試料に一連の(3×4、合計12個の)微小圧痕を形成しました。荷重と深さは、圧痕試験サイクル全体について測定・記録されました。0.03 N~200 N(0.0031~20.4 kgf)の範囲で異なる最大荷重で圧痕を形成し、異なる荷重で正確な圧痕試験を実施するマイクロモジュールの能力を紹介しました。オプションで20Nのロードセルも用意されており、0.3gfから2kgfまでの低荷重域の試験で10倍以上の分解能が得られることも特筆に値します。

マイクロモジュールを用いて、先端半径500μmと20μmの円錐球状ダイヤモンドスタイラスを用いて、それぞれ0.01Nから200Nまで、0.01Nから0.5Nまで直線的に負荷を増加させたスクラッチテストを2回実施した。

トゥエンティ マイクロインデンテーション を4Nで実施し、従来のビッカース硬さ試験機と比較し、マイクロモジュールの優れた再現性を示しました。

*鋼鉄サンプルにマイクロインデンターを使用

テストパラメーター

インデントマッピングの

地図作成。 3 BY 4 INDENTS

結果および考察

Zモーター、高荷重ロードセル、高精度静電容量式デプスセンサーを組み合わせたユニークなマイクロモジュールです。独立したデプスセンサーとロードセンサーを独自に活用することで、あらゆる条件下で高精度を実現します。

従来のビッカース硬度試験では、ダイヤモンドを使用した四角錐の圧子先端で四角い圧痕を作ります。その対角線の平均長さdを測定することで、ビッカース硬度を算出することができます。

それに比べて、今回使用した機器付き圧子技術は ナノビアマイクロモジュールは、圧痕の荷重と変位を測定し、機械的特性を直接測定します。圧痕の目視は必要ありません。このため、圧痕のd値を決定する際のユーザーやコンピュータの画像処理による誤差を排除することができます。0.3nmという非常に低いノイズレベルの高精度コンデンサデプスセンサーは、従来のビッカース硬度計では顕微鏡での目視測定が困難、あるいは不可能な圧痕の深さを正確に測定することが可能です。

また、他社が採用しているカンチレバー方式は、バネでカンチレバービームに通常荷重をかけ、その荷重が圧子にかかるというもの。このため、高荷重をかけた場合、カンチレバービームの構造剛性が不足し、カンチレバービームの変形や圧子の位置ズレを引き起こすという欠点があった。一方、マイクロモジュールは、ロードセルと圧子に作用するZモーターを介して通常の荷重をかけ、その後、直接荷重をかけることができる。すべてのエレメントが垂直方向に配置されているため、最大限の剛性が得られ、全荷重範囲において再現性のある正確な圧痕と傷の測定が可能になります。

新型マイクロモジュールのクローズアップ写真

0.03~200nの刻み目

図1に圧痕マップの画像を表示した。10N以上では隣り合う2つの圧痕の距離は0.5mm、それ以下の負荷では0.25mmとなっています。試料ステージの高精度な位置制御により、機械的特性マッピングの目標位置を選択することができます。マイクロモジュールの構成部品の垂直配列による優れた剛性により、ビッカース圧子は、最大200N(オプションで400N)の荷重で鋼鉄サンプルに貫入する際、完全な垂直姿勢を維持します。これにより、試料表面には、異なる荷重で対称な四角形の印象が形成されます。

図2に示すように、顕微鏡下で異なる荷重における個々の圧痕を2つの傷とともに表示し、広い荷重範囲において圧痕試験と傷試験の両方を高い精度で実行できる新しいマイクロモジュールの能力を示しています。法線荷重とスクラッチ長さのプロットに示すように、円錐球状ダイヤモンドスタイラスがスチール試料面上を滑走すると、法線荷重は直線的に増加します。幅と深さが徐々に増加する滑らかな直線状のスクラッチ軌跡が形成されます。

図1: インデントマップ

マイクロモジュールを用いて、先端半径500μmと20μmの円錐球状ダイヤモンドスタイラスを用いて、それぞれ0.01Nから200Nまで、0.01Nから0.5Nまで直線的に負荷を増加させたスクラッチテストを2回実施した。

標準鋼材に対して4Nで20回のマイクロインデンテーション試験を実施し、従来のビッカース硬度計とは対照的に、マイクロモジュールの優れた再現性を示しました。

a: 顕微鏡下での圧痕と傷(360倍)

b: 顕微鏡下での圧痕と傷(3000倍)

図2: 最大荷重を変化させたときの荷重-変位プロット。

異なる最大荷重での圧痕中の荷重-変位曲線を以下に示す。 図3. 図4は、硬度と弾性率をまとめたもので、比較しています。鋼材は、0.03〜200N(0.003〜400Nの範囲)の試験荷重において一定の弾性率を示し、その平均値は〜211GPaとなりました。硬度は、100N以上の最大荷重で測定した場合、〜6.5GPaの比較的一定の値を示し、荷重が2〜10Nの範囲に減少すると、〜9GPaの平均硬度が測定される。

図3: 最大荷重を変化させたときの荷重-変位プロット。

図4: 最大荷重を変えて測定した鋼材サンプルの硬度とヤング率。

0.03~200nの刻み目

最大荷重4Nで20回のマイクロインデンテーションテストを実施した。荷重-変位曲線は次のように表示されます。 図5 に,得られたビッカース硬度およびヤング率を示す。 図6.

図5: 4Nでのマイクロインデンテーション試験の荷重-変位曲線。

図6: 4Nで20回微小圧痕を加えたときのビッカース硬度とヤング率。

荷重-変位曲線は、新型マイクロモジュールの優れた再現性を示しています。標準鋼材のビッカース硬度は、従来のビッカース硬度計で測定した817±18HVに対して、新型マイクロモジュールでは842±11HVとなった。硬さ測定の標準偏差が小さいため、工業分野と学術研究の両方で、材料の研究開発と品質管理における機械的特性の信頼性と再現性を確保することができます。

また,荷重-変位曲線からヤング率208±5GPaを算出した。これは,従来のビッカース硬度計では圧痕中の深さ測定ができないため,得られなかった値である。荷重が減少し、圧痕の大きさが小さくなるにつれて ナノビア マイクロモジュールは、ビッカース硬度計と比較して再現性の面で優れており、目視での圧痕測定が不可能になるまでの間、その優位性を発揮します。

また、ビッカース硬度計の標準的な顕微鏡では観察が困難な粗い試料を扱う場合にも、深さを測定して硬さを計算する利点があります。

まとめ

本研究では、世界をリードする新しいナノベアマイクロモジュール(200 Nレンジ)が、0.03~200 N(3 gf~20.4 kgf)の広い荷重範囲で、比類ない再現性と精度で圧痕およびスクラッチ測定を行うことを示しました。オプションの低レンジマイクロモジュールは、0.003~20N(0.3gf~2kgf)の試験を行うことができます。Zモーター、高荷重ロードセル、デプスセンサーを独自の垂直配置にすることで、測定中の構造的剛性を最大限に高めています。異なる荷重で測定された圧痕は、すべて試料表面で対称的な四角形の形状を有しています。最大荷重200Nのスクラッチテストでは、幅と深さが徐々に増加する直線的なスクラッチトラックが形成されます。

新しいマイクロモジュールは、PB1000(150 x 200 mm)またはCB500(100 x 50 mm)のメカニカルベース上にzモーターライズ(50 mmレンジ)で構成することが可能です。強力なカメラシステム(位置精度0.2ミクロン)と組み合わせることで、市場で最高の自動化およびマッピング機能を提供します。また、NANOVEAは、荷重の全範囲にわたって1回の圧痕を行うことにより、ビッカース圧子の検証および校正を可能にする独自の特許機能(EP番号30761530)を提供します。これに対し、標準的なビッカース硬度計では、1つの荷重での校正しか行えません。

さらに、NANOVEA ソフトウェアは、必要に応じて、従来の圧痕の対角線を測定する方法でビッカース硬度を測定することができます(ASTM E92 および E384用)。本書で示すように、ナノベアマイクロモジュールによる深さ対荷重硬さ試験(ASTM E2546およびISO 14577)は、従来の硬さ試験機と比較して正確で再現性の高いものとなっています。特に、顕微鏡で観察・測定できないようなサンプルについては、その威力を発揮します。

結論として、マイクロモジュールの高い精度と再現性、幅広い荷重と試験、高い自動化、マッピングオプションは、従来のビッカース硬度計を時代遅れなものにしています。しかし、現在も提供されているスクラッチ試験機やマイクロスクラッチ試験機も同様に、1980年代に設計された欠陥のある試験機です。

この技術の継続的な開発・改良により、ナノベアはマイクロメカニカルテストの世界的リーダーとなっています。

さて、次はアプリケーションについてです。