[경도] 탄소강과 비철금속의 경도 측정 방법 알아보기

경도 측정 방법

경도 측정 방법에는 압입경도 측정, 긋기경도 측정, 반발경도 측정 등이 있습니다.

경도 측정은 일반적으로 경화강, 탄화재질 또는 다이아몬드와 같이 질긴 재료로 만든 압자를 사용합니다. 이 압자를 제품의 표면에 특정한 힘으로 누릅니다. 경도값은 압자가 얼마나 깊이 표면을 눌렀는지 또는 표면에 발생된 압흔이 더 작은지를 통해 단단함을 나타냅니다.

경도 측정 방법의 예는 다음과 같습니다.

대면각이 136˚인 다이아몬드로 만든 사각추의 압자를 시험면에 눌러 주어 시험면에 생긴 피라미드 모양의 오목 부분의 대각선을 측정하면 표를 통해 경도를 구할 수 있습니다.

지름이 D mm인 강구(鋼球)를 재료에 일정한 압력으로 누르고, 이때 생기는 우묵한 자국의 크기로 경도를 나타내는 브리넬 경도.

경도 측정 방법에는 긁힘에 의한 경도 측정 방법도 있습니다. 이 방법은 알려진 광물의 경도를 표준시료와 비교하여 경도가 높은 광물이 경도가 작은 광물을 긁는 성질을 바탕으로 합니다.

탄소강과 비철금속의 경도 측정 방법

탄소강과 비철금속의 경도 측정 방법은 다음과 같습니다.

압입자를 이용한 방법: 브리넬 경도, 로크웰경도, 비커스경도, 마이어경도
반발을 이용한 방법: 쇼어경도
펜듀럼 장치를 이용한 방법: 허버트 펜듈럼경도
스크렛치(scratch)를 이용한 방법: 마텐스경도

탄소강은 다른 유형의 철강에 비해 탄소 함량이 높기 때문에 매우 단단합니다. 탄소는 강의 함유 원소 중 성질을 가장 크게 변화시킵니다. 탄소의 함유량이 많을수록 탄소강의 성질은 강해집니다.

비철금속에는 알루미늄, 동, 니켈합금 등이 있습니다.

브리넬 경도

브리넬 경도(Brinell hardness)는 1900년 브리넬이 발표한 경도계입니다. 브리넬 경도는 지름이 D mm인 강구를 재료에 일정한 압력으로 누르고, 이때 생기는 우묵한 자국의 크기로 경도를 나타냅니다.

브리넬 경도는 일반적으로 주물, 합금, 단조 부품과 같이 입자 크기가 크거나 시험 표면이 거칠거나 균일하지 않은 재료에 사용됩니다.

브리넬 경도는 다음과 같이 계산합니다.

시험 하중을 자국의 표면적으로 나눈 값
강구를 시험편에 압입하였을 때의 시험 하중을 자국의 표면적으로 나눈 값
강구 누르개를 사용하여, 시험면에 구형 오목부를 만들었을 때 의 하중을 영구 변형된 오목부의 지름으로부터 구해진 표면적으로 나눈 값

브리넬 경도 시험 장치에는 압자(Indenter)라는 것이 있으며 브리넬 경도시험기의 경우 이 압자는 탄화 텅스텐(Tungsten Carbide) 재질로 만들어집니다.

로크웰 경도

로크웰 경도(Rockwell Hardness)는 시료에 강구를 통해 일정한 기준의 하중을 가한 다음 이를 복원 시키면서 얻어지는 경도 측정방법입니다.

로크웰 경도 시험기는 원뿔 모양의 다이아몬드를 이용하여 시험할 재료를 압입합니다. 예하중 적용이 끝나면 정해진 일정에 따라 주하중을 정확하게 적용합니다. 그런 다음 주하중이 제거되면 원뿔이 재료를 관통한 깊이의 차를 측정하고 경도값을 계산합니다.

로크웰 경도에는 B스케일과 C스케일이 있습니다. B스케일은 100kgf의 하중에서 1.588mm의 강구를, C스케일에서는 120도의 원뿔 및 선단 반지름은 0.2mm의 다이아몬드 압자를 사용합니다.

로크웰 경도 시험기는 연질 및 경질 재료의 금속에 폭넓게 사용되며 작동이 간편하며, 고정도를 유지하는 시험기입니다.

비커스 경도

비커스 경도(Vickers hardness)는 대면각이 136°인 다이아몬드의 사각뿔을 눌러서 생긴 자국의 표면적으로 경도를 나타내는 것입니다.
비커스 경도는 누르는 하중을 P kg, 표면적을 S mm2라고 하면 HV>=P /S로 표시됩니다.

비커스 경도 계산은 가해진 시험 하중(뉴턴 N으로 표시한 F)의 몫과 시편의 잔류 압입의 표면적에서 결과를 얻습니다. 잔류 피라미드형 압흔의 표면적을 계산하기 위해서는 2개의 대각선 d1과 d2(단위: mm)의 평균을 사용합니다.

비커스 경도계는 다양한 금속, 특히 소형 열처리 부품에 폭넓게 적용할 수 있습니다.

마이어 경도

마이어 경도는 압입자를 강구로 사용했을 때 압흔 지름으로 산출된 자국의 투영 면적으로 하중을 나눈 값인 평균 압력을 말합니다. 마이어 경도 시험은 낙하 물체의 충격에 의한 시험편 표면의 반발로 튀어 오르는 높이 정도를 측정하는 반발 경도 시험입니다.

마이어 경도 시험의 경도 값은 마이어의 법칙에 따라 브리넬 경도 값으로 변환될 수 있으며 그 반대도 가능합니다.

마이어 경도 시험은 꼭지각 90˚ 인 다이아몬드 원추로 시편을 긁는 방식입니다.

쇼어 경도

쇼어 경도(Shore hardness)는 1906년 A.F.Shore가 퀜칭처리한 강에 대해 브리넬구가 스트레인을 일으킨다는 것을 알게 되어 충격법으로 경도를 규정할 것을 제한한 것입니다.

쇼어 경도 시험은 일정한 높이에서 시험편에 해머를 수직으로 낙하 충동시켜 그 반발높이를 기준으로 하여 경도값을 나타냅니다. 쇼어 경도 측정기(Model D)는 낙하용 해머와 0 ~ 140까지 눈금이 매겨져있는 눈금자가 부착된 해머 이송용 수직통, 마이아몬드 부착된 해머를 특정 높이에서 낙하시킬 수 있는 장치 등으로 구성되어 있습니다.

쇼어 경도 시험에서 압흔 깊이는 재료/시편을 압입하기 위해 초경합금으로 만든 스프링을 장착한 압자를 이용하여 측정합니다. 압흔 깊이는 0쇼어(압흔 깊이 2.5mm)부터 100쇼어(압흔 깊이 0mm)의 척도로 측정됩니다.

쇼어 경도는 간단한 장비로도 빠르게 경도를 측정할 수 있습니다. 경도계 A Type은 수지, 비닐, 고무, 가죽, PVC, 실리콘, 테프론, 네오프린 등의 탄성물질을 측정할 수 있습니다.

허버트 펜듈럼 경도

허버트 펜듈럼 경도(Herbert pendulum hardness)는 진동하는 펜듈럼의 진폭 또는 10회 진동하는 데 걸리는 시간을 기준으로 경도를 측정하는 방식입니다.

허버트 경도 시험은 진자에 부착된 레벨 게이지를 이용하여 진자의 스윙을 측정합니다. 진자의 왕복 운동에 의한 시험편 표면 마찰로 진동 횟수가 변함으로써 경도 값을 측정합니다.

허버트 펜듈럼은 금속의 경도를 측정하는 데 사용됩니다.

마텐스 경도

마텐스경도(Martens Hardness)는 긁힘 경도 시험의 하나로, 일정한 폭의 흠을 내는데 필요한 하중의 크기를 나타냅니다. 꼭지각이 90도인 원추형의 다이아몬드 첨단을 잘 연마된 시험편 표면에 0.01mm 폭의 긋기 흠집을 내는 방식으로 측정합니다.

마텐스경도는 1900년 경 마르텐스(Martens)가 제안한 경도 시험의 정의에 따라 결정됩니다. 경도 시험의 정의는 “경도는 물체가 다른 (더 단단한) 물체의 압흔에 저항하는 힘”입니다.

마무리

탄소강과 비철금속의 경도 측정 시 주로 사용하는 도구가 다릅니다.

탄소강의 경우, 주로 로크웰 경도 측정 방법을 사용하며, 비철금속의 경우 브리넬 경도 측정 방법이 일반적으로 사용되곤 합니다.

이처럼, 각각의 재료에 따라 적합한 경도 측정 방법이 다르기 때문에 재료의 특성을 정확히 파악하고 적절한 측정 방법을 선택하는 것이 중요합니다. 이러한 측정 결과를 통해 재료의 품질이나 가공성, 내구성 등을 예측할 수 있습니다.

이외에도 여러가지 경도 측정 방법들이 있지만, 이들은 각각 재료의 성질이나 가공 조건에 따라 선택되며, 각각의 방법들은 서로 다른 장단점을 가지고 있습니다. 따라서 적절한 측정 방법의 선택은 매우 중요한 과정입니다.

마지막으로, 경도 측정은 재료의 내구성이나 가공성, 품질 등을 판단하는 데 중요한 역할을 하므로, 정확한 측정 방법의 선택과 측정 과정의 정밀성이 요구됩니다. 이점을 유념하시면 좋겠습니다.

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