[스크랩] 경도 측정기의 종류와 측정방법 장단점정리

반적인 경도에 대한 개념은 무르다. 딱딱하다라는 경험에 바탕을 둔 것으로서 가장 일반적인 정의는 ‘압입에 대한 저항’으로 표현되나 정확한 것은 아니다 그 이유는 경도는 재료의 물리적 성질에 직접 연관이 되는 물리상수가 아니라 인위적으로 정한 공업상수이기 때문이다.

경도시험은 재료의 경도값을 알고자 하거나 경도값으로부터 강도를 추정하고 싶은 경우 또는 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리상태를 비교하고 싶은 경우에 행하기도 한다.

단순하게 재료이 경도값을 알고자 하는 경우에는 별 문제가 없으며 적절한 시험방법을 선택하면 된다.

그러나 경도값으로부터 강도를 추정하는 경우에는 그 근본목적이 강도의 추정이 침탄처리 등의 표면처리된 시편이나 가공경화가 많이 일어나는 재료에 있어서 가공에 의한 표면경화가 나타난 시편은 경도값으로부터 강도를 추정할 수 없는 것이다.

또한 경도값으로부터 시편의 가공상태나 열처리 상태등을 알고자 하는 경우에는 그에 따라 적절한 경도측정방법이나 순서를 결정해야 한다.

이러한 경우에는 대개 압입자를 바꾸거나 하중을 바꾸어서 2회이상 경도값을 측정해야 정확한 데이터를 얻을수 있다.

경도 시험방법은 매우 다양하며 여기에서는 가장 많이 사용되고 있는 몇가지 방법에 대해 특징만을 골라 간략하게 소개하고자 한다.

 

(1) 브리넬 경도 시험 방법
구형의 압입자를 일정한 하중으로 시편에 압입하므로써 경도값을 측정하는 방법이다. 이 방법은 압입자의 크기뿐만 아니라 통상 시험 하중도 다른 경도 시험법에 비해 크기 때문에 얇은 부품, 특히 표면만의 경도를 알고자 하는 경우에는 적합지 않으며 주물제품 등 비교적 불균일하고 현상이 큰 재료의 경도 측정에 주로 사용된다. 아래의 그림은 브리넬 경도계이다.

 

이 시험법은 여타의 압입 경도시험과 마찬기지로 부하속도(그림11)와 하중유지시간(그림12)에 따라 경도값이 달라지게 되므로 이를 고려해야 한다.

 

특히 하중 유지시간의 경우에는 그 변화에 따라 경도값도 많이 달라지므로 대체로 10~15초를 그 표준조건으로 잡고 있다. 또한 시편 표면의 압입자국을 정확하게 측정하기 위해서는 경도시험의 전과정으로서 반드시 마무리 작업을 거쳐야 한다.
브리넬 경도시험(BRNELL HARDNESS TESTER)은 지름이 D mm인 강구(鋼球) 압자를 재료에 일정한 시험하중으로 시편에 압연시켜 시험기로서 P kg으로 눌렀을 때 지름이D mm이고, 깊이가 h mm인 우묵한 자국이 생겼다고 하면, 브리넬 경도 HB는 HB=P/πDh로 표시된다. 
               

  (2) 로크웰 경도 시험방법
경도측정에 널리 쓰이는 또다른 방법은 로크웰 경도계를 이용하는 것이다.
이 방법은 브리넬 경도계와 몇가지 다른점이 있으며 주로 두 단계로 그 측정이 이루어진다. 첫 단계에서 압입자에 미리 10㎏의 초하중(primary load)을 걸어주어 시편에 접촉시켜 표면상에 존재할지도 모를 결함에 의한 영향을 없앤다.

두번째 단계에서 압입자에 주하중(major load)을 더 걸어주어 압입자국이 더 깊어지게 한다. 그 후 주하중을 제거하고 초하중과 주하중에 의한 압입자국 길이의 차이로써 경도를 평가한다.

압입 깊이의 차이가 자동적으로 다이알 게이지에 나타나 금속의 경도를 표시한다. 로크웰 경도 측정에서 하중은 추에 의해서 부가되며 다이알 게에지로부터 직접 경도값을 읽을수 있다.

여러 하중 조건에 따라 각기 다른 종류의 압입자가 사용되므로 넓은 범위의 경도갑이 정확하게 측정된다. 이 시험법은 브리넬 경도 시험법보다 압입자국을 적게 내며 따라서 더얇은 시편을 측정할 수 있다.

그러나 그만큼 시편의 표면은 브리넬의 경우보다 더 평평해야 정확한 값을 갖는다. <그림13>은 전형적인 로크웰 경도계이다.

 

 

(3) 비커스 경도 시험 방법
비커스경도(Vickers hardness)는 대면각(對面角)이 136 °인 다이아몬드의 사각뿔을 눌러서 생긴 자국의 표면적으로 경도를 나타낸다. 누르는 하중을 P kg, 표면적을 S mm2라고 하면, 비커스경도는 HV>=P /S 로 표시된다.

쇼어경도(Shore hardness)는 선단에 다이아몬드를 끼운 추를 떨어뜨려 충돌해서 튀어 오른 높이로 굳기를 나타내는 방법인데, 취급이 비교적 간단하고 오목하게 팬 일이 거의 없는 특징이 있다.

 

대면각(對面角) 136°인 피라미드형 다이아몬드 압자(壓子)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit:들어간 부분)를 만들고, 하중(荷重)을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적(表面積)으로 하중을 나눈 값으로 나타내는 경도를 비커스경도(Vickers hardness)이다.(그림 15 a.b)
비커스경도(Vickers hardness)는 하중을 Pkg, 피트의 대각선의 길이를 dmm라 하면, 비커스굳기 H v는 H v=1.854 P/d2이 된다.

 

피트가 닮은꼴이 되므로 하중의 크기에 관계없이 굳기의 수치가 일정해지는 것이 특징이다.

피트가 아주 작으므로 시험면의 경도분포를 구하거나 금속조직의 작은 부분의 굳기를 구할 때에도 사용된다.

 
이 경도시험기는 브리넬경도 시험법으로는 측정 불가능한 초경합금과 같이 매우 단단한 재료의 정밀한 경도를 측정할 수 있으며 움푹 패인 곳이 항상 상사형이 되므로 재료가 균일하기만 하다면 시험하중에 관계없이 경도 측정치가 동일한 수치가 되는 상사의 법칙이 성립된다.

 따라서 이 방법은 다른 하중을 사용하여 측정한 값을 서로 그대로 비교할 수 있다는 장점이 있다. 또한 작은 하중을 이용하여 작게 움푹 패인 곳을 만들어 경도를 측정하는 것이 가능하므로 미소(micro)경도시험기로서 사용되고있다. <그림 15,c>

미소경도시험기로 만든 움푹패인 곳을 현미경으로 본 것이며, 시허하중은 대체로 25ｇｆ~1㎏ｆ정도이다. 얇은 판, 얇은층, 가는 선, 보석, 금속조직 등의 측정에 편리하다.

하중의 크기를 아주 작게 하면 제품의 면에서 직접 굳기를 측정할 수가 있으며 하중 1kg 이하에서 사용할 수 있는 시험기를 특히 미소경도시험기라고 한다.

 

수십 g 이하의 작은 하중(荷重)을 사용하는 경도시험기로서 경도는 하중을 바꾸면 다른 수치가 나오지만, 정사각뿔 모양의 다이아몬드 압자(壓子)를 갖춘 비커스 경도시험기는 하중이 작든 크든 거의 같은 결과가 얻어지므로 많이 사용된다.

 

 

(4) 기타 경도 측정법

 로크웰이나 브리넬 그밖의 경도계에 올려 놓지 못하는 크고 불규칙한 모양이 시편의 경도를 측정하고자 하는 경우 쇼어 경도계와 같은 반발경도계를 이용하여 경도를 측정할 수 있다.

 최근에는 반발경도계가 인기를 많이 잃었지만 적절히 사용한다면 매우 유용한 방법이다. 단, 반발경도계를 성공적으로 쓸수 있는가의 여부는 사용자의 기술에 크게 의존하는데 그 이유는 계기가 수직으로 놓여져 추가 튀어 오를 때 관 내벽과의 마찰이 없어 튀어오른 높이가 올바른 값이 되어야 하기 때문이다.

이 방법은 새편의 크기와 모양에 관계없이 실용적으로 시험할 수 있고 시편표면을 손상 시키지 않는다는 장점이 있다. 지금까지 간단히 기술된 경도시험법들을 실제 작업현장이나 연구실 등에서 주로 사용되는 방법들이다. 경도계로부터 얻은 대부분의 값들은 해당되는 정밀도로 다른 경도값으로 환산할 수 있다. (표1 경도환산표 및 그림16참조)

 

 또한 경도값은 항복강도값과도 연관성이 있다. <그림17>에 그것을 나타내었다 이것은 100%맞는 것은 아니지만 상당히 비례적으로 변화되며 항복강도 역시 연신율이나 단면감소율 등의연성과 반비례적으로 변하므로 경도는 이들특성을 예측하는 변수로도 작용될 수 있다.

경도가 가계가공작업에서 매우 중요한 변수로 작용된다. 브리넬 경도가 높을 수록 절삭성이 나쁘다. 절삭성이 나쁜 반면에 내마모성에서는 우수한 특성을 나타낸다.

 

브리넬경도 250 : 절삭성이 좋다
브리넬경도 300 : 절삭성이 나쁘지 않다
브리넬경도 350 : 절삭성이 좀 나쁘다
브리넬경도 400 : 절삭성이 나쁘다
브리넬경도 400이상 : 절삭성이 매우 나쁘다

이런 연관성이 유용한 이유는 경도 시험장치가 인장시험장치에 비해 쉽게 구할 수 있고 크기도 작아 운반이 쉬기 때문이다.

경도시험은 기계가공한 시편을 요구하지도 않으며 실제 시험도 인장시험보다 빠르며 저렴하다. 많은 경우에 경시험은 비파괴적으로 가능하나 인장시험의 경우는 시편제작을 위하여 부품의 전부 또는 일부를 파괴하여야 한다.

따라서 경도시험은 강의 인장성질을 빠르고 경제적으로 평가하게 하며 완성 부품의 경우는 비파괴적으로 인장성질을 평가하는 유일한 방법이다. 

 

이 정도면 충분하지 않을까요?