대부분의 제품 고장은 잘못된 재료 또는 예상 경도와 실제 경도 간의 불일치로 인해 발생합니다. 엔지니어와 제조업체는 경도가 내마모성, 강도 및 성능에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 알고 있습니다. 하지만 세부 사항을 간과하기 쉽습니다. 교과서처럼 딱딱하지 않으면서도 오늘날 사용되는 모든 유형과 테스트 방법을 다루는 명확하고 이해하기 쉬운 가이드가 필요합니다.
재료 경도는 재료가 변형, 특히 찌그러짐이나 긁힘과 같은 표면 수준의 손상에 얼마나 잘 견디는지를 측정합니다. 강도나 인성과는 다릅니다. 재료마다 최종 용도에 따라 다른 경도 수준이 필요합니다. 제조업체는 경도를 측정하기 위해 로크웰, 브리넬, 비커스와 같은 테스트를 사용합니다.
적절한 경도는 설계, 제작 또는 소싱하는 모든 금속 부품, 도구 또는 제품에 매우 중요합니다. 경도를 테스트하는 방법과 실제 사용 시 경도가 어떤 의미를 갖는지 알아보세요.
소재 경도는 무엇인가요?
재료 경도는 긁힘, 찌그러짐, 함몰 등 표면 변형에 저항하는 재료의 능력입니다. 일반적으로 경도가 높은 소재는 부드러운 소재보다 마모 속도가 느립니다.
경도는 강도나 인성과는 다릅니다. 부품이 강해도 쉽게 긁힐 수 있습니다. 경도는 부품이 파손되기 전에 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지가 아니라 표면 저항에 초점을 맞추고 있습니다.
금속마다 경도 수준이 다릅니다. 예를 들어 경화강은 알루미늄보다 훨씬 단단합니다. 올바른 경도를 선택하는 것은 부품의 사용 방법과 위치에 따라 달라집니다.
기본 개념
경도를 테스트하거나 비교하기 전에 몇 가지 기본 사항을 이해하는 것이 도움이 됩니다. 경도가 중요한 이유와 경도를 변화시킬 수 있는 요소에 대해 설명합니다.
경도, 강도, 인성의 차이점
경도, 강도, 인성은 종종 혼용되지만 측정 방식은 다릅니다.
경도는 표면 손상에 대한 저항력을 의미합니다. 재료가 찌그러짐, 긁힘 또는 함몰에 얼마나 잘 견딜 수 있는지 알려줍니다.
강도는 재료가 구부러지거나 부러지지 않고 견딜 수 있는 힘의 양을 의미합니다. 일반적으로 재료가 파손되기 전에 견딜 수 있는 인장 강도, 즉 인장력을 나타냅니다.
인성은 재료가 부러지기 전에 에너지를 얼마나 잘 흡수하는지를 의미합니다. 이는 충격 저항과 전반적인 내구성에 관한 것입니다.
재료는 단단하지만 단단하지 않을 수 있습니다. 예를 들어 유리는 단단하지만 쉽게 깨질 수 있고 고무는 질기지만 단단하지는 않습니다. 엔지니어는 작업을 위해 이러한 특성의 균형을 맞춰야 합니다.
미세 구조가 경도에 미치는 영향？
미세 구조는 금속의 내부 구성입니다. 여기에는 입자 크기, 상 분포, 원자의 배열 방식 등이 포함됩니다.
입자가 작을수록 경도가 높아지므로 금속은 입자 크기를 조정하기 위해 열처리 또는 합금을 거치는 경우가 많습니다.
구조의 위상 유형도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 강철의 마르텐사이트는 페라이트보다 훨씬 단단합니다. 냉각 속도를 변경하거나 탄소와 같은 원소를 추가하면 더 복잡한 위상을 만들 수 있습니다.
경도는 단순히 모재 금속에 관한 것이 아니라 내부의 가공 및 구조에 관한 것입니다.
온도가 경도에 미치는 영향
온도 변화는 경도를 높이거나 낮출 수 있습니다. 높은 열에서는 대부분의 금속이 부드러워집니다. 그렇기 때문에 뜨거운 금속은 모양을 만들거나 누르기가 더 쉽습니다. 이러한 경도 손실은 마찰이나 고열에 노출된 부품에서 발생할 수 있는 위험입니다.
일부 금속과 합금은 더 높은 온도에서도 경도를 유지할 수 있습니다. 이러한 금속은 절삭 공구, 터빈 및 엔진에 사용됩니다. 매우 낮은 온도에서는 재료가 더 부서지기 쉬워질 수 있습니다. 경도는 올라갈 수 있지만 인성은 떨어집니다.
디자이너와 구매자는 장기간 사용할 재료를 선택할 때 작동 온도를 고려해야 합니다.
재료 경도 범주
경도는 한 가지가 아닙니다. 힘을 가하는 방법과 테스트하는 손상의 종류에 따라 다양한 방식으로 측정할 수 있습니다.
스크래치 경도
스크래치 경도는 소재가 긁힘에 얼마나 잘 견디는지를 테스트합니다. 이 테스트는 어떤 소재가 다른 소재를 긁을 수 있는지 비교합니다.
표준 방법 중 하나는 모스 척도입니다. 이 척도는 미네랄을 1부터 10까지 등급으로 매깁니다. 예를 들어 활석은 경도가 1이고 다이아몬드는 10입니다. 이 테스트는 빠르고 간단합니다. 표면 스크래치가 가장 중요한 광물, 코팅 또는 연질 금속에 자주 사용됩니다.
들여쓰기 경도
들여쓰기 경도는 다음에서 가장 많이 사용되는 방법입니다. 금속 가공. 재료가 정해진 힘으로 더 단단한 공구에 의해 압입되는 것을 얼마나 견디는지를 측정합니다. 표준 테스트에는 브리넬, 로크웰, 비커스 등이 있습니다.
브리넬은 강철 또는 텅스텐 볼을 사용합니다. 로크웰은 스틸 볼 또는 다이아몬드 콘을 사용합니다. 비커스는 다이아몬드 피라미드를 사용합니다. 이러한 유형의 테스트는 보다 일관되고 정확한 결과를 제공합니다. 연성 금속과 경성 금속 모두에 잘 작동합니다.
리바운드 경도
동적 경도라고도 하는 반발 경도는 재료가 무게가 실린 물체를 얼마나 높이 튕겨낼 수 있는지 확인합니다. 가장 일반적인 테스트는 리브 경도 테스트입니다. 공이 표면에 부딪히면 반동 속도가 경도 수준을 알려줍니다.
이 테스트는 빠르고 휴대가 간편합니다. 현장 검사 또는 실험실 테스트가 실용적이지 않은 대규모 부품에서 자주 사용됩니다.
경도 테스트 방법
재료, 부품 크기 및 테스트 위치에 따라 다른 테스트가 사용됩니다. 다음은 실제 환경에서 사용되는 가장 일반적인 접근 방식입니다.
표준 경도 테스트 개요
오늘날 사용되는 주요 테스트는 Brinell, Rockwell 및 Vickers입니다. 각각 공구를 재료의 표면에 밀어 넣고 움푹 들어간 부분을 측정합니다.
브리넬은 볼을 사용하며 연질 금속 또는 캐스팅. 로크웰은 깊이를 측정하고 속도가 빠르기 때문에 공장에서 자주 사용됩니다. 비커스는 다이아몬드를 사용하며 얇은 부품이나 코팅에 적합합니다.
미세 부품이나 고무와 같은 Knoop 및 Shore와 같은 다른 테스트는 예외적인 경우에 사용됩니다.
각 테스트에는 하중, 시간, 도구 모양에 대한 규칙이 정해져 있습니다. 이러한 표준은 정확하고 반복 가능한 결과를 보장하는 데 도움이 됩니다.
정적 테스트와 동적 테스트
정적 테스트는 느리고 일정한 힘을 가합니다. 브리넬, 로크웰, 비커스 등이 여기에 포함됩니다. 이 테스트는 재료가 일정한 하중 하에서 어떻게 견디는지를 측정합니다.
동적 테스트는 빠른 충격과 같은 힘을 사용합니다. 리브 테스트가 일반적인 예입니다. 이 테스트는 공이나 핀을 떨어뜨린 후 얼마나 높이 튀어 오르는지 측정하는 것입니다.
정적 테스트는 더 정밀하며 실험실에서 사용됩니다. 동적 테스트는 대형 또는 고정 부품에 더 빠르고 더 좋습니다.
브리넬 경도 테스트
브리넬 테스트는 재료의 경도를 측정하는 가장 오래되고 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나입니다. 표면이 거칠거나 고르지 않은 금속에 사용됩니다.
어떻게 작동하나요?
일반적으로 직경 10mm의 강철 볼을 약 30초 동안 고정된 힘으로 시험편 표면에 누릅니다. 공이 제거되면 둥근 움푹 들어간 부분이 남습니다. 그런 다음 이 움푹 들어간 부분의 크기에 따라 경도를 계산합니다.
테스트 하중 및 볼 유형
사용되는 표준 힘은 3000kg입니다. 더 부드러운 금속은 500kg과 같이 더 낮은 힘을 사용할 수 있습니다. 재료가 딱딱한 경우 강철 볼이 변형될 수 있습니다. 이 경우 텅스텐 카바이드 볼이 대신 사용됩니다. 텅스텐을 사용하면 경도 단위가 HB에서 HBW로 변경됩니다. 이를 통해 더 강한 볼이 사용되었음을 알 수 있습니다.
움푹 들어간 부분 측정
테스트 후 저전력 현미경을 사용하여 움푹 들어간 부분을 확인합니다. 움푹 들어간 곳의 지름은 두 방향으로 측정되며 평균값이 계산에 사용됩니다.
브리넬 경도 공식
브리넬 경도 수(BHN)는 이 공식을 사용하여 계산합니다:
BHN = (2F) / (πD(D - √(D² - d²)))
Where:
- F = 가해진 힘(뉴턴 단위)
- D = 공의 지름(mm)
- d = 움푹 들어간 부분의 지름(mm)
그 결과 다른 자료와 비교할 수 있는 명확한 수치가 제공됩니다.
로크웰 경도 테스트
로크웰 테스트는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 경도 테스트 중 하나입니다. 광범위한 표면 준비가 필요하며 추가 계산 없이 직접 판독값을 제공합니다.
어떻게 작동하나요?
로크웰 테스트는 강철 또는 텅스텐 카바이드 볼 또는 "브랄레"라고 하는 원뿔형 다이아몬드 팁을 사용합니다. "est"는 두 단계로 이루어집니다. 먼저 압자를 제자리에 고정하기 위해 약간의 예압을 가합니다. 그런 다음 더 큰 하중이 추가됩니다. 몇 초 후 주 하중은 제거되지만 작은 예압은 그대로 유지됩니다. 기계는 압자가 재료에 얼마나 깊이 들어갔는지 측정합니다.
로크웰 저울
로크웰 눈금은 사용되는 재료와 압자의 유형에 따라 다릅니다. 몇 가지 일반적인 것들은 다음과 같습니다:
- 로크웰 A(HRA): 다이아몬드 팁을 사용하는 단단한 금속의 경우
- 로크웰 B(HRB): 구리나 황동과 같은 부드러운 금속의 경우 1/16인치 스티 볼을 사용합니다.
- 로크웰 C(HRC): 다이아몬드 팁을 사용하는 단단한 강철의 경우
각 눈금에는 숫자가 표시됩니다. 숫자가 높을수록 더 단단한 재질을 의미합니다.
장점과 한계
로크웰 테스트는 빠르고 쉽게 실행할 수 있습니다. 현미경을 사용하지 않고 직접 디지털 결과를 제공합니다. 생산 과정에서의 품질 검사에 적합합니다. 그러나 깨지기 쉬운 재료나 거친 표면에는 적합하지 않습니다. 또한 올바른 눈금을 선택하지 않으면 결과가 정확하지 않을 수 있습니다.
비커스 경도 테스트
비커스 테스트는 정확성과 넓은 범위로 유명합니다. 부드럽고 단단한 재료에서 작동하며 작은 부품이나 얇은 섹션에 유용합니다.
어떻게 작동하나요?
이 테스트는 정사각형 피라미드 모양의 다이아몬드 모양의 압자를 사용합니다. 고정 하중이 가해져 다이아몬드가 재료에 압착됩니다. 하중은 재료와 테스트 크기에 따라 몇 그램에서 몇 킬로그램까지 다양합니다. 하중이 제거된 후 정사각형 모양의 움푹 들어간 곳의 두 대각선을 현미경으로 측정합니다.
왜 비커스를 사용하나요?
비커스 테스트는 매우 정밀한 결과를 제공합니다. 작거나 얇은 부품 및 코팅에도 적합합니다. 다른 방법과 달리 모든 재료에 한 가지 유형의 압자만 사용하므로 여러 샘플에서 결과를 쉽게 비교할 수 있습니다.
비커스 경도 공식
비커스 경도 수(VHN 또는 HV)는 공식을 사용하여 계산합니다:
HV = (1.854 × F) / d²
Where:
- F = 가해진 힘(kgf 단위)
- d = 두 대각선의 평균 길이(mm)
이 공식은 자세한 비교에 사용할 수 있는 명확한 경도 값을 제공합니다.
장점과 한계
비커스 테스트는 정확하며 질기고 부드러운 소재에 적합합니다. 실험실 및 연구용으로 적합합니다. 하지만 다른 테스트보다 시간이 오래 걸리고 현미경이 필요하므로 빠른 생산 점검을 위한 최선의 선택은 아닙니다.
누프 경도 테스트
누프 테스트는 매우 얇은 재료, 코팅 및 소형 부품에 사용됩니다. 가벼운 힘을 사용하고 정밀도가 높기 때문에 실험실 작업과 미세한 수준의 피처에 대한 품질 검사에 유용합니다.
어떻게 작동하나요?
이 테스트는 길쭉한 피라미드 모양의 다이아몬드 압자를 사용합니다. 일반적으로 몇 그램에 불과한 최소한의 하중으로 표면을 누릅니다. 압자를 제거한 후 현미경을 사용하여 얕은 움푹 들어간 부분의 긴 대각선을 측정합니다.
눕은 언제 사용하나요?
누프는 테스트 영역이 작을 때 사용합니다. 얇은 층, 연질 금속, 세라믹 및 코팅에 적합합니다. 또한 부품을 손상시키지 않고 표면 처리나 단면을 검사하는 데 유용합니다.
누프 경도 공식
누프 경도 수(KHN 또는 HK)는 이 공식을 사용하여 계산합니다:
HK = (14.229 × F) / L²
Where:
- F = 테스트 힘(gf 단위)
- L = 긴 대각선의 길이(mm)
이렇게 하면 작은 테스트 지점에 대한 자세한 경도 값을 얻을 수 있습니다.
장점과 한계
누프 테스트는 적은 힘으로도 매우 정확한 결과를 제공합니다. 얇은 부품이나 겹겹이 쌓인 재료를 테스트할 때 유용합니다. 그러나 현미경이 필요하고 시간이 오래 걸리므로 일반적인 용도나 대형 부품에는 적합하지 않습니다.
모스 경도 척도
모스 척도는 소재가 긁힘에 얼마나 잘 견디는지를 평가하는 간단한 방법입니다. 이는 한 소재가 다른 소재를 얼마나 쉽게 긁을 수 있는지를 기준으로 합니다.
어떻게 작동하나요?
척도의 범위는 1에서 10까지입니다. 숫자가 높을수록 재료가 더 단단하다는 의미입니다. 예를 들어 활석은 1등급으로 매우 부드럽습니다. 다이아몬드는 10으로 가장 단단합니다. 재료를 테스트하려면 눈금에 있는 다른 재료로 긁어봅니다. 긁히면 긁히지 않고 더 단단해집니다.
저울의 일반적인 재료
- 1 - 활석
- 2 - 석고
- 3 - Calcite
- 4 - 형석
- 5 - 아파타이트
- 6 - 장석
- 7 - 쿼츠
- 8 - 토파즈
- 9 - Corundum
- 10 - 다이아몬드
엔지니어는 특히 절삭 공구나 내마모성 부품의 재료를 선택할 때 이 저울을 사용하여 빠르게 점검할 수 있습니다.
장점과 한계
모스 저울은 산업용 도구를 사용하지 않으며 필요하지도 않습니다. 현장 작업이나 점검에 탁월합니다. 하지만 정확하지는 않습니다. 정확한 경도 값을 제공하지 않거나 비슷한 경도 수준의 금속에서는 잘 작동하지 않습니다. 산업용 금속보다는 광물에 더 적합합니다.
해안 경도 테스트
쇼어 경도는 고무, 플라스틱 및 일부 연질 폴리머와 같은 부드러운 재료의 경도를 측정하는 데 사용됩니다. 재료가 스프링이 장착된 지점 아래에서 압입에 얼마나 견디는지를 알려줍니다.
어떻게 작동하나요?
쇼어 테스트는 경도계라는 장치를 사용합니다. 이 장치에는 재료의 표면을 밀어내는 작은 핀이 있습니다. 스프링이 힘을 제어하며, 결과는 0에서 100까지의 다이얼에 표시됩니다. 숫자가 높을수록 더 단단한 소재를 의미합니다.
쇼어 저울
쇼어 스케일에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다:
- 쇼어 A - 고무, 실리콘, 연질 플라스틱과 같은 부드러운 소재의 경우
- 쇼어 D - 보다 단단한 플라스틱 및 반강체 소재의 경우
- 쇼어 00 - 매우 부드러운 젤과 거품을 위한
각 저울은 재료 유형에 따라 다른 모양과 스프링 강도를 사용합니다.
쇼어 테스트는 언제 사용하나요?
타이어, 씰, 고무 매트 같은 품목에는 쇼어 A를 사용하세요. 파이프나 하우징과 같은 단단한 플라스틱에는 쇼어 D를 사용합니다. 쇼어 00은 부드러운 폼 및 젤과 같은 재료에 가장 적합합니다. 이 테스트는 빠르고 쉽게 반복할 수 있어 생산 점검에 이상적입니다.
장점과 한계
쇼어 테스트는 빠르고 간단합니다. 재료를 크게 손상시키지 않고 반복 가능한 결과를 제공합니다. 하지만 금속이나 표면이 울퉁불퉁한 재료에는 적합하지 않습니다. 부드럽고 유연한 소재에 가장 적합합니다.
| 테스트 이름 | 들여쓰기 유형 | 로드 범위 | 최상의 대상 | 단위 | 참고 |
|---|---|---|---|---|---|
| Brinell | 스틸 또는 텅스텐 카바이드 볼(10mm) | 500-3000 kgf | 주물, 단조품, 연성 금속 | HB 또는 HBW | 큰 함몰을 남기고 얇은 부품에는 적합하지 않습니다. |
| Rockwell | 스틸 볼 또는 다이아몬드 콘 | 규모에 따라 다름 | 일반 금속, 생산 라인 사용 | HRA, HRB, HRC 등 | 빠른 테스트, 직접 판독, 다중 저울 |
| Vickers | 다이아몬드 피라미드 | 10g - 100kgf | 얇은 부품, 코팅, 모든 재료 | HV | 매우 정확하며 현미경 필요 |
| Knoop | 길쭉한 다이아몬드 | 1 gf - 1000 gf | 마이크로 부품, 코팅, 단면 | HK | 매우 좁은 영역에 가장 적합한 고정밀 |
| Mohs | 천연 미네랄(스크래치 테스트) | N/A | 미네랄, 간단한 비교 | 1 ~ 10 | 정확하지 않은 빠른 테스트, 금속에 적합하지 않음 |
| Shore | 스프링 장착 핀 | 규모별 고정 | 플라스틱, 고무, 부드러운 소재 | 쇼어 A, D, 00 | 딱딱한 소재가 아닌 빠르고 간편한 |
올바른 경도 테스트 선택하기
적절한 경도 테스트를 선택하는 것은 재료의 유형, 모양, 측정 대상에 따라 달라집니다. 각 방법에는 최적의 사용 사례가 있습니다.
재료 유형 및 두께
더 두껍고 무거운 금속은 브리넬 또는 로크웰 테스트에 적합합니다. 얇은 시트나 작은 부품은 비커스 또는 누프로 테스트하는 것이 더 좋습니다. 고무나 플라스틱과 같은 부드러운 소재는 쇼어 테스트가 필요합니다. 항상 재료의 강도와 크기에 맞는 재료를 사용하세요.
표면 마감 및 준비
거친 표면은 브리넬을 사용하면 더 잘 작동합니다. 비커스와 로크웰은 매끄러운 표면에서 더 정확한 결과를 제공합니다. 표면에 코팅이나 층이 있는 경우 Knoop이 더 나은 선택입니다. 오류를 방지하려면 테스트 영역이 깨끗하고 평평한지 확인하세요.
테스트 환경 및 정확도 요구 사항
빠른 현장 점검을 원한다면 Rockwell과 Shore가 좋습니다. 빠르고 약간의 설정이 필요합니다. 실험실에서 높은 정밀도를 원한다면 Vickers 또는 Knoop을 사용하세요. 시간이 오래 걸리지만 매우 정확한 결과를 제공합니다. 얼마나 정확한 측정이 필요한지에 따라 선택하세요.
결론
재료 경도는 재료가 찌그러짐, 긁힘 또는 마모에 얼마나 잘 견딜 수 있는지 알려줍니다. 각 경도 테스트는 재료의 종류, 두께, 용도에 따라 브린넬, 로크웰, 비커스, 크누프, 모스, 쇼어 등 여러 가지가 있습니다. 적절한 테스트를 선택하면 제품의 품질과 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.
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안녕하세요, 저는 케빈 리입니다
지난 10년 동안 저는 다양한 형태의 판금 제작에 몰두해 왔으며 다양한 워크숍에서 얻은 경험에서 얻은 멋진 통찰력을 이곳에서 공유했습니다.
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케빈 리
저는 레이저 절단, 굽힘, 용접 및 표면 처리 기술을 전문으로 하는 판금 제조 분야에서 10년 이상의 전문 경험을 갖고 있습니다. Shengen의 기술 이사로서 저는 복잡한 제조 문제를 해결하고 각 프로젝트에서 혁신과 품질을 주도하는 데 최선을 다하고 있습니다.
