로크웰, 브리넬 경도 이론을 활용한 실험

 

<로크웰, 브리넬 경도 이론을 활용한 경도 실험>

 

1. 실험 목적

항온항섭의 조건하에서 시험기를 사용하여 각종 금속재료의 로크웰 경도와 브리넬 경도를 측정하여 금속재료 조성에 따른 기계적 성질의 변화를 이해

 

2. 실험에 관련된 이론

1) 브리넬 경도 (Brenell Hardness)
브리넬 경도 시험은 1960년 스웨덴의 J.A Brinell에 의해 고안된 압입경도 시험이다. 직경 10mm 너 5mm의 강구 또는 초경합금강구를 500~3000kgf 하중으로 시편에 압입 시킨 후 생겨난 압입자국의 단면적으로 시험하중을 나눈 젓으로 경도 값을 측정한다. 브리넬 경도는 시험 하중을 누르개 자국의 표면적으로 나눈 값에 비례한다. 누르개로 쓰이는 강구의 크기가 다른 경도 시험법에 쓰이는 누르개 보다 크기 때문에 재료의 재질이나 조직이 다소 불균일하더라도 신뢰성 있는 경도값을 측정할 수 있어 주철, 비금속재료 등의 경도시험에 널리 사용되고 있다. 시험 가능한 경도는 650HBW 이하이다. 브리넬 경도 실험은 지름이 Dmm인 강구 압자를 재료에 일정한 시험 하중으로 시편에 압연시켜 시험기로서 Pkg으로 눌렀을 때 지름이 Dmm이고, 깊이가 hmm인 우묵한 자국이 생겼다고 하면, 다음과 같이 표시된다.

* 실제 실험에서는 압흔자국의 지름을 지정된 투페로 측정하였고, 브리넬 경도 시험기에 있는 환산표를 보고 값을 정함

 

 

2) 로크웰 경도(Rockwell Hardness)
로크웰 경도는 1919년에 미국의 S.P Rockwell에 의해 대량생산을 목적으로 고안되었다. 그 후 C.H Wilson에 의해 실용화되고 다른 경도치에 비해 비교적 빠른 시간에 정밀도 높은 시험을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 로크웰 경도는 A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T스케일로 나뉜다. 60kg 이상의 무거운 하중을 사용하는 A, B, C, D, E, F, G, H, K에 반해, 45kg 이하의 하중을 사용하는 N, T 스케일을 ‘로크웰 슈퍼피셜’이라고 한다. B스케일은 100kgf의 하중에서 1.588mm의 강구를 사용하며, C스케일은 120도의 원뿔 및 선단 반지름 0.2mm의 다이아몬드 압자를 사용한다. 로크웰 C 스케일 경도 값은 HRC= 100 ~ 500 h로 정의한다. 로크웰 시험법의 장점은 기준 하중일 때의 압입 깊이를 기준으로 하기 때문에 시편의 표면 거칠기의 영향이 작고, 경도 값을 바로 눈금으로 읽을 수 있기 때문에 측정하는 시간이 매우 짧다는 장점이 있다. 다이아몬드 원추나 강구를 사용하여 시험 면에 기준하중, 부가 시험 하중 2단계로 하중을 가한다. 그런 다음 부가 시험 하중을 제거하여 기준 하중으로 되돌렸을 때의 영구 누르개 자국 깊이(h)를 측정하여 로크웰 경도 값을 산출한다.

HRB=130-500h (h=압흔 자국 깊이)
HRC=100-500h (h=압흔 자국 깊이)

 

 

3. 실험기구

1) 브리넬 경도 시험기 (HB)

* 모델 No. : 브리넬 경도 시험기 DKB-310
* 국적 : 대한민국
* 제작회사 : 대경 엔지니어링
* 시험하중 : 500, 700, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000kg
* 제품크기 및 중량 : 470 x 600 x 1140 mm / 약 110kg
* 최대시험높이 : 175mm

 

 

2) 로크웰 경도 시험기(HRB)

* 모델 No. : 로크웰 경도 시험기 DKR-301
* 국적 : 대한민국
* 제작회사 : 대경 엔지니어링
* 시험하중 및 초하중 : 60, 100, 150kg / 10kg
* 제품크기 및 중량 : 210 x 450 x 680 mm / 약 70kg
* 최대시험높이 : 175mm

 

▸ HRB와 HRC는 기계는 같으나 HRC는 누르개를 다이아몬드를 사용하는 차이점이 있다.

 

3) 실험시편

티타늄, 탄소강, 황동

왼쪽은 로크웰 경도 시험기의 표준시편, 오른쪽은 압흡자국의 지름을 측정할 때 사용되는 루페

4. 실험방법 및 순서

1)브리넬 경도 측정 방법

① 일반적으로 10~35℃ 범위에서 한다. 온도는 관리하는 시험 조건에서는 (23ۯ)℃의 온도 범위에서 시험을 해야 한다.
② 시험 하중은 상단표에 따른다.
③ 시험 하중은 압입자 자국의 지름(d)이 D .6~0.240 사이가 되도록 선택하여야 한다. 시험하중과 압입자 지름의 조합(0.102×F/D2)은 아래 표와 같이 재료와 경도 조건에 따라 선택하여야 한다. 다만, 시험편의 대표적인 특성이 드러날 수 있도록 압입자의 지름은 가능한 한 큰 것을 선택하여야 한다. 시험편의 두께가 허용 된다면, 10mm 지름의 압입자를 선택하는 것이 좋다.
④ 시험편은 시험 도중 움직이지 않도록 단단한 시료 받침대 위에 잘 놓아야 한다. 또한, 받침대에 접촉 하는 면은 이물질이 없이 깨끗하여야 한다.
⑤ 압입자를 시험 면에 접촉시킨 다음, 누르개에 충격이나 진동이 가해지지 않도록 하면서 시험 면에 수직 방향으로 규정된 값의 시험 하중을 가한다. 이 때, 하중은 2~8초 사이에 시험 하중까지 증가시키고, 10~15 초 동안 시험 하중을 유지하도록 한다. 어떤 재료에 대해 더 긴 시간 동안 시험 하중을 유지할 필요가 있다면 ۬초의 범위 내에서 허용 할 수 있다.
⑥ 시험기는 시험 도중 시험 결과에 영향을 미칠 수 있는 충격이나 진동으로부터 보호되어야 한다.
⑦ 2개의 이웃하는 압입자 자국의 중심 사이 거리는 적어도 압입자 자국 평균 지름의 3배 이상이 되어야 하며, 압입자 자국의 중심에서 시료의 가장자리까지의 거리는 최소한 압입자 자국 평균 지름의 2.5배 이상 이어야 한다.
⑧ 서로 수직한 두 방향의 누르개 자국 지름을 측정한 다음, 이들의 산술 평균값으로부터 브리넬 경도값을 산출한다.

2) 로크웰 경도 측정 방법
① 일반적으로 10~35℃ 범위에서 한다. 온도는 관리하는 시험 조건에 서는 23+5℃나 23-℃의 온도 범위에서 시험을 해야 한다.
② 시험편은 단단한 시료 받침대 위에 움직이지 않도록 놓아야 한다. 이 때, 시험 면은 압입자 부착축 및 시험 하중이 가해지는 선에 수직이 되도록 한다. 원통형 제품은 60HRC 이상의 경도를 가지는 강재로 만든, 중심을 잡는 V블록 위에 적절히 지지되어야 한다. 이 때 압입자, 시험편, 중심을 잡기 위한 V블록 및 시험기의 시험편 홀더는 일직선 위에 정렬 되도록 주의를 기울여야한다.
③ 압입자를 시험 면에 접촉시킨 다음, 충격이나 진동이 가해짐이 없이 압입자에 기중 하중 (F0)을 가한다. 이 때, 기중 하중은 3초 이상 가해서는 안 된다.
④ 측정 장치를 기중 위치에 놓고, 충격이나 진동이 없이 1초에서 8초 사이에 에서 총 시험 하중(F)으로 하중을 증가 시킨다.
⑤ 총 시험 하중(F)을 42초 동안 유지한 다음 부가 시험 하중(F1)을 제거하고, 기준 하중(F0)을 유지한 상태에서 잠시 안정화시킨 후, 최종 측정값을 읽는다.
⑥ 로크웰 경도 값은 공식을 이용하여 측정된 영구 압입자 자국의 깊이(h)로부터 산출하는데, 일반적으로는 측정 장치에 직접 표시된다.
⑦ 시험기는 시험 도중 충격이나 진동으로부터 보호되어야 한다.
⑧ 2개의 이웃하는 누르개 자국의 중심간 거리는 누르개 자국 지름의 4배 이상(최소 2mm이상), 압입자 자국의 중심에서 시험편의 가장자리까지의 거리는 누르개 자국 지름의 2.5배이상(최소 1mm이상)으로 한다.

5. 실험결과

- 측정된 결과 값에 따라 높은 순서대로 탄소강, 티타늄, 황동으로 나열된다.
- 황동의 경우 로크웰 경도 C스케일에서 측정 한도 밖이다

6. 정리

단위 면적 당 힘을 받을 때 하중을 견디는 정도가 경도이며, 경도를 측정하는 방법으로 브리넬 경도 시험기와 로크웰 경도 시험기의 사용법을 알아보았다.
항온항섭 조건을 지키기 위해 에어컨을 항시 틀어놓아야하며, 장비의 신뢰를 지키기 위해 스위치를 넣고 일정시간 지난 후에 실험을 해야한다. 그렇지 않으면 기계가 작동하는 열에 의해 측정값이 정확하지 않을 수 있다. 실제 근접한 값을 얻으려면 최소 10번 이상은 측정해서 평균값을 내면 보다 정확한 값을 얻을 수 있다. 시편을 여러번 쓰면 시편이 변형이 있을 수 있으므로, 실험 때 마다 새로운 시편을 쓰면 이 또한 더 정확한 값을 도출해 낼 수 있다..