로크웰 경도 시험

1. 실험의 목적

 

경도는 변형에 대한 저항을 의미하며 금속에서 이 특성은 영구변형 또는 소성변형에 대한 저항을 측정하는 것이다. 공학에서 널리 사용되는 압입저항의 측정을 목적으로 한다. 경도 시험은 측정 시간이 짧고 측정 방법이 간단하며, 시편 제작이 용이하다. 보통 비 파괴적으로 할 수 있는 이점 때문에 생산 현장용 및 연구 수단으로 널리 이용되고 있다. 충격경도 시험에는 일정한 형상과 중량을 갖는 다이아몬드 해머가 일정한 높이에서 시험편에 낙하되었을 때 반발 높이로부터 경도를 측정한다. 압입경도 시험에서는 브리넬, 로크웰, 비커스, 마이어, 누프 경도시험 등이 있다. 여기에서는 로크웰 경도시험기로 경도 실험을 한다.

 

 

2. 시험 방법

 

2-1 경도 시험 이론

 

로크웰경도계의 측정 원리는 다음과 같다. 다이아몬드 콘, 강 또는 초경합금 볼 등의 압자에 일정량의 초기하중으로 시험편에 압입 후 다시 초기하중에 시험하중을 더하여 재압입 한다. 이 상태에서 시험하중을 제거하면 초기하중만 작용하는 상태가 된다, 이때의 압입깊이를 측정한 다음 초기하중에 의한 압입깊이를 빼주면 영구변형에 의한 최종압입 깊이가 된다. 이 최종깊이를 다음 식에 대입하여 로크웰 경도(HR)를 얻는다.

HR = N - (h/S)

여기서 N,S는 상수, h는 최종압입 깊이이다.

원리에 대한 위의 설명내용을 간단히 요약하면 정각 40 ̊의 다이아몬드제 원추제나 직경 1/16인치(1.588mm)의 강제 볼을 끝부분에 붙인 압자를 소정의 하중으로 시험편에 압입하여 그 깊이를 경도로 환산하는 방법을 말한다.

 

2-2 경도 시험 장치

※측정순서

실제 측정의 경우에는 다음과 같은 순서로 조작을 하면 된다.

① 시험편을 받침대 위에 놓고 상하이동 핸들을 돌려 압자에 가까이 이동시킨다. 시험편에 압자가 접하면 초 하중용 스프링이 압축된다. 이 때 압자는 위쪽으로 움직이지만 이것에 의해 다이얼 게이지의 바늘이 회전하는 것을 확인한다.

② 압자와 시험편이 직접 접촉되면, 초기 하중용 스프링에 의하여 10kg의 하중이 압자에 가해져 압자가 약간 시험편에 압입된다. 다이얼 게이지에는 보통 두 개의 바늘이 있지만, 그 중 작은 쪽의 바늘은 눈금표점의 위치까지 움직이며, 이것에 의해 10kg의 초하중이 걸린 것을 확인한다.

③ 다이얼 게이지의 눈금판을 약간 돌려 긴바늘의 위치에 SET라고 쓴 눈금을 맞춘다.

④ 트리거를 조용히 돌린다. 이것에 의해 주하중이 하중 축, 압자 축을 거쳐서 압자에 전달되고 압자가 압입됨을 확인한다. 부하속도는 오일 댐퍼로 조절한다.

⑤ 규정 하중이 부하되면 30초 경과 후에 트리거를 원 위치로 되돌려, 주하중을 제거한다. 이 상태에서 압자는 탄성적으로 약간 상승하지만 초기하중 10kg은 스프링에 의해서 부가상태로 있게 된다. 이 때 긴바늘이 가리키는 눈금이 초기하중과 시험하중으로 인하여 생긴 압흔의 깊이 차 h를 나타내는데 이 값이 시험편의 경도가 된다.

 

※시험시의 주의사항　

① 시험편의 양면은 원칙적으로 평행하여야 하며 청결하여야 한다.

② 탄성변형도 다이얼 게이지에 나타나기 때문에 탄성변형이 일어나지 않게 시험해야 한다.③ 강구는 사용 중에 영구변형이 생겨서 하중을 가한 방향과 직각인 방향의 직경 차이가 0.01mm를 넘는 경우, 그 강구의 재사용을 금한다. 하지만 이것을 일상적으로 확인하는 것은 어려우므로 표준시험편을 사용하여 그것에 기입되어 있는 것과 같은 값이 얻어지는가 여부를 조사하여야 한다.

④ 압자의 고정이 불완전하면 오차가 발생할 수 있다. 그러므로 압자인 강제 볼을 새것으로 교체한 경우에는 시험기에 최대하중을 걸어 예비시험을 한 뒤에 사용한다.

⑤ 측정 시 시험편 위의 기존 압흔 간의 거리는 적어도 4d이상(d는 압흔의 직경) 또한 시험편의 가장자리로부터 2d이상인 것이 바람직하다.

⑥ 초기 하중 부가 시에는 표준하중(10kg)을 서서히 가한 후 지침에 눈금판의 세트점에 맞춘다. 이 때 허용되는 지침의 기울기는 좌우 다섯 눈금 이하로 하고, 이 범위를 넘어 지나치게 되는 경우는 초기하중이 과대하므로 이것을 무효로 하고 다시 새로운 위치에서 하여야 한다.

⑦ KS에 의한 경도값은 정수 제 1자리로 한다. 단, HRC가 50 이상의 경우는 소수 제 1자라까지 사사오입하여 0.5단위로 정리한다.

⑧ 시험편의 두께는 압흔 깊이의 10배 이상이어야 한다.

⑨ 원통 모양의 시험편으로 로크웰 경도를 측정하는 것은 바람직하지 않으나 부득이 측정하는 경우에는 원통 시험편의 로크웰 경도 측정 보정표에 따라 보정한다.

 

 

※스케일

스케일	압자	초기하중 (kg)	시험하중 (kg)	눈금
A	다이아몬드	10	60	C
B	1/16 강구	10	100	B
C	다이아몬드	10	150	C
D	다이아몬드	10	100	C
E	1/8 강구	10	100	B
F	1/16 강구	10	60	B
G	1/16 강구	10	150	B
H	1/8 강구	10	60	B
K	1/8 강구	10	150	B
15T	1/16 강구 또는 초경합금구	3	15
30T	1/16 강구 또는 초경합금구	3	30
45T	1/16 강구 또는 초경합금구	3	45
15N	정각 120 ̊의 다이아몬드 콘	3	15
30N	정각 120 ̊의 다이아몬드 콘	3	30
45N	정각 120 ̊의 다이아몬드 콘	3	45

일반적으로 로크웰 경도계의 눈금판에는 이중으로 눈금이 붙어 있다. 바깥쪽은 C스케일, 안쪽은 B스케일이라고 하며 C란 다이아몬드 콘을 의미하고 B란 강제 볼을 의미한다. 전자에서는 150kg, 후자에서는 100kg의 하중이 사용된다. C스케일은 사용한 압자와 하중의 조합에 의해서 여러 가지 종류가 사용되고 있으며 다음 표와 같다.

 

 

3. 시험 결과

 

오차범위

±1.25

총 20번의 시험을 하였으며 시험값은 다음과 같다.

횟수	시험값
1	20.5
2	19.5
3	19.5
4	19.5
5	20.5
6	20.5
7	20.5
8	21.5
9	21.0
10	20.5
11	20.5
12	21.0
13	20.5
14	21.5
15	21.5
16	20.5
17	21.5
18	21.5
19	21.5
20	21.5

총합	평균값
415	20.75

횟수	시험값
1	20.5
2	19.5
3	19.5
4	19.5
5	20.5
6	20.5
7	20.5
8	21.5
9	21.0
10	20.5
11	20.5
12	21.0
13	20.5
14	21.5
15	21.5
16	20.5
17	21.5
18	21.5
19	21.5
20	21.5

총합	평균값
415	20.75