소재 경도 이해하기: 프로젝트 성공을 위한 핵심 통찰

부품에 사용된 소재의 적합성은 부품이 의도된 환경에서 기능할 수 있게 하는 데 매우 중요합니다. 이를 결정하는 소재 특성 중 하나가 소재의 경도(hardness)입니다. 이는 프로젝트가 강철 같은 고경도 소재를 필요로 하는지, 더 부드러운 소재를 필요로 하는지 결정합니다.

우리 모두 알다시피, 프로젝트에 잘못된 소재를 사용하면 특히 제작된 부품이 더 큰 프로젝트의 일부일 때 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 생산 전 소재 경도를 평가하는 것은 필수적입니다.

높은 압입(indentation)이나 마모(abrasion)를 변형 없이 견뎌야 하는 물질이 필요하다면 단단한 소재를 선택해야 합니다. 그러나 높은 경도를 가진 소재가 반드시 모든 프로젝트에 적합한 것은 아닙니다. 귀사의 프로젝트에 적합한 것이 무엇인지 알기 위해 전문 가공 회사에 상담해야 합니다.

소재 경도란 무엇인가?

소재 경도는 변형, 스크래치, 관통, 압입 없이 힘을 견딜 수 있는 소재의 능력입니다. 즉, 가해진 힘 앞에서도 물리적 특성을 유지할 수 있는 소재의 능력입니다.

경도는 강철처럼 다른 소재(주석 등)보다 더 높은 경도를 가진 소재들 사이에서 다양합니다. 목재나 플라스틱 같은 일부 비금속 소재도 부드러운 금속 특성을 가집니다.

소재의 경도는 가소성(plasticity), 탄성 강성(elastic stiffness), 연성(ductility), 인성(toughness), 변형(strain), 강도(strength), 점탄성(viscoelastic성), 점도(viscosity) 등 여러 요인에 의존합니다.

소재 경도의 다른 유형들은 무엇인가?

소재는 다른 조건에서 다르게 행동합니다. 예를 들어, 소재가 거대한 일회성 충격은 견딜 수 있지만 지속적인 하중은 견딜 수 없을 수 있습니다. 따라서 프로젝트 니즈에 맞게 소재 경도 테스트를 수행해야 합니다.

소재 경도를 세 가지로 분류할 수 있습니다. 소재들은 이 다른 경도 유형들에서 다른 값을 가집니다. 이들은 다음을 포함합니다:

• 스크래치 경도(Scratch hardness)
• 반발 경도(Rebound hardness)
• 압입 경도(Indentation hardness)

스크래치 경도

기계공들은 스크래치 경도를 소재 표면의 스크래치에 저항하는 능력으로 정의합니다. 스크래치는 소재 표면의 좁은 연속 선들입니다. 날카롭고 더 단단한 소재가 더 부드러운 소재 표면을 스쳐 지나가면 그 소재 표면에 스크래치가 생깁니다.

기계공들은 세라믹 같은 취성 소재에 스크래치 테스트를 사용합니다. 일부 소재는 소성 변형에 이르지 않지만 스크래치를 견딜 수 없습니다. 일부 설계는 스크래치에 민감하므로 높은 스크래치 경도를 가진 소재가 필요합니다.

예를 들어, 기계의 특정 부품은 마찰을 필요로 할 수 있습니다. 그런 경우 낮은 스크래치 경도의 소재를 사용하면 충분하지 않을 수 있습니다. 약간의 마찰만으로도 소재가 매끄러운 표면을 잃고 결국 기계의 전체 기능에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 그건 수리에 자주 돈을 써야 함을 의미합니다. 스크래치 경도 테스트를 수행해 소재가 마찰을 견디고 매끄러운 표면을 잃지 않을지 알면 이를 예방할 수 있습니다.

반발 경도

이것의 동의어는 동적 경도(dynamic hardness)이며, 소성 경도보다는 탄성 경도에 가깝습니다. 탄성 경도는 소재가 영구적으로 변형되지 않음을 의미합니다. 외부 힘이 가해질 때만 형태를 잃습니다. 외부 힘이 제거되면 자동으로 원래 형태를 되찾습니다. 소재가 원래 형태를 되찾을 수 없는 소성 변형과는 다릅니다. 따라서 반발 경도는 탄성 경도에 더 가깝습니다.

반발 경도는 소재가 충격 시 에너지를 흡수하고 인덴터(indenter)로 되돌려주도록 요구합니다. 기계공들은 반발 경도 테스트에 인덴터를 사용합니다. 인덴터로 사용된 소재는 이미 알려진 경도를 가지며 기계공들이 측정된 소재의 경도와 비교합니다.

다이아몬드 팁 해머를 소재에 떨어뜨려 소재의 반발 또는 동적 경도를 측정할 수 있습니다. 그런 다음 표면을 친 후 해머의 반발 높이를 측정합니다. 해머가 원래 떨어뜨린 높이에 가까워지면 소재는 높은 반발 경도 값을 가집니다. 반면 해머가 떨어뜨린 높이에 가까워지지 않으면 소재는 낮은 반발 경도를 가집니다.

압입 경도

기계공들은 압입 경도를 사용해 소재의 변형에 대한 경도를 결정합니다. 이는 검사 중인 소재에 연속 하중으로 인덴트(indent)해 인상(impression)이 형성될 때까지 수행합니다. 기계공들은 테스트되는 소재와 목적에 따라 현미경적, 거시적 규모로 압입 경도 테스트를 수행합니다.

엔지니어와 야금학자들이 소재 경도에 대해 이야기할 때, 종종 압입 경도를 지칭합니다. 소재의 압입 값을 측정하면 소재가 변형되기 전에 얼마나 많은 하중을 견딜 수 있는지 알 수 있습니다.

소재 경도는 어떤 단위로 측정되는가?

일부 기계공들은 경도의 SI 단위를 압력의 SI 단위와 혼동하곤 합니다. 전자는 N/mm² 단위를 가지며, 파스칼(Pascal)이라고도 불립니다. 후자는 N/m², 또는 kg·m⁻¹·s⁻² 단위를 가집니다.

앞서 논의한 각기 다른 경도 유형마다 다른 측정 척도가 있습니다. 단위는 각 측정 방법에서 유래하므로 직접 비교에는 적합하지 않습니다. 그럼에도 비교를 위해 사용할 수 있는 변환표가 있습니다. "관리하다(manage)"라고 말하는 이유는 비교가 100% 정확할 수 없지만 적절한 지표를 제공하기 때문입니다.

경도 측정의 일반적인 단위에는 브리넬 경도 수(HB), 로크웰 경도 수(HRA, HRB, HRC 등), 리브 경도 값(HLD, HLS, HLE 등), 비커스 경도 수(HV)가 있습니다. 아래 표에서 측정 방법들을 비교했습니다.

소재 경도 테스트 방법

각 유형의 소재 경도는 다르게 측정됩니다. 아래는 모든 종류의 경도 테스트 방법입니다:

브리넬 테스트(Brinell test)

이것은 기계공들이 활용하는 일반적인 경도 테스트입니다. 먼저 기계공들은 테스트 기계에 익숙해집니다. 테스트 수행 전 모니터에서 모든 필요한 설정을 합니다.

여기의 원리는 10mm 직경의 강철 볼을 사용해 테스트 피스에 인상을 만드는 것입니다. 인상은 브리넬 경도 수를 알기 위해 계산됩니다.

기계는 볼을 소재에 내려 인덴테이션을 만들고 약 30초간 둡니다. 기계공은 볼에 힘을 가합니다. 테스트 중인 금속 종류가 가해지는 힘을 결정합니다.

일부 금속은 500kg 하중을 필요로 할 수 있고, 일부는 표준 하중인 3000kg까지 필요할 수 있습니다. 인덴터가 제거되면 엔지니어는 저배율 현미경으로 관찰해 크기를 측정합니다. 다른 영역을 잘라내고 직각에서의 측정 평균을 계산합니다.

테스트 완료 후, 기계공들은 브리넬 경도 계산 공식을 사용해 경도 수를 계산합니다.

여기서,

F – 힘, N

D – 인덴터 직경, mm

d – 인덴테이션 직경, mm

로크웰 경도 테스트(Rockwell Hardness test)

이것은 또 다른 일반적인 경도 테스트 유형입니다. 테스트되는 소재 종류가 사용되는 척도 종류를 결정합니다.

선택할 수 있는 30가지 다른 척도가 있습니다. 따라서 귀사의 소재에 적합한 것을 선택할 수 있습니다. 그러나 가장 흔히 사용되는 척도는 "B"와 "C"입니다.

테스터는 메이저 로드(major load)인 테스트 하중을 가하기 전에 마이너 로드(minor load)를 먼저 가합니다. 마이너 로드는 인덴터를 테스트 샘플에 적절히 고정하고 더 정확한 결과를 위해 표면 불규칙성을 제거하는 데 도움을 줍니다.

그런 다음 메이저 로드를 가해 인덴터를 소재에 내려 인상을 만듭니다. 인상을 측정해 경도를 결정합니다. 테스터는 영구 인덴테이션 깊이가 마이너 로드와 비교해 얼마나 증가했는지 계산해 경도 값을 결정합니다.

로크웰 경도 공식은:

여기서,

N – 사용된 척도에 따른 스케일 팩터

s – 사용된 척도에 따른 스케일 팩터

d – 마이너 로드 대비 영구 인덴테이션 깊이, mm

비커스 경도 테스트(Vickers Hardness test)

이것은 경도 측정의 또 다른 방법입니다. 더 적은 하중을 필요로 하는 부드러운 소재에 더 적합합니다. 따라서 부드러운 소재에 더 나은 정확도가 필요하다면 비커스 테스트가 최적입니다.

비커스는 모든 소재에 단일 다이아몬드 인덴터를 사용해 계산을 더 쉽게 만듭니다.

테스터는 시작 전 기계에 익숙해져야 합니다. 부품을 기계에 올려 현미경으로 적절한 높이를 찾습니다. 화면의 이미지를 확인해 올바른 위치를 결정할 수 있습니다. 더 초점이 맞은 이미지가 있으면 잘 설정된 것입니다.

다이아몬드 인덴터를 부품에 내리고 지정된 기간 동안 머물게 합니다.

인덴터를 들어 올리고 아래 공식으로 인덴테이션 값을 측정합니다:

여기서,

F – 힘, N

d – 인덴테이션 대각선, mm

모스 경도 테스트(Mohs hardness test)

스크래치 경도를 측정하고 싶다면 이 방법이 적합합니다. 전통적으로 이 테스트는 알려진 경도의 기준 소재에 테스트 소재를 긁어서 수행합니다. 모스 경도 테스트는 서로 다른 경도의 10가지 기준 소재를 사용합니다. 테스트 중인 소재 종류가 사용할 기준 소재 종류를 결정합니다. 결과는 테스트 소재에 수치 경도 값을 할당해 얻습니다.

활석(talc)이 값 1로 가장 부드러운 소재입니다. 반면 가장 단단한 소재는 값 10의 다이아몬드(diamond)입니다.

로크웰 다이아몬드 인덴터가 현대 모스 경도 테스트에 사용됩니다. 기계의 작동 원리는 전통적 방법과 유사합니다. 적절한 하중에 의해 지정된 기간 동안 테스트 피스를 긁는 것을 포함합니다.

스클레로스코프 테스트(Scleroscope test)

스클레로스코프(Scleroscope)를 사용해 소재의 반발 경도를 결정할 수 있습니다. 속이 빈 수직 유리관을 스탠드에 연결해 이 테스트를 수행할 수 있습니다. 그런 다음 튜브를 통해 다이아몬드 해머를 테스트 피스 위로 떨어뜨립니다. 해머가 튀어 오르고, 튀어 오른 높이를 측정하고 기록합니다. 더 높은 경도의 소재는 더 높은 바운스를, 부드러운 소재는 낮은 바운스를 가집니다.

소재 경도 차트

소재 경도 차트는 인기 있는 소재 유형들의 경도를 결정하는 가장 쉬운 방법 중 하나입니다. 이 차트는 다양한 측정 방법을 사용해 이 다양한 소재들의 경도 값을 제공합니다. 예를 들어, 위 차트는 브리넬 척도 같은 측정 방법을 사용해 알루미늄과 티타늄 같은 금속들의 경도 값을 보여줍니다. 이렇게 하면 리스트에 있는 소재를 사용하는 경우 원자재 경도를 평가할 필요가 없습니다.

그러나 사용된 차트가 표준 조건에서 평가된 것인지 확인해야 합니다.

결론

프로젝트에 적합한 소재를 선택하고자 한다면 적절한 소재 경도 테스트를 수행하는 것이 필수적입니다. 소재 경도를 테스트하는 다양한 방법이 있습니다. 소재 경도에 대한 전문적 조언을 위해 전문 회사에 상담하세요.

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