경도 시험 기법: 로크웰(Rockwell) & 브리넬(Brinell) 경도 시험법

학습 목표

이 단원을 완료하면 다음을 수행할 수 있습니다:

• 로크웰 경도 시험(Rockwell Test) 수행하기
• 브리넬 경도 시험(Brinell Test) 수행하기

자체 열처리 검증 외에도 경도 시험은 양산 작업에서도 종종 필요합니다. 계획 부족으로 합금 미상 또는 조성은 알지만 경도 미상인 작업이 공작실에 들어오는 경우가 있습니다. 줄(File)로 대략적인 가공성 판단은 가능하지만, 절삭 공구 종류·속도·피드 선정을 위한 최적의 방법은 정확한 경도 측정입니다.

• 브리넬(Brinell): 강구(Steel Ball) 압입 자국 지름 측정으로 경도 판정.
• 로크웰(Rockwell): 압입체(Indenter) 침투 깊이 측정으로 경도 판정.

로크웰 경도 시험(The Rockwell Hardness Test)

로크웰 시험은 연질~경질 금속 모두에 널리 통용되는 방법입니다. 정해진 형상·크기의 원추형 다이아몬드 압입체(또는 강구)를 정해진 하중으로 압입했을 때 침투 깊이를 측정하여 연성을 평가합니다. 넓은 측정 범위 덕분에 공구 제작, 소량 생산 현장, 교육 실습실에서 가장 대중적인 경도 시험법입니다.

로크웰 경도 수치(Rockwell Numbers)

로크웰 시스템에는 여러 스케일(Scale)이 있습니다. 경화강에는 C 스케일(Rockwell C Scale)을 사용합니다. C 스케일은 0(풀림강)에서 시작하여 68(HSS 공구 비트보다 경함, 초경 공구에 육박)까지 분포합니다. 표기: HRC 또는 R_C.

2단계 로크웰 시험 절차

1단계: 예비 하중(Calibrate Load / Minor Load) 적용

시편을 하부 앤빌(Anvil) 위에 안정적으로 올려 압입 시 움직이지 않게 합니다. 원추형 다이아몬드 압입체를 시편 표면에 접촉시킨 후 10 kgf(약 20 lbf) 예비 하중을 가합니다. 압입체가 0.003~0.006인치(약 0.076~0.152mm) 침투합니다. 이 상태에서 다이얼 인디케이터(Dial Indicator)를 0점(Zero)으로 맞춥니다. 이것이 기준 위치(Reference Position)입니다.

2단계: 본 하중(Test Load / Major Load) 적용

예비 하중 유지 상태에서 다이얼이 0인 조건으로 추가 140 kgf(총 150 kgf, C 스케일 기준) 본 하중을 가합니다. 압입체가 더 깊이 들어가며 증가된 침투 깊이가 다이얼에 반영되는데, 역관계(Inverse Relationship)로 표시됩니다. 즉, 깊이 들어갈수록(연질) → 다이얼 수치 낮음(저경도), 얕게 들어갈수록(경질) → 다이얼 수치 높음(고경도).

로크웰 시험법(The Rockwell Method) - 정식 절차

1. 시편 준비.
2. 시편을 앤빌 위에 올림.
3. 다이아몬드 압입체로 예비 시험력(Preload/Minor Load) 가함. 표면 조도 영향 최소화 위해 표면 뚫고 들어가는 기준점 확보.
4. 예비 하중 후 추가 하중(Major Load)을 가해 총 시험력 도달.
5. 이 힘을 유지 시간(Dwell Time: 10~15초) 동안 유지하여 탄성 회복 허용.
6. 본 하중 해제하고 최종 위치 측정. 예비 하중 기준 위치와 본 하중 후 위치 사이 영구 압입 깊이 차이를 경도 수치로 환산.

브리넬 경도 시험(The Brinell Hardness Test)

브리넬 시험도 압입체를 시편에 압입하는 점은 로크웰과 유사하나, 측정 지표가 압입 자국 지름(Diameter of Indentation)입니다. 알려진 크기의 경화 강구(또는 초경 볼)를 시편 표면에 압입하여 생긴 자국 지름을 측정합니다. 연질 재료엔 경화 강구, 경질 재료엔 초경 볼 사용.

브리넬 볼의 경도 한계로 인해 연질~중경도 금속(Soft to Medium Hard Metals) 시험에 적합합니다.

브리넬 스케일 수치

풀림강 약 160 HB부터 초경강 약 700 HB까지 분포.

브리넬 경도 시험 절차

1. 시편 준비.
2. 시편을 앤빌 위에 올림.
3. 압입체를 시편 표면 위치로 이동.
4. 예비 하중 가하여 영점(Zero Reference) 설정.
5. 본 하중(Major Load) 가하여 지정된 시간(10~15초) 유지.
6. 본 하중 해제(예비 하중은 유지).
7. 알루미늄 시편 브리넬 경도 측정 절차 예시:
   1. 정확히 제어된 시험력으로 압입체를 시편에 압입.
   2. 지정된 유지 시간(보통 10~15초) 동안 힘 유지.
   3. 유지 시간 후 압입체 제거 → 시편에 원형 압입 자국 남음.
   4. 자국 크기 광학 측정: 휴대용 현미경이나 일체형 장치로 원형 자국의 두 대각선 길이 측정하여 평균값 산출.
   5. 브리넬 경도 수(BHN) 계산: 시험력 ÷ 압입 자국 곡면적. 압입 자국은 구면 일부로 간주, 반지름 = 강구 지름/2. 두 대각선 평균값을 다음 공식에 대입:

BHN = 2F / [πD(D - √(D² - d²))]

F: 시험력(kgf), D: 강구 지름(mm), d: 압입 자국 평균 지름(mm)

단원 평가

1. 열처리 안전 수칙 5가지를 나열하시오. (참조: 이전 단원)
2. 강재 열처리 시 가장 먼저 알아야 할 것은?
3. 두께 1~2인치 금속의 침적 시간(Soak Time)은?
4. 침적 시간(Soak Time) 설명.
5. 침적 시간 완료 후 다음 단계는?
6. 템퍼링 시 로 설정 온도는?
7. 오스테나이트화 + 퀜칭(Austenitize and Quench) 설명.
8. 공랭(Air-cool) 설명.
9. 로크웰 경도 시험법(The Rockwell Method) 설명.
10. 브리넬 경도 시험법(The Brinell Hardness Test) 설명.

출처 정보

본 단원은 다음 자료를 바탕으로 작성되었습니다.

• 열처리(Heat Treating) - MIT '평탄소강 및 저합금강 열처리', CC:BY-NC-SA 4.0.
• 브리넬 경도 공식 - CORE-Materials '브리넬 경도', CC:BY.