주조소 경도 시험: 비파괴 품질 보증의 핵심

비파괴 접근으로 금속 부품 자격을 검증하는 중요한 단계

경도 시험은 주조소에서 주조 금속의 특성과 다양한 용도 적합성을 측정하는 품질 시험입니다. 인기는 시험의 비파괴적 성격과 다른 기계적 특성과의 관계 때문입니다. 주조소는 경도 시험 결과를 기반으로 재료의 인장 응력을 추론합니다.

주조 금속 특성은 금속 조성, 공정 조건, 열처리에 따라 달라집니다. 주조 금속 제품이 원하는 최종 용도에 적합한지 인증하는 것이 중요합니다. 주조 금속 사용자에게 중요한 네 가지 주요 특성 범주는:

• 강도
• 충격
• 경도
• 내식성

주조소는 때때로 제품 주물과 함께 테스트 쿠폰을 주조합니다. 테스트 쿠폰 품질 시험 결과는 주조 제품에도 동일하다고 가정합니다. 인장 응력과 충격 같은 일부 시험은 과정에서 시험편을 파괴합니다. 그러나 비파괴 시험(NDT)은 금속 시료를 파괴하지 않고 결과를 얻습니다. NDT 장점은 테스트 피스가 아닌 주조 금속 제품 자체에 시험을 수행할 수 있다는 것입니다.

경도 시험 이점:

• 열처리 작업에서 부품 열처리 검증 및 경화층 깊이 분석 가능
• 재료가 의도한 용도에 필요한 특성이 있는지 판단 가능
• 재료나 부품을 목표 용도로 효과적으로 적격 판정 및 출하하는 비파괴 시험 대안
• 저비용과 빠른 수행

경도 시험이란?

경도라는 용어는 일반적으로 변형 저항을 의미합니다. 금속에서 이 특성은 영구적, 즉 소성 변형에 대한 저항 척도입니다. 금속과 주조 금속 경도를 측정하는 여러 다른 시험이 존재합니다.

브리넬 경도 시험

브리넬 경도 시험은 ASTM E10 - 금속 재료 브리넬 경도 표준 시험법을 사용합니다. 미국시험재료학회(ASTM)가 이 표준 관리자입니다. 고하중을 사용해 측정하는 매크로 압입 시험입니다. 주조 금속은 조대 결정립 구조와 불균질 재료 가능성으로 인해 매크로 경도 시험이 필요합니다.

브리넬 경도 수(BHN)를 얻기 위해 고정 직경의 초경 합금 볼을 고정 압력으로 일정 시간 금속에 압입합니다. 하중 제거 후 작업자가 남은 압입 자국 직경을 측정해 다음 공식으로 BHN으로 변환합니다:

\(BHN={2P \over \pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}\)

P = 가하중 (kgf)
D = 압입자 직경 (mm)
d = 압입 자국 직경 (mm)

미국에서 강철과 철 시험 하중은 일반적으로 10mm 볼로 최대 3000kgf로 설정됩니다. 알루미늄은 500kgf 낮은 시험 하중과 때때로 5mm 작은 압입자를 사용합니다. 일반적인 금속 BHN 범위는 50~750입니다. 아래 Engineering Toolbox 브리넬 경도표에 몇 가지 예시가 있습니다:

재료	브리넬 경도 수
연질 황동	60
연강	130
어닐링된 끌 강철	235
백주철	415
질화 표면	750

브리넬 경도 시험을 위한 금속 표면 준비가 매우 중요합니다. 거친 표면이나 기타 결함은 결과에 영향을 줍니다. 결과 변동성을 최소화하기 위해 시험 전 금속 표면을 연마하는 것이 좋습니다.

브리넬 경도 시험 기원은 1900년까지 거슬러 올라갑니다. 시험 초기엔 결과가 작업자 관점에 크게 영향을 받았습니다. 다른 작업자가 다른 결과를 내 측정 변동성이 높았습니다. 그러나 전자 측정 장비 도입으로 일관성 수준이 크게 향상되었습니다.

록웰 경도 시험

록웰 경도 시험은 ASTM E18 - 금속 재료 록웰 경도 표준 시험법을 사용합니다. 록웰 시험은 두 단계입니다. 장비가 다이아몬드 또는 볼 압입자로 시료에 예비 시험력을 가합니다. 이 단계 목적은 금속 표면을 뚫고 표면 마무리가 최종 결과에 미치는 영향을 줄이는 것입니다. 작업자는 이 시점에서 기준 압입 깊이를 측정합니다. 예비 하중을 일정 시간 유지한 후 주 하중을 가합니다. 다시 힘을 사전 설정 시간 유지한 후 예비 하중으로 줄입니다. 시간이 경과하면 작업자가 압입 깊이 최종 측정값을 취합니다. 록웰 경도 수는 기준 깊이와 최종 깊이 측정값 차이를 기반으로 합니다.

록웰 시험 정확성을 위해 시험 축이 수직에서 2도 이내여야 합니다. 록웰 경도 척도가 시험에 수반됩니다.

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

N = 상수
S = 척도 단위
h = 압입 깊이

리브 경도 시험(Leeb Rebound Hardness Test)

리브 시험은 ASTM A956 - 강철 제품 리브 경도 시험 표준 시험법을 사용합니다. 리브 시험은 시험 시료에서 물체 반동을 측정합니다. 금속 경도는 반동 에너지에 영향을 줍니다. 더 단단한 재료는 더 큰 반동을 생성하고, 더 부드러운 재료는 반동 에너지를 감쇠시킵니다. 물체가 시료에 충돌하기 전후 속도가 반동 값의 기초가 됩니다. 리브 시험 장비는 리바운드 테스트용 자기 볼의 유도 전압을 측정하는 코일을 포함합니다. 이 유도 전압은 시험 장비 코일을 통과하는 볼 속도와 직접 관련됩니다. 리브 경도 값은 다음 공식으로 계산됩니다:

\(LHN={Rebound ;Velocity \over Impact;Velocity}x1000\)

리브 방법 장점으로는 다른 방법보다 시험 시료에 남는 압입 자국이 훨씬 작다는 것, 휴대 가능하고 사용하기 쉽고 브리넬과 록웰 경도계보다 빠르다는 것입니다. 단점은 시료 표면이 고르지 않으면 가변적 결과가 나올 수 있다는 것, 시료 두께와 탄소 함량도 결과에 영향을 줄 수 있다는 것입니다.

경도 수 변환

ASTM E140-12be1은 한 경도 시험법에서 다른 것으로 변환하기 위한 금속 표준 경도 변환표를 제공합니다. 이 변환은 근사치이며 재료 조성, 미세조직, 열처리 같은 요인에 의존함을 유의해야 합니다. 표가 여러 방법 전반의 다수 시험에 기반하지만, 변환 결과는 비교 가능 값의 추정치로만 간주될 수 있습니다.

경도 수와 열처리

주조 금속은 특성을 조작하기 위해 열처리됩니다. 열처리는 재료 온도를 예정 값으로 올리는 과정입니다. 그런 다음 원하는 제품 특성에 따라 특정 속도로 냉각합니다. 가열 사이클 최종 온도와 냉각 속도는 금속 미세조직에 직접 영향을 미칩니다.

더 빠른 냉각 속도로 인한 미세 펄라이트와 페라이트 미세조직은 더 높은 경도 값을 가집니다. 금속을 담금질하면 급속 냉각으로 마르텐사이트 미세조직이 생성되며, 이는 모든 미세조직 중 가장 높은 경도를 가집니다. 미세조직과 경도의 직접적 관계 때문에 경도 시험은 열처리가 성공적이었는지 아닌지 빠르게 판단하는 지표입니다.

경도 수와 주조 금속 특성

표는 특정 재료에 대해 인장 강도가 경도와 어떻게 상관되는지 보여줍니다. 인장 응력 측정은 파괴 과정이지만 경도 시험은 비파괴이므로 유용한 상관관계입니다. 그러나 경도에서 인장 강도로의 변환에는 한계가 있으며 이 표들은 근사치일 뿐입니다.

브리넬 경도 수와 인장 응력 관계:

\(TS(MPa)=\begin{cases}3.55 \cdot HB & (HB \le 175) \\ 3.38 \cdot HB & (HB > 175) \end{cases}\)

\(TS(psi)=\begin{cases}515 \cdot HB & (HB \le 175) \\ 490 \cdot HB & (HB > 175) \end{cases}\)

HB = 표준 압입자와 3000kgf 하중으로 측정된 재료 브리넬 경도

주조 제품과 등급

주조 강재 등급에는 많은 요소가 영향을 미칩니다. 제품 조성, 화학적/기계적 특성, 열처리 공정이 해당 ASTM 표준에 대한 각 주조 제품 인증에 모두 역할을 합니다.

ASTM은 다양한 금속 제품 등급에 대한 표준 사양을 설정합니다. 각 용도에 적합한 등급을 선택하기 위해 이 등급들과 특성을 이해하는 것이 중요합니다. ASTM A27은 일반 용도 탄소강 주조품을 다루는 표준입니다.

주조소에서의 경도 시험

경도 시험 개발로 금속 주조소들이 하나의 간단한 시험으로 제품 특성을 추정하기 쉬워졌습니다. 비파괴적이므로 완제품 손상 없이 수행 가능합니다. 빠른 공정으로 생산 라인을 떠나는 제품에 대한 빠른 피드백을 줍니다. 경도 수와 인장 강도 상관관계는 제품 등급 초기 평가에 유용한 가이드입니다. 주조소는 고객 출하 전 전체 인증 시험 세트를 완료합니다.

경도 시험은 주조소 열처리 공정 확인에도 도움이 됩니다. 결과는 재료 미세조직이 예상대로 변경되었는지 보여줍니다. 경도 시험은 금속 주조소 품질 관리와 공정 튜닝의 핵심 구성요소입니다.