공구강의 미세압입 경도 시험

미세압입 시험이란

미세압입 경도 시험에서는 정의된 형상의 다이아몬드 압입자를 준비된 표면에 1~1000 gf의 알려진 하중으로 눌러 넣으며, 이것이 ASTM E384에서 규정하는 범위입니다. 동일한 범위를 미세경도라고 부르기도 하지만, 이 용어는 낮은 경도 값이 아니라 작은 압입을 설명합니다. 유럽 관행은 이 분야를 다르게 나누어 200~3000 gf를 저하중 범위라고 부르는데, 여기에는 중요한 이유가 있습니다. 약 200 gf 미만의 하중은 일반적으로 200 gf 이상에서 생성되는 경도 값과 다른 값을 생성합니다.

비커스 시험은 마주 보는 면 사이의 각도가 136°인 정사각형 기반 다이아몬드 피라미드를 사용합니다. 이 각도는 1925년에 동일한 시편에서 브리넬 경도에 최대한 가깝게 값을 맞추기 위해 선택되었으며, 이것이 동일한 강재에 대해 비커스 값이 브리넬 값 근처에 위치하는 이유입니다. 하중을 제거한 후 압입의 두 대각선을 측정하고 평균을 사용하며, 경도는 압입의 표면적을 적용 하중으로 나누어 계산합니다. 로크웰과 달리 하나의 스케일이 모든 재료를 포괄합니다.

누프 시험은 긴 대각선이 짧은 대각선의 약 7배인 능면체 다이아몬드를 사용합니다. 긴 대각선만 측정하며, 경도는 압입의 투영 면적으로 계산합니다. 좁은 형상이 누프 압입자가 침탄 부품과 얇은 단면에 사용되는 이유입니다. 급격한 경도 구배에서 긴 대각선을 구배에 수직으로 배치하여 하나의 경도를 가진 재료 내에 유지할 수 있는 반면, 동일한 구배를 가로지르는 비커스 압입은 양쪽 절반의 길이가 달라져 유효한 측정이 전혀 불가능할 수 있기 때문입니다.

두 시험 모두 하중을 제거하고 압입자를 들어올릴 때 재료가 회복되지 않는다는 가정하에 계산됩니다. 이 가정은 거의 성립하지 않으며, 누프 시험이 때때로 회복을 제거한다고 말하지만 금속 재료에서는 그렇지 않습니다. 따라서 측정된 압입은 형성된 압입과 결코 정확히 일치하지 않습니다.

비커스와 누프 미세압입 비교, 기사 본문에서 편집.

시험 하중 선택: 압입을 20 마이크로미터 이상으로 유지

하중은 자유로운 선택이 아니며, 이것이 미세경도 수치의 가치를 결정하는 핵심입니다. ASTM E384는 작업자가 압입의 대각선을 20 µm 이상으로 유지할 것을 권장합니다. 압입이 작을수록 측정 오차 1마이크로미터당 손실이 커지기 때문입니다. 평균 대각선이 10 µm인 비커스 압입에서 ±0.5 µm의 측정 변동은 계산된 경도의 약 10퍼센트 상승 또는 하락에 해당합니다. 연강에서는 허용될 수 있지만, 60 HRC의 공구강에서는 10퍼센트 오차가 허용되지 않습니다.

더 단단한 강재는 동일한 하중에서 더 작은 압입을 만들기 때문에, 시편이 단단할수록 압입을 한계 이상으로 유지하려면 하중이 더 높아야 합니다. 실질적인 결과는 다이의 심부에서 작동하는 시험 하중이 경화층에서는 훨씬 너무 낮을 수 있다는 것이며, 경화층을 가로지르는 트래버스는 일반적으로 트래버스에서 가장 작은 압입, 즉 가장 단단한 재료의 압입이 여전히 20 µm를 넘도록 선택된 단일 하중으로 실행됩니다. 경화층이 얕은 경우, 압입을 서로 다른 깊이의 여러 평행 트레이스에 분산시켜 간격이 구배를 왜곡하지 않도록 할 수 있습니다.

예를 들면 계산이 구체화됩니다. 표면에서 약 750 HV에서 심부에서 250 HV로 진행될 것으로 예상되는 유도 경화 부품에서 100 gf 하중은 750 HV에서 16 µm 미만의 압입을 생성하며, 이는 권장 한계 미만이고 트래버스의 단단한 쪽에는 좋지 않은 선택입니다. 200 gf 하중은 750 HV에서 약 22 µm, 250 HV에서 약 40 µm를 생성합니다. 300 gf 하중은 약 27 µm와 약 47 µm를 생성하며, 경화층이 300 gf 압입이 내부에 위치할 만큼 충분히 깊다면 여전히 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

고주파 경화 부품을 가로지르는 이동에 대한 시험 하중 대비 마이크로미터 단위의 압입 크기. 수치는 출처에서 대략적으로 읽은 값이다. ASTM E384는 대각선을 20 µm 이상으로 유지할 것을 권장한다.

간격도 같은 논리를 따릅니다. 압입은 압입 주위에 탄성 및 소성 변형장을 형성하며, 너무 가까이 배치된 두 번째 압입은 첫 번째 압입에 면한 쪽이 변형되어 잘못된 수치를 생성합니다. 중심 간 간격은 Vickers 압입의 경우 대각선의 최소 2.5배, Knoop 압입의 경우 짧은 대각선의 최소 2배여야 합니다. 압입의 중심은 시편 가장자리에서 최소 2.5 대각선 거리에 위치해야 하지만, 1.8 대각선도 허용 가능한 것으로 나타났습니다.

박형 제품에는 대각선 규칙 외에 한 가지 제한이 더 있다. 품질 관리 프로그램에서 포일과 와이어의 경우 압입 깊이는 두께 또는 직경의 10퍼센트를 초과하지 않아야 한다. 0.002 in.(51 µm)의 경질 포일은 약 800 gf까지의 하중을 견딜 수 있지만, 결과의 유효성은 측정된 경도에 따라 달라진다. 해당 포일에 500 gf 시험을 적용하여 약 200 HK가 나온다면 하중이 너무 높아 결과를 신뢰할 수 없으며, 포일을 300 gf 이하로 재시험해야 한다.

동일한 공구강이 두 가지 다른 미세경도 수치를 나타낼 수 있는 이유

Vickers 경도는 매크로 범위에서 시험 하중에 대해 일정하다고 널리 알려져 있으며, 더 낮은 하중에서 변화를 보고한 문헌들은 종종 이를 재료 탓으로 돌렸습니다. 통제된 ASTM E4 실험실 간 순환 시험은 다른 결과를 보여주며, 이 발견은 미세경도 수치로 강재를 합격 또는 불합격 판정하기 전에 알아둘 가치가 있습니다.

해당 프로그램에서 한 명의 작업자가 25~1000 gf의 하중으로 철계 및 비철계 시편 세트에 압입을 만들었고, 각 하중에서 5회씩 실시한 후 24명이 동일한 압입을 측정했습니다. 시험 하중에 대한 경도에 관해 문헌에 보고된 네 가지 경향 모두가 동일한 압입에 대한 측정 데이터에서 나타났습니다. 일부 평가자는 하중이 감소함에 따라 경도가 감소하는 결과를, 한 명은 경도가 증가하는 결과를, 한 명은 변화가 없는 결과를, 다른 이들은 상승 후 하락하는 결과를 나타냈습니다. 다른 시편에서 이상치를 보인 실험실들은 나머지와 일치하지 않았습니다. 강재 자체에는 평가자 간 차이가 없었으며, 변동은 오직 압입을 측정하는 방식에서 비롯되었습니다. 가장 자주 얻어지고 문헌에 가장 자주 보고되는 경향은 하중이 감소함에 따라 경도가 떨어지는 것으로, 이는 사용 배율에서 작은 압입이 과대 측정됨을 의미합니다.

Knoop 시험은 동일한 근본 원인으로 인해 반대 방향으로 거동합니다. 긴 대각선 끝의 대비가 Vickers 압입의 모서리보다 약하기 때문에 긴 대각선이 짧게 측정될 가능성이 더 높으며, 이는 너무 높은 경도 수치를 반환합니다. 따라서 Knoop 경도는 시험 하중이 감소함에 따라 상승하며, 그 상승폭은 더 단단한 강재에서 더 큽니다. 결과는 200~1000 gf에서 통계적으로 동일합니다.

공구강에 대해 두 가지 결론이 도출됩니다. 약 100 gf 이상, 특히 200~1000 gf 사이에서 Vickers 수치는 실험실 간 비교가 가능할 만큼 충분히 안정적입니다. 100 gf 미만에서는 수치가 강재의 경도에 따라 증가하는 측정 불확실성을 가지며, 해당 하중에서 공급업체와 고객 간의 불일치는 야금학적 문제보다 측정 불일치일 가능성이 더 높습니다. 미세경도 수치가 합격 기준으로 사용될 때마다 하중과 측정 절차가 구매 주문서에 명시되어야 합니다.

Vickers 및 Knoop 값을 Rockwell C로 변환

제품 사양은 때때로 Rockwell C 스케일로 경화 깊이를 정의하는데, 이는 벌크 시험 스케일로서 해당 목적에 적합하지 않지만, 이 관행이 충분히 흔하기 때문에 변환을 다루어야 합니다. 경도 변환은 경험적으로 개발되며, 모든 변환에는 오차가 따릅니다. 주요 출처는 ASTM E140으로, 변환을 표와 방정식으로 제시하며, 대부분의 현대 미세압입 시험기는 해당 표를 내장하고 있어 각 측정 옆에 등가 경도를 인쇄할 수 있습니다.

Vickers 데이터를 다른 스케일로 변환하는 것은 Knoop 데이터를 변환하는 것보다 더 간단합니다. Knoop 경도는 하중에 따라 더 많이 변하기 때문입니다. Vickers와 다른 스케일 간의 ASTM E140 변환은 100 gf 이상의 모든 시험 하중에서 사용할 수 있습니다. Knoop 변환은 하중 특정 도구입니다. 500 gf 하중용으로 발표된 변환은 해당 하중에서 가장 정확하고, 약간 더 낮은 하중에서는 상당히 정확하며, 더 높은 하중에서는 일반적으로 적절합니다. Knoop 경도는 500 gf 이상에서 상당히 일정해지기 때문입니다. 실제로 구매하는 재료에 대한 안전한 관행은 변환이 사양서에 기재되기 전에 두 스케일 모두에서 시험하여 차트가 자체 시편과 얼마나 잘 일치하는지 확인하는 것입니다. 다음 페이지에서 공구강의 Vickers-Rockwell C 변환 경화 범위를 제시하며, 더 넓은 계산기는 공구강 경도 변환 HRC 및 HRB 범위를 다룹니다.

시편 준비가 결과를 결정합니다

미세 압입을 위한 준비는 사소한 문제가 아니며, 하중이 감소할수록 더욱 중요해진다. 300~1000 gf에서는 완벽한 마감이 요구되지 않지만, 그렇다고 해서 절단 및 연마 손상을 그대로 남겨두어도 된다는 것은 아니다. 일반적인 준비는 연마 및 6, 3 또는 1 µm 다이아몬드 마감까지 폴리싱한 후 중단할 수 있다. 더 낮은 하중에서는 ASTM E3에 따라 손상이 없는 상태까지 시편을 준비해야 한다. 절단 및 연마로 인한 잔류 손상은 결과에 영향을 미치며, 그 성질에 따라 겉보기 경도를 참값 대비 높이거나 낮출 수 있다.

가장자리 근처에서의 시험은 준비와 기술이 만나는 지점이며, 이는 코팅, 침탄 또는 질화층, 고주파 경화 표면 또는 탈탄층의 경도를 측정하는 방법이기 때문에 공구강 페이지에 정확히 필요한 내용입니다. 가장자리 보존이란 가장자리까지 평탄도를 유지하는 것을 의미합니다. 압력 하에서 실온으로 냉각된 양호한 열경화성 에폭시, 자동 준비 장비 및 보풀 없는 천은 시편에 도금하지 않고도 가장자리를 충분히 잘 유지하며, 마운트되지 않은 벌크 시편도 자동 장비에서 적절한 가장자리 보존으로 준비할 수 있습니다.

공구에서 이것이 사용되는 곳

미세압입 시험의 고전적 응용은 표면 경도 변화의 평가입니다. 침탄, 질화 또는 국부적 표면 경화로 인한 증가가 측정되며, 탈탄 또는 국부적 가열로 인한 감소도 마찬가지입니다. 경도 횡단 측정은 연마된 단면에서 눈으로 볼 수 있는 것을 수치로 바꿉니다. 즉, 변화의 크기와 그것이 발생하는 깊이입니다.

공구의 경화 깊이는 일반적으로 명시된 경도까지의 깊이로 지정되며, 550 HV가 침탄 또는 질화 부품의 일반적인 임계값입니다. 이를 생성하는 횡단 측정은 표면에서 내부로 향하는 압입 라인으로, 단일 하중과 각 압입이 다음 압입과 분리되도록 유지하는 간격으로 실시하여 판독값이 강재의 심부 경도에 도달할 때까지 진행합니다. 탈탄은 반대 방향에서 같은 방식으로 측정됩니다. 즉, 더 안쪽에서는 완전히 허용 가능할 수 있는 경화층 아래의 측정 가능한 깊이의 연질 표피입니다. 열피로 균열이 발생한 다이 또는 조기에 무뎌지는 절삭날의 경우, 파손된 표면을 가로지르는 횡단 측정이 강재 또는 열처리 문제와 사용 문제를 구분하는데, 이는 연질층을 인상으로 남겨두는 대신 수치로 제시하기 때문입니다.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

공구강의 납품 경도는 준비된 표면에서 측정한 HRC 또는 HB의 벌크 값이며, 공급된 상태의 강재를 나타냅니다. Vickers 또는 Knoop 수치는 더 작은 부피를 나타내며, 동일한 하중과 동일한 측정 절차로 측정한 다른 미세압입 수치와만 비교할 수 있습니다. 질화 다이 또는 경화 블레이드와 같이 미세경도 값이 합격 기준인 경우, 주문서에 방법과 하중을 명시해야 하며, 경화 깊이가 지정된 경우에는 표면의 단일 경도가 아닌 명시된 경도까지의 깊이를 명시해야 합니다.

출처: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. George F. Vander Voort, Buehler Ltd.의 논문 Microindentation Hardness Testing (PDF p469-494).