타격 공구의 경도 한계와 박리

타격 공구는 공구강 응용 분야 중에서 공구를 유용하게 만드는 경도가 동시에 공구를 위험하게 만드는 경도이기도 한 유일한 사례입니다. 특정 지점을 넘으면 타격면은 변형을 멈추고 파괴되기 시작하며, 타격면에서 떨어져 나온 조각은 손잡이를 잡고 있는 사람을 다치게 할 만큼 충분한 에너지를 지닙니다. 이 페이지에서는 공개된 규격이 타격 공구와 피타격 공구에 대해 설정한 경도 범위, 그 범위의 각 끝단에서 공구가 보이는 거동, 시험을 통해 허용 가능한 공구를 입증하는 방법, 그리고 큰 박리 조각이 그 아래의 강재에 대해 말해주는 것을 다룹니다.

경도 범위는 마모 한계가 아니라 안전 한계입니다

출처에서 표로 정리한 두 규격이 타격면에 허용하는 최대 경도는 60 HRC이며, 출처는 이 수치가 왜 그 위치에 있는지 분명히 밝힙니다. 취성 벽개 파괴는 그보다 약간 높은 경도에서 발생하는 경향이 있으므로, 60 HRC는 타격 공구의 안전 한계를 초과하는 데 매우 근접한, 어쩌면 너무 근접한 수치입니다. 안전한 상한 경도와 안전하지 않은 상한 경도 사이의 경계는 이산적이지 않고 전이적이며, 이것이 동일한 수치가 여러 규격에서 예리한 임계값이 아니라 공유된 판단으로 나타나는 이유입니다.

하한은 반대 방향으로 작동합니다. 타격면은 보통 약 50 HRC 이상으로 유지되며, 공구를 쐐기와 같은 다른 강재 공구를 타격하는 데 사용할 수 있는 경우 하한은 약 45 HRC로 낮아집니다. 이 수치는 그것이 주는 경고를 위해 선택됩니다. 45 HRC에서는 변형 경화 지수가 더 크고 변형이 더 광범위하게 일어나므로, 공구는 파괴되는 대신 버섯 모양으로 퍼지는 경향이 있고, 버섯 모양으로 퍼진 면은 사용자에게 박리가 다가오고 있음을 알려줍니다. 버섯 모양으로 퍼지기에 너무 단단한 면은 아무런 예고도 주지 않는 면이기도 합니다.

피타격 공구는 같은 논리를 반대 방향으로 따릅니다. 피타격 공구의 최대 허용 경도는 타격 공구보다 낮으므로, 피타격 공구가 거시적 소성 변형을 감당하고 접촉 면적이 커지며, 타격 공구의 응력이 더 큰 부피에 분산됩니다. 따라서 연한 피타격 공구는 타격 공구 보호의 일부이며, 그것이 발생시키는 버섯 모양 변형은 의도된 것입니다.

타격면의 경도	타격 시 공구의 거동	사용자에게 의미하는 바
허용 최대치 초과	취성 벽개 파괴는 규격이 허용하는 것보다 약간 높은 경도에서 시작됩니다	타격면에서 떨어져 나온 조각은 부상을 입힐 만큼 충분한 에너지를 지니며, 이것이 두 규격이 60 HRC에서 멈추고 출처가 그 수치를 안전 한계에 매우 근접한 것으로 부르는 이유입니다
범위 상단, 55~60 HRC	타격면은 평평하게 유지되며 파괴되기 전에 변형되지 않습니다	내마모성은 최상이고 경고성은 최악입니다. 버섯 모양으로 퍼질 수 없는 면은 박리되기 전에 아무런 신호도 주지 않습니다
중간 범위, 50~55 HRC	타격면은 반복 타격 하에서 천천히 마모되고 변형됩니다	해머 헤드, 충격 공구 및 중량 타격 공구에 실용적인 범위
약 45~50 HRC	변형 경화 지수가 더 크고 변형이 더 광범위하게 일어나므로 타격면이 버섯 모양으로 퍼집니다	버섯 모양 변형은 박리가 임박했을 수 있다는 경고입니다. 이는 또한 공구가 쐐기와 같은 다른 강재 공구를 타격해야 하는 경우에 사용되는 범위이기도 합니다
피타격 공구, 타격 공구보다 낮음	피타격 공구가 먼저 변형되고 접촉 면적이 커집니다	더 큰 접촉 면적은 타격 공구의 더 큰 부피에 응력을 분산시키므로, 연한 피타격 공구는 타협이 아니라 안전 조치입니다

타격면의 경도 범위와 그 각 지점에서 공구가 보이는 거동. 규격에 대한 논평과 기사 Spalling from Impact Events의 타격 시험 논의에서 편집함.

규격이 실제로 요구하는 것

규격은 경도 범위 외에도 여러 면에서 다릅니다. 규격은 지정하는 강재, 규제하는 공구의 면, 그리고 공구를 입증하는 데 사용되는 시험에서 다릅니다. 타악기 트랙 공구는 타격면, 피타격면, 절삭날 및 끝단의 네 곳에서 규제되며, 각각 다른 경도가 허용됩니다. 해머는 타격면과 타격면 아래 3밀리미터 지점에서 규제되며, 이 지점은 연한 내부 위의 단단한 표면이 그렇지 않으면 숨겨질 수 있는 곳입니다. 끌은 53~60 HRC의 절삭날과 함께 최대 45 HRC의 피타격면이 허용되며, 이는 타격을 받고 절삭도 해야 하는 공구에 적용된 동일한 개념입니다.

사양	공구 유형	강재 조성	경도, HRC	타격 시험
AREMA	충격 선로 공구	9260A, 0.56~0.64C, 1.8~2.0Si, 0.75~1.0Mn. 9260B, 0.51~0.60C, 1.8~2.2Si, 0.75~1.0Mn, 0.35~0.50Mo, 0.45Si 최대	타격면 51~55. 피타격면 44~48. 절삭날 56~60. 끝단 52~56	없음
ANSI B173.3-1991	중타격 공구	0.45~0.88C, 0.3~1.2Mn, 0.35Si 최대, ASTM A576, A322 또는 A681에 따름	타격면 45~60. 목재 분할용 메일 44~55. 펜 45~60	블록 경도 92~105 HRB
BS 876-1981	해머	0.5~0.6C, 0.5~0.9Mn, 0.1~0.4Si, 헤드 질량 1.8 kg (4 lb) 초과 시 0.2~0.3Cr 첨가	타격면 50~58. 타격면 아래 3mm 지점 46	노멀라이징한 강재 블록, 해머와 동일한 강재, 타격면 주변부에 6회 타격
GGG-H-86C-1963	해머	0.46~0.85C, 0.2~0.9Mn, 0.1~3Si	양면 해머 44~55. 목수용 해머 50~60. 볼 펜 해머 50~57	60 cm (25 in.) 미만 핸들, 92~105 HRB. 60 cm 초과 핸들, 40~45 HRC
ANSI B209.3-1990	목재 분할 쐐기	ASTM A29, A576 또는 A681에 따른 탄소강	최대 35	낙하 중량 시험, 1.5 m (5 ft)에서 4.5 kg (10 lb)
ANSI B209.1-1991	끌	ASTM A29, A322, A331, A576 또는 A681에 따른 탄소강 또는 합금강	타격면 최대 45. 절단날 53~60	낙하 중량 시험

출처에서 표로 정리한 6가지 타격 및 피타격 공구 사양으로, 각각 명시된 강재의 조성과 허용 경도 범위를 포함한다. 모든 철도용 타격 및 피타격 공구는 현재 등급 B 강재로 제조되며, 클로 바, 레일 집게, 레일 포크와 같은 비충격 공구는 일반 탄소강으로 제조된다. 출처: 해당 기사의 표 1.

시험을 통한 공구 검증

두 개의 규격은 타격 공구를 92~105 HRB의 강 블록에 타격하도록 요구하며, 세 번째 규격은 노멀라이징된 강 블록을 요구합니다. 이러한 경도 수준은 낮으며, 출처는 그 결과에 대해 직접적으로 언급합니다. 블록은 타격 시 상당히 변형되며, 타격받는 공구에 적용된 것과 동일한 논리로, 연한 모루는 응력을 분산시켜 타격 공구가 스폴링될 가능성을 줄입니다. 인용된 증거는 McIntire와 Manning이 24 HRC의 모루에 190 J(140 ft · lbf)의 충격 에너지로 타격했을 때 해머에 스폴링을 일으키지 못했다는 것입니다. 따라서 그러한 모루에 대해 100회의 완전한 스윙 타격을 가하는 타격 시험은 공구의 내구성 시험이며 스폴링 경향성 시험이 아닙니다.

한 규격은 핸들 길이가 635 mm(25 in.)를 초과하는 해머에 대해 40~45 HRC의 모루라는 더 엄격한 조건을 요구했으나, 그 요구사항은 이후 훨씬 더 연한 모루를 가진 ANSI 규격으로 대체되었고, 대신 자분 탐상 또는 초음파 탐상이 추가되었습니다. 시험의 다른 변수는 타격이 가해지는 방식입니다. 규격은 타격면을 표면에 평행하게 하여 정면으로 타격할 것과, 비스듬한 타격, 과다 타격 및 과소 타격을 피할 것을 요구합니다. 이는 모서리에 가해진 타격이 단면이 지지하지 못하는 위치에 하중을 가하기 때문입니다.

스폴을 절단하여 열었을 때의 모습

제대로 검사된 스폴은 공구가 파손되었다는 사실보다 더 많은 정보를 담고 있습니다. 볼핀 해머의 출처 단면에서, 공동의 테두리는 전단된 것으로 나타났으며 타격 표면의 일부가 여전히 부착되어 있었고, 면의 연삭 자국은 테두리 가장자리에서 끝났습니다. 공동 표면에는 얇은 산화막이 있었으며, 이는 사건 중 도달한 최소 온도를 430~540 °C 범위의 어느 지점으로 고정시켰고, 그 온도는 열처리가 아닌 스폴링 과정의 소성 변형에서 비롯되었습니다. 단면에서, 단열 전단 밴드가 전체 공동 표면을 덮고 있었습니다. 그 밴드는 미템퍼링된 마르텐사이트의 밝은 에칭 층이며, 그 프로파일은 해당 스폴 제거에 두 개의 별도 전단이 관여했음을 보여주었습니다.

다른 공동에 적용한 동일한 검사는 반대의 결과를 주었습니다. 연삭 자국이 테두리에서 끝나지 않고 테두리를 가로지르는 경우, 테두리는 전단된 가장자리가 아니라 함몰이며, 공동은 스폴의 배출 후 주변 면의 소성 변형에 의해 형성되었습니다. 이 두 경우를 구별하는 것이 스폴을 절단하는 요점이며, 이는 종종 불가능한 단계인데, 타격 공구는 빈번히 소송의 대상이 되어 파괴 시험이 허용되지 않기 때문입니다. 그러한 경우 스폴 자체와 파단면이 유일한 증거이며, 떨어져 나온 조각은 바로 그 이유로 보관할 가치가 있습니다.

관찰되는 것	그것이 의미하는 것
전단된 림(rim)으로, 타격면의 연삭 자국이 림 가장자리에서 끝난다	타격으로 남은 재료가 전단에 의해 절단되었고, 스폴(spall)은 별도의 조각으로 떨어져 나왔다. 타격면의 조각이 림에 붙어 남을 수 있다
변형된 림으로, 연삭 자국이 림을 가로질러 계속된다	림은 전단된 가장자리가 아니라 함몰부이므로, 스폴의 배출 후 주변 면의 소성 변형에 의해 형성된 공동이다
공동 표면의 일부를 어둡게 하는 얇은 산화막	스폴을 생성한 소성 변형으로부터의 열. 도달한 최소 온도는 430~540 °C(800~1000 °F) 범위이다
연마 및 에칭한 단면에서 공동 표면을 덮는 연한 에칭 밴드	단열 전단 밴드(adiabatic shear band)로, 이는 미템퍼링 마르텐사이트 층이다. 밴드의 프로파일은 스폴 제거에 몇 개의 개별 전단이 관여했는지 보여준다
부품 내부에서는 표면이 밝고 자유 표면과 만나는 곳에서는 어두운 선행 균열	담금질 균열. 표면과 전혀 교차하지 않은 균열 부분은 산화되지 않은 상태로 남아 있고, 표면에 도달한 부분은 템퍼링 중에 산화되었으므로, 오래된 파면과 새로운 파면은 대비에서 차이가 난다
한 로트의 많은 공구가 본질적으로 동일한 칩 형상으로 파손되는 경우	템퍼 취성으로, Rucker’s reagent와 같은 에칭액으로 취화된 결정립계를 드러내어 확인한다

스폴 캐비티가 지니는 특징과 각 특징이 뒷받침하는 판독 내용으로, Spalling from Impact Events 기사의 단면과 사례 이력에서 발췌한 것이다.

큰 스폴이 강재에 대해 말해주는 것

일반적인 표면 스폴은 사용 중 발생한 사건이지만, 큰 스폴은 그렇지 않다. 큰 스폴의 형성은 항상 결함이 있는 재료와 관련되며, 출처에서 언급하는 두 가지 결함은 선행 균열과 결정립계의 변화이다. 담금질 균열이 이 둘 중 더 흔하다. 그런 균열이 공구 내부에 완전히 위치할 때, 그 표면은 노에 전혀 노출되지 않아 밝게 유지되지만, 나중에 자유 표면에 도달하는 부분은 템퍼링 중에 산화되므로, 오래된 파면과 새로운 파면은 대비에서 차이가 나고 원래 균열의 경계는 캐비티 내부에서 뚜렷한 형상으로 판독될 수 있다. 균열이 처음부터 표면에 열려 있었던 경우에는 균열 표면 전체가 산화되며, 떨어져 나간 조각은 오래된 결함으로 훨씬 더 쉽게 식별된다.

템퍼 취성은 두 번째 원인이며, 찾을 균열을 남기지 않기 때문에 다르게 나타난다. 출처에서 제시하는 사례는 한 상자 로트로 구매한 세 개의 리핑 해머가 각각 본질적으로 동일한 칩 형상으로 거의 같은 방식으로 파손된 것이다. 증거는 파단 외관이 아니라 결정립계에 있었고, Rucker’s reagent로 에칭하여 드러났다. 따라서 유사하게 파손되는 공구 배치는 개별 공구의 사용 방식보다 해당 로트의 열처리를 살펴보라는 신호이며, 그러한 패턴을 만들 수 있는 취화 유형은 다음에 정리되어 있다 강재의 취화 유형.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

타격 공구 주문은 경도 수치와 파손 모드를 함께 결정해야 하는 몇 안 되는 경우 중 하나입니다. 경도 범위는 좁고, 그 하한은 성능보다는 경고를 주기 위해 선택되며, 타격 공구는 짝이 작동하려면 타격하는 공구보다 연해야 합니다. 세 가지 항목을 기록해 둘 가치가 있습니다. 표면과 그 아래 3밀리미터 지점의 경도인데, 연한 심부 위에 얕은 경화층이 있는 경우는 전체 경화 공구와 다르게 거동하기 때문입니다. 그 경도 뒤의 충격 인성인데, 범위 상한의 표면은 변형되지 않을 타격을 견딜 인성이 필요하기 때문입니다. 그리고 열처리 로트인데, 동일하게 파손되는 공구 배치는 사용 조건보다는 템퍼링을 가리키기 때문입니다. 우수한 내충격 등급과 그 열처리는 S7 공구강 열처리 및 그 이하에 있으며 균열 저항성을 위한 공구강, 해당 등급이 흡수하는 충격 에너지는 공구강의 샤르피 충격 시험에 기록되어 있고, 동일 충격의 관련 마모 측면은 공구의 충격 마모 및 스폴링에 있습니다. 파괴가 설명되기 전에 분류되는 방식은 손상 모드 식별 차트에 있으며, 표면 자체의 흔적은 파단면 특징 및 그 의미로 판독하고, 사용 전에 존재했던 균열은 공구강의 담금질 균열에 설명되어 있으며, 어떤 공구에 어떤 강이 사용되는지에 대한 참조는 공구 유형별 공구 및 금형 재료. 설계에서 서비스까지의 더 넓은 고장 순서는 에 명시되어 있습니다 공구 및 금형 고장 분석.

스폴링에 대응하기 전에

참조 페이지이며, Aobo Steel의 사양이 아니며, 위의 경도 범위는 명시된 사양에 게시된 값으로, 해당 사양이 적용되는 공구에 적용됩니다. 해당 표준을 벗어난 공구 또는 수리된 면을 가진 공구는 이 수치의 적용을 받지 않습니다. 너무 빨리 마모되었다는 이유로 타격 공구를 범위를 초과하는 경도로 재사용하지 마십시오. 그 뒤에 발생하는 파손은 점진적이지 않기 때문입니다. 공구가 이미 스폴링된 경우, 떨어져 나온 조각을 보관하십시오. 파괴 검사가 배제된 후에는 그 조각의 파단면이 남은 유일한 증거일 수 있기 때문입니다.

출처: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.