공구강의 휴대용 경도 시험
프레스 금형, 단조 다이 또는 압연 롤은 벤치 경도 시험기로 운반할 수 없으므로 대형 공구의 경도 판독값은 일반적으로 휴대용 기기로 측정합니다. 일반적으로 사용되는 세 가지 방법은 모두 동일한 것을 측정하지 않으며, 그 차이가 프레스 현장에서 측정한 수치를 무엇에 사용할 수 있고 사용할 수 없는지를 결정합니다. 이 페이지에서는 스클레로스코프, 리브 또는 에코팁 시험기 및 초음파 시험기, 각각의 한계, 그리고 현장 판독값이 벤치 로크웰 시험에서 통과한 문제를 발견한 문서화된 사례를 다룹니다.
반발 시험과 압입 시험은 서로 다른 특성을 측정합니다
경도는 재료의 탄성 반응 또는 소성 변형과 경험적으로 관련될 수 있으며, 두 시험군은 이 두 가지를 기반으로 합니다. 벤치 시험인 로크웰, 브리넬, 비커스 및 누프는 압입의 크기나 깊이를 측정하여 소성 거동의 관점에서 경도를 결정합니다. 휴대용 반발 시험은 경도를 재료의 탄성 반응과 관련시킵니다. 이는 핸드헬드 기기로 측정한 수치를 밀 시험 성적서나 도면의 경도 수치와 비교할 때 가장 먼저 기억해야 할 사항입니다. 두 수치는 동일한 방식으로 얻어지지 않았기 때문입니다.
세 가지 방법이 공구에 대한 거의 모든 현장 작업을 커버합니다. 그 중 두 가지는 반발 시험인 스클레로스코프와 리브 시험기이며, 세 번째인 초음파 시험기는 휴대용으로 만든 압입 시험입니다.
스클레로스코프 경도 시험
스클레로스코프는 다이아몬드 팁이 달린 해머를 고정 높이에서 부품 표면에 떨어뜨리는 장치입니다. 반발 높이가 경도의 척도입니다. 1907년 Albert F. Shore가 발명했으며 미국에서 제조된 최초의 상업용 야금 경도 시험기였습니다. 현재 미국에서는 더 이상 제조되지 않지만, 단조강 또는 압연 합금강 롤과 같은 초대형 시편 시험에 여전히 사용되며, 이는 바로 공구강 공급업체와 다이 숍이 다루는 부품 등급입니다.
이 스케일은 공구강을 기준으로 정의되며, 스클레로스코프 수치가 인용될 때 알아두면 유용합니다. 100 단위는 최대 경도로 담금질하고 템퍼링하지 않은 수경화 공구강에서 해머의 평균 반발 높이입니다. 스케일은 100 이상으로 계속되어 완전히 경화된 공구강보다 단단한 재료도 측정할 수 있으며, 모델 C 기기는 0에서 140까지 눈금이 매겨져 있습니다. 대략적인 지침으로, 경화강은 약 100, 중경도강은 약 50, 연질 금속은 10에서 15 사이입니다.
두 가지 모델이 제작되었습니다. 모델 C는 유리관을 통해 수직 스케일에서 반발을 직접 판독하며, 부품이 해머의 관성을 흡수할 수 있도록 최소 2.3 kg (5 lb) 이상인 경우 무제한 크기의 공작물에 장착하지 않고 사용할 수 있습니다. 모델 D는 반발 최고점에서 해머를 정지시키고 다이얼 또는 디지털 디스플레이에서 판독합니다. 수직 정렬이 중요하므로 장착하지 않고 사용해서는 안 됩니다. 두 모델 모두 ASTM E448을 준수하고 로크웰 C, 브리넬 및 비커스 값과 직접 상관되는 표준 교정과, 평압연 제품용 균질 압연 경화 합금강 롤에 사용되는 ASTM A427에 따른 롤 교정(HFRSc 또는 HFRSd로 표시)으로 제공됩니다.
대형 공구에서 이 방법의 장점은 빠르고 시간당 1000회 이상의 시험이 가능하며, 고도로 숙련된 작업자가 필요하지 않고, 완성된 표면에 눈에 띄는 크레이터를 남기지 않으며, 하나의 스케일이 가장 연질에서 가장 경질 금속까지 전체 범위를 커버한다는 것입니다. 한계도 실용적입니다. 해머가 자유롭게 낙하할 수 있도록 기기를 수직으로 유지해야 합니다. 다른 경도 시험보다 표면 상태에 더 민감하므로 과도하게 거친 표면은 불규칙한 판독값을 제공하며, 과열이나 냉간 가공 없이 표면을 줄질, 기계 가공, 연삭 또는 연마해야 할 수 있습니다. 부품의 질량이나 형상이 판독값에 영향을 미치며, 얇거나 가벼운 부품은 단단히 고정해야 합니다. 충격 시 둔탁한 소리 대신 속이 빈 울림 소리가 나면 부품이 제대로 지지되지 않은 것입니다. 5회 측정하여 평균을 냅니다. 압입은 최소 0.50 mm (0.020 in.) 간격을 두어야 하며, 평행 면을 가진 평평한 부품은 적절히 고정하면 가장자리에서 6 mm (0.25 in.) 이내에서 시험할 수 있습니다.
이 방법이 허용하는 최소 시트 두께는 아래에 나와 있습니다.
| 금속 | 최소 두께, mm | 최소 두께, in. |
|---|---|---|
| 경화강 | 0.13 | 0.005 |
| 냉간 압연 강 스트립 | 0.25 | 0.010 |
| 어닐링 황동 스트립 | 0.38 | 0.015 |
| 반경화 황동 스트립 | 0.25 | 0.010 |
스클레로스코프로 경도 시험할 수 있는 최소 시트 두께. 시트는 평평하고 물결이 없어야 합니다. 휘어진 시트는 오목면이 위로 오게 놓습니다.
판독값은 첫 번째 바운스에서 해머의 최대 반발로 표시되므로, 가장 숙련된 작업자도 동일한 부품에서 1~2 포인트 차이가 날 수 있습니다.
리브(에코팁) 경도 시험
리브 시험기는 동일한 반발 원리로 작동하는 휴대용 기기입니다. 충격체가 스프링에 의해 시료로 추진되어 작은 압입을 형성하고, 재료의 경도와 탄성에 따라 표면에서 반발합니다. 전자 유도 코일이 접촉 전후의 충격체 속도를 측정하고, 리브 경도 수치는 두 속도의 비율로 계산됩니다. 수치는 HL로 표기하고 충격 장치를 식별하는 하나 이상의 접미사 문자가 뒤따릅니다. 이 방법은 상표명을 따서 에코팁 경도라고도 하며 ASTM A956으로 표준화되어 있습니다.
모든 리브 시험기는 전자식이며 결과를 디지털로 표시하며, 충격 장치의 선택이 작업의 첫 번째 결정입니다. 장치는 최대 경도와 필요한 최소 시료 질량이 다릅니다. 시험이 반발에 기초하므로 시료의 질량이 결과에 중요하기 때문입니다. 너무 가벼운 부품도 더 큰 질량에 주의 깊게 결합하면 시험할 수 있습니다. 아래 표는 선택 가이드입니다.
| 충격 장치 | 최대 경도, HRC | 최소 시료 질량, kg | 최소 시료 질량, lb | 사용 분야 |
|---|---|---|---|---|
| D | 68 | 5 | 11 | 기본 충격 장치, 단조 및 주강, 알루미늄 합금, 구리 합금 및 주철의 대부분 시험용 |
| DC | 68 | 5 | 11 | D와 동일한 재료, 보어와 같은 협소한 공간에서 측정하도록 성형됨 |
| D+15 | 68 | 5 | 11 | 측정 코일이 뒤로 설정된 슬림 바디, 작은 구멍 및 홈용 |
| G | 60 | 15 | 33 | 더 크고 충격 에너지가 높음, 대형 중량 시험편용: 강 단조품, 주철, 주강 |
| C | 68 | 1.5 | 3.3 | 낮은 충격 에너지, 표면 경화 부품, 코팅 및 박벽 강 부품용 |
| E | 70 | 5 | 11 | 합성 다이아몬드 시험 팁, 극도로 높은 경도의 강 단조품 또는 주물용 |
리브 충격 장치 및 그 응용.
리브 수치는 보편적으로 인정되지 않으므로 대부분의 기기에는 로크웰, 브리넬, 비커스 및 스클레로스코프로의 내장 변환이 있습니다. 이러한 변환의 문제는 일반적으로 재료의 탄성 계수를 통해 재료에 크게 의존한다는 것이므로, 시험기는 여러 재료 등급(강, 주철, 알루미늄 및 황동 포함)에 대해 별도의 변환 데이터를 보유합니다. 잘못된 재료 등급이 로드된 상태에서 공구강의 리브 판독값을 변환하는 것은 벤치 시험과 일치하지 않는 수치를 생성하는 일반적인 방법입니다.
세 가지 작동 포인트가 리브 판독값의 의미를 결정합니다. 첫 번째는 각도입니다. 시험기는 다양한 각도에서 작동할 수 있지만 장치가 수직이 아닐 때 충격체에 작용하는 중력에 대한 보정이 필요하며, 보정은 종종 기기에 내장되거나 빼야 할 표로 제공됩니다. 두 번째는 표면 조도이며, 거친 표면은 일반적으로 더 연질의 결과를 제공합니다. 세 번째는 곡률입니다. 오목 또는 볼록 표면은 G형을 제외한 모든 장치에서 곡률 반경이 30 mm (1.18 in.)보다 크면 시험할 수 있으며, G형은 50 mm (2 in.)가 필요합니다. 원형 및 까다로운 표면용 어댑터가 있습니다. 교정은 표준화된 시험 블록에 대해서만 검증할 수 있으며, 블록 표면에서 10회 판독값을 평균하여 평균이 인증서 값의 13 수치 이내이면 교정된 것으로 간주합니다.
초음파 경도 시험
초음파 방법은 반발 시험이 아닙니다. 비커스 다이아몬드가 압전 변환기에 의해 고유 진동수로 여기되는 자기왜곡 금속 막대의 한쪽 끝에 부착됩니다. 자유단을 고체에 접촉시키면 막대의 공진 주파수가 변하며, 시험되는 재료의 알려진 탄성 계수에 대해 기기가 교정되면 다이아몬드 팁과 표면 사이의 접촉 면적을 주파수 이동에서 도출할 수 있습니다. 일정한 힘에서 접촉 면적은 경도에 반비례하므로, 측정된 주파수는 경도 수치로 변환되어 비커스 또는 로크웰 C로 직접 표시됩니다.
최대 압입 하중은 약 800 gf이며, 압입 깊이는 4에서 18 µm 사이입니다. 대부분의 경우 공작물 표면은 손상되지 않으며 시험은 비파괴로 간주할 수 있습니다. 판독은 15초 이내에 이루어지며, 시간당 최대 1200개 부품을 시험할 수 있고, 기기는 배터리로 작동할 수 있을 만큼 작으며, 모터 구동 프로브를 통해 모든 방향에서 측정이 가능하고, 단일 포인트 교정만 필요합니다. 가장 휴대성이 뛰어난 마이크로경도 시험기이며, 스클레로스코프와 달리 부품의 무게에 영향을 받지 않습니다.
기존 마이크로경도 시험에 비해 이해할 가치가 있는 기술적 장점이 하나 있습니다. 초음파 장비는 하중이 가해진 상태에서 접촉 면적을 측정하는 반면, 기존 비커스 또는 누프 시험은 하중을 제거한 후 압흔을 측정하며, 하중 제거 시 탄성 회복이 그 측정값을 편향시킬 수 있습니다. 초음파 시험은 또한 경하중과 주하중 대신 단일 하중을 사용하므로 록웰 시험처럼 민감한 변위 측정 시스템이나 강성 프레임이 필요하지 않으며, 많은 경우 부품을 클램핑하거나 강성 지지 없이 사용할 수 있습니다.
한계는 동일한 설계에서 비롯됩니다. 광학 시스템이 없어 프로브가 작고 빠르지만, 이는 또한 압자를 미세 조직 성분에 정밀하게 위치시킬 수 없다는 것을 의미하므로 개별 탄화물의 경도는 이 장비의 범위 밖입니다. 또한 침탄층을 가로지르는 경도 트래버스도 어렵게 만드는데, 압자를 가장자리에서 0.05 또는 0.10 mm (0.002 또는 0.004 in.)에 위치시키기가 어렵기 때문입니다. 해결 방법은 트래버스를 반대로 하는 것입니다. 즉, 침탄 깊이를 넘어 부품 내부 깊숙한 곳에서 첫 번째 측정값을 얻고, 연한 측정값이 압자가 마운팅 재료에 도달했음을 보여줄 때까지 규정된 간격으로 외부를 향해 측정해 나가는 것입니다. 마지막으로, 초음파 시험은 마이크로경도 시험이므로 표면 조도 요구 사항이 엄격하며 하중이 낮아질수록 더욱 엄격해집니다. ASTM E3에 따라 준비된 금속 조직 마감이 필요하며, 연삭이나 연마는 표면의 가열과 변형을 피해야 합니다.
벤치 테스트를 통과했지만 여전히 열균열이 발생한 다이
현장 경도 측정 방법의 실용적 가치는 출처에 문서화된 사례에서 드러납니다. 한 다이캐스팅 공장이 담금질 및 뜨임 처리된 H13 공구강으로 만든 다이에서 열균열 문제를 겪고 있었습니다. 초음파 장비를 이용한 현장 경도 시험 결과, 동일한 다이에서 실제 록웰 C 측정값은 허용 가능했음에도 불구하고 탈탄으로 인해 표층이 상당히 연하다는 것이 입증되었습니다. 표면의 탈탄층이 열균열의 원인이었으며, 열처리 절차가 수정되었습니다.
두 측정값의 순서가 핵심입니다. 다이에 대한 벤치 록웰 시험은 일반적으로 준비된 표면에서 수행되며, 탈탄된 표층은 제거되거나 측정 부피 밖에 남을 수 있습니다. 초음파 측정은 최외곽 몇 마이크로미터에만 도달하는데, 이는 바로 탈탄이 존재하는 위치입니다. 열균열, 작업 가장자리에서의 균열 또는 마모로 표면에서 파손되는 공구의 경우, 도면을 충족하는 전체 경도는 공구가 작동하는 표면이 건전하다는 증거가 되지 않습니다.
세 가지 방법 비교
아래 표는 공구나 다이에 어떤 방법을 사용할지 결정하는 사항들에 대해 세 가지 방법을 나란히 비교한 것입니다. 반발 방법은 경도를 탄성 응답과 연관시키는 반면 초음파 방법은 소성 거동과 연관시킨다는 점에 유의하십시오. 이것이 바로 스클레로스코프나 리브 수치를 어떻게 얻었는지 밝히지 않고 록웰 C 값으로 제시해서는 안 되는 이유입니다.
| 스클레로스코프 | 리브 (Equotip) | 초음파 | |
|---|---|---|---|
| 측정 대상 | 표면에 떨어뜨린 해머의 반발 높이 | 스프링 구동 충격체의 반발 속도 | 다이아몬드 팁을 장착한 진동 막대의 공진 주파수 변화 |
| 경도 연관성 | 탄성 응답 | 탄성 응답 | 소성 거동 (접촉 면적) |
| 판독값 | 스클레로스코프 수치, 0-140 스케일 | 리브 수치 HL, 장치 접미사 문자 포함 | 디지털 디스플레이의 비커스 또는 록웰 C |
| 하중 / 에너지 | 고정 낙하 높이, 해머 무게 | 스프링 구동 충격, 장치 의존적 | 최대 약 800 gf |
| 압흔 깊이 | . . . | . . . | 4-18 µm, 표면은 일반적으로 손상되지 않음 |
| 기준 | ASTM E448; 롤 교정 ASTM A427 | ASTM A956 | 장비별, 기준 블록으로 교정 |
| 대형 다이에 장착하지 않고 사용 가능 | 모델 C만, 2.3 kg (5 lb) 초과 부품 | 예, 부품의 질량이 측정값을 좌우함 | 예, 핸드헬드 또는 고정 장치, 모든 방향 |
| 공구강에서의 주요 한계 | 수직을 유지해야 함; 표면 상태가 측정값에 큰 영향 | 측정값은 질량과 각도에 의존하며, 변환은 재료에 의존함 | 금속 조직 표면 마감이 필요하며, 압자를 조준할 광학 장치가 없음 |
공구에 사용되는 세 가지 휴대용 경도 측정 방법.
공구강 주문에서 이것이 의미하는 바
공구강의 납품 경도는 벤치 값으로, 시험편 또는 봉재 자체의 준비된 표면에서 측정하며 HRC 또는 HB로 표기됩니다. 휴대용 기기로 완성된 금형에서 측정한 값은 불확도가 다른 별개의 측정이며, 어느 방법으로 어느 수치를 얻었는지 밝히지 않고 두 값을 직접 비교해서는 안 됩니다. 대형 공구에서 휴대용 측정값이 낮게 나올 때 이를 판정하는 순서는 위 사례와 같습니다. 즉 낮은 값이 탈탄 또는 연삭에 의한 표면 효과인지 확인하고, 기기를 기준 블록으로 검교정한 뒤에야 비로소 강재의 경도 문제로 취급합니다. 환봉에서는 부품의 형상도 벤치 측정값을 변화시키며, 이는 저희 페이지에서 다루고 있습니다: 환봉용 경도 시험 보정 계수, 그리고 벤치 시험을 실시할 수 있는 최소 단면은 경도 시험을 위한 최소 두께.
휴대용 경도 측정값을 인용하기 전에
참고용 표일 뿐이며 Aobo Steel의 규격이 아닙니다. 반발식 측정값과 벤치 로크웰 측정값은 동일한 측정이 아니며, 휴대용 측정값에는 표면 상태, 부품의 질량, 작업자가 수치에 반영됩니다. 도면, 주문 또는 합격 판정에 값을 기입하기 전에 방법, 기기 및 교정 상태를 확인하십시오.
출처: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Scleroscope, Leeb 및 초음파 부분은 Wilson Instrument Division, Instron Corporation의 Edward L. Tobolski가 작성한 Miscellaneous Hardness Tests에서 발췌(PDF p547-563).