로크웰 경도
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1. 개요
로크웰 경도는 재료의 경도를 측정하는 방법으로, 1908년 파울 루드비크가 깊이 방향 경도 측정법을 고안한 것을 기반으로 휴 M. 록웰과 스탠리 P. 록웰이 1914년에 시험기를 발명하여 특허를 받았다. 이 시험은 초기 하중과 주 하중을 가한 후, 압입 깊이를 측정하여 경도 값을 결정하며, HRC와 HRB를 포함한 여러 척도를 제공한다. 로크웰 경도 시험은 간편하고 신속하며 비파괴적인 장점이 있으나, 표면 결함에 민감하고 시험편 두께에 제약이 있으며, ISO, JIS, ASTM 등 국제 표준에 따라 시험한다.
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| 로크웰 경도 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 경도 시험 |
| 발명가 | 휴 M. 로크웰, 스탠리 P. 로크웰 |
| 발명일 | 1914년 |
| 특허 취득일 | 1919년 |
| 상세 정보 | |
| 적용 분야 | 금속, 합금 |
| 측정 원리 | 압입 깊이 측정 |
| 압입자 종류 | 다이아몬드 콘, 강구 |
| 하중 종류 | 주 하중, 부 하중 |
| 측정 단위 | HR (Rockwell Hardness) |
| 장점 | 빠른 측정 간편한 시험 준비 다양한 재료 적용 가능 |
| 단점 | 다른 경도 시험에 비해 정확도가 떨어짐 표면 거칠기에 민감함 |
| 로크웰 경도 척도 종류 | |
| 척도 | 하중 (kgf) |
| 압입자 | 적용 예 |
| HRA | 60 |
| 다이아몬드 콘 | 초경합금, 표면 경화강 |
| HRB | 100 |
| 1/16인치 강구 | 탄소강, 구리, 알루미늄 합금 |
| HRC | 150 |
| 다이아몬드 콘 | 경화강, 주철 |
| HRD | 100 |
| 다이아몬드 콘 | 얇은 표면 경화강 |
| HRE | 100 |
| 1/8인치 강구 | 알루미늄, 마그네슘 합금 |
| HRF | 60 |
| 1/16인치 강구 | 얇은 황동 |
| HRG | 150 |
| 1/16인치 강구 | 인청동, 베릴륨 |
| HRH | 60 |
| 1/8인치 강구 | 알루미늄 |
| HRK | 150 |
| 다이아몬드 콘 | 초경합금 |
| HRL | 60 |
| 1/4인치 강구 | 연질 재료 |
| HRM | 100 |
| 1/4인치 강구 | 연질 재료 |
| HRP | 150 |
| 1/4인치 강구 | 연질 재료 |
| HRR | 60 |
| 1/2인치 강구 | 연질 플라스틱 |
| HRS | 100 |
| 1/2인치 강구 | 연질 플라스틱 |
| HRV | 150 |
| 1/2인치 강구 | 연질 플라스틱 |
| 주의 사항 | |
| 표기 방법 | 예: 65 HRC |
| 관련 표준 | |
| 국제 표준 | ISO 6508 |
| 미국 표준 | ASTM E18 |
2. 역사
1908년, 빈 공과대학교의 파울 루드비크 교수가 깊이 방향 경도 측정법을 고안한 이후, 기존의 브리넬 경도 시험의 단점을 보완하기 위해 미국의 휴 M. 로크웰과 스탠리 P. 로크웰이 1914년에 "로크웰 경도 시험기"를 공동 발명하고 특허를 출원했다.[4] 이 시험기는 철제 베어링 궤도면의 열처리 효과를 빠르게 판정하기 위해 개발되었다. 이후 여러 번의 특허 출원과 개선을 거쳐, 1920년에는 찰스 H. 윌슨과 협력하여 시험기를 상용화하고 표준화된 시험기를 개발했다. 1923년에는 스탠리 P. 로크웰 사를 설립하여 열처리 분야에도 기여했다.
2. 1. 개발 배경
1908년, 빈 공과대학교의 파울 루드비크 교수는 저서 "Die Kegelprobe"에서 깊이 방향 경도 측정법을 고안했다.[3] 기존의 깊이 방향 경도 측정법은 백래시나 표면 결함 등의 오차를 제거하는 방식이었다. 1900년에 개발된 브리넬 경도 시험은 시간이 오래 걸리고, 담금질 강에는 사용할 수 없는 등의 단점이 있었다.2. 2. 로크웰 경도 시험기 발명
1914년 7월 15일, 미국 코네티컷 주 출신의 휴 M. 로크웰(1890–1957)과 스탠리 P. 로크웰(1886–1940)은 "로크웰 경도 시험기"를 공동 발명하고 특허를 출원했다.[4] 이 시험기는 철제 베어링 궤도면에 시행된 열처리 효과를 신속하게 판정하기 위해 개발되었다. 1919년 2월 11일에 특허 출원이 승인되어 미국 특허 1,294,171호를 취득했다.[5] 발명 당시, 휴와 스탠리 로크웰은 브리스톨의 뉴 디파쳐 매뉴팩처링 회사(New Departure Manufacturing Co.)에서 근무하고 있었다.[5] 뉴 디파쳐 사는 대형 볼 베어링 제조사였으며, 1916년 유나이티드 모터스 사, 이후 제너럴 모터스 사의 산하에 들어갔다.2. 3. 시험기 상용화 및 발전
스탠리 로크웰은 회사를 떠난 후, 1919년 9월 11일에 발명품을 개선하여 특허를 출원했고, 1924년 11월 18일에 승인받아 미국 특허 1,516,207호를 취득했다.[6][7] 1921년, 코네티컷 주 웨스트하트퍼드로 이사하여 시험기를 더욱 개선했다.[7] 1920년, 찰스 H. 윌슨(Charles H. Wilson)과 협력하여 시험기를 상용화하고 표준화된 시험기를 개발했다.[8] 1923년경, 스탠리 P. 로크웰 사(Stanley P. Rockwell Company)라는 열처리 회사를 설립하여 2012년까지 운영했다.[9] 윌슨 기계 계측 회사(Wilson Mechanical Instrument Company)는 여러 차례 소유주가 변경된 후, 1993년에 인스트론(Instron) 사에 인수되었다.[11]3. 시험 방법
로크웰 경도 시험은 여러 다양한 경도 시험기에서 수행할 수 있다.[12][13] 시험기는 크게 벤치 모델과 휴대용 모델로 나눌 수 있다. 벤치 모델은 다시 디지털 모델과 아날로그 모델로 나뉜다. 디지털 모델은 디지털 디스플레이를 사용하며, 작동에 더 많은 기술 훈련이 필요하다. 아날로그 모델은 작동이 더 간단하고 정확하며, 기기 전면의 다이얼로 결과를 표시한다. 벤치 모델은 주로 작업장이나 실험실에서 사용된다. 휴대용 시험기는 모두 디지털 모델이며, 벤치 디지털 모델과 유사한 디지털 화면을 갖추고 있어 실용적이고 사용하기 쉽다.
로크웰 경도 시험은 소하중을 가한 후 주하중을 가하여 재료의 경도를 측정한다. 소하중으로 영점 위치를 설정하고, 주하중을 가했다가 제거하면서 영점 기준점으로부터의 관통 깊이를 측정한다. 재료가 단단할수록 관통 깊이가 얕아 낮은 값을 나타내는데, 이는 관통 깊이와 경도가 반비례 관계임을 의미한다. 로크웰 경도의 장점은 경도 값을 직접 표시하여 복잡한 계산을 생략할 수 있다는 것이다.
로크웰 시험은 광학 장비 없이 기계 내부에서 압입을 측정하고, 모든 계산이 이루어져 결과를 쉽게 읽고 이해할 수 있어 경제적이다. 시험 전후 시료 재작업이나 마무리가 필요 없지만, 작은 압입으로 인해 부정확한 측정이 발생할 수 있으므로 시료 이중 점검이 중요하다. 시간이 지나면 압입자가 부정확해질 수 있어, 정확한 측정을 위해 교체해야 할 수 있다.[14]
신뢰성 있는 판독을 위해서는 시험편 두께가 압입 깊이의 10배 이상이어야 하며,[16] 평평하고 수직인 표면에서 측정해야 한다. 볼록한 표면은 낮은 판독값을 제공하므로, 볼록한 표면 경도 측정 시에는 보정 계수를 사용할 수 있다.[17]
국제 표준화 기구(ISO)는 ISO 6508-1에서 금속, ISO 2039-2에서 플라스틱의 로크웰 시험을 규정하며, 일본 산업 규격(JIS)은 JIS Z 2245에서 로크웰 시험을 규정한다.
시험기 조작이 간단하고 움푹 들어간 크기가 수 mm로 작아, 열처리 공장 등에서 부품 표면 경도 평가에 자주 사용된다. 로크웰 경도는 금속뿐만 아니라 수지용 스케일도 있으며, HRR50 이하는 듀로미터 경도를 선택하는 것이 좋다.
3. 1. 작동 원리
로크웰 경도 시험은 먼저 시험면에 기준 하중(''F''0)을 가한다. 다음으로 시험 하중(''F''1)을 더한 ''F''0 + ''F''1의 힘을 가하여 소성 변형을 일으킨다. 그 하중을 기준 하중 ''F''0로 되돌리고, 이때 기준면으로부터의 영구적인 함몰 깊이를 측정한다. 비커스 경도나 브리넬 경도와 달리, 깊이만 측정하면 되므로 간편하고 신속하게 시험을 수행할 수 있다.[15]
일반적인 로크웰 경도는 압자의 종류가 선단 반경 0.2 mm, 선단각 120도의 다이아몬드 원뿔과 1/16인치 강구를 사용하는 방법이 있으며, 시험 하중 ''F''1은 60kgf・100kgf・150kgf의 3종류, 총 6종류가 사용된다. 기본 하중 ''F''0는 모두 10kgf가 사용된다.
록웰 경도 계산식은 다음과 같다.
:
:''a'', ''b''는 각각의 스케일에 따라 정해진 값이며, ''h''는 기준면으로부터의 영구 깊이(mm)이다. HRA, HRD, HRC의 경우 ''a'' = 100, 그 외의 경우 ''a'' = 130이며, 어느 경우든 ''b'' = 500이다.
예를 들어, 강철의 경도를 측정할 때 자주 사용되는 록웰 시험법으로, 선단 반경 0.2 mm, 선단각 120 도의 다이아몬드 원뿔을 사용하여 150kgf의 힘을 가하는 HRC와 1/16인치(1.5875 mm) 강구를 사용하여 100kgf의 힘을 가하는 HRB가 있다. 이 경우, 식은 다음과 같다.
:
:
어떤 스케일을 사용할지는 필요에 따라 결정한다. 비교적 부드러운 재료에는 HRB를 사용하고, HRB에서 수치가 100을 초과할 경우 HRC를 사용한다. 대략, HRB는 0에서 100 사이에서, HRC는 0에서 70 사이에서 사용된다.[26]
과거 로크웰 경도 시험기의 작동 단계는 다음과 같다.
# 초기 힘을 가한다: 로크웰 경도 시험의 초기 시험 힘은 10kgf이다. 겉보기 로크웰 경도 시험의 초기 시험 힘은 3kgf이다.
# 주하중을 가한다: 아래 양식 / '척도 및 값' 표를 참조한다.
# 압입이 멈출 때까지 충분한 "체류 시간" 동안 주하중을 유지한다.
# 하중을 해제한다. 로크웰 값은 일반적으로 다이얼 또는 화면에 자동으로 표시된다.[15]
또한 기준 하중 ''F''0를 3kgf로, 시험 하중을 15kgf・30kgf・45kgf로 수행하는 로크웰 경도 시험을 '''록웰 슈퍼피셜 경도''' (Rockwell superficial hardness영어)라고 한다. 록웰 슈퍼피셜 경도는, 일반적인 로크웰 경도 시험에서는 하중이 너무 강한 얇은 판의 경도 시험에 자주 사용된다.[27]
록웰 슈퍼피셜 경도 계산식은
:
로 나타낸다.
3. 2. 계산식
로크웰 경도(HR)는 다음 식으로 계산된다.[14]:
- ''a'', ''b''는 각각의 스케일에 따라 정해진 값이며, HRA, HRD, HRC의 경우 ''a'' = 100, 그 외의 경우 ''a'' = 130이며, 어느 경우든 ''b'' = 500이다.
- ''h''는 기준면으로부터의 영구 깊이(mm)이다.
예를 들어, 강철의 경도를 측정할 때 자주 사용되는 록웰 시험법으로, 선단 반경 0.2 mm, 선단각 120 도의 다이아몬드 원뿔을 사용하여 150 kgf의 힘을 가하는 HRC와 1/16인치(1.5875 mm) 강구를 사용하여 100 kgf의 힘을 가하는 HRB가 있다. 이 경우, 식은 다음과 같다.[26]
:
:
록웰 슈퍼피셜 경도 계산식은 다음과 같다.[27]
:
3. 3. 척도(Scale)
다양한 척도가 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 것은 "B" 및 "C" 척도이다. 두 척도 모두 경도를 임의의 무차원수로 표현한다.[18][19][20] B 척도는 상대적으로 무른 재료에, C 척도는 경화된 강철과 같이 단단한 재료에 사용된다. 각 척도는 사용하는 압입자와 시험 하중에 따라 구분된다. 어떤 척도를 사용할지는 재료의 종류와 예상 경도에 따라 결정한다. HRB는 0~100, HRC는 0~70 범위에서 주로 사용된다.[26]| 척도 | 약자§ | 주 하중* (kgf) | 압입자 | 용도 | N | h |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | 원뿔형 다이아몬드† | 초경합금, 얇은 강, 얕은 침탄강 | 100 | 500 |
| B | HRB | 100 | 약 2.54cm 볼 | 구리 합금, 연강, 알루미늄 합금, 가단성 철 | 130 | 500 |
| C | HRC | 150 | 원뿔형 다이아몬드† | 강, 스테인리스강, 경질 주철, 펄라이트성 가단성 철, 티타늄, 티타늄 합금, 깊은 침탄강, 100 HRB보다 더 단단한 기타 재료 | 100 | 500 |
| D | HRD | 100 | 원뿔형 다이아몬드† | 얇은 강 및 중간 침탄강 및 펄라이트성 가단성 철 | 100 | 500 |
| E | HRE | 100 | 약 2.54cm 볼 | 주철, 알루미늄 및 마그네슘 합금, 베어링 금속, 열경화성 플라스틱 | 130 | 500 |
| F | HRF | 60 | 약 2.54cm 볼 | 풀림 구리 합금, 얇은 연성 판금 | 130 | 500 |
| G | HRG | 150 | 약 2.54cm 볼 | 인청동, 베릴륨 구리, 가단성 철. | 130 | 500 |
| H | HRH | 60 | 약 2.54cm 볼 | 알루미늄, 아연, 납[21] | 130 | 500 |
| K | HRK | 150 | 약 2.54cm 볼 | 베어링 합금, 주석, 경질 플라스틱 재료[21] | 130 | 500 |
| L | HRL | 60 | 약 2.54cm 볼 | 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료. | 130 | 500 |
| M | HRM | 100 | 약 2.54cm 볼 | 열가소성 플라스틱, 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료 | 130 | 500 |
| P | HRP | 150 | 약 2.54cm 볼 | 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료 | 130 | 500 |
| R | HRR | 60 | 약 2.54cm 볼 | 열가소성 플라스틱, 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료 | 130 | 500 |
| S | HRS | 100 | 약 2.54cm 볼 | 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료 | 130 | 500 |
| V | HRV | 150 | 약 2.54cm 볼 | 베어링 금속 및 기타 매우 부드럽거나 얇은 재료 | 130 | 500 |
| 15T, 30T, 45T | 15, 30, 45 | 약 2.54cm 볼 | 표면: 부드러운 코팅용 | 100 | 1000 | |
| 15N, 30N, 45N | 15, 30, 45 | 원뿔형 다이아몬드† | 표면: 침탄 재료용 | 100 | 1000 | |
| * 얇은 재료를 시험하는 경우를 제외하고, 주 하중은 3 kgf이며, 보조 하중은 10 kgf이다. | ||||||
| †브레일 압입자라고도 하며, 120° ± 0.35°의 포함각과 0.200 ± 0.010 mm의 팁 반경을 가진 원뿔형 다이아몬드로 만들어진다. | ||||||
| §로크웰 숫자는 척도 약자 앞에 온다(예: 60 HRC). 단, "표면 척도"의 경우 약자 뒤에 오며 ‘-’로 구분된다(예: 30N-25). | ||||||
- A623에 따라 얇은 재료를 시험하는 경우를 제외하고, 강철 압입 볼은 다양한 직경의 탄화 텅스텐 볼로 대체되었다. 볼 압입자가 사용될 때, 문자 "W"는 탄화 텅스텐 볼이 사용되었음을 나타내고, 문자 "S"는 강철 볼이 사용되었음을 나타낸다. 예: 70 HRBW는 탄화 텅스텐 압입자를 사용하여 로크웰 B 척도에서 판독값이 70임을 나타낸다.[22]
''표면'' 로크웰 척도는 취성 재료 및 매우 얇은 재료에 대해 낮은 하중과 얕은 자국을 사용한다. 45N 척도는 다이아몬드 원뿔형 브레일 압입자에 45kgf 하중을 사용하며, 고밀도 세라믹에 사용할 수 있다. 15T 척도는 약 2.54cm 경화 강철 볼에 15kgf 하중을 사용하며, 판금에 사용할 수 있다.
B 및 C 척도는 겹치므로 HRC 20 미만 및 HRB 100 초과의 판독값은 일반적으로 신뢰할 수 없으므로 취하거나 지정할 필요가 없다.
일반적인 값은 다음과 같다.
- 매우 경질 강(예: 끌, 양질의 칼날): HRC 55–66 (경화 고속 탄소강 및 공구강, M2, W2, O1, CPM-M4, D2, CPM-S30V, CPM-154, ZDP-189와 같은 최신 분말 야금 스테인리스강. Hitachi에서 개발한 HAP72와 같이 HRC가 68-70 이상인 합금이 있다. 이들은 극도로 단단하지만 다소 깨지기 쉽습니다.)[23]
- 도끼: 약 HRC 45–55
- 황동: HRB 55 (저황동, UNS C24000, H01 템퍼) ~ HRB 93 (카트리지 황동, UNS C26000 (260 황동), H10 템퍼)[24]
광범위한 A 척도를 포함한 몇 가지 다른 척도는 특수 용도로 사용된다. 침탄 경화된 표본을 측정하기 위한 특수 척도가 있다.
3. 4. 록웰 슈퍼피셜 경도(Rockwell Superficial Hardness)
록웰 슈퍼피셜 경도(Rockwell superficial hardness영어)는 일반적인 록웰 경도 시험보다 더 작은 하중을 사용하며, 얇은 판이나 표면 경화층의 경도 측정에 사용된다.[27] 기준 하중(''F''0)은 3 kgf이며, 시험 하중(''F''1)은 15 kgf, 30 kgf, 45 kgf 중 하나를 선택한다.[27]록웰 슈퍼피셜 경도(HR) 계산식은 다음과 같다.
:HR = 100 - 1000h
4. 장단점
로크웰 경도 시험은 소하중과 주하중을 차례로 가하여 재료의 경도를 측정하는 방식이다. 먼저 소하중을 가해 영점 위치를 잡고, 주하중을 가했다가 제거한 후 영점으로부터 압입된 깊이를 측정한다. 이때 재료가 단단할수록 압입 깊이는 얕아지므로, 경도 값은 작아진다. 즉, 경도와 압입 깊이는 반비례한다. 로크웰 경도(HR)는 공식으로 계산된다. 여기서 ''d''는 깊이(mm), ''N''과 ''h''는 시험 척도에 따라 정해지는 상수이다.
로크웰 경도 시험기는 벤치 모델과 휴대용 모델로 나뉜다.[12][13] 벤치 모델은 디지털 또는 아날로그 방식으로, 주로 작업장이나 실험실에서 사용된다. 디지털 모델은 디스플레이를 통해 결과를 표시하며, 아날로그 모델은 다이얼을 통해 결과를 보여준다. 휴대용 모델은 디지털 방식으로, 벤치 모델과 유사한 디스플레이를 가지며 사용이 간편하다.
과거 로크웰 경도 시험기 작동 단계는 다음과 같다.
1. 초기 힘(10kgf 또는 3kgf)을 가한다.
2. 주하중을 가한다. (척도 및 값 표 참조)
3. 압입이 멈출 때까지 주하중을 유지한다.
4. 하중을 제거하면 다이얼이나 화면에 로크웰 경도 값이 자동으로 표시된다.[15]
정확한 측정을 위해서는 시험편 두께가 압입 깊이의 10배 이상이어야 하며, 평평하고 수직인 면에서 측정해야 한다.[16] 볼록한 면은 보정 계수가 필요하다.[17]
4. 1. 장점
로크웰 경도 시험은 결과를 얻는 과정이 매우 간편하고, 경도 값을 직접 읽을 수 있어 다른 경도 측정 방법처럼 복잡한 계산을 할 필요가 없다.[14] 또한, 작은 압입 자국만을 남기므로 시험편에 미치는 영향이 적어 거의 비파괴 검사에 가깝다.로크웰 경도 시험은 다양한 종류의 재료에 적용할 수 있는 여러 척도가 존재하여 활용도가 높다. 이러한 특징들 덕분에 공학 및 야금학 분야에서 널리 사용되며, 속도, 신뢰성, 견고성, 그리고 작은 압입 영역 덕분에 상업적으로도 인기가 많다.[14]
로크웰 경도 시험의 장점은 다음과 같다.
- 시험 결과의 의미를 이해하기 쉽다.
- 광학 기기 등을 사용하지 않으므로 비용 효율이 좋다.
- 시험 전후에 시료의 재가공이나 마무리가 필요하지 않다.
4. 2. 단점
5. 국제 표준 및 한국의 적용
국제 표준화 기구(ISO)는 ISO 6508-1에서 금속의 로크웰 경도 시험 방법을, ISO 2039-2에서 플라스틱의 로크웰 경도 시험 방법을 규정하고 있다. 일본 산업 규격(JIS)은 JIS Z 2245에서 로크웰 경도 시험 방법을 규정하고 있다.
한국산업표준(KS)에는 로크웰 경도 시험에 대한 별도의 규격은 없지만, 일반적으로 ISO 또는 JIS 규격을 준용하고 있다. 국내 산업 현장에서는 로크웰 경도 시험이 널리 활용되고 있으며, 품질 관리 및 제품 안전성 확보에 중요한 역할을 하고 있다.
6. 록웰 경도 스케일 측정 조건표
원뿔 압자