금속 경도의 기초 지식과 경도를 높이는 가공법을 해설

금속 설계 및 개발에 있어서는 경도의 이해와 관리가 필수적입니다. 한편, 「경도의 종류는?」 「요구하는 경도는 어떻게 하면 얻을 수 있는 것인가?」 「강도와의 차이는?」등의 의문을 가지고 계신 분도 있을 것입니다.
이번 내용에서는, 비커스 경도나 락웰 경도등의 측정 단위와 경도를 높이는 주된 가공법을 해설합니다.

경도의 정의

금속의 경도란 재료의 표면이 가진 「흠집이 잘 나지 않는」 것과 「흠집이 잘 생기지 않는」 것을 나타내는 지표로 압입이나 마찰 등 국소적인 변형에 대한 저항력을 나타냅니다. 예를 들어 금속끼리 문질러 상처 입은 쪽이 부드럽다고 직감적으로 판단할 수 있습니다.
설계 업무에서 경도의 파악은 부품의 내구성이나 수명의 예측으로 이어집니다. 톱니바퀴나 베어링과 같이 다른 부품과 접촉하여 마찰이 발생하는 곳에서는 높은 경도를 가진 재료를 선정해야 합니다. 그러나 경도가 너무 높으면 부서지는 경향이 있기 때문에 충격이 가해지는 부품에는 적합하지 않습니다.
이와 같이, 용도에 따른 최적의 경도의 선택이, 신뢰성이 높은 제품 설계의 첫걸음이 되는 것입니다.

금속 경도의 주요 단위

금속 경도를 측정하려면 목적에 따라 다양한 시험 방법이 존재합니다. 여기서는 대표적인 4가지 경도 단위인 「비커스 경도」, 「로크웰 경도」 「브리넬 경도」 「쇼어 경도」에 대해 알아보겠습니다.

비커스 경도(HV)

비커스 경도(HV)는 단단한 재료부터 부드러운 재료까지 하나의 시험기로 측정할 수 있는 신뢰성 높은 경도 지표입니다. 대면각 136°의 정사각뿔 다이아몬드 압자를 재료에 밀어 넣어 생긴 홈(압력 흔적) 표면적의 크기로 경도를 계산합니다. 압력 흔적이 매우 작기 때문에 얇은 재료나 작은 부품, 표면 처리층과 같은 국소적인 경도 측정에도 적합합니다.
측정값은 「600 HV」와 같이 표기되며 수치가 클수록 단단한 재료임을 의미합니다. 범용성의 높이로부터, 연구 개발로부터 품질 관리까지, 폭넓은 분야에서 이용되고 있는 지표입니다.

로크웰 경도(HRC)

로웰 경도 시험은 공업 분야의 품질 관리에서 널리 사용되는 측정 방법입니다. 다이아몬드 압자 또는 강구 압자를 이용하여 먼저 기준이 되는 「처음 하중」을 가한 후 다시 「메인 하중」을 가하여 마지막에 다시 처음 하중으로 되돌립니다. 이 일련의 하중 변화에 의해 생긴 구덩이의 깊이 차이에서 경도를 직접 구합니다. 압력 흔적의 깊이를 그대로 읽어내는 방식이기 때문에 비커스 경도처럼 광학적인 측정을 할 필요 없이 단시간에 측정할 수 있는 것이 특징입니다.
로크웰 경도에는 많은 스케일이 존재하며, 기계 부품의 설계에서 자주 볼 수 있는 것이 「C 스케일(HRC)」입니다. 이것은 선단각 120°의 다이아몬드 원추 압자를 이용한 스케일로 열처리강이나 조질강과 같은 단단한 금속 재료의 평가에 적합합니다.

브리넬 경도(HB)

브리넬 경도(HB)는 주물이나 비철 금속, 비교적 부드러운 강재 등의 경도를 평가하는 데 적합한 시험 방법입니다. 이 시험에서는 초경합금이나 열처리강으로 만들어진 강구 압자를 재료 표면에 일정 하중으로 밀어 넣어 생긴 압력 흔적의 직경을 측정합니다. 압력 흔적이 다른 시험 방법에 비해 커지기 때문에 재료의 편차를 포함한 전체 평균 경도를 얻을 수 있는 것이 큰 특징입니다.
다만, 매우 단단한 재료로는 압자 자체가 변형되어 버리기 때문에 적용할 수 없으며, 이 경우는 비커스 경도나 로크웰 경도가 사용됩니다.

쇼어 경도(HS)

쇼어 경도(HS)는 반발력을 이용하여 경도를 측정하는 시험입니다. 다이아몬드로 만든 해머를 일정 높이에서 시험편에 낙하시켜 반발 높이를 측정하여 경도값으로 합니다. 시험기가 소형이고 휴대가 용이하며, 큰 부품이나 현장에서의 측정을 간편하게 실시할 수 있다는 점이 장점입니다.
단, 측정치는 재료의 탄성의 영향을 받기 쉽고, 같은 경도라도 재질에 따라 값이 다를 수 있으므로 다른 경도 시험과의 단순 비교에 주의해야 합니다. 주로 특정 제품의 품질 관리나 상대적인 비교에 이용되는 경우가 많은 경도 지표입니다.

금속 경도표

여기에서는 대표적인 산업 재료의 경도의 대표적인 예를 보여줍니다.

[주1]사용 예가 적은 참고치
[주2]로크웰 경도(HRC)를 부드러운 금속에 적용하면 압력 흔적이 너무 커져 정확한 경도 측정이 어려움

금속 중에서는 텅스텐은 딱딱한 경향이 있는 반면, 일반적으로 사용되는 스테인레스강 등도 열처리 등을 통해 높은 경도를 실현하고 있습니다. 이러한 수치를 참고하여 용도에 맞는 재료를 선정하는 것이 중요합니다.

금속의 경도와 용도·특성의 관계

사용 환경에 따라 필요 경도는 달라집니다. 경도는, 단순히 높으면 좋다는 것이 아니라, 다른 기계적 성질, 특히 「인성」과의 밸런스를 고려하지 않으면 안됩니다.
인성이란, 재료의 「끈적힘」이나 「파괴되기 어려운 것」을 나타내는 성질입니다. 일반적으로 금속은 경도를 높이면 인성이 저하되고, 취약해진다(깨지기 쉬워진다)는 상반 관계에 있습니다. 구체적인 용도와 대표적인 금속·합금의 예를 이하에 정리합니다.

경도를 높이는 가공 방법

용도에 맞추어 금속 재료의 경도를 한층 더 높이기 위한 가공 방법에 대해 정리합니다.

열처리

열처리는 특히 강철의 경도를 높이기 위한 대표적인 방법입니다. 강철을 오스테나이트라고 불리는 조직이 될 때까지 고온(약 800°C ~ 900°C)으로 가열한 후 물과 기름에 넣고 빠르게 냉각합니다. 이 급냉 과정을 통해 강철 내부 조직은 「마르텐 사이트」라는 매우 단단하고 바늘 모양의 치밀한 조직으로 바뀝니다.

열처리에는 몇 가지 방식이 있으며, 대표적인 것에 「진공 열처리」가 있습니다. 이것은 진공로 내에서 가열·냉각을 실시하는 것으로, 산화나 탈탄을 막으면서 고정밀도의 경도를 얻는 방법입니다. 치수 변화가 적고 표면의 마무리도 양호하므로 정밀 부품이나 고기능 부품의 가공에 적합합니다.

그러나, 열처리에 의해 경도가 최대가 된 상태에서는, 너무 딱딱하기 때문에 매우 취약하고, 실용에는 적합하지 않습니다. 보통 열처리 후에 「템퍼링」이라고 불리는 재가열 처리를 실시하고, 끈기 강도(인성)를 회복시켜, 강도와 인성의 밸런스를 조정합니다.

표면 경화 처리

표면 경화 처리는 부품 내부의 인성을 유지하면서 표면층만 경화시키는 처리입니다. 높은 접촉 압력이나 마찰에 노출되면서도 충격 하중에도 견딜 필요가 있는 부품에 있어서 이 처리는 불가결합니다. 처리 방법에는 이하와 같은 종류가 있습니다.

• 고주파 열처리
• 침탄 열처
• 질화 처리

시효 경화(석출 경화)

시효 경화는 알루미늄 합금이나 스테인레스강, 구리 합금 등에서 사용되는 경화 방법입니다. 먼저 재료를 고온에서 가열하여 성분을 균일하게 녹이는 「용체화 처리」를 한 후 급랭합니다. 이 상태에서는 재료는 비교적 부드럽지만, 그 후의 「시효 처리」(실온에서의 자연 시효, 또는 일정 온도로 재가열하는 인공 시효)에 의해서, 합금 내부에 미세하고 단단한 석출물이 형성되어 재료 전체의 경도와 강도가 향상됩니다.

가공 경화(냉간 가공)

가공 경화란, 금속에 힘을 가해 구부리거나, 늘리거나, 두드리거나 하는 「소성 변형」을 상온 부근에서 실시하는 것으로 금속이 딱딱해지는 현상입니다. 금속 내부는 원자들이 규칙적으로 늘어선 「결정」 모임으로 구성돼 있어 소성 변형을 가하면 결정 내부에 있는 「전위」라고 불리는 원자의 어긋남이 복잡하게 얽혀 움직이기 어려워집니다. 전위가 움직이기 어려워질수록 재료는 변형되지 않고 딱딱해집니다. 이 방법은 열처리를 할 수 없는 금속 재료의 경도를 높이는 데 효과적입니다.

어닐링 재질

한편, 경도를 의도적으로 낮추는 처리로서 「어닐링(소둔)」이 있습니다. 이것은 금속을 가열하여 내부 응력을 제거하고 가공성과 인성을 높이기 위한 열처리입니다. 어닐링 재질은, 절삭 가공이나 절곡 가공 등을 실시하기 쉽게 하는 목적으로 사용되어, 후공정에서 필요에 따라서 경화 처리를 실시하는 일도 있습니다.

자주 있는 질의 사항

여기에서는 금속 경도에 관하여 자주 있는 질의 사항을 요약합니다.

금속의 「경도」와 「강도」는 동일합니까?

결론적으로 금속의 「경도」와 「강도」는 다른 성질을 나타내는 다른 지표입니다. 경도가 「표면의 상처가 잘 나지 않는 것이나 움푹 패이지 않는 것」이라고 하는 국소적인 변형에의 저항을 나타내는데 비해, 강도는 「재료 전체가 파괴에 이르기까지 얼마나 견딜 수 있는가」라고 하는 전체적인 저항력을 가리킵니다.
설계에서는 하중 조건을 바탕으로 경도와 강도 쌍방으로 재료를 평가할 필요가 있습니다.

금속의 경도는 어떻게 측정합니까?

금속의 경도는 일반적으로 「경도계(경도시험기)」라고 불리는 전용 장치를 이용해 측정됩니다. 경도 측정의 기본적인 원리는 다이아몬드나 초경합금 등으로 만들어진 압자라고 불리는 매우 단단한 칩을 정해진 형상과 일정한 하중으로 재료의 표면에 밀어붙인다는 것입니다. 이 때, 재료의 표면에는 「압력 흔적」이 생깁니다. 이 압력 흔적의 「크기」나 「깊이」를 측정해, 미리 정해진 계산식에 맞추어, 경도의 수치를 산출합니다.

금속의 경도를 높이려면 어떻게 해야 합니까?

금속의 경도를 높이기 위한 가장 전형적이고 효과적인 방법은 재료에 맞는 적절한 「열처리」를 하는 것입니다. 탄소를 포함한 강철은 열처리에 의해 경도를 향상시킬 수 있습니다. 「열처리」이라고 불리는 고온으로 가열한 후에 급랭하는 처리를 실시하면 강철의 조직이 마르텐사이트라는 매우 단단한 상태로 변화하여 경도가 비약적으로 높아집니다. 열처리 후에는, 인성(끈적임)을 조정하기 위해서 「재 열처리」를 실시하는 것이 일반적입니다.
강철 이외의 재료에서는 전술한 「시효 경화(석출 경화)」나 「가공 경화」가 효과적입니다. 알루미늄 합금이나 베릴륨 구리 등은 시효 경화에 의해 경도와 강도를 높입니다. 또, 열처리가 적합하지 않은 스테인레스강이나 동합금 등은, 냉간에서의 압연이나 인발과 같은 소성 가공을 가함으로써, 가공 경화를 이용해 경도를 향상시킵니다.

정리

이번 내용에서는 금속 경도의 기본 개념부터 측정 방법, 재료별 경도 비교, 용도별 재료 선정, 심지어 경도를 높이는 가공법까지를 체계적으로 해설하였습니다. 설계자에게 있어서 중요한 것은, 단순히 경도의 수치를 아는 것이 아니라, 「어떤 사용 환경에서, 어느 정도의 경도가 요구되는가」 「경도와 인성·강도의 밸런스를 어떻게 취할 것인가」라고 하는 시점에서 재료를 선정하는 것입니다.
예를 들어 마모가 심한 슬라이딩 부품에는 고경도재가 적합하지만 충격이 가해지는 구조 부품에서는 인성을 우선시해야 합니다. 또한 열처리나 표면 처리 등의 가공법을 조합함으로써 설계 요건에 맞는 성능을 실현할 수도 있습니다.
경도는 설계 초기 단계부터 고려해야 할 중요한 요소이며 재료 선정·가공 지시·품질 관리에 이르기까지 제품의 신뢰성을 좌우하는 기반이 됩니다. 본 기사의 내용이 보다 실천적인 설계 판단에 일조할 수 있기를 바랍니다.