경도기

머리말.

경도란 무엇인가. 일상생활에서 널리 편리하게 사용되고 있는 단어이나 그 내용은 

복잡하다. 경도의 부드러움을 경험하는 것은 쉬우나, 본질을 간단히 표현하는 것은 

어렵다. 이만큼 경도는 광범위한 내용을 가지는 것으로, 마모에 대한 저항, 긋기에 

대한 저항, 탄성계수, 강복점, 파괴강도, 점성, 전연성 등과 관련된 성질을 가지고 

있고 이러한 성질의 하나 또는 소수와 관계 깊은 척도를 나타낸다. 또한, 경도시험

은 국소의 재료시험에서 인장경도, 내성, 스프링 한계값, 성형성, 내마모성 등의 

시험과 비교해 간단하게 시행할 수 있는 것과 시험 후에도 그대로 제품으로 사용할 

수 있는 것이 많고, 다른 특성의 대용특성으로는 다양하게 경도가 실용되고 있다.

경도라는 것은 

[ 길이ㆍ시간ㆍ질량ㆍ전류와 같은 물리량이 아닌, 그 외의 기기특성과 같이 공업량 

또는 비교값이다 ]


어떤 물체의 경도라 함은 

[ 이것이 다른 물체에 의해 변형되었을 때의 저항의 대소를 나타내는 척도 ]


1.경도의 개요

경도를 수치화하여 나타내는 시험방법은 변형을 주는 방법, 저항의 표시법으로 다양

한 방법이 고안되어, 각각의 시험방법에 의해 정의내릴 수 있다. 현재 일반 공업에

서 이용되고 있는 경도시험방법은 표준체, 측정의 기초가 되는 변형, 경도의 산출법

의 차이에 따라 다음과 같이 크게 분류할 수 있다.


그림 1.1 경도기의 종류

압입식 경도시험은 가장 실용화된 방법이다. 시험면에 영구변형을 가하여 변형을 

발생시키는데 필요한 시험력과 발생한 변형의 치수로 경도를 결정하는 것이다.

그 외에는 표준체를 측정면에 충동시킬 때의 동작으로 나타내는 반발경도(동적경

도), 서로 문질렸을 때의 동작으로 나타낸 긋기 경도이다. 또한 측정조작이 간편함

을 우선으로 하여 대상재료마다 다른 비교측정의 방법을 이용한 포터블경도, 자계나 

초음파등도 일부 이용되고 있다.

일반적으로 최근 경도의 대표예로는 오래전부터 이미 시행되고 있는 모스경도나 연필

경도가 있다.


표 1.1 모스경도의 표준광물

그림 1.2  모스경도와 기타경도의 관계

모스경도는 광물관계에서 이용되는 것으로, 어느 물체가 다른 물체의 표면을 긁는 

능력을 경도표준으로 한 것이다. 광물 중에서도 가장 부드러운 활석을 1로 하고, 

가장 단단한 금강석을 10으로 하여, 이들 광물 중간에 경도의 순서로 배열된 광물로 

단계를 나타낸 것이다. 또한, 일반적으로 이용하고 있는 연필의 종류(*B, HB, F, *H

로 나타낸 것)도 경도를 나타낸 것으로 실제로 이를 활용한 도막의 경도시험이 JIS 

규격에도 존재하고 있다.

본 강좌는 수많이 고안된 시험방법 중, 현재 정착한 JIS 규격으로 제정되어 있는 

브리넬경도, 비커스경도, 로크웰경도, 쇼아경도의 4종류를 중심으로 서술해 나가도

록 하겠다.

2.경도에 관한 규격

JIS규격 중에는 각종 경도에 관한 규격이 제정되어 있다. 최근 국제화의 흐름에 맞추

어, JIS규격은 ISO규격으로 조합화한 형으로 개정이 진행되고 있다. 주된 분류로는 

다음과 같은 항목으로 나눌 수 있다.

ㆍ시험방법         : 일반적으로 경도시험시의 방법을 나타낸다.

ㆍ시험기의 검증    : 경도시험에 사용할 시험기를 나타낸다.

ㆍ기준편의 교정    : 경도시험기의 검증에 사용하는 기준편의 교정을 나타낸다.

ㆍ용도별 시험방법  : 각종 용도에서의 경도시험방법 나타낸다.

 (인용하고 있는 규격)


표 2.1 경도에 관한 주요 JIS 규격

표 2.2 ISO 규격

경도를 인용하고 있는 규격


ㆍ로크웰 경도

JIS D4421:1996 자동차용 브레이크 라이닝, 디스크 브레이크 패드 및 클러치  

                 페이싱 경도시험방법

JIS K7202:1995  플라스틱의 로크웰경도 시험방법

(JIS G0557:1996 강철의 침탄경화층 깊이 측정방법)

(JIS G0558:1977 강철의 탈탄층 깊이 측정방법)

(JIS G0559:1996 강철의 불꽃열처리 및 고주파 열처리 경화층 깊이 측정방법)

(JIS G0561:1998 안 강철의 열처리성 시험방법(일단 열처리 방법))

JIS K6911       열경화성 플라스틱 일반시험방법(HRM,R 바콜경도)

JIS K7202:1995  플라스틱의 로크웰 경도시험방법

JIS Z3114:1990  용착금속의 경도시험 방법


ㆍ비커스 경도

JIS B1501:1998 옥(玉)축 수용 강구

JIS G0557:1996 강철의 침탄층 깊이 측정방법

JIS G0558:1977 강철의 탈탄층 깊이 측정방법

JIS G0559:1996 강철의 불꽃열처리 및 고주파열처리 경화층 깊이 측정방법

JIS G0561:1998 안 강철의 열처리성 시험방법

JIS G0562:1993 철강의 불꽃열처리 질화층 깊이 시험방법

JIS G0563:1993 철강의 질화층 표면경도 측정방법

JIS H3130:1992 스프링용 베리륨(beryllium)동, 인청동 및 양백판 및 조 

JIS R1610:1991 파인세라믹의 비커스경도 시험방법

JIS R1607:1995 파인세라믹의 파괴진(靱)성 시험방법

JIS R1623:1995 파인세라믹스 고온비커스경도 시험방법

JIS Z3101:1990 용접열 영향부 최고 경도 시험방법

JIS Z3114:1990 용착금속의 경도 시험방법

JIS Z3115:1973 용접열 영향부 테이퍼 경도 시험방법


ㆍ브리넬경도

JIS H0511:1990 스폰지 티탄 브리넬경도 측정방법

JIS T6506:1997,1987 레진 이(HR:마이크로브리넬)

JIS T6508:1993,1985 치관용 가열중합레진(HB:마이크로 브리넬)

JIS T6509:1993,1985 치관수복용 상온중합레진(HB:마이크로 브리넬)

JIS Z3114:1990 용착금속의 경도 시험방법


ㆍ고무경도

JIS A1108    안 콘크리트 공시체의 압축강도 시험방법

              부속서:JIS K 6253 고무경도타입A을 지정

JIS K6250:1997 가류고무 및 열가소성의 물리시험 통칙

JIS K6253:1997 가류고무 및 열가소성의 경도 시험방법

JIS K7215:1986 플라스틱의 고무경도 시험방법


ㆍ기타 경도

JIS K7060:1995 유리섬유강화 플라스틱 바콜경도 시험방법

JIS R1623:1995 파인세라믹의 고온비커스경도 시험방법

JIS K5400:      도료 일반시험방법

JIS K5400:      도막용 연필 긋기 시험기

JIS K6718:1993,1983 메타아크릴 수지판(긋기 경도)

JIS K6902:1995,1977 열경화성 수지화장판시험방법(긋기 경도)

JIS K6911    열경화성플라스틱일반시험방법(HRM, R, 바콜경도)

JIS Z2101:1994,1994    목재의 시험방법(HB??)


 (참고) 경도에 관한 단체규격

SRIS    일본고무협회

CIS     초경공구협회 

JPMA   일본 분말치금 공업회

EMAS   일본 전자재료 공업회

JIS A1126:1993 긋기 경도에 의한 조골재중 연석량 시험방법 

JIS E1114:1993 N형 레일 및 60Kg레일용 계 오리목 볼트 및 너트

JIS H5501:1996 초경합금

JIS H5601:1990 경연주물 

JIS K7231:1986 에폭시수지 및 경화제 시험방법 통칙

JIS K7232:1986 에폭시수지 및 경화제의 비중시험방법

JIS K7233:1996 에폭시수지 및 경화제 점도시험방법

JIS A 1219      토지 표준관입 시험방법

JIS R 6240      연삭과 돌의 시험방법(HRB,H,L,M)

JIS S 6050:1994  플라스틱 글자 삭제


3.경도의 종류와 그 용도

경도는 비교값이지만 브리넬ㆍ비커스 및 누-프 경도의 단위는 응력(N/㎟)의 단위이

다. 이들의 경도는 재료에 따라 다르나, H=3σB (H=:경도, σB:인장강도)의 관계와 

같이 강도와의 관계가 강한 것이 특징이다. 한편 로크웰ㆍ로크웰 슈퍼피셜 및 쇼아경

도는 일정한 시험조건에서 비교값으로 나타낸 경도이다.  시험기에 대해 비교해 

보면, 전자의 그룹의 경도는 현미경 또는 투영기에서 압흔의 치수를 측정함에 비하

여 후자의 그룹의 경도는 시험기로 직접경도를 지시할 수 있는 것에 측정법상의 특징

이 있다.

측정한 시료의 조건에 대해 어떤 경도를 사용할지의 선택은 반드시 단순하게 결정지

울 수 없다. 아래의 표는 기초적인 항목만을 나타낸 것으로 더욱이 조건에 맞는 

경도 중에서 관례 등을 고려하여 결정할 필요가 있다. 

참고로 경도를 인용하고 있는 JIS 규격의 주된 조건을 나타낸다.


표 3.1 경도와 그 용도

표 3.2 경도시험을 인용한 JIS 규격의 조건

4.브리넬 경도시험

브리넬 경도시험은 1900년, 스웨덴의 J,A.Brinel에 의해 발표된 방법이다. 이것이 

동기가 되어 경도시험이 주목을 끌고, 이 후로 차차 각종 경도가 고안되었다.

브리넬경도는 볼압자(초경합금)을 이용한 시료에 시험력F(N), 시료에 생긴 압흔의 

직경d에서 구한 압흔의 표면적S=(㎟)으로 시험력을 나눈 값으로, 일종의 응력이다.

경도식은 다음과 같다.

그림 4.1 주요 브리넬 시험기의 구조(시험력 부하장치)

압흔의 크기는 그 직경이 압자의 직경D의 0.24-0.6배(압흔의 깊이는 0.015-0.1배)의 

범위로 측정한다. 시험가능한 경도는 650HBW이하이다. 시험경도에 대응하는 부하조건

과 브리넬경도의 시험력 F(N)과 압자의 직경 D의 구성은 아래의 표로 나타낸다.


표 4.1 브리넬경도의 부하조건

표 4.2 브리넬경도시험의 시험력 F    

시료가 균일한 조직인 경우, 브리넬경도는 동일부하의 조건 이라면, 다른 시험력으

로 측정해도 거의 같은 경도를 얻을 수 있다. 이를 응용하여 외국에서는 작은 시험력

으로 브리넬경도 측정이 보급되어 있다. 더욱이, 2452N(250kgf)이하의 시험력에 의

한 시험은 로크웰, 로크웰 슈퍼피셜 및 비커스경도 시험기에 대응하는 볼압자와 분동

을 부착하여 실시할 수 있다.  


4.1 브리넬경도의 측정값에 영향을 주는 요소

ㆍ시료의 크기

브리넬경도시험에 있어서 시료의 크기는 반무한대인 것이 이상적이나, 실제로 이와 

같은 경우는 극히 드물다. 측정결과를 가능한 한 정확히 구하기 위해서는 압흔의 

직경은 가능한 한  큰 편이 좋고, 따라서 압자구의 직경도 커진다. 이로 인해 측정력

도 같이 커지므로 시험면적이 작은 시료 또는 두께가 얇은 시료로는 정확한 측정값

을 기대하기 힘들다. 즉, 압입으로 인해 변형이 되므로 시료의 밑면 또는 측면에 

소성변형의 영향을 받게 해서는 안된다. 또한, 이미 시험한 압흔의 주변은 소성변형

의 영향을 받고 있으므로 상호간에 간섭하지 않을 정도의 간격을 둘 필요가 있다.

JIS규격으로 규정된 조건

	압흔 중심간의 거리>3d

	압흔 중심에서 가장자리까지의 거리>2.5d

	d:압흔의 직경


ㆍ시료의 가공층

시료가 균일하지 않는 경우(가공층이 있는 경우, 주조조직의 특히 편석(扁析)등이 

보이는 경우)에는 시험조건(시험력, 압자의 직경)에 따른 경도의 측정값이 변화하는 

경우가 있으므로, 주의가 필요하다.


5. 비커스경도

비커스경도 시험은 1925년 영국의 R.Smith 및 G.Standard에 의해 발표된 것이다. 

이 방법은 다른 시험에서 보이지 않는 두가지의 특징이 있다.

ㆍ균일한 재료에 대해서는 가해진 시험력의 대소에 무관하게 일정값의 경도를 얻을 

  수 있다.

ㆍ가장 부드러운 재료에서 가장 딱딱한 재료에 이르기까지 연속하여 동일척도로 경도

  를 측정할 수 있다.

비커스경도는 대면각Θ가 136°의 정사각추의 다이아몬드압자로 시료에 시험력F(N)를 

가하여 생긴 압흔의 대각선길이d에서 구한 압흔의 표면적S(㎟)로 시험력을 나눈 값이

다. 또한 대면각 136°는 브리넬 경도와 거의 같은 값이 되도록 연구한 각도이다.

경도의 식은 다음과 같다.

비커스 경도는 시험력에 관계없이 압흔의 형태가 상이형인 것과 압자가 다이아몬드

인 것에서 시료의 경도에 관계없이 적용가능하다, 또한 임의의 시험력으로 경도를 

구할 수 있는 것에서 미소경도 영역을 포함하여 HV0.01 - 100 (10gf - 100kgf)의 

넓은 범위에서 사용되고 있다. 비커스 경도와 누-프 경도는 원리적으로(균일한 시료

일 때) 시험력에 의존하지 않는다. 그러나, 실제 시료에는 깊이방향으로 경도가 변화

하고 있는 경우가 많고 시험력에 의해 경도가 다르다.

특히 미소경도는 표면개질이나 반도체의 분야에서 사용되는 시험력이 점점 저하되고 

있다. 

그림 5.1 비커스경도 시험기의 구조  (시험력 9.807N 이상) 

그림 5.2 전동화된 구조

그림 5.3 현미경으로 압흔측정방법

그림 5.4 비커스 경도 시험기의 구조 (시험력 9.807N 이하)

5.1 비커스 경도의 측정치에 영향을 미치는 요소

・시료의 크기

브리넬 경도와 같이 측정위치 주변에 영향을 받지 않는 조건이 필요하다.

JIS 규격으로 정해진 조건

(강, 동 및 동합금의 경우)

	압흔의 중심간 거리＞3d

	압흔의 중심부터 가장자리까지의 거리＞2.5d

(경합금, 납, 은 및 이것들의 합금의 경우)

	압흔의 중심간 거리＞6d

	압흔의 중심부터 가장자리까지의 거리＞3d

	d:압흔 대상선길이


・시료의 가공층

비커스경도 시험은 최대 150㎛정도의 깊이 압흔을 찍는 것으로 거의 모든 경우 시료

가 균일질이 아닌 조건이 된다. 가공층・경화층이 있는 경우 시험력이 적은 금속조직

의 영향을 받는 경우는 시험조건(시험력)에 의해 경도 측정값이 변화하는 경우가 

있으므로 주의를 요한다. 
   

6. 로크웰 경도

로크웰 경도는 1919년에 미국의 S.P.Rockwell에 의해 대량생산방식으로 적응할 목적

으로 고안되었다. 그 후 C.H.Wilson에 의해 실용화되고 넓게 이용되게 되었다.

로크웰 경도는 압자에 가하는 힘을 초시험력→전시험력→초시험력으로 변화시킬 

때의 전후 2회의 초시험력에 있어 압자의 침입 깊이의 차에서 구한다. 압자는 끝단

의 반경이 0.2mm의 구면으로, 원추각이 120°의 다이아몬드 압자의 외에 직경이 

1/16,1/8,1/4,1/2 인치의 볼압자의 합계 5종류가 있고 압자와 시험력의 조합으로 

표 5에 표시된 30종류의 스케일이 있다. 관례적으로 적용 스케일은 재료마다 정해져 

있다. 경도 기호는 압자가 강구일 때 S를 초경합금구일 때 W를 붙여서 식별한다. 

(예 : HRBS,HR30TW).


그림 6.1 로크웰 시험기의 구조

표 6.1 로크웰 경도 스케일과 용도

위의 표의 경도 산출식에 보는 것처럼 로크웰 경도의 1경도차는 압자의 침입 깊이의 

차 2㎛으로 대응하고, 로크웰 슈퍼피셜 경도는 1경도차가 압자의 침입깊이의 차 1㎛

로 대응하고 있다. 로크웰 경도는 표 5의 경도 산출식에서 나타낸 것과 같이 경도를 

소수 제일 자리까지 측정하기 위해서는 서브 미크론의 변위측정을 하게 된다. 경도

를 바르게 측정하려면, 시료의 안정, 시험기의 기화의 되돌림이 양호함 등이 중요하

다.

6.1 로크웰 경도의 측정값에 영향을 주는 요소

・시료의 크기

JIS 규격으로 정해진 조건

	시료의 두께＞10h(다이아몬드 압자)

	시료의 두께＞15h(볼 압자)

	압흔의 중심간 거리＞4d(또는 2mm)

	압흔의 중심부터 가장자리까지 거리＞2.5d(또는 1mm)

	h:압자의 진입량       d : 압흔의 직경


・시료의 뒷면, 표면상태

로크웰 경도는 부하시의 압자의 깊이 방향의 변위를 서브 미크론 단위로 측정한다. 

이 때문에 시험 중에 힘을 가하여도 시료의 자세(특히 수직방향)가 변화하지 않는 

상태가 되어야 한다.(평면도나 먼지, 유분의 부착에는 충분한 주의가 필요하다.)


7. 쇼아 경도

쇼아 경도는 해머가 튀어 오르는 높이의 비로 경도를 구한다. JIS에서는 다른 경도 

기준을 놓고 다음과 같이 하고 있다. 즉, 특정의 재료(쇼아 경도 기준편의 재료)에 

대한 비커스 경도부터 환산에 의한 환산 쇼아 경도(VHS)에 따라서 시험기의 눈금의 

조정(해머의 형상수정)을 하는 방식이다. 환산식은 아래의 식과 같다. 비커TM 경도

를 아래 식으로 환산한 값과 SAE J417의 환산표에 의해 쇼아 경도 간에는 최대 2HS약

의 차가 있으므로 주의할 필요가 있다. 

    VHS = (1.745a - 1.1505a²+0.5818a³- 0.1609a⁴)×100    , a = HV/1000	


그림 7.1 쇼아시험기의 구조

8. 누우프 경도

누우프 경도는 대릉각  와  횡단면이 능형의 다이아몬드 사각 추압자에 의하여 시험

으로 시험력 F를 가하고, 생긴 압흔의 직사각형의 대각선길이 d부터 구까지 압흔의 

투영면적 A로 시험력을 나눈 값이다. 경도는 다음의 식에서 구한다.

누우프경도는 시험력이 1kgf이하에서 사용되고 미소경도시험기의 비커스 압자를 누우

프 압자로 교화하는 것만으로 측정을 할 수 있다. 누우프 압흔의 깊이는 같은 시험력

일 때 비커스 압흔의 깊이의 약 60%이다. 이 때문에 표층의 경도 측정에 누우프 경도

가 이용된다.

측정상의 주의점은 비커스 경도와 같다.

9. 비교경도계

4.~8.에서 설명한 경도 시험기는 기본적으로 설치형이 있고 측정할 시료는 그 장치

에 들어가는 크기로 한정된다. 시험기에 들어가지 않는 크기의 시료를 측정한다든지 

간단히 경도를 측정하기 위해서는 휴대 가능의 콤팩트한 시험기가 필요하다.

현재 여러 가지의 원리를 이용한 시험기가 있으나 주를 이룬 것은 다이아몬드 압자

를 찍어내는 그 깊이로 각 경도값을 구하는 압자 타입, 쇼아 경도의 원리를 닮은 

해머의 충돌전후의 속도비를 실험식으로 계산하여 표시하는 반발 타입이 있다.

어쨌든 4.~8.의 규격화된 원리에 가까운 것으로 거의 모든 것이 이 시험으로 얻어진 

데이터를 브리넬, 비커스, 로크웰, 쇼아(인장강도)등으로 환산된 값으로 간단히 

바꿔 읽는 것이 가능하다.

여기서 신경을 쓰지 않으면 안 되는 것은 기본적으로 다른 원리로 얻어진 값이므로 

그 조건이 다른 것에 의하여 바른 값이 얻어지지 않는 경우가 있다. 가능하면 읽는 

규격으로 정규의 시험결과와 그 비교경도계와의 시험결과의 상관관계를 확인한 뒤에 

사용하는 것이 바람직하다.


10. 경도의 환산

압흔의 변형은 재질에 의해 탄성과 소성의 비율이 다르다. 고무・플라스틱에 대하여 

금속・세라믹 등의 경질재료는 소성변형이 주가 된다.


그림 10.1 재질과 압흔의 변형

JIS의 핸드북(철강,공구,열처리)에는 경도 환산표가 있고 이 표에는 각종의 경도와 

함께 인장강도의 대응값도 있다. 이것은 기계적 특성은 이론적인 환산을 하지 않는 

실험값이지만 경도와 강도가 밀접한 관계가 있다는 것을 나타내고 있다. ISO4964에서

는 철강 재료에 대하여 HV와 HB, HV와 HR(A,B,C 및 D 스케일)의 관계를 그래프로 

상한과 하한의 선으로 나타내고 있다. 다른 경도 사이의 환산은 재료가 다르면 환산

값과 실측값의 차가 발생하는 것은 어쩔 수가 없다. 환산치는 환산표의 적용재료에 

대한 근사치이다. 

재료에 따라서 환산관계가 다른 이유는 예를 들어 비커스 경도와 로크웰 경도를 비교

하면 알기 쉽다. 비커스 압흔은 부하중과 하중 제거 후 압흔의 대각선 길이의 변화

가 적고, 로크웰 경도에서는 침입 깊이의 변화가 크다. 한 예로써 60HRC일 때 부하시

의 압자의 침입량이 100㎛이고, 경도 지시시의 압자의 침입량은 20% 탄성 회복하여80

㎛이 된다. 이러한 부하시의 압흔(재료의 강도 )외의 관계의 강한 비커스 경도와 

부하시의 압흔(강도)과 하중 제거시의 탄성회복량(영율)의 양자로 좌우되는 로크웰 

경도는

와 같다. 결국, 강도가 같고 영 율이 다른 2개의 재료의 경우 비커스 경도가 같아도 로크웰 경도는 차가 생긴다.