[재료공학기초실험]비커스 경도 측정

실험 목적

알루미늄과 알루미늄 합금의 재료의 무르거나, 딱딱함의 정도인 비커스 경도를 측정하기 위하여 실험하였다.

실험 이론 및 원리

1. 알루미늄

원소기호 Al, 원자번호 13번. 격자구조는 면심입방결정, 공간군은 Fm3m

금속 자체는 반응성이 활발하여, 산과 염기 모두에 잘 반응하고, 공기와 급속히 반응하여 극히 안정된 산화알루미늄의 피막을 만들기 때문에, 피막이 있는 경우에는 쉽게 반응시키기 어렵다. 갈륨의 경우 이 알루미늄을 용해시켜 부스러지게 만드는 특성이 있다. 하지만 역시 순수한 알루미늄은 위와 같은 특성 덕에 쉽게 부식되고 강도도 크게 떨어지기 때문에 실제로 활용되는 알루미늄은 대개 합금이다. 대표적으로 두랄루민이 있으며, 또 구리 및 마그네슘을 소량 첨가시 강도가 획기적으로 향상되기 때문에 각종 차량이나 여행가방, 항공기 제작에 널리 쓰이고 있다.

 

철의 표면에 생기는 산화철(녹)과는 달리 산화알루미늄은 알루미늄을 공기로부터 차단하는 피막역할을 하여 더 이상 알루미늄이 산화되지 않게 돕는다. 알루미늄제 창틀을 보면 금속 특유의 광택과 미묘하게 다른 느낌이 드는데, 이것은 산화알루미늄이 알루미늄을 덮어버렸기 때문이다. 하지만 자연적으로 생기는 피막은 혹독한 환경을 견디지 못하므로 양극 산화를 통해 더 두꺼운 피막을 덮어씌워 버리기도 한다. 이러한 치밀한 피막 때문에 쉽게 반응이 안 된다는 성질 덕에 재활용 효율이 좋다. 일단 금속상태로 제련된 것은 다루기가 쉽고 부식으로 손실되는 양이 얼마 되지 않기 때문. 제련하는데 막대한 비용이 드는 금속이긴 하지만 이 특징덕에 전 세계적으로 제련 누적량을 많이 축적할 수 있었고, 이 덕분에 알루미늄 가격이 많이 떨어진 것이다.

 

매우 가벼운 금속인 관계로 무게가 중요한 ACSR(강심 알루미늄 전선) 등의 장거리 송전선, 비행기 및 기차의 동체 등에 주로 쓰이며, 각종 합금도 여러 분야에 많이 활용된다. 송전탑의 나전선뿐아니라 가정용 전선 등으로도 사용이 확대되고 있다. 강도자체는 철에 비해 떨어지지만 가벼운 금속이라 같은 중량으로 두꺼운 장갑을 만들 수 있기에 일반적으로 중량 대비 포탄에 대한 방어력은 더 높다. 때문에 장갑차나 고속정의 상부 구조물 등에 자주 쓰인다.

 

알루미늄은 고열에서의 연소속도가 빠르고 추가적인 고열이 급격하게 발생하기 때문이다. 또 애초에 알루미늄은 경량화 목적으로 사용하는 소재기 때문에 같은 중량을 쓰지 않으므로 강철 장갑에 비하면 방어력은 떨어질 수밖에 없다. 게다가 경화처리가 거의 안 되기 때문에 탄자형상에 따라서는 더 쉽게 관통된다. 또한 위의 성질을 이용하여 비군사적으로 사용 하는데 가 자동차의 휠이다. 작게는 경차에서 크게는 대형버스에 이르게 사용하는데, 같은 인치에서 철로 만든 휠보다 무게가 가벼워 연비향상에 도움을 주고, 철보다 열 전도성이 우수해 제동시 발생한 열을 효과적으로 배출한다. 철보다 가공하기가 쉬워 여러 디자인이 나온다.

 

산화성이 높기 때문에 매우 높은 온도를 가하거나, 미세한 분말로 만들면 폭발적으로 연소한다. 덕분에 로켓등 짧은 시간동안 엄청난 추진력을 내는데 사용되는 추진체의 연료로 많이 사용되고 있다. 특히 미사일 부스터류. 게다가 알루미늄의 산화반응은 엄청난 연소열을 자랑하기 때문에, 흔히 섬광탄 등에 사용하곤 한다. 산화철과도 반응하여 철의 산소를 뺏어가서 강력하게 발열하여 용융된 철을 발생시키는 테르밋 반응을 한다. 이는 테르밋 용접이나 테르밋 수류탄 등에 활용된다.

 

덕분에 군용 미사일에도 종종 쓰이긴 하는데 알루미늄 분말이 들어간 로켓은 흰 연기를 굉장히 많이 낸다. 알루미늄의 산화생성물인 산화알루미늄은 기체가 아닌 고체이기 때문에, 고체 미립자가 발생하여 연기로 되는 것이다. 이 연기 때문에 적이 도리어 자신에게 접근하는 미사일 및 그 발사지점의 위치를 미리 알고 대응할 수 있기 때문에 아무 군용 로켓/미사일에나 무조건 쓸 수도 없다.

 

그 외에도 제강 공정에서는 철보다 산소와 강하게 반응하기 때문에 산화정련중에 강 속에 용해된 산소를 제거(탈산)하기 위한 원료로 쓰인다. 알루미늄으로 탈산한 강은 Al-Killed 라고 부른다. 2차 정련중 진공탈가스 공정에서도 강한 반응열로 냉각되는 용강의 온도를 다시 높이고 산소 용해량을 조절하기 위해 알루미늄을 투입하기도 한다. 그러나 용강에 남아있는 용존 알루미늄은 외부 공기와 접촉하면 급격히 산화하여 알루미나를 형성하며, 이는 슬래그에 흡착되지 않을 경우 고체상태로 용강 속을 떠돌다가 주조 노즐을 막아버리거나 그대로 주괴 속에 남아 강괴의 품질을 해치는 비금속 개재물이 되기도 한다.

알루미늄의 가공

 

2. 알루미늄 합금

다른 원소를 첨가하는 이유는 순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 각종 원소 (Mn, Si, Mg, Cu, Zn, Cr 등)를 첨가하여 강도 향상시키기 위하여 다른 원소를 첨가시킨다.

Aluminum 합금은 그 합금 원소의 성분에 따라 아래 표에서 제시된 바와 같이 1000 시리즈부터 7000 시리즈까지 4행의 숫자로 표시되어 있다. 각각의 첫 번째 숫자가 의미하는 내용은 다음과 같이 구분된다.

명칭	화학성분(%)
	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Cr	Ti	기타	Al
1060	0.25	0.35	0.05	0.03	0.0.3	0.05	-	0.03		≥99.6
1100	1.00		0.05~0.20	0.05	-	0.10	-	-		≥99.0
2011	0.40	0.70	5.0~6.0	-	-	0.30	-	-	Pb:0.20~0.6 Bi:0.20~0.6	Remainder
2014	0.50~1.2	0.70	3.9~25.0	0.40~1.2	0.20~0.8	0.25	0.10	-	Zr+Ti : 0.20	Remainder
2024	0.50	0.50	3.8~4.9	0.30~0.9	1.2~1.8	0.25	0.10	-	Zr+Ti : 0.20	Remainder
2219	0.20	0.30	5.8~6.8	0.20~0.40	0.02	0.10	-	0.02~0.10	V:0.05~0.15 Zr:0.10~0.25	Remainder
3003	0.60	0.70	0.05~0.20	1.0~1.5	-	0.10	-	-		Remainder
3004	0.30	0.70	0.25	1.0~1.5	0.8~1.3	0.25	-	-		Remainder
3005	0.60	0.70	0.30	1.0~1.5	0.20~0.6	0.25	0.10	0.10		Remainder
4032	11.0~13.5	1.00	0.50~ 1.3	-	0.8~1.3	0.25	0.10		Ni:0.5~1.3	Remainder
4043	4.5~ 6.0	0.80	0.03	0.05	0.05	0.1	-	0.2		Remainder
5005	0.30	0.70	0.20	0.20	0.5~1.1	0.25	0.10	-		Remainder
5052	0.25	0.40	0.10	0.10	2.2~2.8	0.10	0.15~0.35	-		Remainder
5083	0.40	0.40	0.10	0.40~0.10	4.0~4.9	0.25	0.05~0.25	0.15		Remainder
5082	0.20	0.35	0.15	0.15	4.0~5.0	0.25	0.15	0.10		Remainder
6061	0.40~0.8	0.70	0.15~0.40	0.15	0.8~1.2	0.25	0.04~0.35	0.15		Remainder
6063	0.20~0.6	0.35	0.10	0.10	0.45~0.9	0.10	0.10	0.10		Remainder
6N01	0.40~0.9	0.35	0.35	0.50	0.40~0.8	0.25	0.30	0.10		Remainder
6951	0.20~0.50	0.80	0.15~0.40	0.10	0.40~0.8	0.20	-	-		Remainder
7003	0.30	0.35	0.20	0.30	0.50~1.0	5.0~6.5	0.20	0.20	Zr:0.05-0.25	Remainder
7072	0.7		0.10	0.10	0.10	0.8~1.3	-	-		Remainder
7075	0.40	0.50	1.2~2.0	0.30	2.1~2.9	5.1~6.1	0.18~0.35	-	Zr+Ti:0.25	Remainder
7N01	0.30	0.35	0.20	0.20~0.7	1.0~2.0	4.0~5.0	0.30	0.20	Zr:0.25 V:0.10	Remainder

 

3. Aluminum 합금의 특성

알루미늄과 그 합금은 항공 우주 산업이나 가정용 기물 외에 일반 공업용 차량, 토목, 건축, 조선, 화학 및 식품 등 많은 공업 분야에 널리 사용된다. 알루미늄은 pH 4.5 ~ 8.5 의 환경에서 산화 피막이 모재를 보호하기 때문에 내식성은 우수하나 이온화 경향이 커서 부식 환경 하에서 Fe, Cu, Pb 등과 접 촉하면 심하게 부식되고 수은은 ppm 단위만 있어도 심하게 부식된다.

 

순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 각종 원소 (Mn, Si, Mg, Cu, Zn, Cr 등)를 첨 가하여 주로 석출 경화에 의한 강도 향상을 도모하여 사용한다. 자성이 없으며 일반 탄소강에 비해 열 및 전기 전도도는 약 4 배 정도로 크 고, 선팽창계수는 약 2배 정도 커서 용접성은 많이 떨어지는 재료이다.

 

가공경화 Al 합금은 순 Al 에 합금 원소가 첨가되어, 여기에 가공 경화 및 열처리 에 의해 강도가 향상된다. 비열처리 합금에는 각각 Mn, Si, Mg 등이 첨 가되어 H 시리즈의 특별 기호가 붙은 가공 경화의 정도에 따라 일정한 강도가 얻어진다.

 

열전도도, 전기전도도 Al 합금의 열전도도는 Cu 보다 낮지만, 강의 4~5 배가 되기 때문에 국부 가열이 곤란하다. 또한, 열팽창, 응고 수축율 Al 합금의 선팽창 계수는 강의 약 2 배이다. 따라서 용접 변형이 발생하기 쉽고, 더욱이 응고 수축율이 강의 약 1.5 배이기 때문에 합금에 따라서는 응고 균열이 발생하기 쉽다.

 

그리고 산화성 Al 합금은 상당히 산화하기 쉽고, 실온에서도 공기 중의 산소와 반응하여 50~100Å 두께의 산화알루미늄을 그 표면에 생성한다. 이 산화 Al 의 융점은 2270~3070K 의 고온으로 일반적인 Arc 용접 시에는 용융되지 않은 산화 피막에 의해 Al 합금 상호의 융합이 방해를 받게 된다. 또 이 산화물의 비중이 3.75~4.0 으로 Al 합금에 비해 크기 때문 에 용융금속의 아래 부분에 깔리게 되고 더욱이 이 산화물의 결정수가 분해하여 수소를 방출하기 때문에 용접 금속에 기공이 형성되어 건전한 용접부가 얻어지지 않는다. 따라서 Al 합금의 용접에서는 이들 산화물 을 미리 제거하여 용접에 임하여야 한다.

 

4. 알루미늄 합금의 구분

알루미늄 합금을 열처리에 의한 경화여부에 기준을 두어 구분하고 각각의 특징을 개략적으로 설명한다.

1) 비열처리 알루미늄 합금

비열처리 알루미늄 합금의 강도는 실리콘(Si), 철(Fe), 망간(Mn), 마그네슘 (Mg) 등의 원소에 의한 고용 강화 혹은 분산 강화에 의해 결정된다. 이 분류에 속하는 금속은 앞서 제시된 Table 1 과 2의 1XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX 에 속하는 금속들이다. 근본적으로 석출물에 의해서 경화하는 조직상의 특성을 가지고 있기에 열처리에 의해 경화하지 않는다.이들 합금을 경화하기 위해서는 가공 경화의 방법이 적용된다. 가공 경화 된 이들 합금의 강도를 저하하기 위해서는 343 ~ 410℃의 범위에서 열처리 를 실시한다. 비열처리 알루미늄 합금을 용융 용접하게 되면 열향부의 강도가 저하한 다

 

2) 열처리 알루미늄 합금

열처리 합은 주로 열처리에 의해 강도가 향상되기 때문에 외 등의 강 도가 요시되는 부분에 합하다. 고강도 Al합으로서 이미 항공기 재료로 리 이용되고 있는 Al-Cu계 합 은 취약한 내식성으로 인해 자동차용으로는 그 응용이 제한되었으나, 최근 Cu함량을 여 Alcoa사에서 새로이 개발한 2008번 Al 합은 성형성이 향상 되었고 Al-Mg-Si계와 동등한 내식성을 나타내어 미국에서는 이미 사용되고 있으며 그 응용분야가 차 확되고 있다.

합급명 / 제조상태	항복 강도 Yield Strength (Kgf/㎟)	인장 강도 Tensile Strength (Kgf/㎟)	연신율 Elongation Thickness (1.6㎜%)	Brinell Hardness	전단 강도 (Kgf/㎟)	피로 강도 (Kgf/㎟)
1070-O -H14 -H18	4.50 8.00 15.00	7.00 11.00 16.00	37 8 5	18 32 38
1050-O -H14 -H16 -H18	3.00 10.50 12.50 15.00	8.00 11.00 13.50 16.00	39 10 8 7	20 32 36 40	6.50 7.00 8.00 8.50	3.00 3.50 4.00 5.00
1100-O -H12 -H14 -H16 -H18	3.50 10.50 12.00 14.00 15.50	9.00 11.00 12.50 15.00 17.00	35 12 9 6 5	23 28 32 38 44	6.50 7.00 7.50 8.50 9.00	3.50 4.00 5.00 6.50 6.50
1200-O -H14 -H16 -H18	4.00 11.50 13.50 17.00	9.50 12.00 14.50 18.00	38 9 6 6	23 32 38 44	6.50 8.00 8.50 9.00	3.50 5.00 6.00 6.00
3003-O -H12 -H14 -H16 -H18	4.00 12.50 15.00 17.50 19.00	11.00 13.50 15.50 18.50 20.50	30 10 8 5 4	28 35 40 47 55	7.50 8.50 10.00 10.50 11.00	5.00 5.50 6.50 7.00 7.00
3004-O -H32 -H34 -H36 -H38	7.00 17.50 20.50 23.00 25.50	18.50 22.00 24.50 26.50 29.00	20 10 9 5 5	45 52 63 70 77	11.00 12.00 12.50 14.00 15.00	10.00 10.50 10.50 11.00 11.00
5005-O -H12 -H14 -H16 -H18 -H32 -H34 -H36 -H38	4.00 13.50 15.50 17.50 19.50 12.00 14.00 17.00 19.00	12.50 14.00 16.00 18.50 20.50 14.00 16.00 18.50 20.50	25 10 6 5 4 11 8 6 5	28 - - - - 36 41 46 51	7.50 10.00 10.00 10.50 10.00 11.00 10.00 10.50 11.00	- - - - - - - - -
2014-O -T4,T451 -T6,T651	10.00 29.50 42.00	19.00 43.50 49.00	- - -	45 105 135	12.50 26.50 29.50	9.00 14.00 12.50
2017-O -T4,T451	7.00 28.00	18.00 43.50	- -	45 105	12.50 26.50	9.00 12.50
2024-O -T3 -T351,T4 -T36	8.00 35.00 33.00 40.00	19.00 49.00 48.00 50.50	20 18 20 13	47 120 120 130	12.50 29.00 29.00 29.50	9.00 14.00 14.00 12.50
6063-O -T1 -T4 -T5 -T6 -T83 -T831 -T832	5.00 9.00 9.00 15.00 22.00 24.50 19.00 27.50	9.00 15.50 17.50 19.00 24.50 26.00 21.00 29.50	- 20 22 12 12 9 10 12	25 42 - 60 73 82 70 95	7.00 10.00 - 12.00 15.50 15.50 12.50 19.00	5.50 6.50 - 7.00 7.00 - - -
7075-O -T6,T651	10.50 47.00	22.50 53.50	17 11	- -	15.50 32.50	- -

5. 비커스 경도기

1925년 K.Smith와 G.Sandland가 고안한 것으로 피라미드 모양의 압자를 이용하여 시편의 표면에 힘(시험 하중)을 가한 다음, 시편의 표면에 생긴 자국(압흔)의 표면적을 계산하여 경도를 산출한다. 압자가 피라미드 모양이기 때문에 아래 그림과 같이 시편의 표면에 사각형의 자국을 만든다. 이 표면적은 측정자가 현미경을 통해 이 사각형의 4모서리 부분을 지정해 주면, 측정기는 대각선 길이를 읽어 비커스 경도값으로 환산해 준다. 압흔이 매우 작기 때문에, 측정기에 장착된 현미경을 이용하여 대각선 길이를 측정한다.

비커스 경도기의 원리는 하중을 가하는 캠 장치와 압입 자국을 측정하는 현미경 부분으로 되어 있으며 자동형과 수동형으로 구분할 수 있다. 그림 1은 자동형으로써 시험하중을 자동으로 작용하고 경도값의 최대 최소의 적합성 판정 기능과 브린넬 경도로 환산할 수 있는 기능을 가진다. 

그림 2는 수동형으로써 하중을 일정 시간 유지시키는 데 필요한 캠①과 캠 복귀 장치②를 이용하여 레버③을 움직이는 추④에 의하여 다이아몬드 압자⑤에 하중축⑥을 전달하는 구조이다. 접촉감지기 ⑧은 압자⑤와 시료⑦의 접촉상태를 감지하는 기능이며 하중을 일정시간 유지 및 제거조작을 연속으로 할 수 있는 기구로 오일탬퍼⑨가 부착되어 있다. 시험편을 지지하는 앤빌⑩과 테이블⑪위에 계측 현미경으로 자국의 대각선을 측정하기 위하여 테이블 상하 조정핸들⑫이 있다. 시험기에 부착되어 있는 계측현미경은 0.001㎜ 또는 0.0025㎜까지 측정한다.

 

그림 1 자동형 비커스 경도기

그림 2 수동형 비커스 경도기

 

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

절단 → 성형 → 연마(폴리싱) → 미세연마 → 에칭 → 비커스경도시험

위의 순으로 실험을 시행하였다.

① 시편을 절단한다.

채취하는 시료의 크기는 원형인 경우 직경이 1～2cm가 일반적이다. 절단 방법으로는 기계적 절단, 용단, 전기 화학적 절단, 방전가공 절단 등이 있다. → 기계적 절단 방법으로 시료2개(알루미늄, 알루미늄합금) 을 절단하였다.

절단

 

②시편을 성형한다

커팅 또는 절단 다음은 시편을 고정하는 것이다. 성형은 다음과 같은 장점이 있다. 시편을 간단한 방법으로 고정한다. 다양한 시편을 고정할 수 있는 기본적인 방법을 제공한다. 시편의 가장자리를 보호한다. 시편의 적절한 방향을 제공한다. 시편을 보관하고 라벨을 붙일 수 있는 방법을 제공한다.

성형

 

③ 시편의 연마를 실시한다.

표면의 거칠기를 일정하게 해주는 단계이다. 400 → 600 → 800 → 1000 → 1500 → 2000의 샌드페이퍼의 순으로 연마한다. 사포가 거친 400부터 시작하여 비교적 부드러운 2000에서 마무리를 한다. 단, 연마지를 바꿀 때마다 방향을 90도 바꿔서 이전과 90°방향으로 바꾸어 연마 한다.

연마

 

④ 미세연마를 실시한다.

연마 흠을 제거하여 경면상태로 만드는 작업이다. → 연마판에 부착된 천에 액상 알루미나(Al2O3)를 사용하여 미세연마를 한다.

미세연마

 

⑤ 에칭을 실시한다

연마된 표면은 조직을 나타내지 않고 그 곳에 빛이 다다르면 거의 균일하게 반사된다. 그래서 에칭을 시켜 표면의 변화를 일으킨다. → 부식 전에 세척 및 건조 작업을 한번 거친 후, 나이탈 용액(질산 3%, 알코올97%)에 1분간 부식시킨다. 에칭후 알코올로 씻어내고, 드라이기로 말린다.

에칭

 

⑥ 시편의 현미경 조직관찰을 한다.

비커스 경도시험표면은 피라미드형의 다이아몬드를 써서 기준 압력 기준 길이, 시간으로 측정한다. 인덴터 자극의 대각선 결과는 현미경 측정 변환 테이블에서 읽어 비커스 경도 값에서 측정한다. 비커스 경도시험은 피라미드형 다이아몬드 인덴터로부터 세겨진 크기를 계산해서, 물질의 단단함을 측정한다.

비커스 경도시험

 

실험 결과

1. 결과 분석

실험을 할 때 연마 과정 중 연마가 잘 되지 않으면 다시 전단계로 돌아가서 연마를 해야 한다. 마지막 미세연마단계에서 실수를 해 이전단계로 돌아가서 연마를 하고 미세연마를 다시 한 결과 시편의 미세연마를 성공할 수 있었다.실험과정을 마치고 알루미늄과 알루미늄합금의 시편 세 곳의 경도(Hardness)를 측정해 평균값을 내어 측정해 본 결과는 위 사진으로 설명될 수 있다. 측정결과, 알루미늄의 경도는 평균 71.590이고, 알루미늄 합금의 경도는 91.17이다.