표면 거칠기 및 경도 측정 실험1. 실험 목적본 실험의 목적은 사포를 이용하여 연마한(연삭 가공) 시편을 표면 거칠기 측정 기구를 이용하여 거칠기를 측정하고, 연마된 시편의 표면에 록크웰(Rockwell), 쇼어(Shore)경도 측정기를 이용하여 시편의 경도를 측정하는 것에 실험 목적이 있다. 실험을 통해 연마재의 종류에 따른 표면 거칠기 차이와 시편의 경도를 측정기에 따른 경도 측정 차이를 비교 하고 분석 하는 것이 본 실험의 목적이다.2. 실험 배경① 연마본 실험에서 시편을 가공하는 방식인 연마란 뜻이 광범위하여, 연마 숫돌에 의한 연삭도 연마에 포함이 된다. 이 경우, 연마된 면이나 연마 부스러기도 본래의 재질조직이 그대로 남아 있다. 본래의 조직이 그대로 남지 않고, 망그러지는 경우에는 이것을 탁마라고 한다. 유리면의 연마작업은 이에 속한다. 연마라는 것은 고체의 표면을 다른 고체의 모서리 혹은 표면으로 문질러 매끈하게 하는 것을 의미한다.② 사포사포의 규격은 사포의 뒷면에 나와 있으며 번호가 높을수록 더 고운 입자를 가지고 있어서 매끈하게 표면 처리를 할 수 있다.③ 표면 거칠기다른 말로는 표면 조도라고도 하며, 표면 거칠기는 가공에 사용되는 공구, 가공법의 적부, 표면에 긁힌 흠, 녹 등에 의해서 생기는 것이며 주물의 표면, 목재를 자른 단면 등도 넓은 뜻으로는 표면 거칠기이다.표면 거칠기는 가공 과정에서 필연적으로 발생하는 요철의 상태를 말한다. 기계 부품이 요철이 없는 이상적인 표면을 갖도록 제작하는 것은 생산 공학적으로 불가능 하며 또한 필요 이상으로 표면을 매끄럽게 다듬는 것 역시 비경제적이다. 그러므로 기계 부품은 그 사용 목적과 기능에 따라 적절하게 다듬어져야 한다.요철의 크기와 형태는 가공방법, 가공조건에 따라 다르며, 매끄럽게 다듬질한 표면 즉 거칠기가 적은 표면은 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있으며, 내마모성이나 내식성에서 뛰어나다. 이러한 표면 거칠기는 치수 편차, 형상 편차와 함께 기계 가공 부품의 품질을 평가하는 중요한 항목이다은 곳까지의 높이를 취하여 이것을 최고 값 거칠기라고 하고 Rmax 또는 R로 표시한다. 또 표면 거칠기 곡선의 평균값으로 부터의 제곱평균값으로 나타낸 rms 중심선의 양쪽높이의 절대 값의 평균으로 나타내는 방법도 사용된다. 한국 산업 규격에서는 Rmax가 6μ 이하, 3μ 이상인 것을 6S로 표기하도록 정했다. KS에서 규정하는 표면 거칠기 표시방법에는 중심선 평균 거칠기, 최대높이, 10점 평균 거칠기 등이 있다. 부품의 도면에는 이 중 한 가지 방법으로 부품의 표면 거칠기가 지시된다. 중심선 평균 거칠기(Ra) 로 중심선 위쪽의 그래프를 적분한 값을 샘플 구간으로 나누어 샘플 구간에서 거칠기 없이 평평하다고 가정하였을 때의 평균 높이를 의미 한다. 최대 높이 산출법(Rs)는 샘플 구간을 정하고 그 중심선을 찾은 후에 중심선으로부터 가장 멀리 떨어진 곳의 거칠기를 말한다. 10점 평균 산출법(Rz)는 샘플 구간의 중심선으로부터 위쪽으로 가장 멀리 떨어진 5곳의 거리의 합(절대값)과 아래쪽으로 가장 멀리 떨어진 5곳의 거리의 합(절대값)을 더해서 5로 나누어 준다.④ 경도재료의 기계적 성질을 알아내는 가장 간단한 방법으로 재료 시험에서 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 경도의 본질적인 물리적 의의는 현재까지 확립되어 있지 않다. 다만 경도에 관한 정의의 기초가 되는 것으로 다음과 같은 설명이 나와 있다. 어느 물체의 경도라는 것은 그 물체를 다른 물체로 눌렀을 때 그 물체의 변형에 대한 저항력의 크기로서 규정하는 것이다. 우수한 경도를 가진 재료 일수록 흠집이나 마모에 잘 견디는 재료라는 것을 의미한다. 일반적으로 쓰이는 경도로는 재료의 시험 면에 강구로 철 자국을 내는데 요하는 하중을 그 영구 철 자국의 표면적으로 나눈 값인 브리넬 경도, 록크웰 B경도, 록크웰 C경도, 쇼어 경도가 있다.⑤ 록크웰(Rockwell) 경도록크웰 경도는 지정된 형상의 강 구슬 또는 다이아몬드 원추 압자를 이용하여 최초에 기준하중을 가하고, 다음으로 시험하중까지 하중을 증가시킨에 10kg으로 한번 누른 후 150kg으로 다시 눌러 압입된 깊이를 측정하는 것이다. 록크웰 경도는 B경도와 C경도가 있다. B경도는 1재료의 시험면을 1,588㎜(1/16˝)의 강구로서 먼저 10㎏ 하중으로 누르고 다음에 100㎏의 하중으로 눌렀다가 다시 10㎏ 하중으로 되돌아 왔을 때, 파인 깊이(1/500㎜를 단위로 해서 표시)를 130에서 감한 수이다. C경도는 재료의 시험면을 꼭지각 120°, 선반 반지름 0.2㎜인 다이아몬드 원뿔체를 사용하여, 먼저 10㎏의 하중으로 누르고, 다음에 150㎏의 하중으로 하였다가 다시 10㎏의 하중으로 되돌아 왔을 때의 파인 깊이(1/500㎜를 단위로 하여 표시)를 100에서 감한 수이다.⑥ 쇼어(Shore) 경도금속 재료의 경도 표시의 하나로 1906면 미국의 쇼어에 의해 고안된 것으로 일정한 무게와 형상을 가지며 끝에 구 모양의 다이아몬드를 박은 강제 해머를 일정한 높이에서 시료 면에 수직으로 자유 낙하하여 튀어 오르는 높이로 경도를 나타낸다. 이 방법은 시험기가 소형, 경량이고 운반과 다루기에 편리하며 시험 면에 거의 흔적을 남기지 않고 측정시간도 짧다는 이점이 있지만 측정 정밀도는 다른 압입 경도 시험보다 떨어진다.3. 실험 내용 및 범위3-1. 표면 거칠기 실험본 실험에서는 먼저 금속 시편 하나와 금속 시편의 표면을 연마할 사포, 접촉식 선형 측정기를 준비한다. 금속 시편의 표면을 연마할 사포의 규격인 CC-400Cw, CC-2000Cw (그림 1과 같이) 각각 한 장씩 준비를 한다. 모든 실험 준비가 완료되면 먼저 번호가 낮은 CC-400Cw 규격의 사포로 금속 시편의 표면을 연마하여 표면 처리를 해준다. 금속 시편이 매끄럽고 일정하게 표면 처리가 되면 금속 시편의 표면을 물로 한번 닦아준다. 그 후 표면 거칠기 측정기인 접촉식 선형 측정기에 탐침을 끼우고 금속 시편의 표면과 탐침이 수평이 되도록 (그림 4와 같이) 올려놓는다. 그 후 측정기의 전원을 키고 시작키로 측정을 누른다. 측정이 완료되면 변수키를 다른 방향 다른 위치를 측정하여 총 다섯 번의 측정을 하여 측정값을 얻는다. 다섯 번의 측정이 완료되면 다시 한 번 금속 시편의 표면을 CC-2000Cw 규격의 사포로 연마하여 표면 처리를 해주고 CC-400Cw 규격의 사포로 연마한 시편을 측정한 방식대로 측정을 해주면 표면 거칠기 실험이 완료된다.3-2 쇼어 경도 측정본 측정에 앞서 경도를 측정할 금속 시편과 휴대용 경도계를 준비한다. 휴대용 경도계 (그림5)에 센서를 연결하고 센서를 한번 장전한 후 금속 시편에 올려놓은 상태에서 흔들리지 않도록 잡고 버튼을 눌러 공을 떨어뜨려 금속 시편의 경도를 측정한다. 측정이 완료되면 측정값을 적고 다시 장전을 해준 후 금속 시편의 다른 위치에 올려놓고 다시 한 번 버튼을 눌러 공을 떨어뜨려 경도를 측정 한다. 이러한 측정 방법을 각각 다른 위치에서 총 5번의 측정을 하여 평균을 내준다.3-3 록크웰 경도 측정먼저 3개의 추를 록크웰 경도기(그림6) 내부에 설치를 해준다. 추를 설치하고 나서 레버를 돌려 충분히 내려주고 작업대를 설치한다. 그 후 다이아몬드 압입자를 설치한다. 금속 시편을 작업대에 올려놓은 후 다이아몬드 압입자가 시편의 표면에 닿을 때까지 레버를 돌려준다.그 후 검은 긴 바늘이 세 번 돌아가도록 레버를 돌려준다. 이 때 긴 바늘이 다시 0 위치에 있는 것이 정확한 측정을 할 수 있으나 0보다 조금 앞으로 가거나 뒤에 있는 오차는 상관이 없다. 레버를 세 번 돌리고 긴바늘이 0에 위치하면 측정 버튼을 눌러 측정을 한다. 측정을 하면 측정값이 게시판에 나타나고 이 측정값을 적어준다. 측정값을 다 적은 후 다시 레버를 돌려 시편의 위치를 조정해준 후 다른 위치에서의 경도를 측정해준다. 이러한 측정 방법을 각각 다른 위치에서 총 다섯 번 시행하여 그 값을 평균 내준다.4.실험 장치의 구성그림 1 사포(CC-400Cw, CC-2000Cw)그림 2 시편그림 3 접촉식 선형 측정기그림 4 표면 거칠기 측정그림 6 록크웰 경도계그림 5 쇼어 경도계(휴대용)그림 7 측정 값그림 11 록크웰 경도, 쇼어 경도 측정값 그래프표 1 표면 거칠기 실험 결과표 2 쇼어 경도 측정 결과표 3 록크웰 경도 측정 결과록크웰 경도 측정 결과12345평균59.55960.559.559.559.6쇼어 경도 측정 결과12345평균64.369.854.262.270.864.26표면 거칠기 실험 결과12345평균CC-400CwRa0.5440.5750.5670.5280.5620.5552Rz4.464.6394.343.8474.5394.365CC-2000CwRa0.3800.3930.5350.3800.5110.43982Rz2.8112.923.723.1163.3633.1865. 실험 조건① 표면 거칠기 실험 조건시편의 표면을 연마하는 사포의 규격의 차이가 있어야 하며 접촉식 선형 측정기의 탐침과 시편의 표면은 수평이 되어야 한다.② 쇼어 경도 실험 조건경도를 측정하는 센서가 흔들리지 않는 것이 중요하다.③ 록크웰 경도 실험 조건레버를 세 번 돌릴 때 긴 바늘이 0에 맞추도록 한다. 본 실험에서 록크웰 경도 측정은 B스케일로 한다.6. 실험 결과 및 분석① 표면 거칠기 실험 결과 및 분석표면 거칠기에서의 Rz 값이란 10점 평균 산출 법으로 샘플 구간의 중심선으로부터 위쪽으로 가장 멀리 떨어진 5곳의 거리의 합과 아래쪽으로 가정 멀리 떨어진 5곳의 합을 더해서 5로 나누어준 값이고 Ra값이란 중심선 평균 산출 법으로 중심선 위쪽의 그래프를 적분한 값을 샘플 구간으로 나누어 샘플 구간에서 거칠기 없이 평평하다고 가정 하였을 떄 평균높이를 의미한다. 그림 9, 그림 10, 표1 을 보면 CC-400Cw 규격의 사포로 연마한 시편의 표면 거칠기 측정값과 CC-2000Cw 규격의 사포로 연마한 시편의 표면 거칠기 측정값을 한 눈에 비교 할 수 있다. 두 개의 규격을 비교하였을 때 Ra 값은 크게 변화가 없으나 Rz 값에서는 크게 변화가 있다는 것을 알 수 있다. 또한 표면 거칠기 측정값이 Ra 값들은 일정한 방면에 Rz 값은 일정하지 않고 불규칙 적인 것을 볼 수 .
