위 그림이 구리와 니켈의 상태도입니다. 그래프의 y 축이야 척보자마자 바로 온도인걸 알 수 있을거고...
x축이 무슨 뜻인지 헷갈릴 수 있겠네요. 아래 사진을 통해 확실히 확인해보도록 하지요.
이 사진은 X축을 확대하고 설명을 넣은 것입니다. 니켈을 기준으로 x 축을 그은 것입니다. 오른쪽으로 가면 니켈 비율이 많아지고, 대신 구리의 비율이 줄어들게 되지요. 중간에 있는 숫자들은 니켈을 기준으로 적은 것입니다. 즉, 그림에서 40의 숫자는 니켈의 함유량이 40%라는 뜻이며 구리의 함유량은 자연적으로 60%가 된다는 뜻입니다.
이 그림을 통해 알 수 있는 것은 0, 혹은 100%의 함유량에 도달할 수록 순물질의 녹는점과 가까워진다는 것입니다. 무슨 뜻이냐면, 니켈 0%일 떄는 구리의 녹는점인 1085도지만, 니켈을 조금씩 조금씩 포함할 수록 합금의 온도가 니켈의 녹는점쪽으로 수렴하게 된다는 뜻입니다. 구리 하나도 없이 니켈만 있을 경우에는 결국 니켈의 녹는점이 되지요. 당연한 것입니다...
이제 그래프의 선과 영역에 대해서 이야기해보도록 하겠습니다. 이것은 간단합니다. 우선 Liquid (액체) 부분에 있는 선을 한 번 분석해보도록 합시다.
사진에서 붉은 색으로 칠해진 부분입니다. 이 부분의 위로 넘어가면 두 금속의 혼합체는 완전히 액상이 된다는 뜻입니다. 쉽게 설명해보기 위해 예를 하나 들어보겠습니다. 대충 니캘 80 구리 20으로 섞여있는 상태에서는 1400도를 넘어가면 두 금속의 혼합물은 액체가 된다는 뜻이죠. 왜냐면 저 붉은 색 선이 1400에 거의 걸터져서 지나가고 있으니까요.
위 사진의 녹색으로 칠해진 부분은 이 선 아래로 내려갈 시 두 금속의 혼합물이 고체 상태로 존재한다는 뜻입니다.
위 경우처럼 예시를 들어보면 니켈 60, 구리 40이 섞인 상태에서 1300도 아래라면 두 금속의 혼합물은 고체 상태로 존재한다는 뜻입니다.
마지막 노란 영역에 대해서도 분석해보도록 합시다. 니켈 20 구리 80 섞인 상태의 금속이 약 1150도 온도에 있다고 가정합시다. 그렇다면 이 때 금속의 상태는 노란색 그래프의 영역 안에 들어있는 것이며 이 때에는 고체와 액체 두 상이 공존하고 있는 상태입니다. 즉, 저 노란 부분안에 있다면 혼합 금속은 고체와 액체 두 상태를 갖고 있는 상태라는 뜻이 됩니다.
마무리
이제 철의 상태도 및 TTT 분석을 위한 초석은 모두 다 닦았다고 생각합니다. 마지막으로 이제 우리가 공략할 대상이 무엇인지 한 번 미리 보기 하며 마무리하도록 하겠습니당!
강의 상태도 출처 : William D. Callister, Jr., David G. Rethwish - Materials Science and Engineering An Introduction
강의 TTT 곡선 출처 : William D. Callister, Jr., David G. Rethwish - Materials Science and Engineering An Introduction
안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 강이라... 강철할 때 그 강을 말하는데 강과 철? 이게 뭐가 다른건지, 그리고 강은 어떻게 하면 용도에 맞게 그 재질의 특징을 바꿀 수 있는지 한 번 적어보려고 합니다. 읽으시는 분들이 기계 재료관련 학과 학생이던 아니던 이 포스팅을 쭉 읽어보시면서 왜 제철, 제강 기술이 고도로 발전된 산업인지 한 번 느껴보시길 바라며 포스팅을 작성토록 하겠습니다.
들어가기 전에..
우선 강철과 관련하여 여러가지 단어들에 대해서 좀 알아봐야합니다. 어렵지 않습니다! 잘 따라와보세요! 우선 강의 열처리를 알기 전 용어들을 간략히 정리해드리구 그 후 강의 그래프에 대해서 언급하겠습니다. 마지막으로 강의 열처리 과정에서 생기는 부산물들의 특징과 열처리 방법도 알려드릴것입니다.
- 순서 -
1. 물성치 관련 용어
2. 철과 강
3. 금속원자 구조
4. 금속원자 구조를 알아야하는 이유
5. 마무리
1. 물성치 관련 용어
경도(Hardness)
경도란 물질 표면의 단단함을 수치로 나타낸 것입니다. 재료가 외력에 대해 저항하는 성질인 "강도"와는 다른 것입니다. 다만 이 경도는 강도랑 비례하는 경향이 있습니다. 경향이 있다는 거지, 꼭 비례한다는 것은 아닙니다. 경도가 크다고 해서 강도가 꼭 큰 것은 아니며, 반대로 강도가 크다고 해서 꼭 경도가 큰 것은 아닌 물질들이 있지만 대부분은 비례한다는 뜻으로 읽으시면 됩니다.
경도는 측정하는 방식이 여러가지가 있습니다. 측정 방식에 따라 경도 이름이 다른데, 로크웰, 쇼어, 비커스, 브리넬 경도가 대표적인 경도 척도입니다.
강도(Strength)
강도는 재료가 버틸 수 있는 힘의 세기를 말합니다. 재료에 작용하는 힘... 외력... 그러면 재료가 버틸 수 있는 외력의 크기라는 것입니다. 기계공학과나 금속 관련 학과 학생이라면 뭔가 비슷한게 떠오를 것입니다. 바로 "응력" 입니다. 인장 응력, 전단 응력, 굽힘 응력인데요. 그 중에서도 재료에 작용하는 어느 수준 이상의 응력을 보통 인장 강도, 전단 강도, 굽힘 강도, 항복 강도라 표현하기도 합니다. 그래서!! 강도의 단위는
입니다.
연성(Ductility)
재료에 큰 하중을 가했을 때 늘어나는 성질을 말합니다. 연성이 크다는 말은 큰 하중을 주면 늘어나긴 하지만 잘 안 끊어진다는 말입니다.
취성(Brittlness)
취성은 연성과 달리 힘을 크게 주면 팍 깨지는 성질을 말합니다. 보통 취성이 크다는 말은 힘을 줬을 때 물질이 잘 깨진다는 뜻이죠. 유리처럼 산산조각이 난다는 뜻입니다.
인성(Toughness)
흔히 내충격성이라고 하는 물성치입니다. 내충격성이란 물질이 충격에 얼마나 잘 버티는지 표현하는 것입니다. 충격에 버틴다는 뜻은, 물질이 얼마나 많은 힘을 흡수할 수 있느냐는 뜻과도 같지요. 재료역학(또는 고체역학)을 배우신 분들은 많이들 보셨을 이 그래프.. 응력 - 변형률 선도에서 파괴 전까지의 그래프의 면적을 구하면 얻을 수 있는 수치입니다. 이건 연성 재료의 그래프입니다.
만약 취성 물질의 인성은 어떨까요?
취성 물질은 연성 물질보다 더 적게 변형된 뒤 파괴되어버리기 때문에 흡수할 수 있는 에너지량이 적습니다. 그렇다는 이야기는 취성 물질은 연성 물질에 비해서 내충격성이 약하다는 뜻이 됩니다.
내마모성(Abrasion Resistance)
내마모성이란 마모라는 용어가 무슨 뜻인지 알면 자연히 이해될 것 같네요. 마모라는 건 물질이 접촉과 마찰로 인해 닳아 가루가 되는 것을 말합니다. 사포로 금속이나 플라스틱 같은 것들을 문지르면 사포면에 가루가 붙어있는걸 본 적 있나요?
그렇게 금속 표면을 갈아내는 것을 마모라고 합니다. 내마모성은 물질이 이런 마모를 얼마나 잘 견디느냐는 물성치이며 이 물성치는 경도에 비례합니다. 경도가 크면 내마모성도 같이 커진다 그런 뜻입니다.
2. 철과 강
물성치에 대해서 잘 이해하셨다면 그 다음 중요한 것은 철과 강을 구분하는 것입니다. 사람들이 흔히들 강철이라고 그냥 섞어서 쓰는데, 철과 강이란 것은 엄연히 다른 금속입니다.
철(鐵)
기계 재료와 관련된 서적을 보면 철에 대해서 어렵게 써놓았더군요. 특징이라면 딱 간단하게 말해서 진짜 순수한 철!
화학 기호로 표현하면 Fe!! 진짜 아무것도 들어있지 않고 오로지 Fe, 철로만 이루어진 금속을 말합니다. 엄밀히 말하자면 탄소가 0.02%만 들어있는 것이지만... 0.02%면 거의 없는거나 마찬가지지요...
요리로 표현하면... 파스타 아시지요? 파스타 소스가 어떤 종류냐에 따라 까르보나라가 되기도 하고 로제 파스타가 되기도 합니다. 그거랑 마찬가지로! 철에 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni),등의 금속을 어떤 비율로 넣느냐에 따라 스테인레스가 되기도 하고, 구조용 강이 되기도 하고, 주철(무쇠)가 되기도 합니다.
강(鋼)
강이란 탄소를 포함한 철을 말합니다. 보통 탄소 함유량을 0.03~1.7% 정도로 봅니다. 이게 책이나 문헌마다 좀 다르더군요. 1.7%가 아닌 2.0%까지를 강으로 보는 경우도 있습니다. 기계 재료에서 강 정말 많이 다룹니다. 그리고 꼭 필수로 다루기도 하며, 일반기계기사같은 기사 시험이나 NCS 전형에서도 이 강에 대한 문제는 꼭 나오더군요. 그 만큼 기계 재료에서 없어서는 안될 강!
강은 탄소를 얼마나 넣은 상태에서 어떻게 냉각하느냐에 따라서 물성치가 바뀝니다. Fe-C계 상태도, TTT(항온변태곡선)을 분석하면 그 말을 이해할 수 있을거라 확신합니다. 그 만큼 많고 다양한 경우의 수가 존재하기 때문이죠. 이러한 이유 때문에 철강 기술이 고난이도 기술이라 언급했던 것이기도 합니다. 나머지는 다음 포스팅에서 언급하도록 하겠습니다..
주철
주철이라는 거 조금 생소하시지요? 그럼 무쇠라고 말씀하시면 이해되시려나요? 그렇습니다. 주철은 다른말로 무쇠라고도 하는데요. 얘는 뭐냐면 철에 탄소를 2.0% 이상 넣은 것을 말합니다. 그렇게 하면 철이 새까매집니다. 새까매지면서 "경도"라고 하는 물성치가 높아집니다. 다만 이 경도가 높아진 만큼 잘 깨지는 특징을 가지고 있습니다.
3. 금속원자의 구조
마지막 용어들은 금속원자 구조에 관한 용어들입니다. 이게 왜 필요하나 싶을 수 있지요. 그러나 이것과 그에 관한 성질을 안다면 Fe-C계 상태도, TTT(항온변태곡선)을 이야기하면서 조금이라도 쉽게 이해할 수 있을 것이고, 이 이야기를 하다보면 금속원자 구조에 대해서도 설명을 해야합니다. 왜냐면, 온도와 탄소 함유량에 따라 강의 원자구조가 변하기 때문이죠! 그러므로 금속원자구조 대표적인 것 세 가지만 설명하고 다음 포스팅으로 넘어가도록 하겠습니다.
체심입방격자 (BCC)
체심입방격자란 금속의 원자 배열을 단위 정육면체로 나눴을 때 정육면체의 꼭지점에 원자의 중심이 위치해있고, 정육면체의 중심에 원자의 중심이 있는 형태의 배열을 말합니다. 말은 어렵고, 그림으로 표현하면 이렇게 되지요.
체심입방격자 그림 - 출처 : https://www.wolfram.com/language/12/math-entities/compute-lattice-packing-densities.html.ko
면심입방격자 (FCC)
면심입방구조란 금속의 원자 배열을 단위 정육면체로 나눴을 때 정육면체의 꼭지점에 원자의 중심이 있고 면의 중심에도 원자의 중심이 있는 배열을 말합니다. 다만 정육면체의 중심에는 원자의 중심이 없습니다. 왜냐면 면 중심에 원자의 중심이 포함된 상태에서 정육면체의 중심에 원자의 중심이 있으면 원자가 중복되어버리잖아요? 그런 배열은 있을 수 없습니다. 이 역시 말로는 설명하기 어려울 테니 그림으로 보시면 바로 이해가 되실 것 같네요.
면심입방격자 그림 - 출처 : https://www.wolfram.com/language/12/math-entities/compute-lattice-packing-densities.html.ko
조밀육방격자 (HCP)
이 격자 구조는 육각 기둥 안에 세 개의 원자가 있고, 거기에 더하여 위 아래 육각형 면의 중심에 원자의 중심이, 그리고 육각형의 꼭지점에 원자의 중심이 있는 형태의 구조입니다.
조밀육방격자 그림 출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=jinwoo0451&logNo=221685870160
4. 금속원자 구조를 알아야하는 이유
강의 열처리를 이해하는것도 중요하지만, 이 구조가 금속의 성질에도 영향을 미치기 때문입니다. 다른거 다 필요 없이 물리적 성질만 고려해봅시다. 그 중에서도 기계적 성질에 들어가는 연성, 전성, 강도만 고려해보죠. 세 가지 구조 중 강도가 가장 약한 구조는 체심입방구조입니다. 그림으로 봐서 알겠지만, 위에서 언급했던 세 가지 구조 중 원자간 조밀도가 가장 낮기 때문입니다. 조밀도가 낮다면 원자간 인력도 약하게 되기에 그렇기에 강도가 가장 약해질 수 밖에 없습니다.
그럼 면심입방구조와 조밀육방격자가 비슷한 강도라면.. 연성과 전성은 어느쪽이 강할까요? 연성과 전성은 면심입방구조가 가장 좋습니다. 조밀육방격자는 면심입방구조와 조밀도는 같지만 슬립면이라는 게 면심입방구조에 비해서 많이 부족하고 그에 따라 가공성이 낮아지기 때문에 그렇습니다.
이렇듯 원자의 구조에 따라 물성치가 달라진다는 걸 알았다면.. 강 또한 특정 온도 특정 탄소 함유량에 따라 원자 배열이 달라져서 물성치가 달라질 수 있기 때문에 원자구조에 대한 이해도가 있으면 강의 열처리를 이해할 수 있다는 말을 하는 것이지요. 원자 구조에 대해서 너무 자세히 알 필요는 없습니다. 딱 요정도만 이해하면 충분합니다.
아래 도표로 요약해두었습니다.
체심입방격자 (BCC)
연성 전성이 조밀육방격자에 비해 좋음
Ba, Cr, α-Fe, K, Li, Mo, Ta, V, Rb, Nb...
면심입방격자 (FCC)
연성, 전성이 가장 좋음
Ag, Al, Au, Ca, Cu, Fe, Ni, Pb, Pt, Ph...
조밀육방격자 (HCP)
연성, 전성이 가장 좋지 못함, 취성 물질인 경우가 많음
Mg, Zn, Cd, Ti, Zd, Ve, Co, Te, La...
5. 마무리
포스팅이 너무 길어질 수 있어서 딱 요기까지만 정리하였습니다. 다음 포스팅은 본격적으로 강의 Fe-C 곡선을 분석해보기 전에 한 가지 넘어야할 산이 하나 더 있습니다. 혼합물의 녹는점과 어는점 그래프를 분석하는 것입니다. 이 그래프를 볼 줄 알면 그래도 어느 정도 Fe-C곡선 보는데 이해도가 충분히 키워지지 않을까 합니다.
기계공작법이란 과목은 대학 시절 공부하는 방법을 잘 몰라 헤멘 끝에 결국 재수강만 피한 과목이었다. B0를 받으며 그 과목을 마무리했었다. 정말 1000페이지가 다 되어가는 책을 달달달 외워야 좋은 학점을 맞을 수 있다던데, 그걸 어떻게 달달달 외워야하나... 최선을 다해 종이를 깜지로 만들때까지 외웠다고 생각했지만 잘 안되었다.
하지만 기계공작법과의 인연은 거기서 끝나지 않았다. 회사생활을 하면서 기계 공작과 관련된 내용 중 철의 열처리와 관련된 내용으로 PPT를 만들어 발표해야하는 일이 생겼다. PPT를 만들기 위해 자료를 모으고, 강의를 들어야만 하는 상황. 그 상황에서 나는 기계공작법 과목을 잘못 공부하고 있었다는 것을 깨닫게 되었다...
기계공작법이란 어떤 과목인가?
기계공작법이란 금속 재료를 제품으로 만드는 방법에 대해 체계적으로 정리한 기록들이다. 쇳덩어리들은 광산에서 줏어왔을 때 흙이 묻은 돌덩어리였을 것이다.
기계 공작법에 대한 한 장 요약
이 돌덩어리들이 어떻게 부품이 되고 어떻게 제품이 되는 것일까? 그것에 대한 해답이 바로 이 과목이라고 생각한다.
사람에 따라 다르지만 내가 봤을 때 크게 주조, 용접, 절삭가공, 소성가공, 열처리, 연삭 이렇게 여섯가지로 나뉘어지는 것 같다. 이 여섯가지 내용들은 다시 세부적으로 여러가지 갈래로 나뉘어진다. 기계공작법은 이 여섯가지 세부적 내용들을 잘 정리해서 머리속에 넣어두어야 잘 까먹지 않고 시험때도 외운 내용을 확실하게 말할 수 있게 되는 것 같았다.
이 과목은 어떻게 공부해야할까?
이 과목은 대충 내용을 봤을 때 별로 연계된 것도 없고 그저 활자만 달달달달 외우면 끝날 거 같은 과목 같아 보인다. 그러나 그건 큰 착각이다.
강의 열처리에 관한 내용을 PPT로 만들기 위해 강의를 듣고 내용을 요약하면서, 각 가공법 마다 특징이 무엇인지 정확히 알아둬야 제대로 외울 수 있다는 것을 알았다. 예를들어, 강의 열처리시 퀜칭과 템퍼링은 한 세트로 시행이 되는데, 이는 퀜칭과 템퍼링이 순서대로 이루어져야만 강이 원하는 성능을 제대로 발현할 수 있기 때문이다.
이 이외에도 주조법이나 가공법들도 어떤 방식의 단점을 보완하기 위해 만들어진 것들이 있을 것인데, 나는 그것에 관심을 전혀 가지지 않고 그저 활자들을 외우는 데만 집중했기 때문에 기계공작법을 제대로 배우지 못한 것이라고 생각한다.
그렇기에, 많은 양임을 알고는 있으나 일단 차근차근 큰 틀, 작은 틀 내용을 정리한 후 PPT 를 만든다 생각하고 내가 외울 내용을 머릿속에서 정리한 후 중간고사나 기말고사에 임한다면 좋은 성적을 받고 졸업을 할 수 있지 않았을까하는 생각이 든다.
필요한 곳은..?
근무하는 회사에 따라 다르겠지만, 기계공작법은 그 과목의 특성상 현장하고 아주 긴밀하게 연결되어있다. 즉, 현장사람들이 대학을 졸업한 사람보다 더 많은 경험치를 가지고 있고 지식도 더 많이 가지고 있다. 그래서, 내가 확실히 알고 있는 내용이라하더라도 책에 있던 사실이 틀린 사실이고 현장사람들이 더 정확하게 알고 있는 경우도 많이 있었다.
그렇기 때문에.. 특히 인원수가 적은 중소기업.. 특히 프레스 가공이나 주조 가공을 하는 곳에 입사한 기계공학과 출신이라면 입사 전에 기계공작법에 대한 내용을 한 번 정독해보면서 회사 생활을 준비해보시길 바란다. 아마도 요긴하게 쓰일 수 있을 것이다.
회사 이외에, 일반기계기사 공부를 하시는 분들에게도 이 과목에 있는 내용들이 필요하다. 당연히 문제를 맞추기 위함이지만, 이왕 공부하시는 것 문제도 맞추고 나중에 회사에서도 활용할 수 있다면 더 좋을 것이다.
