금속의 강화기구 5가지

일반적으로 금속의 원소재는 사용자나 설계자가 원하는 상태가 아니다. 원하는 부품에 넣기에는 무르거나 취약한 경우가 많으므로 물성치를 원하는 수준으로 향상시키기 위해서는 반드시 처리과정을 거쳐야 한다.

금속의 기계적 성질을 향상시키기 위해서는 금속의 강화기구에 대해 알아야 한다. 금속이 강해지는 원리를 알고 적용해야 하며 그 과정에서 기계안전에 사용되는 방호장치나 기계에 적용되는 금속에 관한 내용도 자연스럽게 알 수 있다.

그 전에 금속재료에 대한 일반적인 내용은 다음 포스팅을 참조

금속재료의 기초 (feat. 철의 제조과정, 강의 분류, 스테인레스강)

금속재료의 기초 (feat. 철의 제조과정, 강의 분류, 스테인레스강)

 

 

1. 금속의 강화기구

그렇다면 금속을 강화시키는 방법은 무엇일까? 금속학적으로 다음의 5가지로 분류할 수 있다.

1) 고용체 강화

2) 석출 강화

3) 가공 강화

4) 결정립 미세화

5) 마르텐사이트 강화

 

2. 금속의 강화 메커니즘

금속을 용도에 적합하게 강화시키는 가장 간편한 방법은 합금원소를 첨가하는 것이다. 그러나 화학적 성분 변화없이도 전위의 이동을 방해함으로써 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

* 전위(Dislocation) : 금속은 원자간 배열을 가지고 있는 결정구조인데, 이 결정구조 내에서 배열이 어긋난 선결함이다.

전위가 이동한다는 것 자체가 금속이 무르고 소성변형이 발생한다는 것이므로 이 전위의 이동을 제한하게 되면 금속이 움직이지 않고 단단해지는 것이다.

 

그럼 각각의 내용에 대해 살펴보도록 하자.

 

3. 고용체 강화

고용체란 화학적 결합없이 원자가 격자 내에 고용상태로 존재하여 인장력과 압축력을 발생하는 상태를 말한다. 즉, 이물질로서 존재한다는 것으로 용질원소와 용매원소의 반경 차이는 15% 이내일 경우 고용된다. 고용체는 치환형과 침입형이 있으며 고용체에 의해 전위의 이동이 방해되어 강해진다.

< 고용체 강화 원리 >

 

크기가 큰 고용체는 주위 입자를 밀어서 압축력을 발생시키고, 크기가 작은 고용체는 주위 입자를 잡아당겨 인장력을 발생시킨다. 이물질이 내부에 꽉 끼어 있는 상태이므로 전위의 이동이 방해되는 것으로 이해하면 쉽다.

 

4. 석출 강화

금속 내부에 단단한 석출물을 분산시켜 전위의 이동을 제한하는 방법이다. 석출물간의 거리가 짧을수록 효과적이다.

페라이트 탄소강을 가열하여 오스테나이트를 만들고 급랭하면 마르텐사이트가 만들어지는데, 이 마르텐사이트에는 탄소가 석출되어 고용체와 같은 역할을 한다.

따라서 마르텐사이트 같은 경우는 석출강화이기도 하고 변태 강화이기도 하다.

 

5. 가공강화

일반적인 금속은 소성가공됨에 따라 점점 단단해진다. 금속을 가공하면 소성변형에 의해 전위가 슬립면을 따라 이동하다가 서로 얽혀 더 이상 움직이기 어려운 상태가 되는데 이를 가공경화라고 한다.

예를들어 구리나 알루미늄을 반복적으로 구부리면 변형이 일어난 부위가 단단해지는데 이것이 가공경화 현상에 의한 것이다. 하지만 지나치게 소성을 줄 경우 파괴되므로 가공강화는 양날의 검이라 할 수 있다.

 

6. 결정립 미세화

금속은 겉보기에는 한 덩어리로 보이지만 미시적으로 관찰하면 결정립으로 구성되어 있다. 결정립과 결정립 사이는 결정립계라 하고 결정립계는 결정립에서 발생한 전위의 이동을 방해하는 역할을 한다. 즉 결정립계를 통과해서 전위가 이동할 수 없다. 그러므로 결정립을 작게 만들면 전위가 이동할 공간을 줄이게 되고 결국 금속이 강화된다.

이 결정립 미세화를 홀패치 효과라고도 하는데, Hall-Petch 관계식은 다음과 같다.

< 홀패치 공식 >

 

항복강도(σy)는 결정립 직경(d)과 반비례 관계인 것을 알 수 있다. 동일 조건일 경우 결정립의 직경이 작을수록 항복강도가 커지므로 강해진다.

통상 불림처리를 하면 결정입자의 크기가 작아지고 결정입자가 균일해진다.

 

6. 마르텐사이트 강화 (변태 강화)

철강 재료에만 적용되는 강화법으로 결정립 미세화, 고용체 강화, 석출강화가 모두 함께 일어나는 강화법이다. 금속이 변태과정을 거치면서 강도와 경도가 증가하는데 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.

< 마르텐사이트 강화 과정 >

 

일반적인 탄소강은 페라이트 조직이고 이것을 A3변태점 이상으로 가열하면 오스테나이트가 된다. 오스테나이트를 급랭하면 탄소가 고용된 형태인 마르텐사이트가 되는데 이때 강도와 경도가 증가한다. 따라서 대표적인 마르텐사이트의 이름을 붙여 마르텐사이트 강화라 부른다.

이 마르텐사이트를 뜨임과정을 거치게 되면 소르바이트나 트루스타이트가 되는데 이것인 마르텐사이트보다 더욱 기계적 성질이 우수한 재료다.

이와 같이 화학적 성분 변화없이도 열처리를 통해 금속의 구조와 형태가 변태하는 것을 이용하여 금속을 강화시키는 것을 마르텐사이트 강화 또는 변태 강화라 한다.

 

 

오늘은 간단히 금속의 강화기구에 대해 정리해 보았다. 마르텐사이트 강화를 이해하기 위해서는 Fe 상태도와 열처리에 대한 이해가 필요한데, 이것도 조만간 정리해서 올려야겠다.