스테인리스강의 기계적 거동을 제어하는 ​​결정 구조의 한 층에 대한 통찰력을 얻음으로써 여러 이점을 누릴 수 있습니다. (Getty Images)
스테인리스강 및 알루미늄 합금의 선택은 일반적으로 강도, 연성, 연신율 및 경도를 중심으로 이루어집니다. 이러한 특성은 금속의 구성 요소가 가해지는 하중에 어떻게 반응하는지를 나타냅니다. 이는 원자재 제약 조건, 즉 파손되기 전에 얼마나 휘어질 수 있는지를 관리하는 효과적인 지표입니다. 원자재는 파손 없이 성형 공정을 견딜 수 있어야 합니다.
파괴적인 인장 및 경도 시험은 기계적 특성을 측정하는 데 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 원자재의 두께가 시험 시료의 크기를 제한하기 시작하면 이러한 시험의 신뢰도가 항상 높지는 않습니다. 평판 금속 제품의 인장 시험은 여전히 ​​유용하지만, 기계적 거동을 제어하는 ​​결정 구조의 특정 층을 더 자세히 살펴보면 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다.
금속은 결정립이라고 불리는 미세한 결정들이 연속적으로 모여 이루어진 구조입니다. 이 결정립들은 금속 전체에 무작위로 분포되어 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스강에 포함된 철, 크롬, 니켈, 망간, 실리콘, 탄소, 질소, 인, 황과 같은 합금 원소의 원자들은 하나의 결정립을 구성합니다. 이 원자들은 금속 이온의 고용체를 형성하며, 이 이온들은 공유 전자를 통해 결정 격자로 결합되어 있습니다.
합금의 화학적 조성은 결정립 내 원자의 열역학적으로 가장 안정적인 배열, 즉 결정 구조를 결정합니다. 반복적인 결정 구조를 포함하는 금속의 균질한 부분은 하나 이상의 결정립, 즉 상을 형성합니다. 합금의 기계적 특성은 합금의 결정 구조에 따라 달라집니다. 각 상의 결정립 크기와 배열 또한 마찬가지입니다.
대부분의 사람들은 물의 상변화에 대해 잘 알고 있습니다. 액체 상태의 물이 얼면 얼음이 됩니다. 하지만 금속의 경우에는 한 가지 고체 상태만 존재하는 것이 아닙니다. 특정 합금 계열은 그 합금의 상(相)에 따라 이름이 붙여집니다. 스테인리스강 중 오스테나이트계 300 시리즈 합금은 어닐링 처리 시 주로 오스테나이트로 구성됩니다. 반면 400 시리즈 합금은 430 스테인리스강에서는 페라이트로, 410 및 420 스테인리스강 합금에서는 마르텐사이트로 구성됩니다.
티타늄 합금도 마찬가지입니다. 각 합금 그룹의 이름은 상온에서 주로 나타나는 상(알파상, 베타상 또는 이 둘의 혼합물)을 나타냅니다. 알파, 니어알파, 알파-베타, 베타 및 니어베타 합금이 있습니다.
액체 금속이 응고될 때, 열역학적으로 더 안정적인 상의 고체 입자는 압력, 온도 및 화학적 조성이 허용하는 곳에서 석출됩니다. 이는 일반적으로 계면에서 발생하는데, 마치 추운 날 따뜻한 연못 표면에 얼음 결정이 생기는 것과 같습니다. 결정립이 핵을 형성할 때, 결정 구조는 다른 결정립을 만날 때까지 한 방향으로 성장합니다. 결정립계는 결정 구조의 방향이 서로 다르기 때문에 격자가 일치하지 않는 교차점에서 형성됩니다. 크기가 다른 루빅 큐브들을 상자에 넣는다고 상상해 보세요. 각 큐브는 정사각형 격자 구조를 가지고 있지만, 모두 서로 다른 무작위 방향으로 배열될 것입니다. 완전히 응고된 금속 가공물은 겉보기에는 무작위로 배열된 일련의 결정립으로 구성됩니다.
결정립이 형성될 때마다 선형 결함이 발생할 가능성이 있습니다. 이러한 결함은 전위라고 불리는 결정 구조의 일부가 결손된 것입니다. 이러한 전위와 그로 인한 결정립 내부 및 결정립 경계를 가로지르는 이동은 금속의 연성에 매우 중요한 요소입니다.
가공물의 단면을 장착하고 연마, 광택 처리 및 에칭하여 결정 구조를 관찰합니다. 균일하고 등축정인 경우, 광학 현미경으로 관찰되는 미세 구조는 마치 직소 퍼즐처럼 보입니다. 그러나 실제로는 결정립은 3차원이며, 각 결정립의 단면은 가공물 단면의 방향에 따라 달라집니다.
결정 구조가 모든 원자로 채워지면 원자 결합의 늘어남 외에는 움직일 공간이 없습니다.
원자열의 절반을 제거하면 다른 원자열이 그 위치로 이동할 수 있는 기회가 생겨 전위가 효과적으로 이동합니다. 가공물에 힘이 가해지면 미세구조 내 전위의 집합적인 움직임으로 인해 가공물이 파손되거나 부러지지 않고 구부러지거나 늘어나거나 압축될 수 있습니다.
금속 합금에 힘이 작용하면 시스템의 에너지가 증가합니다. 소성 변형을 일으킬 만큼 충분한 에너지가 가해지면 격자가 변형되고 새로운 전위가 형성됩니다. 이는 더 많은 공간을 확보하여 전위 이동 가능성을 높이므로 연성이 증가할 것으로 예상됩니다. 그러나 전위들이 서로 충돌하면 서로 고정될 수 있습니다.
전위의 수와 밀도가 증가함에 따라 점점 더 많은 전위가 서로 고정되어 연성이 감소합니다. 결국 너무 많은 전위가 발생하여 냉간 성형이 더 이상 불가능해집니다. 기존의 고정 전위가 더 이상 움직일 수 없게 되면 격자 내 원자 결합이 늘어나다가 끊어지거나 파괴됩니다. 이것이 금속 합금이 가공 경화되는 이유이며, 금속이 파괴되기 전에 견딜 수 있는 소성 변형량에 한계가 있는 이유입니다.
결정립은 어닐링 과정에서도 중요한 역할을 합니다. 가공 경화된 재료를 어닐링하면 미세 구조가 재설정되어 연성이 회복됩니다. 어닐링 과정에서 결정립은 세 단계에 걸쳐 변형됩니다.
붐비는 기차 칸을 걸어가는 사람을 상상해 보세요. 사람들은 격자 구조에서처럼 줄 사이에 틈을 남겨야만 움직일 수 있습니다. 앞으로 나아가면서 뒤따라오는 사람들은 그 틈을 채우고, 앞으로 나아가는 사람들은 새로운 공간을 만듭니다. 기차 칸의 반대편 끝에 다다르면 승객들의 배치가 바뀝니다. 만약 너무 많은 사람들이 한꺼번에 지나가려고 하면, 공간을 만들려는 승객들은 서로 부딪히고 기차 칸 벽에 밀려 모두 꼼짝 못하게 될 것입니다. 이렇게 틈이 많아질수록 사람들이 동시에 움직이기는 더욱 어려워집니다.
재결정을 유발하는 데 필요한 최소 변형 수준을 이해하는 것이 중요합니다. 그러나 금속이 가열되기 전에 충분한 변형 에너지를 얻지 못하면 재결정이 일어나지 않고 결정립은 원래 크기보다 계속 성장할 것입니다.
기계적 특성은 결정립 성장을 제어함으로써 조절할 수 있습니다. 결정립계는 본질적으로 전위의 벽이며, 전위의 이동을 방해합니다.
결정립 성장이 억제되면 더 많은 수의 작은 결정립이 생성됩니다. 이러한 작은 결정립은 결정 구조 측면에서 더 미세한 것으로 간주됩니다. 결정립계가 많을수록 전위 이동이 적어지고 강도가 높아집니다.
결정립 성장이 억제되지 않으면 결정립 구조가 거칠어지고, 결정립 크기가 커지며, 결정립 경계가 줄어들고, 강도가 낮아집니다.
입자 크기는 종종 5에서 15 사이의 단위가 없는 숫자로 표현됩니다. 이는 상대적인 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. 숫자가 높을수록 입자가 더 미세합니다.
ASTM E112는 결정립 크기를 측정하고 평가하는 방법을 규정하고 있습니다. 이 방법은 주어진 영역 내의 결정립 수를 세는 것을 포함합니다. 일반적으로 원료의 단면을 절단하고, 연마 및 광택 처리한 다음, 산으로 에칭하여 입자를 노출시킵니다. 계수는 현미경으로 수행되며, 높은 배율을 통해 결정립을 충분히 샘플링할 수 있습니다. ASTM 결정립 크기 번호는 결정립의 모양과 직경이 적절한 수준으로 균일함을 나타냅니다. 가공물의 일관된 성능을 보장하기 위해 결정립 크기의 변동을 2~3개 지점으로 제한하는 것이 유리할 수도 있습니다.
가공 경화의 경우, 강도와 연성은 반비례 관계를 갖습니다. ASTM 결정립 크기와 강도 사이에는 일반적으로 강한 양의 상관관계가 있으며, 연신율은 ASTM 결정립 크기에 반비례합니다. 그러나 과도한 결정립 성장은 "매우 연질"인 재료가 더 이상 효과적으로 가공 경화되지 않도록 만들 수 있습니다.
입자 크기는 종종 5에서 15 사이의 단위가 없는 숫자로 표현됩니다. 이는 상대적인 비율이며 평균 입자 직경과 관련이 있습니다. ASTM 입자 크기 값이 높을수록 단위 면적당 입자 수가 더 많습니다.
어닐링 처리된 재료의 결정립 크기는 시간, 온도 및 냉각 속도에 따라 달라집니다. 어닐링은 일반적으로 합금의 재결정 온도와 융점 사이에서 수행됩니다. 오스테나이트 스테인리스강 301 합금의 권장 어닐링 온도 범위는 화씨 1,900도에서 2,050도 사이이며, 약 화씨 2,550도에서 녹기 시작합니다. 반면, 상업용 순수 1등급 티타늄은 화씨 1,292도에서 어닐링해야 하며, 약 화씨 3,000도에서 녹습니다.
어닐링 과정에서 회복 및 재결정 과정은 재결정된 결정립이 모든 변형된 결정립을 소모할 때까지 서로 경쟁합니다. 재결정 속도는 온도에 따라 달라집니다. 재결정이 완료되면 결정립 성장이 시작됩니다. 301 스테인리스강 가공물을 1,900°F에서 1시간 동안 어닐링하면 동일한 가공물을 2,000°F에서 같은 시간 동안 어닐링했을 때보다 더 미세한 결정립 구조를 갖게 됩니다.
재료를 적절한 어닐링 범위에서 충분한 시간 동안 유지하지 않으면 결과적으로 기존 결정립과 새로운 결정립이 혼합된 구조가 생성될 수 있습니다. 금속 전체에 걸쳐 균일한 특성을 얻으려면 어닐링 공정을 통해 균일한 등축 결정립 구조를 얻어야 합니다. 균일하다는 것은 모든 결정립의 크기가 거의 같다는 것을 의미하고, 등축이라는 것은 모양이 거의 같다는 것을 의미합니다.
균일하고 등축정질의 미세구조를 얻으려면 각 가공물에 동일한 열량을 동일한 시간 동안 가하고 동일한 속도로 냉각시켜야 합니다. 하지만 일괄 열처리에서는 이것이 항상 쉽거나 가능한 것은 아니므로, 최소한 가공물 전체가 적절한 온도에서 포화될 때까지 기다린 후 유지 시간을 계산하는 것이 중요합니다. 유지 시간이 길어지고 온도가 높아지면 결정립 구조가 거칠어지고 재료가 부드러워지며, 반대로 온도가 낮거나 낮으면 결정립 구조가 거칠어지고 재료가 부드러워집니다.
결정립 크기와 강도가 관련되어 있고 강도를 알고 있다면 왜 결정립 크기를 계산해야 할까요? 모든 파괴 시험에는 변동성이 있습니다. 특히 얇은 두께의 인장 시험은 시료 준비에 크게 좌우됩니다. 실제 재료 특성을 제대로 반영하지 못하는 인장 강도 결과는 조기 파손을 초래할 수 있습니다.
가공물의 물성이 전체적으로 균일하지 않은 경우, 한쪽 가장자리에서 인장 시험편이나 샘플을 채취하는 것만으로는 전체적인 특성을 파악하기 어려울 수 있습니다. 샘플 준비 및 시험 과정 또한 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 특정 금속에 대해 몇 가지 시험을 수행할 수 있으며, 몇 가지 방향으로 시험을 진행하는 것이 현실적인지 고려해야 합니다. 결정립 구조를 평가하는 것은 예상치 못한 문제 발생을 예방하는 추가적인 방법입니다.
이방성, 등방성. 이방성은 기계적 특성의 방향성을 나타냅니다. 강도 외에도 이방성은 결정립 구조를 분석함으로써 더 잘 이해할 수 있습니다.
균일하고 등축정질의 결정립 구조는 등방성을 가져야 하는데, 이는 모든 방향에서 동일한 물성을 가진다는 것을 의미합니다. 등방성은 특히 동심도가 중요한 심가공 공정에서 매우 중요합니다. 블랭크를 금형으로 당길 때, 비등방성 재료는 균일하게 흐르지 않아 이어링(earing)이라는 결함이 발생할 수 있습니다. 이어링은 컵의 윗부분이 물결 모양으로 휘어지는 현상입니다. 결정립 구조를 검사하면 가공물의 불균일한 위치를 파악하고 근본 원인을 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
적절한 어닐링은 등방성을 얻는 데 매우 중요하지만, 어닐링 전 변형 정도를 이해하는 것 또한 중요합니다. 재료가 소성 변형됨에 따라 결정립도 변형되기 시작합니다. 냉간 압연의 경우, 두께를 길이로 변환하면서 결정립은 압연 방향으로 길어집니다. 결정립의 종횡비가 변함에 따라 등방성과 전반적인 기계적 특성도 변합니다. 심하게 변형된 가공물의 경우, 어닐링 후에도 일부 배향이 유지될 수 있으며, 이로 인해 이방성이 발생합니다. 심가공 재료의 경우, 마모를 방지하기 위해 최종 어닐링 전 변형량을 제한해야 하는 경우도 있습니다.
오렌지 껍질 모양. 픽업 현상은 금형과 관련된 유일한 심가공 결함이 아닙니다. 오렌지 껍질 모양은 입자가 너무 굵은 원료를 사용하여 드로잉할 때 발생합니다. 각 결정립은 독립적으로 그리고 결정 방향에 따라 변형됩니다. 인접한 결정립 사이의 변형 차이로 인해 오렌지 껍질과 유사한 질감이 나타납니다. 질감은 컵 벽 표면에 드러나는 결정립 구조를 말합니다.
TV 화면의 픽셀처럼 미세한 입자 구조를 가지면 각 입자 간의 차이가 덜 두드러져 해상도가 효과적으로 향상됩니다. 기계적 특성만으로는 오렌지 껍질 현상을 방지할 만큼 충분히 미세한 입자 크기를 확보하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 공작물 크기의 변화가 입자 직경의 10배 미만일 경우, 개별 입자의 특성이 성형 거동을 좌우하게 됩니다. 즉, 여러 입자에 걸쳐 균일하게 변형되는 것이 아니라 각 입자의 특정 크기와 방향을 반영하여 변형됩니다. 이는 드로잉된 컵 벽면의 오렌지 껍질 현상에서 확인할 수 있습니다.
ASTM 입자 크기 8의 경우 평균 입자 직경은 885µin입니다. 즉, 0.00885인치 이하의 두께 감소는 이러한 미세 성형 효과의 영향을 받을 수 있습니다.
거친 입자는 딥 드로잉에 문제를 일으킬 수 있지만, 때로는 임프린팅에 권장되기도 합니다. 스탬핑은 블랭크를 압축하여 원하는 표면 형상을 부여하는 변형 공정으로, 조지 워싱턴의 얼굴 윤곽의 4분의 1을 새기는 데 사용될 수 있습니다. 와이어 드로잉과 달리 스탬핑은 일반적으로 대량의 재료 흐름을 수반하지 않지만, 상당한 힘이 필요하며, 이 힘으로 인해 블랭크 표면이 변형될 수 있습니다.
이러한 이유로, 더 거친 결정립 구조를 사용하여 표면 유동 응력을 최소화하면 금형 충진에 필요한 힘을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 특히 자유 금형 각인(free-die imprinting)의 경우에 그러한데, 이 경우 표면 결정립의 전위가 결정립 경계에 축적되지 않고 자유롭게 흐를 수 있기 때문입니다.
여기서 논의된 경향은 일반적인 사항이므로 특정 부문에 적용되지 않을 수 있습니다. 그러나 이러한 경향은 새로운 부품을 설계할 때 흔히 발생하는 문제점을 피하고 성형 매개변수를 최적화하기 위해 원자재 입자 크기를 측정하고 표준화하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다.
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