재료의 이해

재질을 틀리면 나머지가 다 소용없습니다

도면대로 치수를 완벽하게 맞춰도 재질이 다르면 그 부품은 불량이에요. 현장에서 실제로 자주 나는 사고가 이런 것들입니다.

• 용접 구조물에 SS400을 써서 용접부에 균열이 감
• 조선 블록에 선급 각인 없는 강판이 섞여 들어가 검사에서 전량 반려
• 해수가 닿는 부품에 SUS316 대신 SUS304를 써서 몇 달 만에 구멍이 뚫림(공식)
• 굵은 축에 S45C를 써서 담금질했는데 속이 안 굳어 사용 중 부러짐

재료 기호는 30개를 외우는 게 아니라 읽는 법을 아는 것입니다. 규칙만 알면 처음 보는 기호도 뜻이 보여요.

철강 기호 해독법

KS 기호는 대체로 [재질] + [용도·성분] + [숫자] 로 되어 있습니다.

\\\` S S 4 0 0 │ │ └─┴─┴─ 최저 인장강도 400 N/mm² │ └─────── Structure (일반구조용) └───────── Steel (강)

S 4 5 C │ └─┴─ 탄소 함량 0.45% (규격 범위 0.42~0.48%) │ 뒤의 C = Carbon └───── Steel

S C M 4 3 5 │ │ │ │ └─┴ 탄소 0.35% (규격 0.33~0.38%) │ │ │ └──── 계열 번호 (SCM4xx 그룹) │ │ └────── Molybdenum (몰리브덴) │ └──────── Chromium (크롬) └────────── Steel

S U S 3 0 4 └─┴─┴────── Steel Use Stainless └─┴─┴ 300계 = 오스테나이트계 (비자성) \\\`

여기서 숫자의 의미가 계열마다 다릅니다.

> SS400은 최근 KS 개정으로 항복강도 기준 표기(SS275) 로 바뀌는 중이에요. 용접구조용 SM490도 SM355로 바뀝니다. 도면에 옛 기호와 새 기호가 섞여 나오니 표제란과 자재 성적서를 함께 보세요.

대표 4강종

SS400을 용접 구조물에 쓰면 안 되는 이유

SS400은 규격상 P와 S의 상한만 정해져 있고 탄소량 규정이 없습니다. 같은 SS400이라도 로트에 따라 탄소가 들쭉날쭉해서 용접부 품질을 보증할 수 없어요. 그래서 용접 하중을 받는 구조물에는 성분과 탄소당량이 규정된 용접구조용 압연강재(SM계) 를 씁니다.

탄소가 성질을 결정합니다

탄소는 강의 성격을 바꾸는 가장 큰 변수예요.

\\\ 탄소 ↑ → 강도 ↑ 경도 ↑ 담금질 효과 ↑ 연신율 ↓ 인성 ↓ 용접성 ↓ 절삭성 ↓ \\\

> 탄소 0.3% 미만은 담금질해도 안 굳습니다. "SS400 부품인데 좀 단단하게 해달라"는 요청이 오면 담금질이 아니라 재질 변경이나 침탄을 제안해야 해요.

탄소당량(Ceq) — 용접해도 되는지 판단하는 숫자

탄소만 보면 안 되고 Mn, Cr, Mo 같은 합금원소도 용접성을 나쁘게 만들어요. 이걸 탄소 하나로 환산한 값이 탄소당량입니다. 국제용접학회(IIW) 식이 가장 널리 쓰여요.

\\\ Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 \\\

실제 계산해봅시다. (대표 조성 기준이며 성적서 실측값으로 계산해야 합니다)

\\\` ① 용접구조용강 SM355 (C 0.18, Mn 1.40) Ceq = 0.18 + 1.40/6 = 0.18 + 0.233 = 0.41

② 기계구조용 S45C (C 0.45, Mn 0.75, Cr 0.20, Ni 0.20, Cu 0.30) Ceq = 0.45 + 0.75/6 + 0.20/5 + (0.20+0.30)/15 = 0.45 + 0.125 + 0.040 + 0.033 = 0.65

③ 크롬몰리브덴강 SCM435 (C 0.35, Mn 0.75, Cr 1.05, Mo 0.22) Ceq = 0.35 + 0.75/6 + (1.05+0.22)/5 = 0.35 + 0.125 + 0.254 = 0.73 \\\`

> S45C(0.65)와 SCM435(0.73)를 예열 없이 그냥 용접하면 거의 확실히 균열이 납니다. 판 두께, 구속도, 용접봉 수소량에 따라 조건이 달라지므로 실제 예열 온도는 WPS(용접절차사양서) 를 따르세요. 임의로 정하면 안 됩니다.

SUS304와 SUS316

Mo가 염소 이온에 의한 공식(pitting) 을 막아줍니다. 부산·거제·울산처럼 바닷바람이 닿는 환경에서는 304가 몇 달 만에 녹슨 점이 생기는 경우가 흔해요. 선박·해양 플랜트 부품에 316을 쓰는 이유입니다.

> SUS는 일반강 공구·작업대와 반드시 분리하세요. 철분이 표면에 옮으면 그 자리부터 녹이 슬어요(오염, contamination). 조선·플랜트 납품에서 클레임 사유가 됩니다. 그라인더 디스크, 와이어 브러시, 클램프까지 SUS 전용을 따로 둡니다.

자재를 받으면 확인할 것

• 실물 표면의 각인·마킹과 도면 지정 재질이 일치하는가
• 시험성적서(Mill Sheet)의 Heat No. 가 실물 각인과 같은가
• 용접 구조물이면 탄소당량이 성적서에 있는가
• 선급·원청 인증재라면 인증 스탬프가 찍혀 있는가
• 절단해서 나눠 쓸 자재라면 자르기 전에 마킹을 옮겨 적었는가

> 절단하면 원판의 각인이 잘려 나갑니다. 남은 조각에 등급·Heat No.를 옮기지 않으면 그 조각은 신원 불명 자재가 되어 쓸 수 없게 돼요. 외국인 근로자가 많은 블록 공장은 색띠 구분과 다국어 표기를 병행하는 게 실효성이 큽니다.

가볍다고 만만한 게 아닙니다

비철금속은 강보다 무르니까 가공이 쉬울 거라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 강과 다른 방식으로 어렵습니다. 무른 만큼 공구에 눌어붙고, 열에 민감하고, 잘 휘어요.

신입이 알루미늄 부품을 강 가공하던 감각으로 만들면 대체로 이렇게 됩니다.

• 아침에 측정하면 합격, 오후에 재면 불합격 (열팽창)
• 표면이 까칠하고 치수가 들쭉날쭉 (구성인선)
• 얇은 부품이 클램프 풀자마자 휘어버림 (낮은 강성 + 잔류응력)

알루미늄 기호 읽기

네 자리 숫자의 첫 자리가 주 합금원소를 뜻합니다.

\\\` A 5 0 5 2 - H 3 2 │ │ │ │ │ └── 질별기호(가공·열처리 상태) │ └────────── 5000계 = Mg(마그네슘) 계열 └──────────── Aluminum

1000계 : 순알루미늄 — 전기, 화학 2000계 : Al-Cu (두랄루민) — 고강도, 내식성 나쁨 3000계 : Al-Mn — 성형성 5000계 : Al-Mg — 내식성, 용접성 (선박·판재) 6000계 : Al-Mg-Si — 범용 구조재, 압출 7000계 : Al-Zn-Mg — 최고 강도 (항공, 금형)

질별기호 O : 풀림(가장 무름) H1x : 가공경화 (H32 = 가공경화 후 안정화) T4 : 용체화 + 자연시효 T6 : 용체화 + 인공시효 ← 최대 강도 \\\`

> A7075는 용접하지 않습니다. 용접하면 균열이 나요. A6061도 용접하면 열영향부가 T6 상태를 잃고 물러집니다(용접 그대로의 이음부 강도가 모재의 약 50~60% 수준. AWS D1.2 는 6061-T6 as-welded 최소 인장강도를 165 MPa로 규정 — 모재 최소 290 MPa의 약 57%). 용접할 알루미늄 구조물은 5000계가 기본이에요.

알루미늄 가공의 3대 함정

1. 열팽창이 강의 2배입니다

실제로 얼마나 차이 나는지 계산해봅시다.

\\\` 길이 300mm 부품 가공 중 20℃ → 측정 시 28℃ (8℃ 상승)

알루미늄 : 23.6×10⁻⁶ × 300 × 8 = 0.0566 mm 탄소강 : 11.7×10⁻⁶ × 300 × 8 = 0.0281 mm ────────────────────────────────────── 차이 0.029 mm

도면 공차가 ±0.02 mm 라면 → 가공 정확도와 무관하게 온도만으로 불합격 \\\`

> 정밀 알루미늄 부품은 가공 직후 뜨거울 때 측정하면 안 됩니다. 20℃ 항온실에서 부품이 실온이 될 때까지 두었다가 재세요. 측정실 온도와 부품 온도를 기록에 남기면 클레임 때 근거가 됩니다.

2. 구성인선(BUE)이 잘 생깁니다

절삭 중에 재료가 공구 날 끝에 눌어붙어 가짜 날을 만드는 현상이에요. 이 가짜 날이 자라다가 떨어져 나가면서 치수가 흔들리고 표면이 거칠어집니다.

\\\` 증상

• 표면이 뜯긴 것처럼 까칠함
• 같은 프로그램인데 치수가 0.02~0.05mm 씩 오락가락
• 공구 날에 은색 덩어리가 붙어 있음

대책

• 절삭속도를 올린다 (저속에서 잘 생김)
• 경사각이 큰 알루미늄 전용 공구 (2~3날, 플루트가 거울처럼 연마된 것)
• 코팅은 DLC 또는 무코팅. 강용 TiAlN 코팅 공구는 알루미늄이 잘 달라붙음
• 절삭유를 충분히 (칩을 씻어내는 역할이 큼)
• 이송을 너무 낮추지 않는다

\\\`

3. 잘 휩니다

탄성계수가 강의 약 1/3이에요. 같은 단면·같은 힘이면 3배 휩니다. 클램프를 세게 조이면 그 상태로 가공되고, 풀면 원래대로 돌아가면서 치수가 틀어져요. 얇은 판·프레임은 클램핑 힘을 낮추고 지지점을 늘리세요.

구리와 황동

가공 시 주의:

• 순동은 끈적입니다. 칩이 길게 이어지고 공구에 달라붙어요. 아주 날카로운 공구와 높은 속도, 충분한 절삭유가 필요합니다.
• 열전도가 큽니다. 순동은 강의 약 8배(400 W/m·K), 황동도 약 2~3배(120 W/m·K)라 용접·납땜 시 열이 순식간에 빠져나갑니다. 예열이 필요해요.
• 황동은 탈아연 부식이 있습니다. 해수나 연수에 오래 노출되면 아연만 빠져나가 스펀지처럼 물러져요. 선박 밸브·피팅이 손으로 부서지는 사고가 이겁니다. 해수용은 내탈아연 황동이나 청동을 지정해야 합니다.
• 수도용 부품은 무연(lead-free) 규제가 적용되니 C3604를 임의로 대체하면 안 됩니다.

티타늄

강도는 강급인데 무게는 60% 수준이고, 해수 내식성은 스테인리스보다 월등해요. 그래서 해수 열교환기, 담수화 설비, 화학 플랜트에 씁니다. 창원·울산 플랜트 기자재 업체에서 자주 만나게 돼요.

가공은 까다롭습니다.

\\\` 열전도율 약 7 W/m·K (강의 1/7, 알루미늄의 1/30) → 절삭열이 재료로 안 빠지고 전부 공구 날 끝에 쌓임 → 공구 수명이 급격히 짧아짐

대책

• 절삭속도는 낮게, 이송은 충분히 (문지르면 더 나빠짐)
• 절삭유를 날 끝에 직접, 대량으로
• 공구가 재료에서 멈춰 있으면 안 됨(가공경화)
• 단단한 재료가 아니라 "열이 안 빠지는 재료"로 접근

\\\`

> 티타늄 칩은 불이 붙습니다. 미세한 칩·분진은 D급 금속화재예요. 물이나 일반 ABC 소화기를 쓰면 더 커집니다. 칩통을 따로 두고, 마른 모래나 D급 전용 소화약제를 비치하세요. 마그네슘·알루미늄 미분진도 마찬가지입니다.

비철 작업 체크리스트

• 알루미늄·구리·SUS 전용 공구를 분리했는가
• 알루미늄 정밀 부품은 온도가 안정된 뒤 측정했는가
• 용접할 알루미늄인데 6000계·7000계가 지정돼 있지 않은가 (설계 확인)
• 해수 접촉 부품에 일반 황동이 들어가지 않았는가
• 티타늄·마그네슘 칩을 일반 칩통에 섞지 않았는가
• 비철 스크랩은 재질별로 분리했는가 (섞이면 재활용 단가가 크게 떨어짐)

금속만 재료가 아닙니다

제조 현장에서 플라스틱과 고무는 생각보다 훨씬 많이 쓰여요. 기계 안전커버, 기어와 부시, 슈트 라이너, 배관, 그리고 거의 모든 씰과 O링이 여기 해당합니다.

문제는 이 재료들이 금속과 완전히 다른 방식으로 고장난다는 점이에요.

• 온도가 조금 올라가면 형태를 잃음
• 기름·용제에 닿으면 부풀거나 갈라짐
• 하중을 오래 받으면 서서히 늘어남(크리프)
• 습기를 먹고 치수가 변함

열가소성 vs 열경화성

현장 가공 대상은 대부분 열가소성입니다.

주요 플라스틱 6종

특수 소재도 알아두면 좋아요.

\\\ PTFE (테프론) : 마찰계수 최저, ~260℃, 화학적으로 거의 무적 단점 — 하중을 받으면 서서히 눌림(크리프) PEEK : ~250℃, 강도·내약품 모두 우수, 매우 비쌈 UHMW-PE : 초고분자량 PE. 내마모 최고 → 광산·항만 슈트 라이너 \\\

> 연속사용온도는 그레이드마다 다릅니다. 위 값은 감을 잡기 위한 대략치예요. 실제 설계·구매 시에는 반드시 제조사 데이터시트의 값을 쓰세요.

플라스틱은 왜 자꾸 치수가 변할까

흡습 — 나일론의 고질병

나일론은 공기 중 수분을 빨아들이고, 그만큼 부풉니다.

\\\` 나일론(PA6) 부시, 가공 직후 외경 φ60.00 mm

조립하려고 2주 뒤에 꺼내보니 φ60.15~60.30 → 하우징에 안 들어감

원인 : 흡습에 의한 팽창 (조건에 따라 0.2~0.5% 수준) 대책 : ① 가공 전에 미리 조습(調濕) 처리된 소재 사용 ② 습도 변화를 예상해 공차를 넓게 ③ 치수가 중요한 부품은 POM으로 대체 \\\`

POM은 흡습이 거의 없어서 정밀 기어·부시에 나일론보다 유리합니다.

크리프 — 하중 아래서 서서히 늘어남

금속은 항복점 아래면 영구변형이 없지만, 플라스틱은 약한 하중이라도 오래 받으면 계속 변형돼요. 볼트로 조인 플라스틱 부품이 몇 달 뒤 헐거워지는 게 이 때문입니다. 체결부에는 금속 인서트나 와셔를 넣어 면압을 분산시키세요.

잔류응력 — 가공 후 휨

압출·사출된 소재에는 내부 응력이 남아 있어요. 한쪽 면만 깎아내면 균형이 깨져 휩니다. 두꺼운 판을 정밀 가공할 때는 황삭 후 어닐링(가열 후 서냉) → 정삭 순서를 씁니다.

플라스틱 가공 요령

• 열이 안 빠집니다. 열전도가 금속의 수백 분의 1이라 절삭열이 그대로 남아 녹아 붙어요. 날카로운 공구, 큰 경사각, 에어 블로우가 기본입니다.
• PC에 절삭유·세척제를 함부로 쓰면 안 됩니다. 유기용제가 닿으면 눈에 안 보이는 미세균열이 생겼다가 나중에 쫙 갈라져요(솔벤트 크래킹). 물이나 지정된 절삭유만 쓰세요.
• 클램프 자국이 그대로 남습니다. 힘을 낮추고 접촉면을 넓히세요.
• 공차를 금속처럼 요구할 수 없습니다. 온도·습도로 움직이는 재료라는 걸 전제로 설계해야 해요.

고무 — 기름에 맞는 고무가 따로 있습니다

> NBR과 EPDM은 정확히 정반대입니다. NBR은 기름에 강하고 물·브레이크액에 약해요. EPDM은 그 반대입니다. 그런데 둘 다 똑같은 검정 O링이라 눈으로 구분이 안 됩니다.

실제로 벌어지는 사고

\\\` 유압 실린더 정비 중 O링을 아무거나 꺼내 씀

NBR 자리에 EPDM이 들어감 → 광유가 EPDM을 팽윤시킴 → 며칠 만에 O링이 물러지고 부피가 커짐 → 누유 + 실린더 재분해 + 라인 정지

반대 사고 브레이크·클러치 계통(글리콜계)에 NBR을 넣음 → 팽윤·경화 → 제동 계통 누유 (안전 직결) \\\`

대책은 단순합니다. O링을 봉투에서 꺼낸 채로 보관하지 말고, 규격·재질이 표기된 포장 그대로 서랍에 넣어두세요. 정비 기록에 재질을 남기고요.

확인 체크리스트

• 이 부품이 닿는 액체가 무엇인지 확인했는가 (기름 / 물 / 약품 / 브레이크액)
• 최고 사용 온도를 데이터시트로 확인했는가 (감으로 정하지 않기)
• 실외 설치라면 자외선·오존에 견디는 소재인가
• 하중을 오래 받는 곳에 크리프가 큰 소재를 쓰지 않았는가
• 나일론 부품을 습도 변화가 큰 곳에 쓰면서 공차를 좁게 잡지 않았는가
• O링·씰의 재질 표기가 남아 있는 상태로 보관되고 있는가

같은 S45C인데 물건마다 다른 이유

S45C 봉재를 그대로 깎은 축과, 담금질·뜨임을 거친 축은 같은 재질이지만 완전히 다른 물건입니다. 인장강도가 두 배 가까이 차이 나기도 해요. 재료 기호는 성분만 정할 뿐, 최종 성질은 열처리가 결정합니다.

열처리를 이해하는 핵심은 하나예요.

> 강을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤, 어떤 속도로 식히느냐가 조직을 정한다.

변태점과 조직

\\\` A1 = 727℃ (공석 변태점 — 이 위에서 오스테나이트가 생기기 시작) A3 = 탄소량에 따라 727~912℃ (완전 오스테나이트화 선)

S45C 기준 담금질 가열온도 : 820~850℃ SCM435 기준 : 830~880℃ \\\`

가열해서 오스테나이트로 만든 뒤 냉각 속도를 바꾸면 조직이 달라집니다.

마르텐사이트는 탄소가 빠져나갈 틈 없이 강제로 갇힌 조직이에요. 결정 구조가 뒤틀리면서 부피가 늘어납니다. 이 팽창이 잔류응력·변형·담금질 균열의 원인이 됩니다.

4대 열처리 비교

> 담금질만 하고 끝내면 안 됩니다. 담금질 직후의 부품은 유리처럼 깨져요. 반드시 뜨임까지 세트로 봐야 하고, 담금질과 뜨임 사이의 시간을 오래 두면 그 사이에 균열이 생깁니다(시효 균열). 열처리 업체에 맡길 때도 "담금질 뜨임"으로 함께 발주하세요.

담금질 — 경도는 탄소가, 깊이는 합금원소가

여기서 실무자가 가장 많이 혼동하는 두 개념을 구분해야 해요.

탄소량이 최고 경도를 정합니다

합금원소를 아무리 넣어도 최고 경도는 탄소량 이상 못 올라갑니다. SCM435(C 0.35%)가 S45C(C 0.45%)보다 담금질 최고 경도가 낮은 이유예요.

질량효과 — 굵으면 속이 안 굳습니다

\\\` S45C 환봉을 수랭 담금질

φ20 → 표면 HRC 55, 중심도 상당히 경화 φ100 → 표면은 HRC 55, 중심은 HRC 25~30 수준

탄소강은 수랭 기준 대략 φ25~30을 넘으면 중심 경화가 사실상 어렵습니다. \\\`

그래서 굵은 축·대형 부품에는 S45C가 아니라 SCM435·SCM440 을 씁니다. Cr과 Mo가 냉각 중 변태를 늦춰서, 느린 냉각(기름)에도 마르텐사이트가 만들어져요. 창원·김해의 대형 기계 부품 업체에서 SCM계를 기본으로 쓰는 이유입니다.

냉각능과 균열의 트레이드오프

\\\` 냉각 능력 소금물 > 물 > 폴리머 수용액 > 기름 > 공기

빠를수록 : 경화 깊이 ↑ | 변형·균열 위험 ↑ \\\`

SCM계를 굳이 수랭할 필요가 없어요. 유랭으로 충분한데 수랭하면 균열만 부릅니다.

뜨임 — 경도를 팔아 인성을 산다

담금질 후 A1 아래에서 다시 가열합니다. 뜨임 온도가 올라갈수록 경도는 내려가고 인성은 올라가요. 이 트레이드오프를 어디서 끊을지가 열처리 사양의 핵심입니다.

S45C 담금질재 기준 대략적인 경향입니다.

담금질 + 고온뜨임을 조질(調質, Quenching & Tempering) 이라고 하고, 이때 나오는 조직이 소르바이트예요. 강도와 인성이 균형 잡힌 상태로, 기계 구조 부품의 표준 사양입니다.

뜨임 취성 두 구간

\\\` ① 저온 뜨임 취성 약 250~400℃ → 이 온도대에서 뜨임하면 충격값이 떨어짐. 그냥 피한다.

② 고온 뜨임 취성 약 450~550℃ 를 서서히 통과할 때 → Cr-Mo강(SCM계)에서 특히 문제 → 대책: 뜨임 후 이 구간을 급랭으로 빠르게 통과 \\\`

> 고장력 볼트가 체결 후 얼마 안 돼 부러졌다면 뜨임 조건을 먼저 의심하세요. 경도만 맞았지 인성이 없는 상태일 수 있습니다.

표면경화 — 겉은 단단하게, 속은 질기게

기어와 축은 표면은 마모에 견디고 속은 충격에 견뎌야 합니다. 전체를 굳히면 부러져요.

• 침탄은 저탄소강 표면에 탄소를 밀어 넣은 뒤 담금질하는 방식이에요. 자동차 기어의 표준 공법입니다. 온도가 높아 변형이 크니 침탄 후 연삭이 전제입니다.
• 질화는 변태점 아래에서 하므로 변형이 거의 없어요. 이미 완성 가공·조질된 부품의 마지막 공정으로 적합합니다. 대신 경화층이 얇아 큰 면압에는 약합니다.
• 고주파는 필요한 부위만 국부적으로 처리합니다. 축의 저널부, 기어의 이 끝만 굳힐 때 씁니다.

도면의 열처리 지시 읽기

\\\ 열처리 : 담금질 뜨임(Q&T), HRC 28~32 열처리 : 고주파 담금질, 표면 HRC 50~55 유효경화층 깊이 2.0~3.0 mm 열처리 : 침탄 담금질, 표면 HRC 58~62 유효경화층 깊이 0.8~1.2 mm, 심부 HRC 30~40 \\\

유효경화층 깊이는 단면을 잘라 마이크로 비커스로 재서, 규정된 한계경도에 도달하는 깊이입니다(침탄강은 보통 HV 550 기준). 표면에서 로크웰로 찍어서는 알 수 없어요. 도면에 경화층 깊이가 있으면 파괴시험용 샘플이 별도로 필요합니다.

열처리 발주 실무

부울경은 창원·김해·양산에 열처리 전문업체가 몰려 있어 대부분 외주로 나갑니다. 발주서에 이 항목이 빠지면 사고가 나요.

• 재질 (성적서상 실제 재질. 추정으로 적지 않기)
• 요구 경도를 범위로 — "HRC 50 이상"처럼 상한 없이 쓰면 안 됩니다. 너무 굳으면 깨져요
• 측정 위치 (표면 / 중심 / 특정 부위)
• 유효경화층 깊이와 판정 기준
• 변형 허용량 및 열처리 후 가공 여부
• 시험성적서 필요 여부 (원청 제출용이면 필수)
• 가공 여유 — 열처리 후 연삭할 만큼 남겼는가

실제로 나는 사고

> 수소취성은 자동차 부품에서 특히 조심해야 합니다. 인장강도 1000 MPa급 이상 부품은 전기도금 후 정해진 시간 안에 베이킹(가열 유지)을 해야 해요. 겉보기엔 멀쩡하다가 며칠 뒤 갑자기 부러집니다(지연파괴). 원청 사양서에 조건이 명시돼 있으니 반드시 확인하세요.

성적서를 읽을 줄 알아야 재료를 산 겁니다

자재와 함께 오는 시험성적서(Mill Sheet)를 그냥 파일에 꽂아두는 회사가 많아요. 하지만 원청 감사나 선급 검사에서 가장 먼저 요구하는 서류가 이겁니다. 그리고 클레임이 났을 때 우리를 방어해주는 유일한 근거이기도 합니다.

시험 항목별로 무엇을 보증하는지 정리하면 이렇습니다.

인장시험 — 네 개의 숫자

시험편을 양쪽으로 당겨 끊습니다. 하중과 늘어남을 기록해 응력-변형 선도를 그려요.

\\\` KS B 0801 시험편 (평행부 지름 14mm, 표점거리 50mm)

측정값 초기 단면적 A0 = π × 14² / 4 = 153.9 mm² 항복하중 Fy = 55,000 N 최대하중 Fm = 92,000 N 파단 후 표점거리 L = 61.5 mm 파단부 지름 d = 9.8 mm → 단면적 75.4 mm²

계산 항복강도 (YS) = 55,000 / 153.9 = 357 N/mm² (MPa) 인장강도 (TS) = 92,000 / 153.9 = 598 N/mm² 연신율 (EL) = (61.5-50)/50 × 100 = 23.0 % 단면수축률(RA) = (153.9-75.4)/153.9×100 = 51.0 % 항복비 = 357 / 598 = 0.60 \\\`

해석

> 항복비가 높다는 건 "항복하자마자 곧 끊어진다"는 뜻이에요. 지진·충돌처럼 큰 변형을 흡수해야 하는 구조물은 항복비 상한을 규정합니다.

주의: 성적서 값은 특정 방향(보통 압연 방향)·특정 두께 위치에서 뽑은 시험편의 값이에요. 두께 방향이나 직각 방향의 성질은 이보다 낮습니다. 두께 방향 인장을 받는 설계라면 별도로 라멜라 티어링(층상 균열) 대책을 봐야 해요.

경도시험 — 세 가지를 구분해서 씁니다

비커스는 계산으로 나옵니다.

\\\` HV10 (시험하중 10 kgf) 대각선 d1 = 0.201 mm, d2 = 0.199 mm → 평균 d = 0.200 mm

HV = 1.854 × F / d² = 1.854 × 10 / (0.200)² = 18.54 / 0.04 = 463.5 → HV 463 \\\`

언제 무엇을 쓰나

• 조질 부품 전수 확인 → HRC (빠르고 간단)
• 주물·단조품 → HB (압흔이 커서 조직 불균일을 평균화)
• 침탄·질화층 깊이 측정 → 마이크로 비커스 (단면 절단 후 0.05mm 간격)
• 용접부 HAZ 경도 확인 → 비커스 (조직이 mm 단위로 바뀌므로 작은 압흔이 필요)

경도 환산의 한계

현장에서 가장 많이 저지르는 실수입니다. 환산표는 있지만 만능이 아니에요.

탄소강에 한해 인장강도(MPa) ≈ 3.4~3.5 × HB 라는 경험식도 씁니다. HB 371이면 약 1260~1300 MPa 범위로 추정돼요. 위 환산표(약 1250 MPa)와 몇 % 차이가 나는데, 경험식은 어디까지나 추정치이고 합격 판정 근거로는 쓸 수 없습니다.

> 이 표와 경험식은 탄소강·저합금강 기준입니다. 아래에는 쓰면 안 됩니다. > - 오스테나이트계 스테인리스(SUS304/316) — 압입 중 가공경화가 일어나 값이 어긋납니다 > - 알루미늄·구리 등 비철 — 별도 환산표가 필요합니다 > - 침탄층·질화층·도금층 — 층 두께보다 압입이 깊으면 아래 조직을 같이 재게 됩니다 > - 주철 — 흑연 때문에 산포가 큽니다

그리고 실무에서 가장 중요한 한 줄.

> 도면에 HRC로 적혀 있으면 HRC로 측정해야 합니다. HV로 재서 환산한 값으로 합격 판정하면, 클레임이 났을 때 근거로 인정받지 못합니다. 측정 방법·하중·위치를 검사성적서에 함께 남기세요.

충격시험과 저온취성

샤르피 V노치 시험이 표준입니다. 10×10×55mm 시험편 가운데 2mm V노치를 파고, 진자로 때려 흡수한 에너지(J) 를 잽니다.

핵심은 온도예요.

\\\` 탄소강(BCC 구조)은 어느 온도 아래로 내려가면 갑자기 인성이 무너집니다 → 천이온도(DBTT)

상온 : 200 J 흡수, 크게 휘고 안 끊어짐 -40℃ : 15 J, 거의 안 휘고 유리처럼 깨짐

같은 재료입니다. 온도만 바뀌었어요. \\\`

> 시험 온도가 안 적힌 충격값은 아무 의미가 없습니다. 성적서에 "충격 150J"만 있고 온도가 없으면 반드시 확인하세요.

FCC 구조인 오스테나이트계 스테인리스와 알루미늄은 천이온도가 없습니다. 그래서 극저온 설비(LNG 탱크, 액화가스 배관)에 SUS304·알루미늄을 씁니다. 9% Ni강은 BCC라 천이온도가 있지만, 조직 미세화와 잔류 오스테나이트 덕분에 -196℃까지 인성이 유지되어 LNG 탱크 소재로 함께 쓰입니다.

조선용 강재는 왜 다른가 — 선급 인증재

거제·울산·부산의 조선 협력사에서 매일 부딪히는 부분입니다. 배는 겨울 북태평양에서 -30℃ 이하 강판에 파도 충격을 받아요. 저온취성이 곧 선체 파단으로 이어집니다. 그래서 선급이 강재를 따로 관리합니다.

흡수에너지 요구는 대략 노멀강 27J, H32급 31J, H36급 34J(세로방향, 표준 시험편 기준)입니다. 두께·시험편 방향·선급 규칙 개정에 따라 달라지므로 적용 선급의 규칙을 직접 확인하세요.

일반강과 무엇이 다른가

> 가장 흔한 사고는 마킹 이관 누락입니다. 강판을 절단하면 원판의 각인이 잘려 나가요. 자르기 전에 남는 조각마다 등급·Heat No.·도면번호를 옮겨 적어야 합니다. 안 하면 그 조각은 신원 불명 자재가 되어 사용 불가 판정을 받고, 이미 조립됐다면 블록을 뜯어야 합니다.

야적장에서 일반강과 선급재를 같은 구획에 쌓지 마세요. 외국인 근로자 비중이 높은 블록 공장에서는 기호 표기만으로 구분이 안 되므로 색띠 + 구획 분리 + 다국어 표기를 병행하는 게 실효성 있습니다.

피로시험 — 부러지는 부품의 대부분

기계 부품 파손의 대부분은 힘이 모자라서가 아니라 반복 하중 때문입니다. 정적 강도만 보고 설계하면 반드시 부러져요.

\\\` S-N 선도 (응력 vs 반복 횟수)

강 : 10⁶~10⁷회 부근에서 곡선이 수평 → 피로한도 존재 알루미늄 : 수평선이 없음 → "무한수명"이 없음 규정 반복수에서의 피로강도로 설계해야 함 \\\`

강의 회전굽힘 피로한도는 인장강도의 0.4~0.5배 정도(매끈한 소형 시험편 기준)예요. 하지만 실제 부품은 여기서 크게 깎입니다.

\\\` S45C 조질재 축, 인장강도 700 MPa

시험편 피로한도 = 0.45 × 700 = 315 MPa × 표면 계수 (연삭) 0.90 × 치수 계수 (φ50, 큰 단면) 0.80 × 노치 영향 (단차 R 작음) 0.50 ──────────────────────────────────── 실부품 피로강도 ≈ 315 × 0.9 × 0.8 × 0.5 = 113 MPa \\\`

인장강도 700인 재료인데 반복하중은 113 MPa밖에 못 버팁니다. 여기서 나오는 결론이 중요해요.

> 재질 등급을 올려도 노치가 있으면 소용없습니다. 피로 대책의 1순위는 재료가 아니라 형상이에요.

피로 대책 우선순위

1. 단차·홈의 R을 크게 — 가장 효과가 큽니다. 도면 단계에서 결정돼요
2. 표면 거칠기 개선 (연삭·연마) — 가공 흠집이 균열 기점이 됩니다
3. 쇼트피닝 — 표면에 압축 잔류응력을 넣어 균열 발생을 억제. 스프링·기어·크랭크축의 표준 공정
4. 침탄·질화 — 경도뿐 아니라 압축 잔류응력 효과로 피로에 유리
5. 반대로 전기도금·전해연마는 불리 (인장 잔류응력, 수소취성)

파단면으로 원인을 읽습니다

\\\ 피로 파단 : 매끈한 면 + 조개무늬(비치마크), 마지막에 거친 최종 파단부 연성 파단 : 컵 앤 콘 형상, 목이 줄어든 흔적(네킹) 있음 취성 파단 : 광택 있는 결정면, 네킹 없음 쉐브론 패턴(화살표 무늬)을 거꾸로 따라가면 파괴 기점 \\\

클레임 조사의 첫 단계는 파단면 사진입니다. 부러진 부품을 닦거나 맞붙여 보지 마세요. 파단면이 손상되면 원인 규명이 불가능해집니다. 봉투에 넣어 그대로 보관하세요.

시험성적서(Mill Sheet) 확인 항목

• Heat No. 가 실물 각인·마킹과 일치하는가
• 규격·등급이 도면 지정 재질과 정확히 일치하는가 (SS400 성적서로 SM355 대체 불가)
• 충격시험 요구가 있는 등급인데 시험 온도와 흡수에너지가 기재돼 있는가
• 용접 구조물이면 탄소당량(Ceq) 이 있는가
• 발행처가 제강소 원본인가 (유통사 재발행본이면 원본 첨부 요구)
• 선급·원청 인증재라면 검사기관 스탬프가 있는가
• 열처리 부품이면 경도 측정 방법·하중·위치가 성적서에 있는가

> 성적서 오첨부나 미보관은 원청 정기 감사에서 중부적합 판정을 받습니다. 자재 입고 검수 항목에 "성적서와 실물 각인 대조"를 반드시 넣으세요. 이 한 줄이 나중에 회사를 지킵니다.