재료의 가공특성 (10) - 재료의 표면특성

[표면구조와 결함]

 

금속표면은 여러 층으로 구성되어 있다(다음 그림).

금속표면층의 구성

표면으로부터 가장 안쪽에 위치한모재(substrate)의 구조는 재료의 구성과 가공이력에 의해 결정된다. 모재를 덮고 있는 가공경화층은 제조과정을 통해 받은 소성변형과 가공경화의 정도가 모재보다 더 심한 부위로, 그 두께 및 성질은 가공방법, 가공시 마찰상태 등의 인자들에 따라 다르다. 무디어진공구로 부적절한 절삭조건하에서 가공된 표면은 두꺼운 가공경화층을 가진다. 또한 표면의 변형상태가 균일하지 않거나 가공중에 심한 온도구배가 생긴 경우에는 가공경화층에잔류응력이 남는다.

 

보통 금속의 가공경화층 바깥쪽에는 항상 산화물층이 생기게 된다. 예를 들면, 철은FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃의 복합 산화물층들로 덮여 있고, 알루미늄은 두껍고 다공질인 수산화알루미늄 산화물 밑에 촘촘한 비결정질 구조의 Al₂O₃ 층을 갖는다. 한편, 스테인리스강의 표면에는 산화크롬(CrO)층이 형성되어 부식에 대한 보호막 구실을 한다(부동태화,passivation).

 

금속표면의 산화물은 일반적으로 모재보다 훨씬 단단하다. 따라서, 산화층은 취성이 크고 접촉물체를 연마시킨다. 금속표면의 이러한 성질은 재료의 가공시 마찰, 마멸 및 윤활상태에 중요한 영향을 주며, 제품을 피복할 때에도 영향을 준다. 산화물층은 다시 가스나수분이 흡착된 층으로 덮혀 있고, 가장 바깥쪽에는 불순물들로 덮혀 있다. 이러한 불순물들로는 먼지, 기름때, 윤활제 찌꺼기, 세척제 찌꺼기, 주변 오염물질 등이 있다.

 

가공이 원인이 되거나 가공중에 생긴 표면결함의 발생에는 각종 요인들이 복합되어 있다. 이들 요인들로는 재료에 원래부터 존재하는 결함, 표면이 가공된 방법, 공정변수들의 부적절한 관리로 인하여 야기된 과도한 응력 및 온도 등이 있다. 주요 표면결함들에 대한 정의는 다음과 같다.

 

• 균열(cracks) : 재료의 내·외부에서 날카로운 형상으로 재료가 분리된 것이다. 균열 중에서 10배 이상으로 확대하여야 육안으로 관찰할 수 있는 것을 미세균열(microcracks)이라 한다.

 

• 크레이터(craters) : 얕게 패인 자국을 말한다.

 

• 열영향부(heat-affected zone) : 용융은 되지 않았으나, 가열로 인해 미세조직이 변화한 부분이다.

 

• 개재물(inclusions) : 금속 내에 포함된 작은 비금속원소 또는 화합물을 말한다.

 

• 입계약화(intergranular attack) : 액상금속취화작용 및 부식으로 결정립계가 약화되는 것이다.

 

• 금속학적 변태(metallurgical transformation) : 온도와 압력의 변화로 미세조직이 변하는 것을 말한다. 이에는 상변태, 재결정, 합금원소 방출, 탈탄과 방전가공에서 나타나는 용융 및 재주조, 재고, 재부착물 등이 포함된다.

 

• 피트(pits) : 주로 화학적 또는 물리적 요인으로 표면이 얕게 파인 것이다.

 

• 소성변형 : 마찰, 공구 및 다잉 형상, 무딘 공구의 사용, 가공방법 등으로 인한 고응력으로 표면이 심하게 변형된 것을 말한다.

 

• 잔류응력 : 불균일한 응력이나 온도분포로 인한 표면응력(인장 또는 압축)을 말한다.

 

• 스플래터(splatters) : 용접시공중에 작은 용탕입자가 재응고되어 표면에 붙은 것을 말한다.

 

 

[표면 조직]

 

모든 표면은 다음 그림과 같이 가공방법에 따른 고유한 표면조직 (surface texture)을 갖고 있으며, 표면거칠기(surface roughness) 또는 표면정도(surface finish)를 사용하여 이를 정량적으로 나타낸다.

가공에 따른 표면조직

공학적인 측면에서 표면거칠기를 나타내기 위해 사용되는 중요한 용어들은 다음과 같다.

 

• 흠(flaw) 또는 결함(defect) : 긁힌 자국, 균열, 구멍, 눌린 자국, 겹친 자국, 찢어진 곳, 개재물 등과 같은 불규칙적인 표면기복

 

• 가공무늬(lay) : 눈으로 식별이 가능할 만큼 현저한 가공자국의 형태나 방향, 가공무늬는 기호로 표시된다.

 

• 파상도(waviness) : 마치 파도와 같이 반복적으로 나타나는 표면기복, 파상도는 파형의 높이와 폭으로 표시된다. 파상도가 생기는 원인으로는 공구, 금형 및 공작물의 처짐, 가공력이나 온도에 의한 공작물의 뒤틀림, 불균일한 윤활상태, 진동, 공작물이나 공작기계에 가해지는 어떤 주기적인 열적, 기계적 변화 등을 들 수 있다.

 

• 거칠기(roughness) : 파상도보다는 좁은 간격으로 나타나는 촘촘하고 불규칙한 표면기복 거칠기는 실제 표면의 기복상태에서 저주파영역인 파상도성분이 제거된 것이며, 표면기복의 높이와 폭 그리고 기준길이로 표시된다.

 

공업적으로 흔히 사용되는 실용적인 표면거칠기값의 크기는 제품에 따라 수백배 정도의 차이가 날 수도 있다. 설계단계에서의 제품을 구성하는 각 면에 요구되는 표면거칠기값을 결정할 때, 다음과 같은 사항들을 주의깊게 고려하여야 한다.

 

① 짝을 이루는 면 사이의 정밀도 : 이러한 예로는 밀봉되는 부위(seal), 끼워맞춤부위(fitting), 개스킷(gasket), 공구 및 금형류 등이 있으며, 사용목적에 따라 거칠기값이 달리 주어진다. 예를 들면, 볼베어링이나 게이지의 면들은 매우 매끈하여야 되지만, 개스킷이나 브레이크 드럼과 같은 제품들의 면은 상당히 거칠어도 무방하다.

 

② 마찰, 마모 및 윤활상태 : 이들 상태는 표면거칠기에 따라 변한다.

 

③ 피로 및 노치민감도 : 표면이 거칠수록 피로수명은 짧아진다.

 

④ 전기 및 열 접촉저항: 표면이 거칠수록 이들 저항은 커진다.

 

⑤ 내부식성 : 표면이 거칠수록 부식물질들의 침투가능성이 높아진다.

 

⑥ 후속공정 : 도장이나 피복작업에서 피복물질들의 결합정도는 제품의 표면거칠기에 따라 달라진다.

 

⑦ 외양

 

⑧ 생산비 : 거칠기상태가 우수한 면일수록 가공비는 더 많이 소요된다. 생산비는 제조분야에서 중요한 고려대상이므로, 제품의 기능이나 용도에 부합되는 적절한 거칠기값이부여될 수 있도록 제품의 설계시 이상의 사항들이 신중하게 검토되어야 한다.