금속공학과

금속 조직학

Metallography

시편을 연마·부식시켜 광학·전자현미경으로 관찰하면 금속 내부의 결정립(작은 결정 알갱이) 크기와 상 분포가 드러나는데, 결정립이 작을수록 전위 이동을 가로막는 경계가 많아져 강도가 높아짐(홀-페치 관계). 고온에서 오래 유지될수록 결정립이 서서히 커지므로 열처리 시간·온도가 최종 강도를 좌우함.

ex) 용접 부위 근처가 열 영향으로 결정립이 커져 모재보다 약해지는 현상을 조직 관찰로 확인하는 것.

합금 설계

Alloy Design

기본 금속에 다른 원소를 소량 첨가하면 그 원자가 결정 격자를 미세하게 왜곡시켜 전위 이동을 방해(고용강화)하거나, 별도의 미세한 석출물을 만들어 전위를 가로막는(석출강화) 방식으로 강도를 높이는 원리를 이용해, 원하는 강도·내식성·가공성 조합을 얻도록 첨가 원소와 비율을 설계하는 기술.

ex) 알루미늄에 구리를 소량 첨가해 항공기용 초경량 고강도 합금(두랄루민)을 만드는 것.

열처리 및 표면공학

Heat Treatment & Surface Engineering

담금질로 원자 확산을 억제해 단단하지만 취성이 큰 조직을 만들고 뜨임으로 인성을 보완하는 내부 조직 제어와, 질화·침탄처럼 표면층에만 별도의 원소를 확산시켜 내부는 연하고 표면만 단단하게 만드는 표면공학을 함께 다루는 영역.

ex) 기어 이빨은 표면만 단단하게 침탄 처리해 마모는 견디면서 충격에는 부러지지 않게 만드는 것.

철강 및 비철금속 제조공정

Ferrous & Non-Ferrous Metal Manufacturing

철광석을 고로에서 코크스와 함께 태워 산소를 제거(환원)해 철을 얻고 전로에서 불순물을 산화시켜 제거하는 제철·제강 공정과, 알루미늄·구리처럼 철이 아닌 금속을 전기분해나 용융 정련으로 순도 높게 뽑아내고 압연·압출로 가공하는 비철금속 공정.

ex) 철광석에서 시작해 자동차 강판까지 만들어지는 제철소의 일관 생산 공정.

석출강화 카이네틱스

Precipitation Strengthening Kinetics

합금을 고온에서 급랭해 첨가원소를 강제로 과포화시킨 뒤, 다시 적당한 온도로 재가열(시효처리)하면 과포화된 원소가 미세한 석출물 입자로 서서히 빠져나오며 결정 격자를 국부적으로 왜곡시켜 전위 이동을 가로막음. 시효 시간이 짧으면 석출물이 너무 작아 효과가 적고, 너무 길면 석출물이 뭉쳐 커지면서 오히려 강화 효과가 줄어드는(과시효) 정점이 있어, 최대 강도를 내는 시효 시간·온도를 정밀하게 맞추는 게 핵심.

ex) 항공기용 알루미늄 합금이 열처리 후 실온에서 며칠에 걸쳐 서서히 강도가 올라가는 자연시효 현상.

스테인리스강의 종류

Types of Stainless Steel (Austenitic/Ferritic/Martensitic)

크로뮴을 12% 이상 첨가해 부동태 피막으로 내식성을 확보한 강철군으로, 니켈을 함께 첨가해 상온에서도 면심입방 오스테나이트 조직을 유지해 가공성과 인성이 뛰어난 오스테나이트계, 니켈 없이 체심입방 조직을 유지해 자성을 띠는 페라이트계, 열처리로 경도를 높일 수 있는 마르텐사이트계로 나뉨. 결정 구조 차이가 그대로 자성·가공성·강도 차이로 이어짐.

ex) 주방용 싱크대는 가공성이 좋은 오스테나이트계, 칼날은 경도가 필요한 마르텐사이트계 스테인리스강을 쓰는 것.

용접 야금학

Welding Metallurgy

용접은 국부적으로 금속을 녹였다 급속히 식히는 과정이라, 용접부와 그 주변(열영향부)의 미세조직이 모재와 크게 달라짐. 급랭으로 원치 않는 취성 조직이 생기거나 열영향부에서 결정립이 조대화돼 강도가 떨어질 수 있어, 용접 후 열처리나 예열로 이런 미세조직 변화를 관리하는 게 용접부 신뢰성의 핵심.

ex) 두꺼운 강판을 용접할 때 용접부 균열을 막기 위해 예열·후열 처리를 관리하는 것.