강재의 미세구조 그리고 야금학 (공학적으로 바라본 연마 2)
3. 샤프닝의 실재-1, 샤프닝의 실재-2, 샤프닝의 실재-3
이전 글 스테인리스강은 예리해지지 않는다? (공학적으로 바라본 연마 1) 에 이어
면책조항-본 3부작에서 다루는 것은 날붙이용으로 쓰이는 강재로 한정합니다.
통상, 날붙이에 쓰이는 강재를 사람들이 크게 스테인리스강과 탄소강으로 분류합니다.
왜 그럴까요?
스테인리스강은 녹이 안 슬고, 탄소강은 녹이 슨다! 분류하기 딱 좋은 특성으로 보입니다.
그러니 그 둘을 나눠 분류한 거겠지요?
만일 이것이 방청 대책을 위한 분류라면 어느 정도 일리가 있겠지만
엄밀하게는 스테인리스강과 탄소강이 아닌, 스테인리스강과 비스테인리스 강으로 분류하는 것이 적절합니다. 심지어 이를 연마에서의 차이를 관점으로 보는 경우 이 두 가지로 분류하는 것 조차 그리 바람직하지 못합니다.
(이유에 관해서는 후술하겠습니다.)
강재를 단 2가지로 양분한다고 하면, 고합금강과 저합금강으로 나누는 것이 좀 더 바람직하고
저합금(탄소)강에 더해 고합금강을 추가로 분류한다면 비 스테인리스 고합금강, 스테인리스강으로 나눌 수 있을 것입니다.
즉, 저합금(탄소)강, 비 스테인리스 고합금강, 스테인리스강 3가지로 분류할 수 있습니다.
문제는 저합금강 고합금강의 분류에 대한 기준(합금 4%-8%)도, 스테인리스와 논스테인리스(크롬 최소 10,5-12%)의 기준도, 필요에 따라 적당한 선을 임의로 정한 것이기 때문에, 칼로 긋듯 명확하게 나뉘는 것이 아니라는 점입니다.
어느 분류건 모호한 부분과 중간지대가 있다는 것은 미리 고려해두어야 합니다.
(요컨데, ZDP-189(Cowry-X)라는 강재의 경우 단순 탄소함량만 보면 3%로 강철이 아닌 주철로 분류할 수 있고, 단순 크롬 함량만 보면 20%로 스테인리스로 보이나, 열처리 이후의 자유 크롬(chromium in solution) 함량으로 보면 겨우 6.5%로 실제로는 스테인리스에 못 미치는 세미(?)/논스테인리스 강재입니다.)
왜 스테인리스와 탄소강으로 양분하는 분류가 적절하지 못한가?
우선 스테인리스 스틸이 무엇인지를 먼저 알아야 합니다.
그러기 위해 강재의 기본 조성과 작용을 알 필요가 있습니다.
칼에 이용되는 강재는 겉보기엔 하나의 균일한 금속덩어리 같지만, 철에 각종 원소가 더해져 복잡한 구조로 얽혀있는 합금입니다. 그리고 이 것을 미시적으로 보면 결코 균질하지 않음을 알 수 있습니다.
강재=철+탄소+합금원소(크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 질소 등)+불순물(황, 인, 산소 등)
.jpg) |
| https://knifesteelnerds.com/2018/11/05/all-about-d2-steel-knives/ |
D2강의 모습
단순히 강재의 조성이 궁금하다면 여기서 검색해 볼 수 있습니다.
http://zknives.com/knives/steels/steelchart.php
합금 원소는 강재 속에서 상호작용 하며 날붙이가 예리하면서도 오래갈 수 있도록 해주기 때문에, 적절한 특성을 얻기 위해 여러가지를 조합하여 사용힙니다.
그런 원소들이 실제로 무슨 일을 하는지를 알아봅시다.
이들 원소 중 첫 번째로 주목해야 할 것이 탄소(카본)입니다.
단순한 금속원소인 철은 꽤 무른 금속이나, 탄소가 적정량 더해진 뒤 열처리를 하게되면 드라마틱하게 변해 강철이 됩니다.
탄소가 함유된 철은 온도와 시간에 따라 상(물이 얼음, 물, 수증기 상태로 존재하는 것과 같이, 탄소가 함유된 철도 열역학적 안정성에 따라 다양한 상을 갖게 됩니다.)이 변화하는데, 이 과정에서 탄소를 머금을 수 있는 양과 구조가 변화하면서 단단하게 굳어지기도, 물러지기도 합니다.
강철이 열처리를 통해 강철 특유의 물성을 낼 수 있도록 해주는 원소가 바로 탄소입니다.
또, 탄소는 여러가지 물질과 쉽게 결합을 이루는 특성을 갖습니다.
금속들과 탄소가 만나 이루는 물질이 바로 탄화물(카바이드)입니다.
금속(메탈)+탄소(카본)->금속탄화물(카바이드)
이 카바이드는 무척 단단한 특성(고 경도)을 가집니다.
탄소가 어떤 원소와 결합하느냐에 따라서 철카바이드(탄화철. 세멘타이트)부터 크롬카바이드, 바나듐카바이드, 텅스텐카바이드에 이르기까지 다양한 카바이드를 형성합니다.
초경 초경 하는 초경합금이 바로 텅스텐카바이드를 코발트 등의 금속으로 소결해서 만드는 소재입니다.
 |
| https://www.scienceall.com/brd/board/390/L/menu/317?brdType=R&bbsSn=30932 |
이들은 산업적으로 철을 깎아내고, 구멍을 뚫는데 사용이 되지요.
그만큼 카바이드라는 것은 단단합니다.
.jpg) |
| https://doi.org/10.1007/978-3-642-51505-7 |
Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe
Gefüge, Eigenschaften, Bearbeitung, Anwendung (1998)
가장 상단의 마르텐자이트라는 것이 담금질된 강재의 경화된 철의 경도를 나타내고, 날물에는 이 마르텐자이트 상태로 경화된 철 기반(메트릭스)속에 카바이드 입자들이 섞여있어 경도가 추가로 올라갑니다. (강재의 경도를 나타낼 때 주로 사용하는 HRC 경도라는 것은 다양한 조직을 함꼐 눌러 측정되는 일종의 복합경도, 벌크경도에 가까운 것입니다.)
카바이드의 경도가 높다, 단단하다는 이야기는, 카바이드의 원자간 결합이 아주 강력하다는 뜻입니다.
탄소와 금속이 단단하게 결합하고 있기 때문에 경도가 높은 것이고, 이 말은 화학적으로 안정하다는 뜻입니다.
카바이드 카바이드 하면 영 감이 안오시는 분들도 계실것 입니다.
화학적으로 안정하다 어떠네 하는데 카바이드란 것이 도대체 뭔지...
별거 아닙니다.
사실 이것들은 칼을 조금이라도 갈아본 사람이라면 아주 가까이에서 접해본 것 이기 때문입니다.
사포나 숫돌 중 저방수에서 흔히 보이는 GC(Green Carborundum/Green Silicon Carbide)가 바로 실리콘카바이드(탄화규소)입니다.
사포가 녹이 스는 것을 본 적이 있으신지요? 아마 없으실 겁니다. 이게 바로 화학적으로 안정하다는 얘기지요.
그래서 강재 내에 카바이드가 많이 들어있으면 들어있을수록 녹이 적게 습니다.
카바이드 자체는 녹이 슬지 않고, 강재 표면에서 녹이슬지 않는 카바이드가 차지하는 면적이 늘어나면 늘어날 수록, 녹이 슬 수 있는 철이 차지하는 표면적이 감소하기 때문입니다.
동시에 경화된 철에 비해 무척 단단하기 때문에 내마모성 역시 카바이드 함량에 따라 큰 폭으로 증가하게됩니다.
반면, 카바이드 함량을 무한정 늘리게 되면 카바이드끼리 뭉치며 아주 커다란 입자를 만듭니다.
아주 경도가 높고 큰것은 쉽게 깨지기 마련입니다. 그래서 커다란 카바이드 입자가 형성된 경우, 그 크고 딱딱한 입자가 조그만 힘에 깨져버리면서 그 균열이 전파되어 날이 쉽게 이가 나가게 됩니다.
그래서 카바이드는 많으면 많을수록 내마모성이 증가하고, 내식성(녹이 안 스는 특성)이 좋아지는 반면, 강재 속 깨지기 쉬운 입자의 크기가 증가하며, 쉽게 부러지게(인성 감소) 됩니다.
반대로 카바이드 함량이 낮을수록 입자가 미세해지고, 인성이 증가하며, 내마모성과 내식성이 감소하는 경향이 있습니다.
엣지가 잘 마모되지 않도록 하기 위해서 무한정 카바이드를 늘리면, 유리처럼 깨지는 물건이 나오는 것입니다. 그래서 집어넣을 수 있는 카바이드 총량에 제한이 생기고, 그 총량을 어떤 원소로 구성하느냐가 굉장히 중요합니다.
위의 경도 표를 보면 알 수 있듯, 이름은 카바이드라고 해도 결합한 금속에 따라 물성이 상이하기 때문입니다.
그중 눈여겨 볼 것이 Cr 크롬과 V 바나듐입니다.
크롬카바이드는 가장 무른 편이며 입자가 크고, 바나듐카바이드는 매우 단단하면서 입자가 작은 특성이 있습니다.
같은 부피의 카바이드라고 해도 무른 크롬카바이드보다 훨씬 단단한 바나듐카바이드를 집어넣는 것이 좋습니다.
같은 수준의 내마모성을 낸다고 하면 바나듐카바이드를 집어넣는다면 훨씬 적은양으로 해결이 되는 것이지요.
비교적 무른 크롬 카바이드는 결합이 약해 온도가 올라가면 크롬과 탄소로 분해되어 철에 녹는 반면, 결합이 아주 강한 바나듐 카바이드는 상당한 고온에서도 변함없이 카바이드 상태로 존재합니다. 바나듐이 크롬에 비해 탄소와 결합하려는 성질이 강하기 때문입니다.(그러나 결합하는 성질이 약하더라도 양이 많아지면 바나듐에 비해 크롬이 점차 강하게 결합하는 등 양적 관계에 따라 희안한 일이 생겨서 복잡합니다. Nb 나이오븀의 경우 바나듐과 유사하지만, 노즐을 막히게 만드는 등의 특성이 있어 함량을 늘리기 어려운 등, 실제로 설계는 무척 어렵습니다.)
이것이 카바이드 입자 사이즈와 큰 영향을 미치게 됩니다.
이런 특성차이로 인해 원소 구성에 따라 내마모성과 카바이드 입자 사이즈가 얼추 정해지는 것입니다.
그런데, 입자가 커지면 잘 깨진다고 하는데, 카바이드가 많이든 강재라고 해도 입자를 작게 만들어주면 괜찮지 않을까요?
카바이드 함량이 낮은 강재라면 별도 공정이 없이도 입자가 미세하지만, 카바이드가 많은 강재는 그 입자 사이즈가 커지면서 문제가 생기는 것이니까요.
입자 크기만 줄일 수 있다면 카바이드를 좀 더 넣어도 부작용 없이 유지력이 개선되겠군요?
카바이드 함량을 올려 더욱 오래가고, 입자가 작고 인성이 우수해 이가 안나가는 강재!
그래서 분말 야금 공정이 등장합니다.
https://youtu.be/S0fWaJ6eaO8
핵심인 가스 아토마이제이션, 고압 가스 흐름을 통해 미세한 입자가 형성됩니다.
분무기로 물을 뿌리는 것을 쇳물로 하는 것을 상상하시면 됩니다.
유럽 BÖHLER의 영상입니다.
(여느 회사의 분말야금 공정이나 핵심은 비슷하고, 완제품의 성능상 차이도 없는 수준이기 때문에, 분말야금이 이런거구나 하고 생각하셔도 무방합니다. 완전히 녹인 합금을 고압으로 분사해 미립자로 만들고, 이것을 HIP공정으로 높은 압력으로 압축한뒤 단조하고, 재단하여 판매하게 됩니다. 오늘날의 분말야금 강재는 사실 이미 단조가 끝나있어 가공후 열처리만 하면 되는 것이지요.)
|
| https://knifesteelnerds.com/2018/11/05/all-about-d2-steel-knives/ |
이것이 앞서 보신 D2강의 모습입니다. 밝은 하늘색이 카바이드입니다.
아주 커다란 카바이드 입자가 형성된 것이 한눈에 보이지요.
20마이크론은 숫돌로 치면 600방 정도에 들어가는 연마제 입자의 크기입니다.
 |
| https://knifesteelnerds.com/2018/11/05/all-about-d2-steel-knives/ |
CPM(미국 크루시블의 분말야금 공정) D2강입니다. 성분을 보면 일반 D2와 CPM-D2는 완전히 같은 조성이지만 공정의 차이로 훨씬 더 균일하고 작은 입자로 구성됨을 알 수 있습니다.
그 결과 기존 D2강과 다른 특성은 거의 대부분 동일하지만, 인성이 크게 개선되어 잘 부러지지 않아 밸런스가 좋은 강재로 탈바꿈하게 됩니다. (핵심은 인성 개선이지만 카바이드 입자가 작아지며, 카바이드 표면적이 증가하여 내식성의 소폭 향상등 다른 특성도 개선됩니다.)
합금원소가 무척 많이 함유되어 있으면서도, 실용적인 물성을 갖는 초고합금 공구강을 만들기 위해서 이런 공정이 고안된 것이지요.
합금 양이 적은 경우에는 아무 처리를 하지 않아도 아토마이제이션으로 형성 되는 입자(프라이머리 카바이드)보다 더 작은 입자인 세컨더리 카바이드가 형성됩니다. 저합금강은 아토마이제이션 유무가 결과물의 최종 카바이드 입자 크기에 큰 영향을 미치지 못해하기 때문에 분말야금을 하게되면 비용만 증가하게 됩니다.
하짐나 고합금강의 경우 프라이머리 카바이드의 비율이 높기 때문에, 분말 야금을 하지 않는 경우, 카바이드 사이즈가 거대해지고(탄화물 조대화), 분말야금을 하게 되면 확실히 거대입자(프라이머리 카바이드) 크기가 줄어들기 때문에, 프라이머리 카바이드 미세화&분포 균일화+세컨더리 카바이드에 의한 카바이드간 네트워크 형성 감소 때문에 다양한 물성, 특히 인성에서 어마어마한 개선이 있습니다.
(다만, 분말 야금 공정을 통해 만들어진 강재들의 카바이드 사이즈 감소로 인한 인성 개선은, 일정 입자 크기 이하 부터는 아무리 그 것을 더 작게 만든다 해도 추가 인성 개선 효과가 거의 나타나지 않게 됩니다. 이는 입자가 작아지며 입자 하나하나가 깨질 확률은 줄지만, 대신 깨질 가능성이 있는 입자의 잔체 개수가 늘어나는 데다, 입자간 가리가 다시 가까워지며 균열이 전파되는 네크워크 형성이 쉬워지기 때문입니다.)
이제 두 번째 로 주목할 원소인 크롬이 강재에서 어떤 작용을 하는지 알아봅시다.
크롬
철은 원래 녹이 습니다.
 |
| https://www.bulten.com/en/Technologies/Materials/Stainless |
철이 산소와 만나며 녹을 형성할 때 생기는 산화철은, 철에 비해 부피가 매우 크고, 구멍이 많고 성기며 푸석푸석한 구조를 갖습니다.
철이 산화되면 부피가 증가하고 산화가 계속 진행되기 때문에 부스러지고, 구조물에 압력을 가해 파괴되게 하는 문제가 있습니다.
하지만 철에 크롬을 많이 섞으면 스테인리스 스틸이 됩니다.
스테인=자국(녹)
리스=없는
녹안나는 철이란 얘기지요.
스테인리스가 스테인리스한 핵심 요소가 크롬입니다.
강재에 크롬이 들어가면 2가지가 생깁니다.
1.탄소와 결합해서 크롬카바이드를 만든다.
2.크롬보다 탄소와 더 잘 결합하는 원소가 풍부하거나, 이미 너무 많은 크롬이 있어 더이상 탄소등과 결합할 일이 없어 철에 원소상태 그대로 녹아있는 크롬(자유 크롬)
크롬 카바이드는 이미 탄소와 단단히 결합한 물질이기 때문에, 탄소에 묶인 크롬은 별도의 작용을 하지 않습니다.
하지만 2번의 크롬은 어떨까요?
크롬은 매우 산화가 잘되는 원소이기때문에, 공기중에 노출되면 빠르게 산소와 결합합니다.
산소와 결합한 크롬은 안정한 산화크롬의 치밀한 피막을 형성합니다.
이 피막은 원자 몇개수준의 아주 얇은 두께지만, 밀도가 높기때문에 산소가 거의 통과하지 못합니다.
즉, 크롬은 기가막히게 녹이 잘스는데, 그 결과로 생성된 녹은 보기도 좋고 아주 튼튼한 갑옷 역할을 해주는 금속인 것이지요.
그래서 열처리가 끝난 완제품 상태의 철에 약10%이상의 자유크롬이 남아있다면, 철의 표면에 원자 몇게 두께의 산화크롬 피막이 덮히게 됩니다. 그러면 녹이 안스는 것이지요.
원자 몇개 두께! 원자 하나는 대략 0.1나노미터 가량입니다.
원자 10개가 붙어도 두께 면에서는 1나노미터의 극히 미세한 차이이기 때문에, 이것이 스테인리스이냐, 아니냐는 통상 수십~수백나노미터 단위에 있는 대부분의 연마에서의 예리함 차이를 불러오지는 않는다고 봐야하는 강력한 근거입니다.
(오히려 사용중에는 부식에 의한 엣지 무뎌짐을 막아주기 때문에 습하거나 산성환경에서는 스테인리스가 논스테인리스에 비해 예리함 유지에서 상당한 이점을 얻게됩니다. 크롬은 극히 부피즐가가 적은 반면 철의 녹은 상당한 부피증가를 수반해 엣지 끝을 두껍게 만들기 떄문입니다.)
앞서 스테인리스의 정의가 모호하고 별로 중요하지 않다고 했는데 왜 그럴까요?
통상적으로 쓰이는 스테인리스냐 아니냐의 정의는 11~12%이상의 크롬을 함유하고 있느냐입니다.
이것이 큰 의미가 없는 이유는 기본 조성의 크롬 함량이 실제 스테인리스로 작용하는지 여부와는 조금 거리가 있기 때문입니다.
기본 조성상 몇%가 들어있건 열처리가 끝난 뒤에는 그와 별도로 열역학적 특성에 의해 1.크롬카바이드가 되는 크롬과 2. 남아있게 되는 크롬의 양이 각기 다르게 결정되기 때문입니다.
아무리 크롬이 많이 들어있어도 남아있는 크롬의 양이 적으면 스테인리스라고 할만한 특징적인 내식성을 나타내지 못하는 것이지요.
더군다나 엣지유지력 때문에 탄소가 상당히 많이 들어가는 날붙이용의 강재에는 보통, 탄소에 묶여 카바이드가 되어버리는 크롬이 많습니다.
때문에 조성상 크롬이 20%나 들어있어도 실제 완제품에서는 남아있는 자유크롬이 10%이하로 떨어져 스테인리스가 아니기도 하고(ZDP-189), 크롬이 겨우 10.7%들어있지만 열처리 후에도 크롬이 전혀 카바이드를 형성하지 않고 온전히 자유롭게 강재에 녹아있도록 설계된 날붙이용 강재는 조성상 크롬 총량이 11%에도 미치지 못하는데도, 자유크롬이 10.5%를 상회하는 완전한 스테인리스인 경우도 있습니다(MagnaCut).
그래서 최소 10.5%이상의 크롬을 함유한 것을 스테인리스라고 정의하는 학자도 있습니다.
제가 보기에는 완제품 상태에서 자유 크롬이 10%이상인지를 보는 것이 중요해보입니다.
그래서 실제 야금학자들조차도 단순 원소 조성만 보고는 물성을 예상하기 어렵습니다.
열역학 소프트웨어를 동원해야, 열처리 이후 원소간 상호작용을 시뮬레이션하여 대략적인 물성을 구체적으로 유추할 수 있고, 확실히 알 수 있는 것은 실제로 구워진 시편을 확인하고서야 가능한 일이지요.
결국은 실험적인 데이터가 중요하기 때문에, 강재에 대해 단순히 원소조성만 보고 따지는 것은 큰 의미가 없습니다.
하지만 여전히 개개의 원소가 어떤 작용을 하는지, 그 기본에 대해 이해해야 결과를 해석할 수 있음은 유효합니다.
또, 크롬은 간혹 매우 위험한 물질로 생각되는데
6가 크롬은 반응성이 높아 신체에 들어와서 희안한 작용을해 건강을 해치는 반면
3가 크롬의 경우 인슐린 조절과 관련해 중요한 역할을 하는 미량원소이기도 합니다.
게다가 스테인리스 표면에 형성되는 것은 산화크롬으로, 산화크롬은 연마제로 쓰일정도로 단단한 물질입니다.(청봉이 산화크롬+왁스 성분입니다.) 앞서 말씀드렸듯, 화학적으로 강한 결합을 하고있기 때문에 단단한 것이고, 이는 화학적으로 안정하다는 뜻입니다.
온갖 실험시설부터, 음식물 저장고, 식품 생산라인, 심지어 요거트 만드는 배양조까지 크롬이 들어있는 스테인리스로 되어있으니, 부디 그 안정성에 대해서는 의심하지 마소서.
그런데, 여기서 크롬 카바이드의 특성과 스테인리스의 조건이 합쳐져서, 왜 스테인리스는 날이 안서고 끝이 부러지느냐는 질문에 대한 힌트를 줍니다.
스테인리스는 완제품 상태에서 10%이상의 크롬을 가져야하며, 대부분은 크롬 카바이드를 형성하기때문에 자유크롬을 10%이상 남기기 위해서는 더욱 많은 크롬이 필요합니다.
날붙이용 스테인리스는 통상 13-15% 이상의 크롬을 함유하는 조성을 고려하게 됩니다. 그러면 크롬 카바이드가 상당량 형성됩니다.
크롬 카바이드의 양이 많아진다는 것은 무엇이지요?
큰 크롬 카바이드 입자가 생긴다는 것이고, 잘 깨지게 된다는 것이지요.
.jpg){kind=spacer} |
| https://knifesteelnerds.com/2018/08/27/what-is-edge-stability/ |
카바이드 입자 사이즈 차이가 이렇게 날끝 안정성의 차이를 일으키게 됩니다.
입자가 거대한 경우 내마모성이 더 좋은 강재라고 해도, 엣지 정점까지 완전히 예각으로 갈면 날끝이 지나치게 불안정해져 쉽게 부러지고 결국 날이 오래가지 않게 느껴집니다.
반면에 내마모성이 낮은 강재라고 해도 입자가 미세한 경우 예각에서 더 안정적일 수 있습니다.
얼마나 예각으로 세울수 있느냐 하는 적정각도가 강재에 따라 결정되는 것입니다.
엣지 끝이 자꾸 깨진다, 예리해지지 않는다.
어디서 많이 보던 것 같지요?
스테인리스인게 문제가 아니라, 실은 스테인리스 만든다고 크롬 많이 넣은 와중에, 지나치게 과하게 생긴 크롬카바이드가 문제의 핵심이었단 것이지요.
이런 경우 날 끝을 편각 20도(총합 40도)로 갈게되면 웬만해선 문제가 없습니다.
날 끝만 20도면 되기때문에 후방은 15도(총 30도)로 갈고 날끝은 20도(총 40도)로 갈게되면 어떤 강재는 안심하고 사용가능하면서 예리함도 어느정도 챙길수 있기 때문에 기본 각도로 삼으면 되겠습니다.
반면에 크롬카바이드가 상당량 들어있는 스테인리스라 하더라도 분말야금 공정을 통해 입자가 미세한 경우 더 예각으로 갈아도 문제가 없으며, 스테인리스가 아니라해도 큰 크롬카바이드 입자를 만드는 경우에는 20도 이상의 각도를 주는게 안정적이게 됩니다.
덤으로 원소 하나 더 집고 가겠습니다
몰리브덴
자유 크롬이 있는 경우, 크롬 산화피막을 안정화 시키는 역할을 합니다.
Pitting corrosion(공식)이라고 하는 국부적인 부식을 막아주는 역할을 합니다.
염수(해수)환경에서 유리해집니다.
열처리(Heat treating, 焼き야끼)
"날붙이에 사용하는 강재는 열처리되어 단단하면서 강한 마르텐자이트 기반의 강재입니다."
라고 말해도 무슨 소린지 도통 알 수가 없습니다.
이번에는 이게 도대체 무엇인지 알아봅시다.
열처리에 관해서는 전공서적이 끝도 없이 나올만큼 분량이 방대해지기 마련이지만
소비자, 애호가 입장에서 알아두면 도움이 될법한 기본적인 틀에 대해서만 간략하게 설명하고자 합니다.
노멀라이징(Normalizing, 불림, 焼均し야끼나라시->구이 고르게하기)
철판에 가해진 스트레스를 제거하고
철의 조직들이 균일하게 되도록 가열했다 냉각합니다.
동시에 이후 열처리가 제대로 되도록 하는 역할을 합니다.
이름처럼 균일하게 만든다고 생각하시면 되겠습니다.
어닐링(Annealing, 풀림, 焼鈍し야끼나마시->직역 : 구이 둔하게 하기. 燒鈍소둔 이라고 하는 것은, 일본어 야끼나마시에서 한자만 딴것으로 보면 됩니다.)
철을 무른 조직으로 하여 가공을 수월하게 만듭니다.
강재를 갈고 자르는데 단단하게 경화된 상태이면 잘 갈리지 않아 가공작업이 극도로 어려워집니다.
마찬가지로 이후 열처리가 제대로 진행되도록 도와주는 역할을 합니다.
(열처리가 안된 강재 바를 사게되면 어닐링된 상태이기 때문에 내식성, 강도, 경도가 떨어지며 강재의 제 성능이 나지 않기 떄문에, 반드시 열처리를 진행햐야 합니다. 열처리를 할 수 없다면 LC200N과 같이 마르텐자이트계가 아니며, 열처리가 필요없는 강재를 선택하는 것이 좋습니다.)
노멀라이징과 어닐링은 개념은 상당히 어렵기도 하고, 이미 강재 회사에서 노멀라이즈 후 어닐링된 상태로 제공하게 되므로 아주 대략적인 개념만을 가지고 넘어가도록 합시다.
이제부터가 모두의 관심사인 담금질입니다.
강재는 철에 다양한 원소가 녹아있는 합금(용액)임을 말씀드렸습니다.
녹아있다라는 것이 중요합니다.
우리는 물에 설탕이나 소금을 녹일 때 찬물보다 뜨거운 물에 더 많은 양이 녹는 것을 알고 있습니다.
철을 뻘겋게 달궈봅시다.
철도 마찬가지로 높은 온도가 되면 더 많은 원소를 녹일 수 있습니다.
페라이트라는 상태의 철의 온도를 올려 탄소가 많이 녹아들 수 있게 만듭니다. 이것이 오스테니타이징Austenitizing(오스테나이트화)입니다.
오스테니타이징이 바로 강재의 전체 열처리 과정중 가장 높은 온도에 달하는 순간이지요.
 |
| https://niamt.ac.in/UserView/UserView.aspx?TypeID=1216 |
탄소 함량에따라 723도에서부터 약 1200도씨 의 온도에서 철은 많은 탄소가 녹아있는 상태인 오스테나이트Austenite가 됩니다.
(고합금 공구강조차 1200도대면 아주 높은 오스테나이트화 온도입니다.
무슨 철을 2000도로 달궈서 재련하니 하는 인간들은 모조리 사기꾼임을 알 수 있습니다.
2000도에 이르면 아주아주 뜨겁고 매우 잘 흐르는 쇳물을 만나게 됩니다.)
오스테나이트화 온도는 매우 고온이기 때문에 탄소가 페라이트에 용해되며 점차 완전히 오스테나이트로 변태(변화)하게 됩니다. 그 이후 오스테나이트는 더 많은 탄소를 머금을 수 있기 때문에 단단히 결합해있던 카바이드(탄화물)중 일부는 완전히 탄소와 금속의 형태로 분리된 뒤 다시 철에 녹아들어갑니다.
철의 조직에 추가적인 탄소가 공급되며 이 카바이드 양이 줄어들게 됩니다.
이때, 스테인리스는 크롬 카바이드가 철 속으로 제대로 녹느냐 안녹느냐가 무척 중요합니다.
스테인리스를 비롯 높은 오스테니타이징 온도가 요구되는 강재는, 상온에서 바로 오스테니타이징 온도까지 가열하면 급격한 팽창으로 문제를 겪지 않도록, 중간온도로 예열을 진행한 뒤 본 오스테니타이징 온도까지 끌어올리는 것이 요구됩니다.
그렇다면 오스테니타이징시 온도/시간 차이가 어떤 변화를 불러올까요?
오스테나이트화 단계에서 지나치게 높은 온도와 긴 시간을 홀딩하면, 나중에 남게되는 잔류 오스테나이트가 증가하고, 탄소가 과다하게 들어가 잘 깨지는 플레이트 마르텐자이트를 형성하기 때문에 지나치게 경도가 증가하여 인성이 낮아 쉽게 부러지게 되며 철 조직의 입자 사이즈가 증가합니다.
카바이드 입자는 철 조직이 크게 성장하는 것을 방해하기 때문에 카바이드가 줄어들면 철 조직이 커지는 효과를 낳는 것이지요.
반대로 지나치게 낮은 온도에서 짧게 홀딩하게 되면 카바이드가 제대로 용해되지 않는데, 경화가 제대로 안되어 철(마르텐자이트)에 탄소가 부족해 경도가 낮아지기도 하고, 약한 페라이트가 남아있게 되며 심지어는 크롬카바이드가 크롬과 탄소로 철에 용해되지 않아서, 스테인리스가 스테인리스가 아니게 되는 일이 생깁니다. 게다가 탄소가 크롬에 묶여버려서 철속의 탄소가 부족해지므로 경도도 낮아지게 되는 것이지요.
목표 경도가 달성되며, 충분히 합금원소와 탄소를 용해시킬수 있는 온도중 가장 낮은 온도에서 오스테나이트화 하는 것이 중요합니다.
이 온도와 시간은 강재의 조성에 따라 달라지기 때문에 개별 강재에 따른 처리가 필요합니다.
그렇기 때문에 오늘날 상업적으로 쓰이는 강재들은 방대한 실험 데이타를 제조사에서 제공하고 있으며
강재에 따른 적정 프로세스를 따르면 우수한 품질의 열처리가 가능합니다.
과거에는 제대로된 분석없이 수공으로 철광석, 사철을 녹여 제강을 하였고, 성분도 조성조 제각각인 것을 눈대중으로 대충 맞췄으니 감이 좋은 장인의 손길이 필수적이었지만, 이제는 그 노하우를 과학적으로 분석 계량하여 적용하고 있기 때문에, 열처리 프로세스를 정상적으로 처리할 수 있는 장비만 있다면 누구나 고대의 장인이 보기엔 마법으로 보일만큼 우수한 결과물을 낼 수 있습니다.
자나친 저온에서의 오스테니타이징 = 언더하드닝 -> 카바이드 미용해, 내식성 감소, 낮은 경도, 페라이트 잔류, 느린 경화속도가 요구됨
고온 오스테니타이징 -> 최종 결과물의 카바이드함량 감소, 마르텐자이트내 탄소함량 증가(취약한 플레이트 마르텐자이트 증가), 경도증가, 조직립 사이즈 증가(입자 굵어짐), 잔류오스테나이트 증가. 인성감소
이렇게 달군 철을
퀜칭(Quenching, 담금질, 焼入れ야끼이레->직역 구이 넣기) 급랭하여 경화(hardening, 하드닝) 시킵니다.
아니 도대체 탄소가 철에 좀 녹은 오스테나이트를 식혔기로서니
당췌 왜 단단해진단 말입니까??
오스테나이트는 온도를 올려서 다양한 물질이 원래보다 좀 많이 녹아있는 상태입니다.
이걸 천천히 식히면 녹일 수 있는 원소의 양이 줄어들면서 더이상 녹은 상태로 있을 수 없게 된 원소들을 다시 뱉어내고 무른 상태로 돌아가게되겠지요?
그런데 이 오스테나이트를 빠르게 식혀서, 본래라면 녹이지 못할만큼 많은 원소(탄소)를 녹인 상태에서 그대로 굳어버리면 어떤 결과가 생길까요?
배가 아주 빵빵하게 불러서 크기가 증가하고 모양도 조금 다른 녀석이 생깁니다.
오스테나이트가 급랭되어 탄소를 많이 함유한채 굳어진 것, 이것이 마르텐자이트입니다.
오스테나이트가 마르텐자이트로 변하는 모습입니다.
어디서 많이 본 것 같지 않습니까?
 |
| http://www.snakorea.com/news/articleView.html?idxno=275423 |
그렇습니다.
조직의 부피와 형태가 변화하면서 마치 트러스의 격자같은 구조가 강재 전체에 생기게 되는것입니다,
문제는, 이 격자 같은넘이 아주 강한 텐션을 먹은 상태라 까딱 충격만 받으면 바로 깨지게되는 부분입니다.
이것이 쉽개 깨지는 성질인 취성입니다.
오스테니타이징 온도에 달했다가 퀜칭(급랭)된 강재는 취성이 생긴다!
흔히 야끼가 먹었다 하는 것이 바로 이것입니다.
(일본어 야끼는 열처리 전체를 일컫는 말이지만, 좁게는 담금질을 지칭하기도 합니다.)
3편에서 자세히 설명하겠지만 왜 날물 전체가 시뻘개진것도 아닌데 문제가 생기는지에 이어집니다.
퀜칭의 기본 원리에 대해 알아보았습니다.
오스테나이트가 마르텐자이트로 변화하며 부피와 성질이 변해
보조 격자와 같은 전위(轉位, Dislocation)가 다량 생기며 단단해진다!
라고 정리할 수 있겠습니다.
(이때의 전위는 전기의 電자가 아니라 허리의 디스크가 엇나간 추간판전위의 그 전위입니다. 금속 격자내의 어긋남을 의미합니다.)
이제 강재에 따른 퀜칭의 차이를 알아보겠습니다.
퀜칭 역시 강재는 성분에 따라서 경화되는 정도가 다릅니다.
강재별로 경화성 차이가 어떤지 알아봅시다.
지나치게 빠른 퀜칭은 급격한 부피변화를 초래해 금이가고 부러지고 터지는 등 작업대상을 파손시키고
지나치게 느린 퀜칭은 경화가 제대로 이루어지지 않습니다.
그래서 강재의 경화성에 따라 다른 퀜칭 방식을 택하게 됩니다.
1095, 시로가미(백지), 아오가미(청지)같은 탄소강은 물에 식혀야 제대로 경화될 정도로 경화성이 나쁩니다.(워터 하드닝)
(물에 퀜칭한다 하여 일본서는 水焼き미즈야끼 라고 부릅니다.)
이 경화성이 나쁜 특성을 살려 칼에 진흙을 바르고 물에 담금질 하여 서로다른 상의 조직을 만들고,
연마를 통해 이 조직 차이를 드러내는 것이 일본도의 하몬（刃紋）입니다.
 |
| https://xtech.nikkei.com/dm/article/COLUMN/20090910/175110/?P=3 |
오늘날의 우수한 강재와, 기술적인 측면에서 보면 균등열처리된 것에 비해 내구성을 감소시키는 결함이지만, 그 아름다움과 제작과정상의 어려움(가뜩이나 깨지기 쉬운데 일부러 냉각온도차이를 만드니 더더욱 잘 깨집니다.) 때문에 하나의 예술장으로 인정받고 있습니다.
경화성에 영향을 주는 합금원소가 매우 적기 때문에 조그만 치이에도 대단히 민감하고
마르텐자이트로 경화하기 위해 반드시 매우 급격한 냉각속도가 필요합니다.
날물의 두께는 물론 조그만 경화속도 차이에도 큰 변화를 일으키기때문에 균일한 품질 유지가 힘들 뿐더러, 퀜칭 과정자체가 부피변화를 수반하는 과정이기 때문에 매우 급격한 냉각 처리 과정에서 크랙이 나고 깨져버릴 가능성도 큽니다.
52100, 5160, O1같은 강재는 중간정도의 경화성을 가지고 있으며(오일 하드닝)
(기름에 퀜칭한다하여 일본에서는 油焼き아부라야끼 라고 부릅니다)
경화성을 향상시키는 원소들이 더 함유되어있어서 물보다 느린속도로 냉각되는 기름으로도 완전히 경화됩니다.
물에비해 천천히 냉각하게되므로 퀜칭중 문제가 생길 가능성이 훨씬 줄어들게됩니다.
A2, D2 및 크롬을 4%이상 함유한 강재들은 공기에 식힐 정도로 경화성이 아주 우수합니다.(에어 하드닝)
워터 하드닝, 오일 하드닝스틸에 비해 경화성을 향상시키는 합금원소들이 더욱 많이 들어있습니다.
그래서 공기중에서 걸어넣고 냉각시켜도 충분히 경화됩니다. 연속 생산라인에도 최적화되있습니다.
요컨데 A2강에 진흙을 바르고 기름에 풍덩한다고 해도, 완전히 다 경화되기때문에 일본도 같은 하몬은 생기지 않습니다. 통열처리된 A2강과 완전히 수공 전통방식으로 타마하가네를 미즈야끼한 것을 비교해보면 통열처리된 A2강이 월등하게 우수한 내구성과 유지력을 발휘하게 됩니다.
당연히 더 느린속도로도 충분한 경화가 진행되는 만큼 크랙이나 변형등 문제가 더 적습니다.
이런 강재들은 좀더 더 빠른 냉각을 위해 플레이트 퀜칭이라 하여, 변형을 막고 빠르게 냉각시키기 위해 두꺼운 알루미늄 판으로 누른 뒤, 압축공기를 분사하여 냉각시키기도 합니다.
그런데 궁금하셨을껍니다.
아니 퀜칭이 급랭하는거라면서 더 차가운 온도는 안나오냐?
물이고 기름이고 공기고 아무리 낮아봐야 상온 아니냐?
아니 그럼 극저온 처리는 언제?!
그렇습니다. 달궈진 철은 물에만 넣어도 갈라져 터질 정도라서 식힌 다음에 추가로 식히는 과정을 넣어주고
이때의 온도를 영하로 가져가면 0아래라고 서브제로요, 영하 수십도 아래로 더 낮으면 극저온인 것이지요.
오스테나이트를 식혀서 마르텐자이트로 만들고 나서도 일부 과다한 오스테나이트가 남아있을 수 있습니다.
이것이 차후에 변화하게되면 응력이 발생하기도 하고 경도가 감소하는문제가 생길 수 있습니다.
그래서 퀜칭 직후에 더 온도를 낮춰줍니다.(템퍼링 사이에 진행하는 등 하여간 식은다음에 차갑게 시키는 것입니다.)
바로 이 지점이
심랭, 극저온, 서브제로, 크라이오 등 상온 보다 낮은 온도를 도입하는 열처리가 등장하는 순간입니다.
냉장고에 넣기도 하고
냉동실에 넣기도 하고
드라이아이스에 넣기도 하고
액화질소(섭씨 -196도)에 넣기도 하는데
모두 효과는 있지만 액화질소의 온도가 가장 낮기때문에 가장 효과적으로 변태시킵니다.
(하지만 드라이아이스와 액화질소의 차이는 크지 않으며, 아무리 냉각시키더라도 8%가량의 잔류 오스테나이트는 남게됩니다.)
냉각을 하게되면 오스테나이트중 일부가 변태하며
완성된 철물이 차후에 변형되일을 막기때문에 치수가 아주 중요한 철물에도 시행하게 됩니다.
하지만 적절한 잔류 오스테나이트는 인성을 증가시키는 역할도 하기 때문에
극저온 처리를 하면 인성은 유지되거나 소폭 감소하는 경향이 있으며
경도는 소폭 오르기도 내려가기도 합니다.
날의 유지력은 소폭 향상되는 것으로 나타납니다.
극저온 처리 유무는 유지력이나 인성등의 특성에 그리 큰 영향을 주지 않지만
잔류 오스테나이트를 줄이는 것은 잘 제거되지 않는 무른 버(burr, バリ바리, カエリ(返り)카에리)가 생기는 것을 줄여주어 샤프닝시에 좀더 수월하게 날을 세우는데에 도움이 되므로 기본 옵션으로 두는 것이 유리해보입니다.
템퍼링( 뜨임. 焼戻し야끼모도시->직역 구이 되돌리기)
퀜칭 후 지나치게 단단하고 잘 부러지는 상태의 날에 다시 열을 가해 잘 안부러지도록 해주는 것입니다.
이 과정이 없이 고온에서 급랭만 된 날붙이는 계속해서 부러지기 때문에 도저히 사용할 수가 없습니다.
그래서 강재가 갖는 인성과 경도의 최적의 밸런스 포인트를 열처리 기본 타겟으로 두고
필요에 따라 타겟 지점 근처에서 조금 더 인성/조금 더 경도쪽으로 소폭 조절하는 것입니다. 경도만 올려서도, 무조건 인성만 올려서도 적절한 날물이 되지 못합니다.
템퍼링은 경도를 감소시키고 인성을 향상시킵니다.
테퍼링된 마르텐자이트는 철이 옴짝달싹 못하게 만드는 격자역할을 하는 전위의 밀도가 감소하게 되며, 일부 탄소가 빠져나와 카바이드를 형성합니다.
->카바이드가 형성된다=탄소와 금속이 결합한다. 즉, 스테인리스와 같은 경우 과하게 템퍼링되면 크롬이 탄소와 결합해서 강재속 크롬이 부족해져 내식성이 감소합니다. 강재의 내식성에 열처리가 이렇게 큰 영향을 미치는 것이지요.
지나치게 뻣뻣하고 힘을 받으면 있는 그대로 받아치다 곧잘 부러지는 상태의 마르텐자이트에서 좀 융통성있는 마르텐자이트로 바뀌는 것이지요.
또 적절하게 변위가 이동도 하면서 지나치게 응력(스트레스)가 걸려있고 딱딱한 상태에서 다소간의 충격에도 톨러런스를 갖도록 변화합니다.
또 템퍼링 과정을 통해 잔류 오스테나이트는
1.안정화되어 잘 변화하지 않는 안정한 오스테나이트로 잔류
2.페라이트와 카바이드로 분해/베이나이트로 변태
3.템퍼링 안된 단단한 마르텐자이트로 변화
하게됩니다.
그래서 적절하게 템퍼링된 경우 극저온처리가 없더라도
필요이상의 잔류오스테나이트가 거의 존재하지 않는 것입니다.
템퍼링 과정은 온도와 홀딩시간에 따라 진행됩니다.
비교적 낮은 온도에서 긴시간을 템퍼링하거나
높은온도에서 짧게 템퍼링할 수 있습니다.
다만 같은 경도를 타겟으로 템퍼링하더라도 저온템퍼링쪽이 비교적 인성이 더 우수하므로, 고속 절삭공구(High speed tool)와는 다르게 고온특성이 요구되지 않는 칼과 같은 날붙이의 경우 비교적 저온에서 템퍼링(템퍼링 경도차트서 낮은 온도쪽 경도 피크, 강재에 따라 다르나 주요강재에서 주로 150~200도 부근)하는 것이 유리합니다. 반면 높은 온도에서 사용되는 고속공구의 경우는 주로 사용되는 고온 영역에서의 치수안정성등 사용 용도상 요구되는 특성을 향상시키는 방향으로서의 소재로서 접근하게 되므로, 텅스텐과 몰리브덴이등의 합금원소를 갖고, 경도가 감소하다가 500도 이상의 고온영역서 다시 경도가 상승하는 지점에서 템퍼링하는 고온 템퍼링으로 처리하게 되어 나이프를 위한 것과는 다소 차이가 있게 됩니다. 이를 위한 강재들이 바로 High speed tool steel(HSS, 고속도 공구강, 소위 하이스강)입니다. 고온에서 경도를 유지하며 절삭 공구로서 사용되기 위한 특성을 갖는 강재 군(group)을 일컫는 것이므로, HSS에도 수많은 종류가 존재하고, 제품별 물성도 상이합니다.
그리고 당연하게도 지나치게 템퍼링(오버템퍼링) 되면 경도가 점점 감소하게 되는데요, 그래서 날이 열을 받으면 그 정도에 따라 지나치게 딱딱해지기도(오스테니타이징 온도 도달 후 식은 경우), 지나치게 무르게 변하기도 하는 것이지요(템퍼링 온도를 넘어서 오버템퍼링됨).
이 특성이 열에 얼마나 버티느냐를 결정합니다.
템퍼링 저항이 높은 강재는 비교적 고온에서도 물러지지 않습니다.
HSS라는 것이 내마모성이 높고 인성이 괜찮으면서, 고속으로 마찰하는 회전공구의 열에도 비교적 잘 버티기 때문에 High Speed tool Steel인 것이지요( HSS라는게 단일 강재가 아니라 고속도 공구강이란 명칭이기 때문에 어떤 강재냐 따라 물성은 확연히 다릅니다. 스테인리스라고 해도 수많은 종류가 있듯 HSS도 마찬가지입니다.)
보통 날붙이용 통상 100도씨 이하에서는 큰영향이 없다고 하는데요(대부분이 100도 이상의 템퍼링 온도서 처리됨). 날물 전체가 펄펄 끓게 아주 뜨거워진 것도 아닌데 대체 왜 연화되는 문제가 생기는가? 이 부분 역시 이어지는 3편에서 설명하도록 하겠습니다.
하여간 이렇게 열처리가 끝나면 단단하면서(경도가 높고)도 튼튼한(강도가 높음) 경화된 철 메트릭스와, 철 메트릭스가 단단히 잡아주는 아주 단단한 입자(카바이드)로 변하게 되어 날붙이가 될 준비가 끝나게 됩니다.
마지막으로 온도와 강재사이의 관계중 한가지만 더 설명하고 가겠습니다.
DBTT, Ductile-Brittle Transition Temperature
연성-취성 천이 온도라는 것입니다.
 |
| https://yenaengineering.nl/ductile-brittle-transition-temperature-and-impact-energy-tests/ |
온도에 따라 파괴에 필요한 에너지를 표현한 것입니다. 에너지가 많이 필요할수록 파괴가 힘든 것이지요.
온도가 떨어짐에 따라 급격하게 파괴에 필요한 에너지가 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 이 급격한 변화지점 온도를 DBTT라고 합니다. 온도가 낮아지면 잘 부러지게 된단 얘기입니다. 사실 강재들도 종류별로 이 지점이 달라 스펙시트에 명시되어있는 것이 맞는데, 저온 어플리케이션을 상정하고 나오지 않았다는 핑계로 제공하지 않는 경우가 많습니다.
구조용 강재인 경우 구조물 만든게 저온에서 바스라지면 대재앙이 되는 만큼(수도 한복판이 영하 20도에 근접하게 떨어지는 한국기후라면 더욱)중요한 요소중 하나입니다.
하여간 차가워지면 잘 부러진다!!!!
여태 지루한 설명 보시느라 수고 많으셨습니다.
글로만 봐서 열처리 과정이 잘 그려지지 않았지요?
그 원리나 온도, 시간을 정하는 것은 어렵지만, 영상을 통해 직접 보면 과정 자체는 수월하게 이해하실 수 있을 겁니다.
칼만드는요리사님의 영상입니다.
우리말로 오스테니타이징부터 퀜칭 극저온 처리 및 템퍼링 일련의 열처리 프로세스를 설명해주는 영상입니다.
해외 영상에도 실제 과정과 이론적인 면을 상세히 해설해주는 영상은 상당히 보기 드문데, 참 자랑스러운 일입니다.
영상은 칼을 제작하고 있지만 이 과정은 끌, 조각도, 대패, 도끼, 톱 모든 날물에 통용되는 것입니다.
열처리 과정의 유의점
퀜칭을 제외한 모든 과정이 강재를 가열하는 것이기 때문에
표면이 공기중에 노출되면 산화를 일으키고, 산화된 철인 스케일과 이산화탄소 가스로 변해 탄소가 날아가는 탈탄 현상이 일어납니다. 산화분위기로부터 작업물을 보호할 대책이 필요합니다.
만일 표면의 산화가 진행되었다면 완성된 제품에서는 갈아서 완전히 제거된 상태여야 합니다.
열처리에 대한 오해와 진실
1.커스텀 비밀 열처리에는 엄청난 노하우가 숨겨져있어서 철이 완전히 다른수준으로 환골탈태한다.
아무리 열처리를 잘한다고 해도, 기본적인 원칙에 따른 "정상적인 열처리"와 비교하면 그 차이는 미미합니다.
물론 잘못된 열처리를 한 제품과 비교하면 천지차이겠지만요. 열처리가 제대로 안된 제품은 불량품입니다.
정상적인 열처리는 기본 전제이고, 열처리의 차이는 결코 강재의 차이를 이기지 못하기 때문에 연마등 모든 조건을 배제하고 날붙이의 소재 자체에서 엄청난 차이를 보시려면 강재를 바꾸는게 확실합니다.
다만, 대규모 열처리에 비해 소규모로 진행되는 것이 더 확실한 퀜칭을 할 수 있는 경우가 많으므로, 제대로된 커스텀 열처리라면, 가능한 최고 포텐셜을 뽑을 수 있는 것은 맞습니다. (여전히 다른 강재를 쓰는 것 만큼 큰 차이를 만드는 것은 아니지만, 해당 강재로 낼 수 있는 최선에 가까이 갈 수 있다는 정도에 의의)
2.극저온 처리가 모든 성능을 개선시킨다.
생각보다 많은 차이는 나지 않습니다. 유지력이 미세하게 좋아지고, 연마의 수월함이 미세하게 증가할 수 있습니다.
하지만 일단 극저온 처리가 들어갔다는 자체로 기분이 좋고, 최신 강재의 처리에 있어서는 사실상 빼놓지 않고 적용되는 표준 공정으로 자리잡은 상태기 때문에 사실 별로 고민할 필요가 없습니다.
-196도 극한의 처리가 되었다!
아무튼 심장이 뛰지 않습니까?
3.저합금강은 열처리가 쉽고 고합금강은 열처리가 어렵다.
저합금강은 열처리에 필요한 노의 온도가 상대적으로 조금 낮아도 열처리가 가능하지만, 최고온도가 적정온도를 조금만 넘어가도 물성이 급격하게 저하되고, 퀜칭도 매우 급격한 냉각이 필요하며, 세간에 퍼진 열처리가 쉽다는 이미지와는 달리 오히려 고합금강 대비 온도변화와 속도에 극히 민감한 반면,
고합금강은 필요한 최고 온도는 조금 높을 수 있지만 톨러런스가 훨씬 넓기 때문에 역설적으로 균일한 품질을 내기 위한 처리 과정은 수월하다고 말할 수 있습니다.
4.경도가 낮으면 유연하고 탄력적으로 휘어진다.
이것은 탄성계수(영스모듈러스)에 의한것인데 이것은 원자간 인력에 기인합니다.
강재의 조성이 바뀌지 않는 한 변화하지 않고, 같은 성분으로 되어있다면 열처리에 의해서는 변화하지 않습니다.
즉, 같은 강재에 같은 형상이라면 열처리를 하건 안하건 힘을 줄 때 탄력적으로 휘는 정도는 같습니다.
하지만 경도 차이에 의해서 어느정도의 힘을 받고도 다시 탄력적으로 되돌아올 수 있는지는 차이가 납니다.
1:34 부터
유연하게 탄력적으로 휘었다가 돌아오기 위해서는 잘 휠수있도록 두께가 얇은 것이 중요하고
경도는 오히려 높아야합니다.
영상에서 알 수 있듯 경도가 낮으면 항복점이 낮아 오히려 조그만 힘만으로도 영구적으로 휘어버립니다.
경도가 달라도 힘주면 얼마나 휘는지는 비슷하지만
더 큰 힘을 준 경우 경도가 낮은 것은 완전히 구부러져 되돌아오지 못합니다.(경도가 낮으먼 아이고 못버티겠다 항복! 하는 지점이 낮습니다.)
가공에대한 오해
1,단조를 하면 입자가 고와지고 밀도가 증가한다.
날붙이의 단조는 단조과정중 지속적인 가열과 냉각을 겪기 때문에 저합금 강에서는 냉간단조에서 생기는 재결정화는 일어나지 않습니다.
주로 단조를 하는 저합금강은 열역학적으로 카바이드 농도가 낮고 카바이드 입자가 이미 미세하기 때문에 단조를 하건 하지않건 카바이드 입자가 미세하게 형성됩니다. 아무리 단조를 해도 입자가 추가로 미세해지지 않습니다. 오히려 지나치게 긴시간 고온에서 유지되며 상대적으로 큰입자를 형성할 가능성이 큽니다. 동시에 카바이드가 적은 경우 철 조직의 크기가 단기간 내에 빠르게 성장하기 때문에, 단조과정에서 지나치게 고온에서 홀딩되면 오히려 철조직이 굵어지는 역효과가 생길 수 있습니다.
마찬가지로 아무리 접고 두드려도 밀도는 증가하지 않습니다.
하지만 고합금강에서는 특정온도에서 적절한 단조를 통해 얻을 수 있는 일부 장점이 있지만, 고합금강은 단조성이 낮고, 저합금강과 마찬가지로 부적절한 온도에서의 단조가공은 부작용을 일으키기 때문에 거의 대부분 수공 단조를 하지 않습니다. (게다가 분말야금으로 만들어진 경우 이미 입자가 충분히 작기 때문에)
그리고 모든 현대 제철 강재는 공장출고시에 단조를 거쳐 나와서 단조 vs 스톡 리무벌(깎아 만들기)를 구분하는건 거의 의미가 없습니다.
2. 단조칼은 아름답다.
수공단조는 그 자체로 수공예품으로 볼 수 있습니다.
제작 측면에서는 구부리고 접어서 형태를 만들 수 있기 때문에, 완제품보다 큰 재료(강재 스톡, 판재)를 가지고 대부분을 깎아서 만드는 칼에 비해 강재 손실이 적은 장점이 있습니다.
더불어 단조로 다양한 형태를 훨씬 자유롭게 성형할 수 있기 때문에, 매우 두꺼운부위와 얇은 부위가 공존하는 형태에 대응, 복잡한 형상을 용접을 하지 않고 일체형으로 성형하는 등, 특유의 제작기법을 활용하여 손실되는 재료로 인한 비용 증가를 억제하면서 좀더 다체로운 형상으로 제조할 수 있습니다.
소비자 측면에서는 단조된 제품의 가치는 성능향상보다는 그것을 가지고싶다는 가치, 특유의 기법에대한 외형상 선호도, 핸드메이드의 매력으로 정리할 수 있겠습니다.
아름다운 수제 단조제품은 보기만해도 가슴뛰는 예술작품이니까요.
강재와 그 처리에대한 기본적인 사항에 대해 훑어보았습니다.
오늘날의 고합금 강재는 열처리를 정상적으로만 진행했다면 누구나 스팩대로의 성능을 달성할 수 있다!
훌륭한 기술들 덕분에, 이제는 눈대중이 아닌 철저한 실험과 분석을 통해 만들어진 다양한 강재들이 있고, 스팩에 맞게 처리하고 사용하면된다는 것을 알 수 있습니다.
그러면 가장 궁금한 날 유지력을 다룰 차례일 것입니다.
경도와 유지력
경도라고 함은 단단한 정도입니다.
정의는 국부 소성변형에 필요한 힘의 세기
즉, 상당히 좁은 영역을 찍어서 영구적으로 변형시키는데 얼마나 힘이 드느냐 입니다.
(혹은, 같은 힘을 줄 때, 얼마나 변형이 되느냐)
측정 방식역시 정의대로입니다.
 |
| https://materials-today.com/rockwell-hardness-test/ |
흔히 말하는 경도는 HRC 록웰 경도 C인데
다이아몬드 콘을 대고 눌러서 변형되는 정도를 측정합니다.
록웰 및 비커스 경도 환산표
 |
| https://www.hardnesstesters.com/learningzone/guides-to-hardness-testing/hardness-conversion-for-rockwell-b-scale-or-low-hardness-range |
경도가 높은 물체로 경도가 낮은 물체를 긁으면 긁힙니다.
그래서 통상 경도가 높으면 내마모성이 증가합니다.
하지만 같은 경도라고 해도 성분에 따라 내마모성은 천차만별이고,
실제 날 유지력은 내마모성에 더불어 인성(부러지기 전까지 얼마나 많은 에너지를 흡수하느냐=얼마나 잘 안부러지느냐)등 다양한 요소가 함께 작용하기 때문에 경도만 가지고는 유지력을 알 수 없습니다.
하지만 대부분의 사람들이 경도=성능으로 생각하기 때문에, 실제 겪게되는 유지력과 생각하던 것이 다르고 도대체 왜 그런지를 고민하게 되는 경우가 많을 것입니다.
실은 경도와 성능은 조금 다른 개념인 것이지요.
경도는 특정 강재가 적절하게 경화되었는지 테스트하기 위한 항목에 가깝기 때문에 소비자 입장에서는 크게 따질 필요가 없고,
경도 테스터기가 있고, 강재 특성을 명확하게 아는 경우에 열처리가 제대로 되어있는지 판가름 할 수 있는 하나의 요소인 것 입니다.|
그래서 실제 유지력을 보기 위해서는 제대로 열처리된 날을 가지고 같은 조건에서 실제 테스트를 해야만 하는 것입니다
아래 차트는 동일한 조건으로 철저히 통제하고, 열처리에 대해 검증된 시편으로 테스트 하여 다양한 강재를 테스트한 자료입니다.
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
상단으로 갈수록 높은 유지력, 우측으로 갈수록 높은 경도입니다.
엄청난 강재들이 더러 있습니다.
유지력 최상단에 위치한 강재들은 아무리 어닐링 해두어도 카바이드 함량이 대단히 높기때문에 가공이 무척 힘들어집니다. 단단한 카바이드 함량이 워낙 높아 웬만해선 잘 안갈리기 때문입니다.
그래서 이런 강재로 만든 물건은 가공비용이 비싸 상당히 고가입니다.
반면 사용하는 입장에서는 한번 갈아두면 엄청나게 오래간다는 뜻이기도 합니다.
표를 자세히 보게되면 의외로, 평소 자주 사용하던 강재가 유지력이 무척 낮은 위치에 있다는 것을 알게될 것입니다.
생각해보면 예전에는 철광석에서, 모래에서 눈대중으로 대충 뽑아낸 쇳물을 가지고 주조해 감으로 만든 철물을 이용해 지금 하던 목공 전부를 했음을 생각해보면, 다소 낮은수준의 유지력이라고 해도 선조들이 쓰던 물건과는 결을 달리하는 수준의 성능을 자랑하기 때문임을 알 수 있습니다.
하지만 여건만 된다면 얼마든지 유지력도 좋으면서 더 튼튼하고 잘부러지지 않으면서 녹도 안스는 공구를 사용할 수 있다는 얘기도 됩니다.
기적같은 일입니다.
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
스테인리스강의 인성/경도 차트
스테인리스는 대부분 크롬이 잔뜩 들어있기때문에 인성이 낮습니다.
스테인리스는 질기다 라는 인상과는 달리 경도도 높고 잘 부러지는 강재가 많습니다.
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
전체 인성/유지력 차트(아래쪽은 로그스케일 적용)
위로갈수록 인성이 좋고, 오른쪽으로 갈수록 날 유지력이 좋은것입니다.
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
같은 조건에서 48시간 1%염수 분무 테스트를 마친 시편의 부식상태 비교
 |
| https://knifesteelnerds.com/ |
열역학 소프트웨어 계산 기반 내식성 추청표 10점에 가까울수록 높은 내식성
https://knifesteelnerds.com/2019/10/14/corrosion-resistance-testing/
https://knifesteelnerds.com/2021/03/25/cpm-magnacut/
밸런스를 고려한 추천강재
-스테인리스
최상의 밸런스 -> 마그나컷* 녹 걱정 거의 x
고 유지력 스테인리스 강재 중 최상의 밸런스 -> CPM S90V
고 유지력 스테인리스 강재 중 조금 더 내식성중심 -> CPM S110V
고 유지력 스테인리스 강재 중 상당히 우수한 내식성 -> M398 (M390에 비해 내식성 다소 낮음)
고 유지력 스테인리스 강재 중 극히 우수한 내식성과 밸런스 -> 마그나맥스(현재 미출시, 최고로 추천할만한 강재)
상기, 고 유지력 스테인리스 대비, 엣지 유지력이 조금 낮고, 유지력 대비 인성을 다소 희생하지만, 마그나컷에 비하면 대단히 유지력이 우수하고, 상대적으로 유지력 높은 스테인리스강 중 내식성이 우수하며, 유럽산으로 수급이 원활 -> M390* 녹걱정 거의 x (단, 강재 자체는 공급이 잘 되지만, 시트 형태로 가공된 것이 드물어, 가공비가 비싸고, 소재 단가도 높은 편)
고인성 -> 14C28N, AEB-L
단, 프로 요리인을 위한 식칼인 경우, 횡방향으로 과도한 힘을 받는 일이 없는 섬세한 사용을 전제 조건으로 볼 수 있고, 동시에 높은 유지력이 요구되므로, 인성보다 유지력에 가중치를 두어야 합니다.
-논스테인리스(내식성 기대 x)
최상의 고 유지력과, 매우 우수한 유지력 대비 인성 -> Z-max
최상의 고 유지력과, 우수한 유지력 대비 인성 -> CPM 15V
CPM 15V 대비 유지력은 다소 희생, 매우 우수한 유지력 대 인성, 우수한 밸런스 -> CPM 10V
고유지력 강재중 최상의 밸런스 -> K390* 65HRC 언더에서 CPM 10V에 비해 개선된 인성, 유지력은 CPM 10V비해 근소하게 낮음
전반적으로 우수한 밸런스 -> CPM-CruWear* 내식성 제외, 상당히 우수한 유지력, 상당히 우수한 인성.
우수한 밸런스, 조금더 고인성 중심 -> CPM 3V
고인성 필요시 -> Z-tuff
단조용 -> ApexUltra* 기존 단조용 저합금강 대비 매우 유지력 우수, 경화도 비교적 잘 됨, 도끼, 호미등 단조 제조가 비용절감에 꼭 필요한 논스테인리스 철물 만들시 최상의 결과물 기대 가능.
문제는 강재의 유지력 인성 심지어 내식성까지 동일한 기준으로 통제된 환경에서 실험하고 비교된 데이터를 두고도, 우리는 다른 느낌을 받는다는 것입니다.
그 이유는 우리가 완전히 같은 형상과 연마 상태에서 강재차이만 나는 칼을 비교하는 것이 아니라
서로다른 형태와 강재 연마 상태의 물건을 비교하기 때문입니다.
놀랍게도 실제로 물체를 절단할 때 가장 큰 차이를 만드는 것은 열처리도 아니고 강재도 아니고, 날의 형상과 연마상태로, 이에 관해서는 3부에 이어 설명하도록 하겠습니다.
게다가 현실의 비교는, 거의 대부분이 정밀하게 세팅된 이중맹검 실험이 아니므로 실질적인 차이를 넘어서는 극단적 인지적 편향(Bias)의 영향을 크게 받게되므로, 실존하는 차이에 사람의 심리적 영향으로 인한 혼란까지 가중되어 판단하기 배우 어려워집니다. 이것이 검증된 데이터와 표준화가 실질적 개선과, 최상의 효과를 누리는 의사결정에 반드시 필요한 이유입니다.
3부
3. 샤프닝의 실재-1
https://jkprecisionanalysis.blogspot.com/2025/07/3.html
Comments
Post a Comment