금속 강화술 4가지

금속 강화술 4가지

금속 강화술 4가지

금속 강화술에는 4가지가 있었습니다. 옛날 우리 선조들은 학문적으로 하지는 않았지만 경험적으로 이것에 대해 알고 있었습니다. 그럼 선조들이 사용했던 금속 강화술에 대한 예를 통해서 dislocation을 제어하는 것이 금속의 기계적 성질을 어떻게 재단할 수 있는지를 정리해보도록 하겠습니다. Paper clip이 있다고 가정하겠습니다. 클립을 만약에 끊어보라고 하면 보통 어떻게 하나요? 우리는 원리를 알든 모르든 휘어가지고 ‘톡’ 끊어지게 만들죠. 이 속에 사실은 Strain hardening의 원리가 있습니다.

Strain Hardening

앞에서 말했던 4가지 hardening 방법 중 strain hardening이 이것과 직접적으로 연결되어 있습니다. 예전에 제가 많이 아쉬웠던 것 중에 하나가 건전지 넣는 부분의 단자가 휘어져있어서 바로 한다고 위치를 움직이다가 뚝 끊어지는 경우가 있습니다. 그것이 바로 strain hardening입니다. 한 번 변형을 줄 때마다 dislocation이 엄청나게 만들어지게 됩니다. 그리고 반대쪽으로 힘을 주면 반대 방향의 dislocation이 만들어지겠죠. 계속 이러다 보면 + - dislocation들이 섞여 가지고 자기들끼리 움직이지 못하고 멈춰버리는 것입니다. 즉, dislocation들이 변형이 일어나는 곳 근처에 모여있는 것입니다. 그러다 보면 dislocation이 움직이지 못하게 되고, 다시 힘을 줄 때 변형이 일어나지 않고 끊어지는 현상이 발생하는 것입니다. 이것이 바로 strain hardening이라고 부르는 것입니다. Strain hardening이 일어날 때의 미세조직을 보면 이렇게 dislocation들이 다들 엉켜있죠. 이렇게 dislocation이 움직이지 못해 가지고 재료가 hard해지는 것이 strain hardening입니다. Strain hardening을 많이 쓰는 경우가 바로 이런 것입니다.

Forging

Die Forging이라는 것인데, strain hardening과는 조금 구분이 될 필요가 있긴 합니다. 실제로 우리가 금속을 만들 때, 검이나 칼을 만들 때, die forging이라는 것이 있습니다. Forging이라는 것은 고온에서 재료를 눌러주는 것을 말합니다. Die forging을 해주게 되면 오른쪽 그림처럼 미세조직이 변하게 됩니다. 이렇게 생겼던 grain들이 forging을 거치게 되면 길쭉하게 변하게 되고, 온도를 조금 올려가지고 grain size를 작게 만들어 주고, 새로운 grain들을 만들어 주면 미세조직의 처음과 끝이 완전히 달라지게 됩니다. 고온에서 해주는 과정을 die forging이라고 부르고, 저온에서 하는 것을 Strain hardening이라고 부릅니다. 고온에서 하는 경우는 grain size를 control 하고 싶을 때, 즉 grain을 한쪽 방향으로 정렬한다거나 크기를 조절하고 싶을 때 die forging 방법을 많이 사용합니다. 물론 이 방법 하나로 되는 것이 아닙니다. 사람도 근육을 키울 때 한 가지 운동만으로 키우지 않듯이 금속도 이 방법, 저 방법을 동시에 써가지고 최상의 품질이 나오게끔 단련을 시킵니다. 금속 단련의 핵심이라고 할 수 있는 것이 검(sword)을 만드는 것이죠. 검을 만들 때 여러 가지 방법이 있는데 경험적으로 TV나 영화에서 많이 보셨을 것입니다. 대장간에서 불에다가 빨갛게 달군 것을 물에 넣어 식히고 다시 두들겨주고 다시 고온에 넣었다거나 식히고 두들겨주거나 때로는 고온에서 나온 것 자체를 두들겨주기도 하고, 그 속에 전부 우리가 배웠던 내용들이 전부 들어가게 됩니다. 그런데 한 가지 앞에서 얘기하지 않은 것이 있는데, 금속을 단련하는 방법에 4가지를 얘기했습니다. 그것은 방법적으로 금속을 단련시키는 것이고, 금속 자체에 새로운 미세조직을 만들어서 단련시키는 방법도 있습니다. 그것이 무엇이냐 하면 고온으로 올라가면 철이 구조가 바뀌게 됩니다. 결정학적인 얘기는 여러분들이 상급 학문을 배우면 자연스럽게 알게 될 텐데, 상온에서 가지고 있던 구조는 고온으로 올라가면 다른 구조로 바뀌게 되어있습니다. 즉 상이 바뀌게 되는 거죠. 그런데 이것을 가지고 물에 갑자기 집어넣어서 떨어트리면 원자들이 원래의 자리로 찾아갈 시간을 놓치고 그 자리에서 가장 에너지적으로 낮은 상태로 돌아가려고 합니다. 그때의 구조를 martensite(마텐자이트)라고 합니다.

Martensite

Martensite는 굉장히 길쭉길쭉한 구조로 되어 있습니다. 마치 벽돌 안에 짚을 넣어 놓은 것 같은 모양이죠. Martensite는 가장 기본적으로 강철 내에서 가장 강한 상입니다. Martensite가 많이 만들어질수록 강철은 강해지게 되어 있습니다. 그래서 대장간에서 검을 만드는 과정을 한 번 생각해보시면 알 텐데 불에 달구는 과정은 뭔가요? 불에 달구면 뭉쳐있던 dislocation들이 풀려 나가게 되고 malleability(전성)을 다시 가질 수 있게 됩니다. 그래서 불에 넣어가지고 모양을 펼친 다음에 접어 가지고 물에 담그면 Martensite 상이 만들어지고, 상온에서 만들어진 martensite 상에다가 망치질을 하면 dislocation이 만들어지겠죠. 다시 고온에 올려가지고 만드는 과정에서 들어간 stress를 조금 풀어주고 이 과정을 반복하는 것이 검을 만드는 과정입니다. 검을 만들 때 앞에서 말씀드린 것처럼 불에다가 달구는 이유는 두 가지라고 했습니다. 한 가지는 검의 모양을 변형시키기 위해서, 고온에서는 dislocation을 잘 움직일 수 있으니까 그 목적으로 하기도 하고, 또 하나는 recrystallization이라고 해서 grain size도 작게 만드는 역할도 하고 달궜다가 물에 집어넣으면 martensite 상을 만들어서 더욱 강하게 만드는 방법들이 종합돼서 나온 전 세계가 알아주는 대표적인 검이 일본도와 다마스쿠스 검입니다. 일본도 하고 다마스쿠스 검은 우리가 보통 얘기를 할 때 비단을 떨어트릴 때 검을 대고 있으면 반으로 잘린다라고 얘기할 수 있을 만큼 날이 날카로운 검을 얘기합니다. 사실 일본도의 기원은 우리의 삼국시대로 되돌아간다고 합니다. 그 과정을 최근에 전통 검을 만드는 장인께서 복원을 하셨습니다. 그분이 만든 것을 보면 결국은 일본도와 다마스쿠스 검과 거의 비슷한 미세조직을 만들게 됩니다. 이 분이 만드는 과정을 보시면 일단은 철을 녹여내고, 녹아 나온 철물을 가지고 식혀가지고 순수하게 사용할 수 있는 재련된 철을 끄집어냅니다. 끄집어낸 철을 갖다가 달궈서 담금질을 하고, malleability를 활용하기 위해 뜨거운 것을 두드려 펼친 다음에 접어 가지고 두들기고 하는 과정을 반복해서 마지막에 만들어지는 물결무늬 있죠? 성덕대왕 신종 고정 핀 얘기를 하면서 금속이 여러 번 접어서 아주 단단한 형태로 만들어졌을 때의 대표적인 문양이 바로 물결무늬라고 얘기를 했었습니다. 이렇게 해서 전통검을 만들 수 있는 것입니다. 예전 선조들은 그것을 몰랐죠. 하지만 ‘어떻게 하면 검을 단단하게 만들 수 있다.’ ‘어떻게 하면 금속을 제대로 가공할 수 있다’라는 것은 아주 정확하게 알고 있었던 것 같습니다. 그래서 이 과정을 그림으로 보는 것보다 동영상으로 보는 것이 좋을 것 같아 MBC 뉴스에서 보도했던 보도자료를 링크로 달아 놓았으니 실제로 검을 만드는 과정을 어느 정도 보실 수 있을 것 같습니다. 금속 단련 술의 핵심은 ‘Dislocation의 움직임을 어떻게 제어하느냐’이고 또 하나 배운 것이 바로 ‘고온에서 quenching을 해가지고, 갑자기 물에다가 넣어 담금질을 해가지고 martensite라는 상을 만들어도 금속을 단련하는 방법이 된다’ 이 두 가지로 정리할 수 있겠습니다.