제6장: 철사가 가늘어지면 재료의 상태도 달라진다
냉단 작업 현장에서는 다음과 같은 상황이 매우 흔히 발생합니다:
재료의 등급도 같고, 제철소도 동일하며, 최종적으로 뽑아낸 규격까지 모두 일치하지만, 냉단기로 공급된 후 한 배치는 생산이 순조롭게 진행되는 반면, 다른 배치에서는 성형 불안정이나 머리 부분 충전 부족, 심지어 간헐적인 균열까지 나타나곤 합니다.
문제의 원인은 어디에 있을까요?
많은 사람들은 압연이 단순히 굵은 철사를 가늘게 만드는 과정으로, 크기만 적합하면 된다고 생각합니다.
하지만 실제로는 그렇게 단순하지 않습니다.
압연은 단지 지름만 변화시키는 것이 아니라, 이후 재료의 냉단 성형성이 좋아지는지 여부에도 영향을 미칩니다.
1. 같은 목적지라도, 거쳐온 경로는 다르다
같이 10mm까지 뽑아내더라도, 한 배치는 11mm에서 시작했을 수 있고, 다른 배치는 13mm에서 시작했을 수도 있습니다.
최종 지름은 같지만, 후자의 경우 더 많은 변형을 겪었음을 알 수 있습니다.
철사가 많이 늘어날수록 일반적으로 더 단단해지고 강도가 증가하며, 이후 냉단 성형 시 필요한 성형력 또한 변화하게 됩니다.
따라서 재료의 냉단 성형성이 좋은지 평가하려면 최종 규격만 보아서는 안 되며, 다음 사항도 반드시 고려해야 합니다:
원래 얼마나 굵었으며, 전체적으로 어느 정도 줄였는지.
이는 마치 두 사람이 동시에 산 정상에 도달했지만, 한 사람은 케이블카를 타고 올라왔고 다른 사람은 걸어서 올라왔듯이, 같은 위치에 서 있더라도 신체 상태는 전혀 다를 수 있다는 점과 같습니다.
2. 한 번에 너무 많이 줄이는 것과 여러 번 나누어 줄이는 것도 결과가 다르다
한 줄의 철사를 굵은 규격에서 가는 규격으로 뽑아낼 때, 한 번에 큰 폭으로 줄일 수도 있고, 여러 단계로 나누어 점진적으로 완성할 수도 있습니다.
한 번에 너무 많이 줄이면 철사와 금형 사이의 압력, 마찰 및 온도가 모두 상승하고, 재료 표면층과 내부의 변화 양상이 서로 일치하지 않을 가능성이 커집니다.
그렇다고 해서 압연 횟수가 많으면 무조건 좋다는 것도 아닙니다.
횟수가 지나치게 많아도 역시 마찰과 변형의 누적 효과가 계속해서 쌓이게 됩니다.
정작 중요한 것은 각 공정 단계를 어떻게 배치하느냐이며, 특히 마지막 단계의 압연 조건이 적절한지 여부입니다.
전체적으로 어느 정도 줄였는지뿐만 아니라, 마지막 단계에서 어떻게 마무리했는지도 매우 중요하다.
이 때문에 서로 다른 재단 공장들이 동일한 원강선을 사용하더라도, 최종 제품의 냉단 성능은 여전히 차이를 보일 수 있는 것입니다.
삼、강선도 하중 방향을 ‘기억’한다
인발 시 강선은 주로 앞쪽으로 늘어납니다.
냉단 작업에서는 재료가 다시 압축되며 머리 부분과 주변으로 흐르게 됩니다.
즉, 재료는 막 ‘인장’을 경험한 뒤 곧바로 ‘압축’을 견뎌야 합니다.
금속이 한 방향으로 변형된 후 반대 방향으로 하중을 받으면, 초기 변형 상태가 달라질 수 있습니다. 공학적으로 이러한 현상을 바싱거 효과라고 부릅니다.
간단히 말하면:
강선은 이전에 어떻게 인장되었는지 기억합니다.
인발 이후 재료의 인장강도는 높아졌지만, 이는 냉단 압축 방향에서의 변형 저항력이 반드시 같은 비율로 증가했음을 의미하지는 않습니다.
따라서 인발 후 재료를 평가할 때는 인장강도와 경도만 살피는 데 그치지 않고, 앞으로 어떤 방향의 변형을 견뎌야 하는지도 함께 고려해야 합니다.
사、인발 후의 ‘경화’와 ‘방향 기억’은 동시에 존재한다
인발 후에는 일반적으로 재료가 단단해집니다. 이를 가공경화라고 합니다.
그러나 재료가 인장에서 압축으로 전환될 때는 바싱거 효과의 영향을 받습니다.
이 두 가지 작용은 동시에 나타납니다:
- 인발 변형이 클수록 재료의 추가 변형 저항력은 일반적으로 커집니다.
- 하중 방향이 바뀌면 재료는 오히려 더 일찍 압축 변형을 시작할 수 있습니다.
초기 단계에서는 어느 쪽의 영향이 더 두드러지고, 추가 변형이 진행되면 어느 쪽이 주도적인지는 재료의 종류, 원래 상태, 그리고 인발량에 따라 달라집니다.
따라서 단순히 “인발을 덜 할수록 좋다”고 말할 수도 없고, “바싱거 효과를 이용해 인발을 더 많이 하면 좋다”고도 할 수 없습니다.
정작 필요한 것은 적절한 범위입니다.
하지만 이 범위는 모든 등급, 모든 규격, 모든 제품마다 동일하지 않습니다.
오、왜 베이나이트 비조질강이 더욱 주목받는가?
일부 베이나이트 계열 및 고강도 비조질강은 인발 후 ‘인장’에서 냉단 ‘압축’으로 전환될 때 바싱거 효과가 특히 두드러지게 나타납니다.
이들 재료는 본래 강도가 높습니다. 인발을 거친 후에도 인장강도는 계속 상승하지만, 냉단 시 압축 변형 저항력은 반드시 같은 비율로 증가하지 않을 수 있습니다.
이는 베이나이트 비조질강이 냉간 강화 및 냉단 성형 공정에서 각별히 주목받는 이유이기도 합니다.
따라서 이들 재료를 평가할 때는 인발 후의 인장강도와 경도만 보는 데 그치지 않고, 인발량, 생산 시점, 실제 냉단 공정에서의 성능까지 종합적으로 분석해야 합니다.
육、왜 재료를 일정 기간 보관한 후에도 성능이 변할까요?
일부 재료는 인발 작업을 마친 직후 사용하면 생산에 문제가 없지만, 일정 기간 보관한 뒤 다시 사용하면 성능이 달라지는 경우가 있습니다.
그 이유는 강선이 인발을 완료한 직후에는 내부 상태가 즉시 안정되지 않을 수 있기 때문입니다.
보관 시간과 온도 변화에 따라 재료의 강도와 이후의 변형 상태가 계속 조정될 가능성이 있습니다.
따라서 두 배치의 재료를 비교할 때는 등급과 검사 보고서를 확인하는 것 외에도 다음 사항들을 반드시 점검해야 합니다:
- 두 배치의 재료가 언제 인발되었는지;
- 인발 이후 얼마나 오래 보관되었는지;
- 보관 환경에 뚜렷한 차이가 있는지.
이러한 정보들은 겉보기에는 평범해 보이지만, 때로는 문제의 원인을 파악하는 데 중요한 단서가 됩니다.
칠、문제가 발생했을 때 무엇을 비교해야 할까요?
동일한 등급과 규격의 재료들이 냉단 성형 시 서로 다른 성능을 보인다면, 우선 다음과 같은 정보들을 비교해 보는 것이 좋습니다:
- 인발 전의 규격;
- 인발 후의 규격;
- 중간에 몇 번이나 인발 공정을 거쳤는지;
- 마지막 단계의 인발량이 동일한지;
- 두 배치 재료의 생산 설비와 개조 시점;
- 인발 후 각각 얼마나 오래 보관되었는지;
- 냉단 이상 현상이 개조 배치에 따라 변하는지 여부.
만약 개조 배치를 변경한 후 이상 현상도 함께 변화하고, 냉단 장비나 금형, 제품에는 아무런 변화가 없다면, 두 배치 재료의 인발 공정을 집중적으로 점검해야 합니다.
하지만 단순히 일부 매개변수가 다르다는 사실만으로는 섣불리 결론을 내릴 수 없습니다.
진정한 판단은 인발 공정의 변화가 재료의 물성 및 냉단 성형 시 이상 현상과 어떻게 연관되는지를 확인하는 데 달려 있습니다.
엔지니어의 견해
인발 공정은 단순히 강선을 굵은 규격에서 가는 규격으로 줄이는 과정이 아닙니다.
이 공정은 재료의 강도와 이후의 변형 능력, 그리고 ‘인장’에서 ‘압축’으로 상태가 전환될 때의 반응까지도 변화시킵니다.
원재료는 기본적인 특성을 결정하고, 인발 공정은 재료가 최종적으로 어떤 상태로 냉단 성형기에 들어가는지를 좌우합니다.
따라서 동일한 등급과 규격의 재료라도 잘 성형되는 것도 있고, 그렇지 않은 것도 있는데, 이는 반드시 재질 증명서에만 문제가 있는 것은 아니며, 인발 공정 속에 숨어 있을 가능성도 있습니다.
여러분도 동일한 등급과 규격의 재료들이 냉단 성형 시 일관되지 않은 성능을 보인다면, 해당 재료의 등급, 인발 전후 규격, 인발 횟수, 생산 일자, 그리고 이상이 발생한 제품 사진 등을 저에게 보내 주십시오.
저는 먼저 원재료, 인발·개조 공정, 또는 냉단 공정 중 어느 쪽부터 점검을 시작해야 하는지 도와드리겠습니다.
다음 회 예고
제7장: “표면에 분말 비누화 처리가 분명히 되어 있는데도 왜 냉단 성형 시 문제가 발생할까요?”
다음 장에서는 재료 표면이 ‘막이 있는 것처럼 보이더라도’ 그것이 냉단 변형 과정에서 항상 충분한 윤활 보호를 제공한다는 의미는 아니라는 점을 중점적으로 다룹니다.