냉단 작업 현장에서 머리 부분이나 플랜지 가장자리, 또는 R각에 균열이 발견되면 많은 사람들의 첫 반응은 재료나 냉단 금형을 점검하는 것입니다.
하지만 완제품에서 결함이 보이는 위치는 종종 결함이 최종적으로 드러난 곳일 뿐, 그것이 반드시 처음 형성된 위치는 아닙니다.
일부 결함은 연주와 압연 과정에서 발생하며, 또 일부는 운송 및 하역 과정에서 생기기도 하고, 몇몇은 산세척, 인발, 선로 통과, 공급 및 절단 공정 중 추가되기도 합니다.
표면 결함은 상류 공정에서 유전될 수도 있고, 중간 공정에서 새롭게 발생할 수도 있습니다. 냉단 가공은 결함의 형태를 변화시킬 뿐, 이미 손상된 재료의 연속성을 회복할 수는 없습니다.
결함 경로: 연주 빌렛 → 압연 선재 → 운송 및 하역 → 산세척 및 개조 → 인발 및 선로 통과 → 냉단 성형
1. 연주 단계: 결함은 빌렛 표면 아래에서부터 시작될 수 있다
빌렛은 와이어로드의 출발점이다. 이상 진동자국, 피하 기공, 슬래그 혼입, 흠집 및 오목홈 등은 모두 이후 표면 결함의 원인이 될 수 있다.
그림 1 연주 빌렛의 이상 진동자국. 정상적인 얕은 진동자국은 곧 결함을 의미하지 않는다. 다만 진동자국이 비정상적으로 깊어지거나 그 밑부분에 균열이나 슬래그 혼입이 동반될 경우, 이후의 위험성이 현저히 증가한다.
그림 2 연마 후 드러난 피하 기공. 압연 후 기공은 눌려 닫힐 수도 있고, 압연 방향을 따라 길게 늘어질 수도 있다. 내벽의 산화 여부에 따라 이후의 안정적 용합 가능성도 달라진다.
강괴의 균열은 선재의 세로 방향 균열로 발전할 수 있으며, 결과개재물는 눌려 얇아지고 길게 늘어질 수 있다. 또한 피하 기공도 끊어진 선상의 이상으로 나타날 수 있다.
압연 과정 자체에서도 결함이 발생할 수 있다. 형구 충전이나 가이드 장치, 롤 갭 상태가 비정상일 경우 귀자이어즈가 생길 수 있고, 이 귀자가 후속 형구에서 재료 표면으로 다시 눌려 들어가면 접힘결함을 유발한다. 산화피나 이물질이 소재 본체에 밀려 들어가면 국부적인 불연속 부위가 남기도 한다.
그림 6 접힘결함의 횡단면. 표층 금속이 혀 모양으로 말려 들어가 있으며, 경계면에서는 확실한 결합이 이루어지지 않았다. 표면이 일시적으로 닫혀 있다고 해서 내부 결함까지 사라진 것은 아니다.
그림 7 선재 표면의 결과. 일반적인 스크래치와 비교했을 때, 결과에는 흔히 조각 같은 부착물이나 국소적인 들뜸 또는 탈락 흔적이 보인다.
그림 8 선재 표면 균열의 횡단면. 그림에서 보이는 균열은 표면에서 심부로 연장되고 있다. 산화, 탈탄 또는 이상 조직이 동반되었는지는 추가 분석이 필요하다.
접힘과 균열은 외관상 유사해 보일 수 있지만, 형성 메커니즘은 서로 다르다. 접힘은 일부 금속이 말려 들어간 채로 확실한 결합이 이루어지지 않은 상태이며, 균열은 이미 재료 본체의 연속성이 끊어진 상태이다. 두 결함의 원인 추적 방향은 단순히 혼동되어서는 안 된다.
3. 운송 및 환적: 충돌·마찰로 인한 손상이 균열의 시발점이 될 수도 있다
코일은 호이스트 작업, 코일 낙하, 적재 및 운송 과정에서 충돌하거나 견인되거나 서로 마찰을 일으켜 찰과상, 압흔, 금속 주름 등을 생성할 수 있다. 이러한 손상은 대개 국소적이고 무작위로 발생하며, 코일의 외주나 크레인 접촉 부위에 집중되는 경향이 있다.
그림 9 운송 또는 환적 과정에서 발생한 충돌·마찰 손상. 손상의 방향과 위치는 일반적으로 일정하지 않으며, 와이어 드로잉 다이로 인해 생기는 연속적인 세로 방향의 긁힘과는 차이가 있다.
일반 변형률 제품의 경우, 경미한 손상이 반드시 즉각적인 이상을 초래하는 것은 아니다. 그러나 고변형률 제품이나 복잡한 헤드 형상, 혹은 박형 플랜지 제품 등으로 넘어가면 손상 부위가 응력 집중점을 형성하여 냉단냉간단조 공정 중에 더욱 크게 부각될 수 있다.
4. 산세정 단계: 결함을 드러내기도 하고 잠재적 위험을 남기기도 한다
산세정으로 산화피막이 제거되면, 기존에 덮여 있던 균열, 접힘, 결상 및 함몰부가 점차 나타나게 됩니다. 따라서 산세정 후 결함이 발견된다고 해서 반드시 그 결함이 산세정 공정에서 발생한 것은 아닙니다.
만약 산화피막이 완전히 제거되지 않으면, 남아 있는 산화물이 인산염 피막의 균일한 형성을 방해하고, 인발 과정 중 파쇄되거나 탈락하거나 강선 표면에 밀착될 수 있습니다.
그림 10 산세정 후 산화피막 잔류. 짙은 색의 세로 줄무늬는 접힘 또는 균열 내부에 남아 있는 산화물과 구분해야 하며, 단순히 색상만으로 판단해서는 안 됩니다.
산세정 조건이 적절하지 않으면 점식 부식과 표면 거칠기가 발생할 수도 있습니다. 이러한 문제가 원래부터 존재하던 결함이 드러난 것인지, 아니면 산세정 공정에서 새로 생긴 것인지는 산세정 전후의 시편을 보관하여 비교 분석해야 합니다.
5. 개조 인발: 종방향 인장 손상은 간과되기 쉬운 신규 결함이다
개조 공정은 단순히 재료의 치수를 변경하는 것뿐만 아니라, 강선 표면을 직접 손상시킬 수도 있습니다.
인발 다이의 마모, 다이 홀 내 산화피막이나 금속 칩의 혼입, 윤활막의 일시적 성능 저하, 그리고 과선 휠과 가이드 부분의 모서리나 비정상적인 접촉 등은 연속적이거나 간헐적인 종방향 인장 손상을 유발할 수 있습니다.
그림 11 개조 인발로 인한 국소적 인장 손상. 결함은 강선의 길이 방향으로 분포하며, 홈, 금속의 들뜸 또는 국소적 벗겨짐 현상이 동반됩니다.
단거리에서 간헐적으로 발생하는 인장 손상은 경질 이물질, 순간적인 점착, 국소적 접촉 등을 주의 깊게 살펴봐야 합니다. 반면, 긴 거리에 걸쳐 연속적으로 나타나고 원주 방향의 위치가 비교적 고정되어 있다면, 인발 다이, 가이드 휠 및 과선 지점을 집중적으로 점검해야 합니다.
그러나 종방향 자국이 반드시 인발 과정에서 발생한 것은 아닙니다. 압연 과정에서 생긴 균열, 접힘, 그리고 산화피막 잔류 등이 인발을 거치면서 유사한 형태로 나타날 수도 있습니다. 진정으로 확인해야 할 사항은 결함이 인발 공정에 들어가기 전부터 이미 존재했는지, 아니면 특정 다이 또는 과선 지점 이후에 처음 나타나기 시작한 것인지 입니다.
본 장에서는 인발로 인한 표면 손상만을 논의합니다. 감면율, 인발 단수 및 가공경화가 냉단성능에 미치는 영향은 제6장에서 별도로 다루겠습니다.
6. 냉단 공정 전단계: 마지막 단계에서 발생한 신규 결함은 종종 간과된다
재료가 냉단기로 들어간 후 본격적인 성형이 이루어지기 전에도 여전히 새로운 표면 손상이 발생할 수 있습니다. 과선 휠, 직선기 및 공급장치가 강선을 긁어 상처를 낼 수 있으며, 절단 칼이나 절단 다이의 마모, 모서리 파손, 버 등으로 인해 블랭크의 단면이나 측면이 손상될 가능성도 있습니다.
결함이 항상 일정한 방향과 위치에서만 나타나거나, 과선 휠이나 절단 칼을 교체한 후 명확하게 변화한다면, 재질 증명서와 원래의 선재만을 다시 검토해서는 안 됩니다.
7. 왜 결함은 최종 제품까지 ‘유전’되는가?
인발 공정에서는 재료가 길이 방향으로 연신되고, 냉단 공정에서는 축방향 압축과 반경방향 유동이 발생한다. 기존의 결함은 길게 늘어나거나 좁아지며 일시적으로 닫힐 수도 있고, 재료의 유동에 따라 머리부, 플랜지 또는 R각으로 이동하여 높은 변형 구역에서 다시 열릴 수 있다.
그림 12 냉단 완제품 플랜지 가장자리 균열. 사진은 결함이 최종적으로 드러난 위치를 보여주며, 외관만으로 결함이 반드시 재료에서 비롯되었다고 단정할 수는 없다.
선재 상의 종방향 결함은 완제품에 도달한 후에도 원래의 직선 형태를 유지하지 않을 수 있다. 이는 머리부 가장자리 균열, 플랜지 접힘, R각 균열 또는 국부적인 함몰로 나타날 수 있으며, 구체적인 위치는 제품 구조, 절단 방향 및 재료의 유동 경로와 밀접한 관련이 있다.
결함은 완제품에 단순히 복사되는 것이 아니라, 각 공정을 거치면서 형태를 변화시키며 계속 존재한다.
8. 결함의 원천을 판단하는 핵심은 ‘처음 등장한 시점’을 찾는 것이다
최종 균열 부위만 검사하는 것으로는 결함이 어느 공정에서 비롯되었는지 파악하기 어렵다. 보다 효과적인 조사는 스틸 빔, 코일 선재, 산세 후 재료, 인발 반제품, 냉단 블랭크, 그리고 완제품에 이르기까지 샘플 체인을 구성해 결함이 처음 나타난 공정을 찾아내는 것이다.
불규칙성이 코일의 특정 구간에 집중되어 있는가, 아니면 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 나타나는가? 결함의 방향과 원주상 위치는 일정한가? 금형, 가이드 휠, 절단 칼 등을 교체한 이후에도 동일한가? 균열 내부에 산화, 탈탄 또는 이상한 금속 흐름 패턴이 존재하는가? 이러한 요소들은 문제 규명의 방향을 제시하겠지만, 공정 기록과 분리해서는 의미 있는 판단을 내리기 어렵다.
엔지니어의 견해
표면 결함은 연주, 압연, 운송, 산세 및 개조 인발 과정에서 발생할 수 있으며, 냉단 기계의 가이드, 공급 및 절단 공정에서도 생길 수 있다.
완제품의 어느 부분에서 균열이 발생했는지가 곧 결함이 형성된 위치를 의미하지 않는다.
완제품의 결함은 결과일 뿐이며, 결함이 처음 나타난 공정을 찾아야만 진정한 시작점을 확인할 수 있다.
결함 추적의 목적은 책임 소재를 먼저 가리는 것이 아니라, 공정 전반에 걸친 증거 체인을 완벽히 구축하는 데 있다.
코일 표면의 결절, 종방향 긁힘, 접힘 또는 냉단 중 간헐적 균열 현상을 경험하고 계신다면, 재료의 등급·규격, 결함 사진, 결함이 발견된 작업 위치, 이상 현상의 분포 양상을 저에게 보내주시기 바랍니다. 우선 철강공장의 원료, 운송 보호 상태, 산세 및 개조 인발, 혹은 냉단 설비 측면 중 어디부터 점검을 시작해야 할지 함께 판단해 드리겠습니다.
다음 회 예고
6장: 같은 재료라도 인발 후 냉단 성능이 서로 다른 이유
다음 장에서는 감면율, 인발 단수 및 가공 경화가 재료가 냉단기에 들어갈 때의 실제 상태를 어떻게 변화시키는지 자세히 살펴본다.