가스텅스텐아크용접기능사 기능성 재료 — 마르에이징·연자성 퍼멀로이·형상기억

마르에이징강은 '마텐자이트'와 '시효경화'를 합친 이름의 강이다. 저탄소 마텐자이트 조직을 만든 뒤 시효 처리로 금속간 화합물을 석출시켜 초고장력을 얻는다. 니켈을 약 18~25% 함유하고 탄소가 매우 적어 인장강도 1370~2060MPa의 초고장력에도 인성이 뛰어나다. Cr18%-Ni8%는 오스테나이트계 스테인리스강, 13%Cr강은 마텐자이트계, Cr12~17%는 페라이트계 스테인리스강이라 초고장력강과 구분한다.

자성 재료는 자화가 잘 유지되어 영구자석으로 쓰이는 경자성 재료와, 쉽게 자화되었다가 쉽게 소자화되어 철심으로 쓰이는 연자성 재료로 나뉜다. 연자성 재료의 조건은 투자율이 크고 보자력이 작은 것이며, 니켈-철 합금인 퍼멀로이가 대표적이다. 퍼멀로이는 투자율이 매우 크고 보자력이 작아 변압기와 통신기기 철심에 쓰인다. 페라이트 자석, 알니코 자석, 네오디뮴 자석은 모두 자화가 잘 유지되는 영구자석, 즉 경자성 재료다.

알니코는 철에 알루미늄·니켈·코발트를 첨가한 영구자석 합금이다. 잔류 자속밀도와 보자력이 모두 커서 전화기·계기·스피커에 쓰인다. 퍼멀로이와 센더스트는 연자성 철심재료, 페라이트는 산화물계 자석이라 알니코와 구분한다.

형상기억합금은 저온 마텐자이트 상태에서 외력으로 변형되어도 변태점 이상으로 가열하면 오스테나이트로 역변태하며 원래 형상으로 복원된다. 이 가역적인 마텐자이트 변태가 형상기억효과의 원리이고, 대표 합금은 Ni-Ti계(니티놀)다. 잠수함·우주선처럼 사람이 직접 작업하기 어려운 극한 환경에서는 파이프 이음쇠(커플링)를 저온에서 벌려 끼운 뒤 온도가 오르면 스스로 조여 붙게 하는 데 이 성질을 쓴다. 펄라이트는 공석변태의 산물, 레데뷰라이트는 공정반응의 산물이라 형상기억과 무관하다.

클래드 합금은 두 종류 이상의 금속 판을 겹쳐 붙여 양쪽 특성을 동시에 얻는 복합 금속이다. 압연이나 폭발접합으로 접합하고, 열팽창이 다른 두 금속을 붙여 온도 변화에 따라 휘어지게 만든 바이메탈이 대표적인 응용이다. 형상기억합금은 가열하면 원래 모양으로 돌아오고, 제진합금은 진동을 흡수하며, 비정질합금은 원자 배열이 불규칙한 금속유리라 각각 기능이 다르다.

고장력강은 보통강에 합금원소를 넣어 인장강도를 높인 강이다. 망간·규소를 넣은 강, 몰리브덴 함유강, 인을 소량 넣은 강이 대표적인 용접용 고장력강 계열이다. 반면 주강은 녹인 강을 거푸집에 부어 만든 강이라는 뜻으로 성분 계열이 아니라 만드는 방식에 따른 분류이므로 고장력강의 한 종류로 보지 않는다.

고장력강 용접의 핵심은 수소 균열(저온 균열)을 막는 것이다. 수소가 적은 저수소계 용접봉을 쓰고, 녹·기름·수분을 미리 청소하며, 위빙 폭을 크게 하지 않고, 아크는 가능한 짧게 유지한다. 아크를 길게 하면 공기 중의 수소와 질소가 용접 금속에 흡수되어 균열과 기공을 일으키고 아크도 불안정해지므로, '아크 길이를 길게 유지한다'는 올바른 주의사항이 아니다. 고장력강은 연강보다 강도가 높아 같은 강도에서 판을 얇게 할 수 있지만, 용접성은 나빠 기량에 따라 품질 편차가 커진다.