가스텅스텐아크용접기능사 고강도 재료 — 고장력강·클래드·형상기억·섬유강화

고장력강은 연강보다 항복점과 인장강도가 훨씬 높은 강재다. 같은 하중을 지탱하는 데 더 얇은 판으로 충분하므로 소요 강재의 중량이 크게 줄고, 구조물이 가벼워지면 하중이 경감되어 기초공사에도 유리하며 부피가 작아져 취급과 가공도 편해진다. 따라서 '동일한 강도에서 판 두께를 두껍게 할 수 있다'는 설명은 경량화와 정반대이므로 고장력강의 장점이 아니다.

고장력강은 강도가 높은 대신 합금 원소가 많아 용접성이 나빠진다. 용접 열영향부(HAZ)가 급랭 경화되어 마텐자이트가 생기면 저온균열이 발생하기 쉽기 때문이다. 그래서 탄소 함량을 낮추어 탄소당량을 줄이고, 줄어든 강도는 망간·규소 같은 원소로 보충한다. 현장에서는 예열, 저수소 용접봉, 후열처리 같은 관리가 필요하고 용접공의 기량에 따라 품질 편차가 커지므로 '기량에 관계없이 품질이 일정하다'는 것도 장점이 아니다.

클래드 합금은 서로 다른 금속 판을 겹겹이 붙여 두 금속의 장점을 한꺼번에 얻는 복합 금속이다. 압연이나 폭발접합 등으로 접합하며, 열팽창이 다른 두 금속을 붙여 온도 변화에 따라 휘어지게 만든 바이메탈이 대표적인 응용이다. 바이메탈은 온도계나 스위치처럼 온도에 따라 접점이 움직여야 하는 곳에 쓰인다. 형상기억합금은 가열하면 원래 모양으로 돌아오는 재료, 제진합금은 진동을 흡수하는 재료, 비정질합금은 원자 배열이 불규칙한 재료라 클래드와 구분한다.

알니코는 철에 알루미늄·니켈·코발트를 첨가한 합금으로, 이름 자체가 세 원소의 기호를 딴 것이다. 잔류 자속밀도가 크고 보자력이 우수해 전화기·계기·스피커 등에 쓰이는 강력한 영구자석이다. 퍼멀로이와 센더스트는 자기가 잘 통하는 연자성 재료(철심용)이고, 페라이트 자석은 산화물계 자석이라 조성과 용도가 다르다.

형상기억합금은 저온에서 마텐자이트 상태가 되고, 이때 외력으로 모양을 바꾸어도 변태점 이상으로 가열하면 오스테나이트로 역변태하면서 원래 형상으로 복원된다. 즉 형상기억효과의 바탕은 가역적인 마텐자이트 변태다. 대표 합금은 Ni-Ti계(니티놀)이며, 안경테·의료용 스텐트·우주항공 부품에 쓰인다. 펄라이트는 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 변하는 공석변태의 산물이고, 레데뷰라이트는 공정반응에서 생기는 주철 조직이라 형상기억과 무관하다.

섬유강화금속(FRM)은 금속 바탕에 강한 섬유를 넣어 강도를 높인 복합재료다. 강화섬유는 금속 원소로 만든 금속계 섬유와 세라믹으로 만든 비금속계 섬유로 나뉜다. 텅스텐·티타늄·베릴륨·칼륨 같은 금속 원소는 금속계에 속하고, 탄화규소(SiC)와 알루미나(Al2O3)는 탄화물·산화물 화합물인 세라믹이므로 비금속계 강화섬유다. 섬유를 감싸고 지지하는 기지 금속은 가볍고 강도 대비 무게가 우수해야 하므로 비중 약 2.7인 알루미늄이 가장 많이 쓰이고, 마그네슘과 티타늄도 쓰인다. 나트륨은 물과 격렬히 반응하는 활성 금속이라 부적합하고, 철과 코발트는 무거워 조건에 맞지 않는다.