가스텅스텐아크용접기능사 신에너지 재료 — 섬유강화금속·형상기억 커플링·마르에이징

섬유강화금속(FRM)은 가볍고 튼튼한 재료를 만들기 위해 금속 바탕에 강한 섬유를 넣은 복합재료다. 콘크리트에 철근을 넣듯 섬유가 금속을 보강해 준다. 강화섬유는 두 갈래로 나뉘는데, 텅스텐·티타늄·베릴륨·칼륨처럼 금속 원소로 만든 것이 금속계 섬유이고, 탄화규소(SiC)와 알루미나(Al2O3)처럼 탄화물·산화물 화합물, 즉 세라믹으로 만든 것이 비금속계 섬유다. 기호가 금속 원소인지 세라믹 화합물인지 가려내면 두 갈래가 갈린다.

섬유를 감싸고 지지하는 금속을 기지 금속이라고 한다. 기지 금속은 가볍고 강도 대비 무게가 우수해야 하므로 비중이 약 2.7인 알루미늄이 가장 많이 쓰이고, 마그네슘과 티타늄도 사용된다. 나트륨은 물과 격렬하게 반응하는 활성 금속이라 기지 금속으로 부적합하고, 철(약 7.9)과 코발트(약 8.9)는 무거워 '비중 2.7' 조건에 맞지 않는다. 경금속 비중은 알루미늄 약 2.7, 마그네슘 약 1.7, 티타늄 약 4.5로 묶어 기억한다.

형상기억합금은 특정 온도(변태점) 이하에서 외력으로 구부러뜨려 다른 모양을 만들어도 다시 변태점 이상으로 가열하면 스스로 원래 모양으로 되돌아간다. 접힌 안경테가 따뜻해지면 펴지는 것과 같다. 이 현상은 금속 내부 구조가 온도에 따라 가역적으로 바뀌는 마텐자이트 변태를 이용한 것이며, 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 쓴다. 초전도 합금은 전기저항이 0이 되는 재료, 수소 저장 합금은 수소를 흡수·방출하는 재료, 아모퍼스 합금은 원자 배열이 불규칙한 비정질 재료라 용도가 다르다.

마르에이징강은 마텐자이트 조직에 시효 처리를 더해 석출경화로 강도를 끌어올린 강이다. 니켈을 약 18~25% 함유하고 탄소가 매우 적어 인장강도 1370~2060MPa의 초고장력에도 인성이 뛰어나다. Cr18%-Ni8%의 오스테나이트계, 13%Cr의 마텐자이트계, Cr12~17%의 페라이트계 스테인리스강은 통상적인 강도 범주라 마르에이징강과 구분한다.

자성 재료는 자화가 잘 유지되는 경자성 재료와 쉽게 자화되고 쉽게 소자화되는 연자성 재료로 나뉜다. 연자성 재료는 투자율이 크고 보자력이 작아 변압기·전동기·통신기기 철심에 쓰이며, 니켈-철 합금인 퍼멀로이가 대표적이다. 페라이트 자석, 알니코 자석, 네오디뮴 자석은 모두 영구자석, 즉 경자성 재료다.

고장력강은 연강보다 항복점과 인장강도가 높아 같은 강도를 내는 데 필요한 판 두께를 얇게 할 수 있다. 그 결과 구조물 전체 강재 무게가 줄고 부피가 작아져 취급과 가공도 편해지며, 하중이 경감되어 기초공사에도 유리하다. 그러나 강도가 높은 만큼 합금 원소가 많아 용접 열영향부가 경화되어 균열이 생기기 쉽고, 예열·저수소 용접봉·후열처리 같은 관리가 필요하다. 결국 용접공의 기량에 따라 품질 편차가 커지므로 '기량에 관계없이 품질이 일정하다'는 것은 장점이 아니다.

고장력강 용접에서는 수소가 들어가지 않도록 막는 것이 핵심이다. 저수소계 용접봉을 쓰고, 용접 전 이음부를 청소하며, 위빙 폭을 크게 하지 않고, 아크는 가능한 짧게 유지한다. 아크를 길게 치면 공기 중 수분이 아크 속으로 많이 들어와 수소가 용접부에 흡수되고 아크도 불안정해져 결함이 생긴다. 용접용 고장력강에는 망간·실리콘 첨가강, 몰리브덴 함유강, 인 함유강이 속하지만, 주강은 주조라는 제조법에 따른 분류이므로 고장력강 계열이 아니다.