개념 한 쪽
재료의 명칭과 실제 성분, 공정에서의 역할, 그리고 가공·열처리·치공구 선정은 설비 제작과 성능에 직접 영향을 준다. 문제에서는 명칭과 성분 대응, 주조 및 표면경화 목적, 가공력·회전수 계산, 열처리 온도대 구분 등 재료와 공정의 기초 지식을 묻는다.
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출제기준 단원 「비금속재료의 종류, 용도 및특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 재료 조성 구별 | 1 | 명칭과 실제 주성분을 연결하는 지식 |
| 주조 공정 장치 목적 | 1 | 리저의 설치 목적과 역할 판단 |
| 전단 가공력 계산 | 1 | 전단 면적 공식을 사용한 펀치 힘 계산 |
재료 명칭은 외형이나 전통적 명칭이 실제 조성과 다를 수 있으므로 명칭과 성분을 정확히 구분해야 한다. 예를 들어 양은이라는 이름에는 '은'이 포함되어 있지만, 실제 성분은 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 동합금이라는 점을 기억해야 한다. 명칭의 어근으로 바로 성분을 판단하면 오답을 만들기 쉽다.
주조 공정에서는 응고 시 생기는 수축을 보완하기 위해 리저를 설치하는데, 이 장치는 응고 과정에서 줄어드는 체적을 보충하고 주형 안의 용탕에 압력을 가해 수축공 생성을 억제하는 역할을 한다. 모형(pattern)의 분류 기준을 묻는 문제에서는 '구조에 따른 분류'인지 '재질에 따른 분류'인지 기준을 정확히 파악해야 한다. 목형은 재질 분류에 속하므로 구조 분류 문항에서는 제외 대상이 된다.
가공·절단과 관련된 계산은 대응 공식을 먼저 세우는 것이 핵심이다. 전단 가공에서 펀치에 필요한 힘은 전단 면적(π × 지름 × 두께)과 최대 전단 응력의 곱으로 산출한다. 절삭속도와 회전수 관계에서도 V = πDN/1000 공식을 사용하여 회전수를 구하며, 단위 변환 계수(1000)를 잊지 않아야 한다.
열처리와 표면경화 방법도 조건에 따라 명칭이 달라진다. Ms점 이하에서 항온한 뒤 공랭하여 마텐자이트와 베이나이트 혼합조직을 얻는 공정은 마템퍼링으로 구분하고, 시안염(KCN, NaCN) 용액에 침지하여 표면을 경화시키는 방법은 청화법(시안화법)으로 부른다. 또한 열간가공은 재결정온도 이상에서 수행하여 변형 경화를 방지하고 연성을 유지하는 공정이라는 점을 기준으로 삼는다.
측정기구와 성형 거동 이해도 중요하다. 예컨대 사인바는 삼각함수 원리를 이용해 각도를 측정하며, 정밀 측정을 위해 하이트 게이지 등으로 기준면을 보정해야 한다. 굽힘 가공에서는 판 두께가 증가하면 강성이 커져 스프링 백이 줄어드는 경향이 있으므로 치수와 형상 설계 시 반영해야 한다.
1) 전단 가공력 계산 사례 강판 두께 t = 2 mm, 최대 전단 응력 τ = 45 kgf/mm², 구멍 지름 d = 24 mm 일 때 펀치에 작용하는 힘 F는 전단 면적 A = π d t 이므로 F = A τ = π × 24 × 2 × 45 ≈ 6786 kgf 라고 계산한다. 전단 면적은 원주 길이에 두께를 곱한 값임을 확인하고, π 값과 단위가 올바르게 적용되었는지 점검한다.
2) 절삭속도-회전수 계산 사례 밀링커터 지름 D = 50 mm, 절삭속도 V = 60 m/min 인 경우 회전수 N은 N = (V × 1000) / (π × D) 공식을 사용하여 N = (60 × 1000) / (π × 50) ≈ 382 rpm 으로 산출한다. 단위 변환 계수 1000의 적용과 π의 근삿값 사용을 잊지 않는다.
프레스용 및 가정용 기구를 만드는 데 사용되는 양은(洋銀)은 은백색(銀白色)의 금속이다. 그 성분은?
정답 ③ · 양은(洋銀)의 성분 조성을 묻는 문제이다. 양은은 은백색을 띠는 동합금으로, 구리(Cu)와 아연(Zn)으로 이루어진 황동에 니켈(Ni)을 첨가하여 은과 비슷한 색을 내도록 만든 합금이다.
양은(洋銀, German Silver)은 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 은백색의 동합금이다.
주조에서 라이저(riser)의 설치 목적으로 가장 적합한 것은?
정답 ② · 주조 과정에서 용융금속이 응고할 때 부피가 수축하는 현상이 발생합니다. 이를 보완하기 위해 주형 내부에 라이저(riser)를 설치하여 주물이 완전히 응고될 때까지 추가적인 쇳물을 공급해주는 역할을 하게 됩니다.
라이저는 용융금속 응고 시 부피 수축을 보충하기 위해 압력을 가하는 역할을 합니다.
강판의 두께가 2mm, 최대 전단 응력이 45 kgf/mm² 인 재료에 지름이 24mm인 구머을 뚫을 때 펀치에 작용되어야 하는 힘은?
정답 ③ · 펀치 가공에서 펀치에 작용하는 전단 저항력(힘)은 전단되는 면적과 재료의 최대 전단 응력의 곱으로 계산됩니다. 전단 면적 A는 원주 형태로 A = π × d × t 가 됩니다.
펀치 힘은 전단 면적(π×지름×두께)에 최대 전단 응력을 곱한 값으로, F = πdtτ 공식을 사용하여 계산한다.
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