굔댕의 대장간

윌슨의 안개상자 실험+영상첨부

굔댕 — Tue, 19 May 2026 16:20:41 +0900

지난 번 안개상자 실험의 영상 자료를 첨부합니다.

30 (W) x 15 (D) x 15 (H) cm 사이즈로 제작하면 이처럼 관측 할 수 있습니다.

방사선 입자 궤적

방사선 관측 대장간 업로드용.mp4

17.31MB

우리 집에서도 방사선이 검출될 까? (윌슨의 안개상자 실험)

굔댕 — Wed, 13 May 2026 00:19:28 +0900

방사능 물질의 방사선 관찰

원자력 공부를 하다 보니까 우리가 일상 속에서도 항상 방사선에 노출되어 있다는 사실을 알게 됐다.

땅이나 흙에서도 나오고, 심지어 비행기를 탈 때 처럼 높은 곳으로 올라가면 우주에서 오는 방사선에도

노출된다.

눈에 보이지도 않는 이 방사선을 직접 확인해 볼 방법이 없을까 고민하다 흥미로운 장치를 찾아냈다!

바로, 윌슨의 안개상자(Cloud Chamber) 실험이다.

이 실험을 직접 해보기로 했다.

'안개상자'는 이름 그대로 상자 안에 안개를 만들어 방사선이 지나간 흔적을 관찰하는 장치.

1927년 노벨 물리학상을 받은 찰스 윌슨이 발명했는데, 원래는 기상 현상을 연구하려다가

우연히 방사선 입자의 궤적을 발견하게 된 거라한다.

찰스 윌슨

윌슨은 실험실에서 공기를 팽창시켜 인공적으로 구름을 만드는 장치를 개발했다. 그런데 실험 중 이상한 현상을 발견해.

먼지가 없는 깨끗한 상태에서도 구름이 형성되는 자리가 존재한 것이었다.

연구 끝에 그는 눈에 보이지 않는 전하를 띤 입자(이온)가 응결핵 역할을 해서 물방울이 맺힌다는 사실을 알아냈다.

즉, 기상 현상을 연구하려고 만든 장치가 사실은 미세한 입자의 궤적을 보여주는 최고의 탐지기가 된 것이다.

부럽다 ㅋㅋ

캐임브리지 캐번디시 연구소에 있는 윌슨의 안개상자

안개상자 속 특정 방사선 조사

아무튼 서론은 이렇고 실험으로 넘어가자.

텍스트로 설명하면 내용이 산만해지니 만들어둔 내용을 기입하겠다.

생각보다 원리는 간단하다.

사실 위 사진만 보면 모든 내용을 이해한거나 다름없다.

방사선 종류와 특징

위 입자들이 만들어낸 궤적을 구분할 수 있는 내용이다.

에너지 손실과 LET

왜 입자에 따라 나타나는 궤적이 다른지에 대한 개념이다. 대강 알고가자.

중요한 조건

실험의 성공을 좌우하는 관찰조건이다. 이점을 반드시 숙지해야 관찰할 수 있다. 헛고생 하지 말고 잘 해보자.

제발 꼭 숙지하자..

자세한 실험이론을 그림과 함께 설명한다.

에너지 손실 및 LET 이론

궤적 차이

자 이제 실제 제작 과정이다.

준비물은: 아크릴 상자, 금속판, 검정 락카, 이소프로필알코올, 테이프, 드라이아이스, 에어캡

제작과정

- 실험 환경 (온도, 습도, 알코올 농도)에 따라 입자 궤적의 선명도는 달라질 수 있다.

안개상자 단면도

궤적 유형

이론 내용에서 다뤘던 모든 궤적이 관찰된다.

직접 실험해볼거면 실험 규모를 최대한 크게 만드는 것을 추천한다. 규모가 작으면 관찰하기 힘들다.

드라이아이스도 다다익선이다.

공부를 마치며

내 두 눈으로 입자마다 각기 다른 흔적을 남긴다는 것을 확인하니 신기하다. 원자력 공부를 하면서 막연하게만 느껴졌던 방사선을

윌슨의 시선으로 바라보니까, 보이지 않는 세계가 조금 더 가깝게 느껴지는 것 같다.

쉽게 따라 할 수 있으니까, 시간이 되면 해보는 것을 추천한다!!

분말야금(PM) 기술 중요성과 미래

굔댕 — Wed, 6 May 2026 14:48:08 +0900

금속 분말을 이용해 정밀한 부품을 만드는 분말야금(Powder Metallurgy)

탄소 중립과 첨단 산업의 솔루션으로 자리 잡은 분말야금의 최신 동향과 원자력, 표면처리, 그리고 다양한 산업 현장에서의 활용 사례를 정리해 봅니다.

금속분말/대영소결금속㈜

1. 분말야금이 다시금 중요해지는 이유 (최신 3년 동향)

최근 3년간(2024~2026) 글로벌 시장 보고서와 연구 자료에 따르면, 분말야금 기술은 다음과 같은 이유로 그 중요성이 커지고 있습니다.

친환경 공정 (Green Technology): 용해 과정 없이 고체 상태에서 확산을 통해 성형하므로 에너지 소비가 적고, 원재료의 95% 이상을 제품화할 수 있어 재료 낭비가 거의 없는 '넷 셰이프(Net Shape)' 공정입니다.
적층 제조(3D 프린팅)와 결합: 2025년을 기점으로 금속 3D 프린팅 기술이 대중화되면서, 고품질 금속 분말 제조 기술이 분말야금 시장의 성장을 견인하고 있습니다.
전기차(EV) 및 항공우주 산업의 경량화: 복잡한 형상의 고강도·경량 부품을 대량 생산할 수 있는 유일한 대안으로 평가.

2. 원자력 산업에서의 분말야금 활용

원자력 발전소와 같은 극한 환경에서는 재료의 조사 안정성과 고온 내구성이 필수적입니다. 이를 해결하기 위해 분말야금 적용.

산화물 분산 강화(ODS) 합금: 금속 기지에 나노미터 크기의 산화물 입자를 균일하게 분산시킨 ODS 합금은 분말야금 공정으로만 제조가 가능합니다. 이는 차세대 원전의 피복재나 구조재로 사용되어 고온 강도를 획기적으로 높입니다.
핵연료 펠렛 및 차폐재: UO2(이산화우라늄)와 같은 핵연료를 일정한 밀도의 펠렛 형태로 제조하거나, 중성자 차폐를 위한 특수 합금을 제조할 때 정밀한 밀도 제어가 가능한 분말야금법이 필수적으로 사용됩니다.
3D 프린팅 기반 원자로 부품: 국내에서도 3D 프린팅용 분말 소재를 개발하여, 복잡한 내부 유로를 가진 원자로 압력용기 부품을 일체형으로 제작하는 연구를 가속화하고 있습니다.

3D프린팅 스테인리스강 캡슐/오크리지 국립연구소(ORNL)

3. 표면처리 기술과의 시너지 효과

분말야금으로 제조된 부품은 특유의 기공(Porosity) 구조를 가집니다. 이를 표면처리 기술과 결합하면 일반적인 가공품에서 얻을 수 없는 특수한 기능을 부여할 수 있습니다.

자기 윤활(Self-lubricating) 기능: 분말야금의 미세한 기공에 윤활유를 침투시키는 함유(Impregnation) 처리를 통해, 별도의 급유 없이도 마찰을 줄이는 기능성 표면을 만듭니다.
내식성 및 내마모성 강화: 소결된 부품 표면에 코팅이나 질화 처리를 할 때, 미세 기공을 통한 표면 반응 면적 증대로 더욱 견고한 보호층을 형성할 수 있습니다.
복합 기능성 코팅: 금속 분말과 세라믹 분말을 혼합하여 표면에 적층하는 기술을 통해, 열차폐나 부식 방지 성능을 극대화한 하이브리드 표면 처리가 가능해졌습니다.

4. 확장되는 산업군별 적용 사례

1) 항공우주 및 국방
초고온 엔진 부품: Ti, Ni 기반의 초내열 합금 분말을 사용하여 항공기 제트 엔진의 터빈 블레이드 등 극한의 열을 견뎌야 하는 핵심 부품을 제작합니다.

2) 모빌리티 및 전기차 (EV)
고효율 모터 코어: 연자성 분말(SMC)을 활용해 복잡한 형상의 모터 코어를 제작합니다. 이는 전기차 모터의 에너지 효율을 높이고 소음을 줄이는 데 결정적인 역할을 합니다.

고강도 기어 및 변속기 부품: 기존 주조나 절삭 가공으로 만들기 어려운 정밀 기어를 소결 공법으로 대량 생산하여 단가는 낮추고 내구성은 높이고 있습니다.

5. 요약

분말 야금의 장점인 에너지 효율성과 소재의 한계 극복이라는 첨단 공법이다.

분말 야금은 탄소중립, 에너지 산업, 우주산업이 주목 받으면서 현재 트렌드와 아주 적합하다.

한 마디로 말해서 막~~ 찍어 낼 수 있다는 것이다.
---

**참고 문헌 및 출처**
*   Global Powder Metallurgy Market Report (2024-2026)
*   Metal Powder Industries Federation (MPIF) Technical Roadmap (2025)
*   Journal of Materials Processing Technology (Recent Studies on PM Applications)

주조공학 2-4

굔댕 — Sun, 18 May 2025 22:01:44 +0900

안녕하세요!

이번에는 칠드주철, 가단주철, 구상흑연주철에 대해서 알아보겠습니다.

칠드주철은 주물 표면을 급속히 냉각시켜 백주철 상태로 만든 주철입니다.

금형과 같은 냉각 속도가 빠른 주형에 용융 주철을 주입하면,

표면의 탄소가 철과 결합해 시멘타이트 형태의 화합 탄소로 존재합니다.

특징:

표면이 매우 단단하고, 취성 높음
파단면은 백색을 띠며, 이러한 조직을 가진 주철을 '칠드주철(chilled cast iron)'

활용: 마모가 심한 부위에 적용되는 칠드롤(Chilled Roll) 등

칠드롤 주물 미세조직

칠드 형성 원리

금형과 같은 빠른 냉각 조건에서, 표면의 탄소가 철과 결합하여 '시멘타이트(Cementite)' 형성
결과적으로 백색 파면, 높은 경도, 높은 취성을 가지는 표면이 형성

칠드 깊이에 영향을 주는 요소

깊이를 증가시키는 원소: Si 감소, Mn, Mo, Cr, Sn, V 첨가
깊이를 감소시키는 원소: C, Cu, Co, Ni, Ti, Al

용도

압연용 롤, 분쇄기용 해머, 공기 해머, 차륜 등
특히 내마멸성이 필요한 기계 부품에 널리 사용됨

칠드 주물에 알맞은 C, Si의 범위

가단주철은 백주철을 고온에서 장시간 열처리하여
시멘타이트를 분해하거나 제거함으로써 **인성(질김)과 연성(늘어남성질)**을 개선한 주철입니다.

특징:

흑연은 '불규칙한 괴상 형태의 '템퍼 탄소(Temper Carbon)'로 존재
이로 인해 강도, 연성, 내식성이 향상됨
주조성과 **절삭성(피삭성)**이 우수하여 대량 생산에 적합

종류 (열처리 방식에 따라 구분)

흑심 가단주철 (Black Heart, BMC)
- 표면은 탈탄, 내부는 흑연화
- 파단면이 검게 보임
백심 가단주철 (White Heart, WMC)
- 파단면이 흰색
펄라이트 가단주철 (Pearlite, PMC)
- 입상 흑연 + 펄라이트 조직
- 일부 탄소가 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 존재

용도

자동차 부품
파이프 이음쇠
방직기계 부품 등

→ 탄소강과 유사한 강도를 가지면서도 주조와 가공이 쉬워
실용성과 경제성을 동시에 갖춘 재료.

가단주철 화학 조성

가단주철의 열처리 원리와 종류

열처리 과정에 따라 가단주철의 조직과 성질이 달라집니다.

가단주철은 산화철(Fe₂O₃)을 첨가해 고온에서 장시간 가열하면서 다음 과정을 거칩니다:

Fe₃C(시멘타이트)를 분해
분해된 탄소는 산화철과 반응하여 탄소가 산화되어 제거
결과적으로 거의 철(Fe)로만 이루어진 부분이 생겨 가단성(연성과 인성)이 향상

가단주철의 종류별 열처리와 특징

백심가단주철 (White Heart Malleable Cast Iron, WMC)
- 산화철 첨가 후 고온에서 장시간 가열해 탄소를 제거하는 것이 목적
- 내부가 시멘타이트와 흑연으로 구성되어 파단면이 백색
- 표면은 주로 페라이트 조직
흑심가단주철 (Black Heart Malleable Cast Iron, BMC)
- Fe₃C의 흑연화가 목적
- 탄소 제거는 주로 표면에서만 반응
- 1단계: 약 850~950℃에서 Fe₃C가 흑연으로 변화
- 2단계: 약 680~730℃에서 펄라이트 내 Fe₃C도 흑연으로 변화
펄라이트가단주철 (Pearlite Malleable Cast Iron, PMC)
- 흑심가단주철에서 2단계 열처리(680~730℃)를 생략한 형태

구상흑연주철은 용해 후 주조 상태에서 '흑연이 구상' 으로 정출되도록 처리한 주철입니다.

배경:

과공정 회주철(탄소 함량 4.3% 이상)에 '세륨(Ce)'을 첨가한 뒤,

Si/Mn/Zr 합금으로 접종하여 주철 중 Ce 함량이 0.2% 이상이 되게 하여 만들기 시작.

이후, 회주철 용탕에 'Mg'을 첨가한 뒤, Fe/Si으로 접종해 Mg 함량을 0.04% 이상 포함하도록 하는 방법이 발표되어

공업적으로 더 쉽고 경제적이어서 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다.

특징:

구상흑연 덕분에 더욱 강하고 연성이 좋아짐
제조 방법과 기계적 성질이 뛰어나 산업용 재료로 폭넓게 활용

용도:

대형 주철관, 자동차 부품, 크랭크 축

구상흑연주철 주요 조직 유형

페라이트형
- 연성과 인성이 뛰어남
- 주로 충격에 강하고 가공성이 좋음
펄라이트형
- 경도와 강도가 높음
- 내마모성과 내열성이 우수
시멘타이트형
- 매우 단단하지만 **취성(깨지기 쉬움)**이 큼
- 일반적으로 기계 가공에는 부적합

조직에 영향을 주는 요소

냉각 속도가 빠르면 시멘타이트 조직이 생기기 쉽다.

흑연화제를 많이 넣더라도, 냉각이 빠르면 시멘타이트가 많이 형성되어
기계적 성질이 나빠질 수 있다.

구상흑연주철은 조직 구성에 따라 기계적 성질이 결정되기 때문에,
용도에 맞는 조직 설계와 열처리가 매우 중요합니다.

구상흑연주철의 기본 조직

구상흑연주철은 일반적으로 큐폴라 또는 전기로에서 용해한 후,
주입 직전에 특수 원소를 첨가해 흑연을 구상화시켜 만듭니다.

구상화 처리에 사용되는 원소

Mg 합금 (예: Fe/Si/Mg), 세륨(Ce), Ca

이들 원소는 주철 내 흑연이 둥근 구형으로 정출되도록 도와줍니다.

밑은 KS규격의 화학조성표

KS규격의 화학조성표

주조공학 2-3

굔댕 — Sun, 18 May 2025 20:06:40 +0900

안녕하세요! 5월이 찾아와 이제 여름이 시작하네요

이번에는 지난번 주철의 특성을 이어서 살펴보겠습니다.

주철의 개요 및 분류

주철은 일반적으로 회주철을 의미하며, 주조성이 우수하고 가격이 저렴해

기계 구조물, 부품, 가정용 기기, 건설 설비 재료 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.

주철은 다음과 같이 분류됩니다:

보통주철
고급주철
합금주철
특수주철

보통주철의 경우, 페라이트 또는 펄라이트 바탕조직에 편상 흑연이 석출되는 형태를 가집니다.

흑연의 크기와 모양, 조직 상태는 주철 내 탄소와 규소 비율에 따라 달라지며, 경우에 따라 시멘타이트 조직도 나타날 수 있습니다.

그림 a, b 에서 편상 흑연이 석출되는 걸 볼 수 있다.

보통 주철의 현미경 조직

고급주철, 또는 강인주철은 보통주철보다 강도를 높인 주철로, 탄소와 규소의 함량을 줄여 제작됩니다.
이로 인해 흑연의 크기가 작고 균일하게 분포되며, 인장강도는 250 MPa 이상으로 향상됩니다.

주요 특징

흑연이 미세하고 활모양으로 휘어져 분포
바탕 조직은 펄라이트 조직

고급 주철의 현미경 조직, 고급 주철 주물

합금주철은 Cr, Ni, Cu, Mo, V, Ti 등의 합금원소를 첨가하여 제작된 주철로,
흑연을 미세화하고 조직을 안정화시켜 기계적 성질을 향상시킨 것이 특징.

주요 개선 효과:

내열성
내마모성
내식성
기계가공성

이러한 특성 덕분에 고성능이 요구되는 부품이나 환경에서 주로 사용됩니다.

합금 주철의 화학 성분과 기계적 성질

마지막으로 특수주철을 알아보겠습니다. 특수주철은 종류가 다양합니다.

오스테나이트주철은 'Ni' 을 다량 함유한 특수 주철.

특징:

내산성, 내알칼리성, 내열성 우수
비자성체(자석에 붙지 않음)
전기 저항이 크고, 강인성이 뛰어남

이러한 특성 덕분에 화학공업 분야에서 내식성 재료로 널리 사용됩니다.

오스테나이트 주철

고규소주철은 약 14%의 규소(Si)를 함유한 주철로, 내산성이 뛰어나 다음과 같은 강한 산성 환경에서도 잘 견딥니다:

진한 황산, 황산구리 용액, 황산과 질산의 혼합 용액, 약한 염산

특징 요약:

오스테나이트주철보다 저렴
절삭이 불가능
취성이 큼
대표적인 고규소주철로는 '듀리론(Duriron)'이 있으며, 화학공정용 재료로 활용.

듀리온 화학성분

고크롬주철은 크롬(Cr)을 12~35% 함유한 주철로,
오스테나이트주철과 유사한 특성을 가집니다:

내식성, 내열성, 내마멸성

주로 극한 환경에 노출되는 부품에 사용됩니다.

애시큘러주철은 일반 주철에 다음 성분을 첨가한 특수 합금 주철입니다.

= 1.0~1.5% Mo, 0.5~4.0% Ni, Cu, Cr 소량

특징:

흑연은 보통주철과 같은 편상 흑연
조직은 침상(acicular) 형태로 구성
인장 강도: 440~640 MPa, 경도: HB 300, 강인성, 내마멸성 우수

소형 엔진의 크랭크축, 캠축, 실린더 압연용 롤 등에 사용됨

고력합금주철은 일반 주철에 Ni(0.5~2.0%), 그리고 소량의 Cr, Mo를 첨가하여
강도를 높이고 절삭성을 개선한 주철입니다.

특징:

Ni은 흑연화를 촉진하고 칠(chill) 현상을 방지
절삭성 향상, 펄라이트와 흑연의 미세화
Cr, Mo를 함께 첨가하면 기계적 성질이 더욱 향상

특히 Ni-Cr계 주철은 기계 구조용으로 가장 널리 사용되며:

강인성, 내마멸성, 내식성, 우수한 절삭성을 갖춤

공작기계 부품, 자동차 주물 등에 활용.

고력 합금 주철의 화학 성분과 기계적 성질

주조공학 2-2

굔댕 — Tue, 22 Apr 2025 16:45:27 +0900

안녕하세요!

봄비가 보슬보슬 내리네요. 벚꽃이 떨이지고 나무에는 푸릇한 새순이 나기 시작해서

본격적인 봄이 시작됐네요! :)

2-1 주철의 특성

주철의 물리화학적 특성

[물리적 특성]

주철의 물리적 성질은 화학조성과 조직에 따라 크게 달라진다.

-비중 (Density)-

탄소(C), 규소(Si)가 많아질수록 → 비중은 작아진다

주철 내부 조직별 비중은:

페라이트: 7.85 %
시멘타이트: 7.66 %
흑연: 2.55 %

-용융점-

탄소와 규소가 많을수록 → 용융점 낮아진다.

→ 주조가 쉬워짐

-열전도율 / 전기비저항-

흑연량에 따라 영향을 받는 성질도 있고

영향을 받지 않는 성질도 있다→ 예: 열전도율은 흑연이 많을수록 좋음

회 주철의 물리적 성질

[화학적 특성]

-내식성에 영향을 주는 요소-

편상 흑연이 잘 분산돼 있을수록 → 내식성 좋다

펄라이트가 많을수록 → 내식성 나빠진다

흑연이 공정상 형태로 존재할수록 → 내식성 나빠진다

-산과 염기에 대한 반응-

산(염산, 질산 등): 약함 → 잘 부식된다

알칼리(염기성): 강함 → 잘 견딘다

-실생활 적용 예-

상수도용 주철관에 많이 사용된다
→ 물과 토양에 대한 내식성이 좋기 때문

주의할 점:

금속염, 산이 섞인 폐수에는 약하다

물의 흐름이 강한 곳에서는 마찰 때문에 침식되기 쉽다.

주철의 기계적 특성

-인장강도-

주철의 인장강도는 조직도로 나타낼 수 있다.

파선: 조직이 바뀌는 경계선
실선: 인장강도의 변화 경계선

인장강도란?
→ 재료가 끊어지지 않고 잡아당기는 힘을 버티는 능력

주철의 인장강도는 강(steel)에 비해 낮다→ 특히 '편상 흑연(Flake graphite)'이 많을수록 쉽게 깨진다.

주철의 조직과 인장 강도의 관계

-주철의 경도-

경도 측정법:
→ 보통 브리넬 경도 (Brinell Hardness, HB) 로 나타낸다.

C + Si 함량이 많을수록 → 경도는 낮아짐

조직에 따른 경도 예시: 조직 브리넬 경도 (HB)

페라이트 많은 주철	약 HB 80 ~ 120 (부드러움)
백주철 (Fe₃C 많음)	약 HB 420 (매우 단단함)

C+Si량과 주철 경도, 경도와 인장강도

-압축강도 (Compression Strength)-

주철의 가장 큰 장점 중 하나!

압축강도 > 인장강도
일반적으로 압축강도는 인장강도의 3~4배 정도

-충격값 (Impact Value)-

단점: 주철은 충격에 약하고 깨지기 쉬움, 특히 편상 흑연이 많으면 더 잘 깨짐

하지만 다음 조건을 만족하는 고급 주철은 충격에 어느 정도 강하다:

저탄소
저규소
흑연 함유량이 적음
유리 시멘타이트(Fe₃C)가 없음

= 이럴 경우 충격값이 크다, 즉 충격에 더 잘 견딤

C+Si량 % 와 충격값의 관계

주철의 내마모성과 감쇄능

-내마멸성 (Wear Resistance)-

주철 속 흑연이 윤활제 역할을 한다.
기름을 넣으면, 흑연이 기름을 흡수해서 '유막'을 형성 → 마모에 강해진다.
결과적으로, 강보다 내마멸성이 좋다
흑연이 크고 거친 주철도, 기어 등에 쓰면 오래 쓸 수 있다.
→ 흑연의 자연 윤활 작용 덕분이다..

-감쇄능 (Damping Capacity)-

어떤 물체에 진동을 주면 → 시간이 지나면서 진동이 약해져 사라진다.
이처럼 진동을 흡수하고 줄이는 능력을 '감쇄능'.
주철은 감쇄능이 뛰어나서
→ 소음, 진동을 줄이는 기계 부품에 적합

주철과 강 진동의 감쇄능 비교

-비감쇄율이란?-

진동이 반복될 때, 변형률(늘어나는 정도)이 얼마나 줄어드는지 나타내는 비율이에요.
이 비율이 일정하게 감소하면 → 비감쇄율(Damping Ratio) 이라고 불러요.

-주철 vs 강 비교-

재료비감쇄율

강(Steel)	약 2~3%
주철(Cast Iron)	약 10~35% ❗

= 주철이 진동을 훨씬 더 잘 흡수한다.

-비감쇄율이 높은 주철의 활용 예-

진동이 많고 소음을 줄여야 하는 곳에 사용됨
예: 방직기 부품, 기어박스, 기계의 몸체, 프레임 등

주철의 인장 강도와 비감쇄율의 관계

주철의 고온성과 절삭성

[주철의 고온 성질]

1. 시멘타이트의 흑연화 (Graphitizing)

450~600℃: 시멘타이트(Fe₃C)가 분해 시작
750~800℃: 완전히 분해 → Fe3C → 3Fe+C(흑연)Fe₃C → 3Fe + C(흑연)
이 현상이 '시멘타이트의 흑연화'.

2. 주철의 성장 (Growth of Cast Iron)

723℃ 이상 (A1 변태점)에서 오랫동안 가열하면 → 체적이 점점 커지고 → 결국 균열이 생겨 파괴될 수 있음
→ 이 현상이 '주철의 성장'.

-주철이 고온에서 팽창하는 이유 4가지-

Fe₃C가 흑연으로 변하면서 부피 팽창
Si가 산화되면서 부피 증가
내부 가스가 팽창
A1 온도 근처에서의 열처리로 미세한 균열 발생

밑에 그림,

(a)

주철을 반복해서 가열했을 때의 팽창 형태

여러 번 가열할수록 → 주철의 길이 or 체적이 점점 증가
이건 내부의 시멘타이트가 흑연으로 변하면서 팽창하기 때문이에요.
즉, 주철이 되풀이 가열될수록 → 팽창량이 누적됨을 보여주는 그래프예요.

(b)

회주철이 성장(growth)으로 인해 변형된 모양

오랜 시간 고온에 노출된 회주철 부품이
→ 처음과 다른 모양으로 휘거나 뒤틀림
즉, 성장에 의한 실제 변형 예시를 보여주는 그림이에요.

(a) 반복 가열에 의한 팽창, (b) 성장의 보기

-합금 주철의 내열성과 활용-

크롬(Cr) 첨가 효과

주철에 Cr을 조금 넣으면
→ 어느정도 내열성 향상.

고온에서도 내마멸성이 좋음

그래서 마찰과 고온에 잘 견딤.
→ 내마모성 + 내열성 모두 우수

주요 활용 분야:
고온, 고마찰 부품에 사용:

자동차 실린더
내연기관의 실린더 라이너
피스톤 등

보통 주철 (고온에서의 성질)

[절삭성]

-경도와 절삭성의 관계-

경도(HB)가 클수록 절삭성은 나빠짐
HB 200 이하 → 가공하기 쉬움 (경제적인 절삭 가능)
HB 250 이상 → 절삭성 나빠짐, 가공이 어려움
백주철, 반주철 → 매우 단단해서 절삭 거의 불가능에 가까움

-회주철의 장점-

흑연이 윤활제 역할
절삭할 때 흑연 덕분에 칩이 잘 부서짐
그래서 회주철은 절삭성이 좋음

주조공학 2-1

굔댕 — Tue, 22 Apr 2025 14:30:13 +0900

2-1 주물용 금속 재료와 조직 및 특성

주철의 조직 특성

주철은 Fe와 C로 이루어진 합금이고, 탄소를 약 2.0~4.0% 정도 포함하고 있습니다.
실제로 주철 속의 탄소는 두 가지 형태로 존재:
1. 유리탄소 (free carbon): 흑연(graphite) 형태로 존재
2. 화합탄소 (combined carbon): 펄라이트나 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 존재
주철에 들어있는 전체 탄소의 양은 전탄소량(total carbon) 이라고 칭합니다.

Fe3C 상태도

주철이 녹아 있을 때(용융 상태)는 탄소가 철 속에 고르게 녹아 있습니다.
주철이 빨리 식으면(급냉) 탄소는 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 응고.
반대로 천천히 식으면(냉각) 탄소는 흑연(graphite) 형태로 석출.
그래서 Fe-C 상태도를 볼 때,
- 흑연이 석출되는 경우는 안정 평형 상태 (solid line)
- 시멘타이트가 석출되는 경우는 준안정 상태 (dashed line) 로 구분한다.

주철 조직의 상(phase)과 성질 요약

주철 조직상

주철에는 철 외에도 여러 원소(예: Mn, S, P 등)가 섞여 있어서 조직이 복잡하다.
주로 나타나는 상(phase):
- 흑연(graphite)
- 시멘타이트(Fe₃C)
- 고용체(Fe 중심)

흑연의 종류와 성질 변화

주철 속 탄소는 냉각 시 흑연 또는 시멘타이트로 나타난다.
흑연의 형태에 따라 주철의 성질이 크게 달라진다.
1. 편상흑연 (flake): 응고할 때 바로 생긴 것 – 깨지기 쉬움
2. 괴상흑연 (lump): 시멘타이트가 먼저 생긴 후 흑연으로 바뀐 것
3. 구상흑연 (spheroidal): 쇳물을 특별히 처리해 만든 것
  흑연을 구상화하면 흑연이 철중에 미세한 알갱이 모양으로 존재하여
  강도와 인성이 좋아져서 탄소강과 비슷한 성질로 변함

주철 조직의 구성 상

시멘타이트 (Fe₃C)

주철에서 가장 단단한 상.
경도(HV)는 약 1100으로 매우 높다.
시멘타이트가 많이 들어 있으면 → 백주철이 되는데,
→ 단단하지만 가공(절삭)하기 어렵다.

페라이트 (Ferrite)

철 중심의 고용체로,
- Si는 전부
- Mn 일부
- C는 아주 조금 포함
보통은 펄라이트와 함께 존재하고,
- 냉각 속도나 규소 함량에 따라 조직 전체나 일부를 차지할 수 있다. → 비교적 부드럽고 연한 상.

펄라이트 (Pearlite)

단단한 시멘타이트(Fe₃C) + 연한 페라이트(Ferrite)가 섞여 있는 조직.
→ 너무 단단하지도 않고, 너무 부드럽지도 않은 중간 정도의 강도를 가진다.
회주철(흑연이 포함된 주철)에서는
→ 펄라이트 + 페라이트 + 흑연이 섞여서
→ 여러 가지 조직 형태로 나타날 수 있다.

주철 조직도

밑에 사진은 주철의 조직변화를 쉽게 알 수 있도록 만든 실용적인 선도 입니다.

세로축: C 함유량

가로축: Si 함유량

마우러 조직도

두 성분의 조합에 따라
→ 주철이 어떤 조직(예: 펄라이트, 페라이트, 흑연 등)으로 변화하는지를 보여준다.
실제 주철 설계나 분석에 많이 사용되는 유용한 도표 입니다.

I: 백주철 (시멘타이트+펄라이트)

II: 펄라이트 주철 (펄라이트+흑연)

IIa: 반 주철 (시멘타이트+펄라이트+흑연)

IIb: 회 주철 (펄라이트+페라이트+흑연)

III: 페라이트 주철 (페라이트+흑연)

흑연 형상과 분포

흑연은 주철 안에서 형태에 따라 I ~ VI형으로 나뉜다.
그중에서 세 가지 형태가 가장 일반적이다:

I형 – 편상흑연 (flake)
: 얇고 가늘게 퍼진 형태 → 깨지기 쉬움
V형 – 괴상흑연 (lump)
: 뭉쳐 있는 불규칙한 형태
VI형 – 구상흑연 (spheroidal)
: 동그랗게 정돈된 형태 → 강하고 인성이 좋음
→ 구상화 처리(특별한 첨가제 사용)로 만들어짐

흑연 형상 분류

그 외 중간 형태:

II형 – 성상흑연: 편상과 구상 중간 형상
III형 – 응편상흑연: 약간 응집된 편상
IV형 – 응집상흑연: 더 뭉쳐진 형태로 흑심가단주철에서 나온 불규칙한 형상
V형 – 괴상흑연: 흑심가단주철에서 나온 불규칙한 형상

형태	명칭	특징	기계적 성질
A	표준형 흑연	균일하고 고르게 분포된 평상흑연	우수
B	장미형 흑연	불순물 및 가스가 많을 때, 장미꽃 처럼 뭉침.	미흡
C	키슈흑연	과공정 주물에 나타나고, 직선형 흑연이 크다.	미흡
D	공정상 흑연	Si가 많고 빠르게 냉각된 경우, 작고 불규칙한 흑연	절삭성 우수, 기계적 성질 미흡
E	수지상 분포 흑연	약한 방향성이 있는 작은 형태 수지상 조직과 닮음	보통 이하

주조공학 1-3,4

굔댕 — Mon, 21 Apr 2025 16:09:51 +0900

안녕하세요!

3. 주조용 금속 특징

주조용 금속 및 합금은 주형 안에 주입된 후 열을 잃으며 냉각되고 응고됩니다.
이 과정에서 발생하는 흐름, 응고, 냉각 중의 다양한 현상들은 매우 복잡하며, 주조품의 품질과 특성에 큰 영향을 미칩니다.

1) 수력학적 성질 (주입 공정의 유체역학적 특성)

-쇳물의 성질-

완전히 녹은 쇳물이 탕구나 주형 안으로 흐를 때는 수력학의 법칙이 적용되며, 대부분 난류 흐름을 보입니다.
탕구나 탕도의 모양이 급격히 바뀌면 기압이 낮아져 공기가 쇳물에 말려 들어가 결함이 생길 수 있습니다.
주조에서는 마찰 손실보다 주입 속도 조절이 더 중요하므로, 유체 흐름보다 주입 조건을 우선 고려합니다.

-쇳물 유동성-

주조에서 쇳물은 주형의 복잡하고 좁은 부분까지 완전히 채워져야 하며, 이를 가능하게 하는 성질을 '유동성(fluidity)' 이라 합니다.
일반적으로 주입 온도가 높을수록, 그리고 순금속이나 공정조성 합금일수록 유동성이 좋고, 주형 온도가 높아도 유동성 향상에 도움이 됩니다.
특히 얇거나 복잡한 형상의 주물에서는 유동성이 충분하지 않으면 중간에 응고가 시작되어 결함이 발생할 수 있습니다.

2) 금속의 응고

-순금속의 응고-

금속재료의 응고 과정

가장 먼저, 결정의 핵이 생성되고 이 핵을 중심으로 결정이 성장한다. 동시 다발적으로 새로운 핵이 생성되고 결정이 성장한다.

그 결과 금속은 결정립의 집합체가 되고, 결정립 사이에 결정립계가 생성된다.

-합금의 응고-

합금은 두 가지 이상의 금속 성분으로 구성되며, 냉각하면서 순금속과는 다른 방식으로 결정화됩니다.
대부분의 경우, 성분 A와 B가 따로따로 결정립을 만드는 것이 아니라 A에 B가 녹아 있거나, A와 B가 결합된 상태로 응고하게 됩니다.
이때

한 금속이 다른 금속에 녹아 있는 상태를 고용체(solid solution),
일정한 비율로 결합된 새로운 물질을 '화합물(compound)'이라 합니다.

3) 주조 금속 특징

-주물 응고-

순금속이나 저탄소강과 같은 용융 금속이 주형에서 응고할 때, 벽면부터 응고층이 형성되어 점차 안쪽으로 응고가 진행됩니다.
내부는 상대적으로 천천히 냉각되므로, 중심을 향해 결정이 자라며 '수지 모양의 주상조직(columnar structure)'이 형성됩니다.
이 주상조직은 수지상(tree-like) 구조로 자라며, 마지막엔 전체가 이 구조로 채워지며 응고가 완료됩니다.

수지상 조직

밑에,

그림(a)은 금속이 응고되면서 고체층이 형성되고 용융금속이 수축하는 과정을 보여주며,
그림(b)은 응고가 완료된 후 주물의 실제 모양을 나타냅니다.

만약 응고가 잉곳 측면과 평행하게 진행된다면, 금속이 수축하면서 생기는 빈 공간이 아래쪽까지 길게 형성되는데,

이를 중심선 수축(center line shrinkage) 또는 수축 파이프라고 합니다.

중심선 수축 발달

-응고 속도-

그림(a)는 금속이 응고되면서 고체층이 형성되고 용융금속이 수축하는 과정을 보여주고,
그림(b)는 응고가 완료된 후 주물의 실제 모양을 나타냅니다.

만약 응고가 잉곳 측면과 평행하게 진행된다면, 금속이 수축하면서 생기는 빈 공간이 아래쪽까지 길게 형성되는데,

이를 중심선 수축(center line shrinkage) 또는 수축 파이프라고 합니다.

주물의 '응고 시간은 체적(V)과 방열 면적(S)의 비율(V/S)'에 비례합니다.

따라서 V/S가 같다면 형상이 달라도 응고 시간은 동일합니다.
하지만 '교차부(두꺼운 부분)'는 단면이 넓고 방열 면적이 상대적으로 작아 열이 잘 빠지지 않아 응고 시간이 길어집니다.
또한, 이 부위의 주형이 가열되면 열 흡수 속도도 감소해 응고 지연이 더 커집니다.

각 단면의 응고 시간

용융금속을 주형에 주입한 후, 응고가 시작되어 완전히 끝날 때 가지의 시간(응고 구간)동안,

금속이 수축하는 방식과 정도는 응고 단계에 따라 매우 다르게 나타납니다.

주입부터 냉각완료까지의 수축 과정

-주물 수축-

주형에 가득 채워진 쇳물은 응고 초기에 탕면이 서서히 내려가고 오목해지며, 내부 응고가 진행됩니다.
어느 순간부터는 탕면도 함께 응고하게 되는데, 이때 쇳물이 부족해 내부에 빈 공간이 생기며,
이를 수축부 또는 '수축공(shrinkage cavity)'이라 부르고, 이는 대표적인 주물 결함 중 하나입니다.

쇳물의 응고 과정과 압탕 효과

-응고 조직-

주형 벽에 접한 액상이 급속히 냉각되어 충분히 과냉되면, 핵이 형성되어 주형 벽과 수직 방향으로 성장하게 됩니다.
그 결과는,

순금속에서는 조용한 응고 시 '주상결정(columnar grain)' 이 형성되고,
고용체 합금에서는 조대 등축정(equiaxed grain)이 나타납니다.
특히, 응고가 매우 빠를 때는 주물의 바깥쪽에 미세한 등축정 층이 나타납니다.

응고 결정 단면

4) 주물과 가스

가스가 응고 중 빠져나가지 못하면 주물 내부에 가스공(기공)이 생기며, 이는 대표적인 주물 결함 중 하나입니다.
이러한 가스는 2 가지 형태로 존재합니다:

가스로 용해되거나 고체 금속 속에 고용된 상태
용융금속과 반응해 생성된 화합물, 즉 슬래그(slug)나 결정체 형태

수소로 인한 기포 생성 과정

금속이 응고할 때 방출되는 주요 가스는 '일산화탄소, 수소, 질소' 입니다.

특히 수소는 용해 중에 금속에 흡수되기 쉬우며, 온도가 높을수록 더 많이 용해됩니다.

수소 제거를 위해 산소 같은 산화성 가스를 쇳물에 불어넣어 수소를 밀어내는 방식을 사용합니다.
강철에서는 Mn, Si 등을 넣어 산소와 결합시켜 안정적인 산화물로 만드는 과정이 필요한데,

이를 '탈산(deoxidation)'이라 하며, 이때 사용하는 물질을 '탈산제(deoxidizer)' 라고 합니다.

주조공학 1-1,2

굔댕 — Mon, 21 Apr 2025 14:54:18 +0900

안녕하세요!

주조공학은 단순히 금속을 녹여 붓는 기술이 아니라, 우리 산업을 떠받치고 있는 핵심 제조기술입니다.

뿌리기술로서의 주조는 정밀함, 강도, 대량생산의 효율을 가능하게 하며, 첨단 산업과 전통 산업 모두의 성장을 이끌고 있습니다.

이러한 주조공학에 대해서 알아보겠습니다.

주조

1. 주조 기술의 역사와 분류

1) 주조 기술의 발달

주조(casting)란?

금속을 녹여 액체 상태로 만든 뒤, 원하는 모양의 주형에 부어 넣고 식혀 굳혀서 제품을 만드는 기술입니다.

이 과정을 주조기술(foundry technology)이라고 하며, 이렇게 만들어진 제품은 주물(casting) 또는 주조품(castings)이라고 부릅니다.

인류는 석기시대 이후에 금, 은, 구리 같은 자연 상태의 금속을 사용했으며, 불을 다루게 되면서 기원전 약 4000년경부터 광석을 녹여 금속을 얻고, 이를 진흙이나 돌로 만든 주형에 부어 주조하는 기술을 사용하기 시작했습니다.

이후 목재 원형을 이용한 모래 주형이 개발되어 현재까지도 널리 쓰이고 있으며, 1850년경부터는 다이캐스팅(die casting) 방식도 사용되기 시작했습니다.

우리 선조들은 약 2300년 전부터 청동기를 제작했고, 2000년 전에는 정밀주조 기술도 발전시켰습니다. 고려 시대에는 주전과 금속활자 등이 사용되었고, 성덕대왕신종처럼 대형 주물도 1200년 전 이미 제작되었습니다. 오늘날 우리나라의 주물 산업은 중화학공업과 자동차·조선 산업의 성장에 힘입어 규모와 기술 면에서 선진국 수준에 도달했습니다.

2) 주물 분류

주물을 재질 및 주형과 원형에 따라서 분류 하면,

재질에 따른 분류, 주형과 원형에 따른 분류

2. 주물의 특징과 주조 공정

1) 주물 특징과 주조방안

주조법은 크기, 두께, 형상이 다양한 제품을 간단하고 유연하게 제작할 수 있고,

생산 수량에 관계없이 적용 가능해 기계 및 구조물의 주요 부품 제작에 널리 사용됩니다.
하지만 조직의 불균일성과 낮은 기계적 성질로 인해, 압연이나 단조 같은 소성가공 제품에 비해 신뢰성이 떨어지는 단점도 있습니다.

주물을 제작할 때는 원형·주형 제작, 금속 용해, 주입 등 여러 공정을 거치며,

어느 하나라도 소홀하면 불량 주물이 발생할 수 있어 주의가 필요합니다.
또한, 용융 금속은 한정된 시간 안에 복잡한 주형을 채우고 응고되어야 하므로,

주물의 종류·형상·크기·쇳물 조건 등을 종합적으로 고려해 적절한 주조 방법을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

2) 주조 공정

순서는 그림과 같이,

원형 제작 - 조형 - 용해 - 주입 - 주물 해체 - 청정 - 검사 로 진행한다.

주물 제조 공정

금속재료분석학 과제 5.

굔댕 — Sun, 13 Apr 2025 17:27:16 +0900

안녕하세요! 오늘은 금속재료분석학에서 다루는 과제를 살펴보겠습니다. :-)

벚꽃이 만개에 다다르면 항상 중간고사 시즌이 다가오죠..

한 해의 첫 시험인 만큼 긴장도 많이 되실텐데요.

그래서 벚꽃을 보며 마음을 안정시키는거 같습니다. 다들 화이팅하세요 ! *^-^*

이번에는 우리가 금속재료분석학을 배우면서
가장 흔히! 또 많이! 사용하는게 현미경 인데요!

이 현미경은 실험 보고서 고찰의 단골 주제입니다.

현미경의 종류는, 해상도와 분석 목적에 따라 크게 3가지로 구분 합니다.

OM, SEM, TEM 이 있습니다.

각 현미경에 대해서 자세하게 알아보겠습니다.

LG디스플레이

각 현미경의 원리를 도식화 하면 위와 같습니다.

일반적으로 현미경은 접안렌즈, 대물렌즈, 집광렌즈로 구성되어 있습니다.

이 렌즈들의 거리와 크기를 조절하여 샘플을 아주 세밀하게 관찰할 수 있습니다.

이를 '분해능'이라고 합니다.

: 서로 떨어져 있는 두 물체를 서로 구별할 수 있는 가장 짧은 거리를 말합니다.

우리가 멀리있는 물체를 봤을 때 두 물체가 하나의 물체로 보였던 경험이 있을텐데요, 이와 같은 원리입니다.

분해능 수식

d = 분해능을 식으로 표현하면 위와 같고,

여기서 nsin⁡θ : 렌즈의 집광능. = 렌즈의 해상도

n : 굴절률, θ : 렌즈로 들어가는 빛의 각도의 1/2.

λ : 빛의 파장, d : 두 물체를 구분할 수 있는 최소 거리.

d 값이 작을수록 분해능이 좋다.

위키백과

nsin⁡θ : 렌즈의 집광능이 높을수록 분해능이 좋다.

다른 방법은 빛의 파장이 짧을수록 분해능이 좋아질 수 있습니다.

LG 디스플레이

OM에서 사용하는 가시광선 보다 더 짧은 전자빔을 사용한다면 더 좋은 분해능을 얻을 수 있겠죠?

이렇게 전자현미경이 탄생합니다! SEM, TEM

전자빔을 광원으로 사용한 현미경을 '전자 현미경' 이라고 합니다.

보통 OM이 50~1,000배 정도되는데

전자 현미경은 1,000,000~2,000,000배 까지 확대할 수 있습니다.

분해능은

OM이 100~200nm, 전자현미경이 6~0.1nm 를 가지고 있습니다.

- 전자현미경 -

전자현미경은 광원으로 전자빔을 사용하는데, 이때 어떤 전자를 검출하는 지에 따라서

산란전자 = SEM(주사전자현미경)과

투과전자 = TEM(투과전자현미경)으로 구분할 수 있습니다.

또한 샘플과 반응한 전자들과 X선을 검출하여 새로운 데이터를 수집할 수 있습니다.

대표적인 예로, 샘플의 원소성분을 분석할 수 있는 EDS가 있습니다.

1. Optical Microscope (OM, 광학현미경)

국립한국해양대학교 OM

원리: 가시광선을 이용하여 샘플 표면 관찰한다.
특징: 샘플 준비가 간편하고 빠름, 비교적 *낮은 배율(최대 수백 배)**에서 넓은 영역을 관찰할 수 있다.
용도: 결정립 크기, 미세조직 전반의 형태, 부식 경계 등 확인. 초기 미세조직 관찰 및 대략적인 손상/결함 분석에 적합합니다.

2. Scanning Electron Microscope (SEM, 주사전자현미경)

(주) 제올

원리: 고에너지 전자빔을 시편 표면에 조사하여 방출되는 신호(2차 전자, 반사 전자 등)를 검출한다.
특징: 수천 배 ~ 수십만 배까지 고배율 관찰 가능. 미세 구조, 입자 분포, 파단면 등 정밀 분석 가능. EDS(에너지 분산형 분광기) 장착 시 원소 분석도 가능하다!
용도: 파단 분석, 코팅층 분석, 부식 산물 조사, 세부 입자 형상 평가 등.

3. Transmission Electron Microscope (TEM, 투과전자현미경)

KIST TEM

원리: 매우 얇게 제작된 시편에 고속 전자빔을 투과시켜 내부 구조를 관찰한다.
특징: 나노미터(nm) 단위의 고해상도 제공. 결정 구조, 결함(전위, 쌍정 등), 상(phase)의 구분 등 정밀 분석 가능.
용도: 결정 구조 분석, 나노 스케일 조직 관찰, 원자 배열 확인, 고급 재료 분석 등에 활용된다.

끝으로, 연구를 하게 되면 일반적으로 OM, SEM, TEM 순서로 샘플의 미세구조를 관찰하여 양질의 데이터를 수집합니다.

기본적이면서도 중요한 분석법이니 익혀두시면 학부연구생이나, 대학원때 유용하게 사용할 수 있습니다!