산화막은 고착의 원인이 아닙니다. 고착을 늦출 뿐입니다

왜를 묻기 전에, 고착이란 무엇인가

ASTM G40은 고착(galling)을 미끄러지는 고체 사이의 표면 손상으로 정의하며, 거시적이고 대개 국부적인 표면 거칠어짐과 원래 표면 위로 솟은 돌기의 생성을 특징으로 듭니다. 결정적인 특징은 소성 유동이며 때로는 재료 전이가 함께 일어납니다.

이 정의에서 세 가지가 나오며, 실무에서는 세 가지 모두 뒤섞입니다.

• 긁힘이 아닙니다. 재료가 옆으로 밀려난 것이 아니라 이동하여 쌓였습니다.
• 소착이 아닙니다. 소착은 기능상의 결과, 곧 상대 운동이 멈춘 상태입니다. 심한 고착은 소착을 일으킬 수 있습니다. 아직 소착을 일으키지 않은 고착도 고착입니다.
• “냉간 압접”은 동의어가 아닙니다. 냉간 압접은 고체 상태의 접합입니다. 흔한 시작 사건이지만 고착은 그 뒤에 발전하는 손상 형태입니다. ASTM의 정의는 입증 가능한 재료 전이조차 요구하지 않습니다.

쓰려던 설명과 그것이 틀린 이유

어디서나 듣는 이야기, 그리고 이 글의 초안에도 있던 이야기는 이렇습니다. 스테인리스를 내식성 있게 만드는 부동태 산화막이 돌기 끝에서 벗겨지고, 새로 드러난 스테인리스는 화학적으로 매우 활성이어서 닿는 상대와 냉간 압접된다는 것입니다. 돈을 주고 산 특성이 바로 문제를 일으키는 특성이라는 이야기입니다.

그럴듯한 이야기입니다. 산화막은 반대 방향으로 작용합니다.

316L에 대한 연구에서 미리 형성한 산화막이 두꺼울수록 고착 손상이 뚜렷이 줄었습니다. 산화막은 응착을 낮춥니다. 고착이 진행되려면 그 전에 산화막이 마모되거나 표면에 기계적으로 섞여 들어가야 합니다. 산화막은 고장의 메커니즘이 아니라 고장 앞을 막아 선 장벽입니다.

이야기의 뒷부분도 틀렸습니다. 탄소강도 고착됩니다. NIST의 마모 시험에서 일반 1018과 1541에 심한 고착이 생겼습니다. 실무에서 스테인리스와 탄소강을 가르는 것이 무엇이든 “탄소강은 이런 일이 없다”는 아닙니다.

실제로 일어나는 일

연구가 뒷받침하는 방식으로 정리한 순서는 다음과 같습니다.

1. 하중과 미끄럼이 돌기, 곧 실제로 맞닿는 높은 점에서 높은 접촉 응력과 소성 변형을 만듭니다.
2. 그 변형이 산화막, 오염, 윤활제 등 존재하는 분리층을 모두 파괴합니다.
3. 맨 금속이 맨 금속과 만나 강한 응착 접합부를 형성합니다.
4. 미끄럼이 계속되면 접합부가 계면이 아니라 모재 내부에서 전단되어 재료가 전이되고, 쐐기가 쌓이고, 소성 유동이 반복됩니다.
5. 그 결과가 ASTM이 말하는 거시적 거칠어짐과 돌기입니다. 나사산에서는 방금 전까지 틈새가 있던 맞춤이 이제 억지 끼워맞춤이 됩니다.

재료 특성이 가장 중요한 곳은 4단계입니다. 무르고 연성이 큰 표면은 접합부가 깊이 전단되게 하고 소성 유동이 계속되게 합니다. 고용화 처리한 오스테나이트계 스테인리스, 곧 304와 316, 다시 말해 A2와 A4는 무르고 연성이 매우 큽니다. 이것이 진짜 답이며, 화학적 특성이 아니라 기계적 특성입니다.

어떤 강종인가, 그리고 짝의 문제

고용화 처리한 304와 316은 경화한 마르텐사이트계보다 쉽게 고착됩니다. 이유는 위와 같습니다. 더 무르고 연성이 커서 대규모 소성 유동이 일어날 수 있습니다. 경화한 마르텐사이트계 강종은 그런 유동이 훨씬 시작되기 어려운 경도에 이를 수 있습니다.

같은 재료끼리의 조합은 강한 위험 요인이지 규칙이 아닙니다. 같은 재료끼리는 야금학적으로 완전히 상용성이 있어 강한 응착 접합부가 쉽게 생기며, NIST의 순금속 연구에서도 대체로 같은 재료 쌍이 다른 재료 쌍보다 손상이 심했습니다. 그러나 서로 다른 오스테나이트계 강종끼리도 고착되며, 같은 재료끼리 맞물려도 높은 내고착성을 갖도록 특별히 개발한 오스테나이트계 합금도 있습니다. 따라서 같은 재료 조합은 판결이 아니라 경고로 다루어야 합니다.

시험 표준이 알려 주는 것과 알려 주지 않는 것

누군가 고착 수치를 제시한다면 그것이 무엇인지 알아 둘 가치가 있습니다.

• ASTM G98은 무윤활, 저속, 간헐 조건의 버튼 온 블록 시험으로 임계 고착 응력을 구합니다. ASTM은 이것이 재료 쌍의 예비 순위 매기기용이며 정량적 설계에 직접 쓰면 안 된다고, 또 이 방법은 윤활된 미끄럼을 다루지 않는다고 분명히 밝힙니다.
• ASTM G196은 정량화한 손상 측정을 쓰며 재현성이 더 높습니다. ASTM은 G98을 예비 선별로 자리매김합니다.

두 시험 모두 저속, 간헐, 무윤활 접촉을 모사하며 나사산 물림도 여기에 포함됩니다. 어느 쪽도 해당 볼트의 허용 응력을 주지 않습니다.

이것이 바꾸지 않는 것

이 글은 스테인리스가 나쁜 선택이라고 말하지 않습니다. 스테인리스가 소착되는 이유가 화학적이 아니라 기계적이라는 것, 산화막이 해가 아니라 도움이 된다는 것, 그리고 탄소강 나사도 같은 고장에서 자유롭지 않다는 것을 말합니다.

스테인리스를 고를 때의 진짜 절충은 다른 데 있으며 아연 도금인가 스테인리스인가에 정리되어 있습니다. 같은 치수에서는 스테인리스 나사가 더 약하며, 비용의 그 절반은 변경 통지서에 좀처럼 오르지 않습니다. 강종 기호의 의미는 A2와 A4 비교에 있습니다. 결정 순서에서 재료 선택이 어디에 놓이는지는 나사 사양을 빠짐없이 지정하는 방법(영어)에 있습니다.

이 글은 5단계: 표면 처리를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

부동태 피막이 스테인리스 고착의 원인입니까?

아닙니다. 흔한 설명은 이를 거꾸로 말합니다. 316L 연구에서 미리 형성한 산화막이 두꺼울수록 고착 손상이 뚜렷이 줄었습니다. 산화막은 응착을 낮추며, 고착이 진행되기 전에 마모되거나 표면에 기계적으로 섞여 들어가야 합니다. 산화막은 고장을 일으키는 것이 아니라 고장 앞을 막고 있습니다.

탄소강도 고착됩니까?

예. NIST 마모 시험에서 일반 탄소강 1018과 1541에 심한 고착이 생겼습니다. 실무에서 스테인리스를 구별하는 것이 무엇이든 탄소강의 면역은 아닙니다.

그렇다면 고용화 처리한 스테인리스는 왜 그렇게 쉽게 고착됩니까?

무르고 연성이 매우 크기 때문입니다. 고착은 맨 금속 사이의 응착 접합부가 계면이 아니라 모재 내부에서 전단될 때 발전하며, 무르고 연성이 큰 표면은 그 전단이 깊이 들어가고 소성 유동이 계속되게 합니다. 경화한 마르텐사이트계 강종이 더 잘 견디는 것도 같은 이유를 뒤집은 것입니다. British Stainless Steel Association의 지침은 높은 연성과 낮은 가공 경화율을 고착에 유리한 조건으로 꼽습니다.

고착은 냉간 압접이나 소착과 같은 것입니까?

아닙니다. 냉간 압접은 고체 상태의 접합이며 흔한 시작 사건입니다. 소착은 상대 운동이 멈추는 기능상의 결과입니다. 고착은 그 사이의 손상 형태입니다. ASTM G40은 이를 원래 표면 위로 돌기가 솟는 거시적이고 국부적인 거칠어짐으로 정의하며 소성 유동을 특징으로 듭니다. 심한 고착은 소착을 일으킬 수 있고, 아직 그렇게 되지 않은 고착도 고착입니다.

고착 수치로 설계할 수 있습니까?

직접은 안 됩니다. ASTM G98은 무윤활 저속 시험에서 임계 고착 응력을 구하며, ASTM은 이것이 재료 쌍의 예비 순위 매기기용이지 정량적 설계용이 아니라고 밝힙니다. ASTM G196은 손상을 정량화하며 재현성이 더 높습니다. 두 시험 모두 나사산을 포함한 저속, 간헐, 무윤활 접촉을 모사하지만 어느 쪽도 특정 볼트의 허용 응력을 주지 않습니다.

참고 자료

• ASTM G40 — Standard Terminology Relating to Wear and Erosion(고착의 정의, 응착 마모)
• ASTM G98 — Standard Test Method for Galling Resistance of Materials(임계 고착 응력, 적용 범위와 한계)
• ASTM G196 — Standard Test Method for Galling Resistance of Material Couples
• Rogers et al. — The interaction of galling and oxidation in 316L stainless steel
• NISTIR 89-4064 — 일반 탄소강을 포함한 마모 시험
• British Stainless Steel Association — 스테인리스강의 고착과 내고착성, 마모와 고착에 영향을 주는 요인
• “What causes a fastener to lock?”, Engineering Stack Exchange

이 글은 메커니즘을 설명하고 그에 대한 흔한 설명을 바로잡습니다. 개별 체결부의 합격 여부는 도면, 도면이 인용하는 표준, 그리고 필요한 경우 실제 시험이 정합니다.