기계재료는 기계나 구조물을 제작할 때 사용되는 여러 재료를 통칭하여 일컫는 말입니다. 기계나 구조물의 주재료라고 하면, 보통 철을 많이 떠올릴텐데요. 그만큼 철강재료를 기계재료로 많이 사용하고 있기 때문이겠죠. 하지만, 철 이외에도 여러 다양한 재료들이 사용되고 있답니다.
기계재료를 분류해보자
기계재료는 크게 금속(metal)재료와 비금속(nonmetal) 재료로 구분할 수 있습니다. 금속은 고체일 때 광택이 나고 열전도율과 전기 전도도가 높은 성질을 가지는 물질인데요. 가장 대표적인 물질로는 철(Fe)이 있습니다. 금속재료에서 철은 매우 일반적으로 사용되기 때문에, 금속재료를 철을 기준으로 철강재료와 비철금속재료로 나눕니다. 철강재료는 함유하고 있는 탄소의 양에 따라 순철, 강, 주철로 구분되고 비철금속재료는 구리합금, 경합금, 고융점 금속, 저융점 금속 등으로 구분됩니다.
비금속은 금속성이 우세하지 않은 물질을 통칭합니다. 비금속재료는 크게 고분자재료와 세라믹재료, 그리고 나머지 재료들을 기타로 구분할 수 있습니다. 고분자재료는 열경화성 수지나 열가소성 수지 등을 포함하며, 세라믹재료는 실리콘 같은 물질입니다. 금속도, 고분자도, 세라믹도 아닌 목재 같은 재료는 비금속재료의 기타로 분류할 수 있답니다.
기계재료의 분류는 글로만 보면 이해하기 어려우니, 아래와 같이 분류도를 그려보는 것을 추천합니다.
기계재료가 갖추어야 할 성질은?
∇ 가공성이 좋아야 합니다. 가공이란, 원자재를 인공적으로 처리하여 원하는 형태로 만들어내는 행위입니다. 따라서 가공성이 좋아야 한다는 것은, 원하는 형태로 만들기 쉬워야 한다는 뜻이죠. 만약 가공성이 좋지 않다면, 일반적으로 생산성은 떨어지고 자연히 가격이 비싸져 널리 사용되기 어렵습니다. 가공의 방법에는 주조(casting), 절삭(cutting), 용접(welding) 등 여러 가지가 있는데요. 따라서 주조성이 좋거나 절삭성이 좋거나 용접성이 좋다면, 기계재료로 사용하기에 좋습니다.
∇ 열처리성과 표면처리성이 좋아야 합니다. 일반적으로 기계재료를 가공할 때는 열을 많이 이용합니다. 포항제철의 용광로를 떠올려보면, 원재료인 철을 고온의 용광로에서 녹인 후 식히면서 철강제품을 만들어냅니다. 만약 열처리(heat treatment) 온도가 엄청 높으면 어떨까요? 열처리를 하기 위해서는 용광로의 온도부터 엄청 올려야 하니, 쉽지도 않고 비용도 많이 들겠지요. 또는, 용융된 재료가 제품의 형태로 굳는 과정에서 매번 균열이 커다랗게 발생한다면요? 제품성이 없을 것입니다. 이런 재료들은 기계재료로 적합하지 않습니다. 즉, 기계재료는 열처리성이 좋아야 합니다.
그리고 표면처리성도 좋아야 하는데요. 보통 기계재료를 가공하면서 내마모성과 내식성의 향상을 위해 표면처리를 많이 하기 때문입니다. 만약 표면처리를 하지 않으면 마모나 부식에 취약할 수 있습니다. 대표적인 표면처리 방법에는 도금(plating)이나 코팅(coating)이 있습니다.
∇ 가격이 싸되, 구입하는 것도 쉬워야 합니다. 가격이 싸야 많이, 대량으로 사용할 수 있는 것은 당연합니다. 부산의 광안대교를 금으로 지을 수 있을까요? 기계적 성질을 따져도 적합하지 않지만, 기계적 성질을 만족한다 하더라도 가격 때문에 사용할 수 없겠죠? 그리고 기계재료가 가격이 싸더라도 구입하기 어렵다면 사용하기 곤란할 겁니다. 때문에 기계재료는 구입하는 것 역시 수월할수록 좋습니다.
∇ 물리적, 화학적 특성이 좋아야 합니다. 내마모성, 내식성, 내열성, 내마멸성 등의 물리적 특성과 화학적 특성이 우수해야 기계재료로 사용하기 좋습니다. 여러 가공 단계나 표면 처리 단계를 거치지 않아도 우수한 특성을 지닐수록 좋겠죠. 참고로, 내마모성은 마찰에 의한 마모를 견디는 정도를 뜻하고, 내식성은 부식에 대한 내성을, 내열성은 고온을 견디는 능력을, 내마멸성은 마찰에 의한 마멸이 적은 성질을 뜻한답니다.
∇ 재료가 많아 대량생산에 용이해야 합니다. 기계나 구조물에 사용하는 기계재료들은 대량으로 필요한데다, 대량생산이 가능해야 제품 값이 싸지고 많이 이용됩니다. 따라서 기계재료는 재료가 많아 보급이 수월하여 대량생산이 가능할수록 좋습니다.
기계재료가 갖추어야 할 성질을 이해하기 어렵거나 외우기 힘들다면, '철'이 가진 일반적인 성질을 대입해 보면 쉽습니다.
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