항공기용 철강 금속(Ferrous Aircraft Metals)

  항공기 수리에는 수많은 종류의 금속들이 사용된다. 이것은 특정 구조나 부품의 노후화에 따른 강도, 무게, 내구성, 저항력 등의 요구조건을 폭넓게 고려한 결과이다. 또한, 재료의 특수한 모양이나 형태도 중요한 고려 사항이다. 항공기 수리를 위해 선택하는 재료는 이런 요소들과 함께 기계적인 성질과 물리적인 성질도 고려하여 선택해야 한다. 이를 이해 일반적으로 사용되는 재료 중 하나가 철강 금속이다. 철강(Ferrous)은 주성분이 철(iron)인 금속을 말한다.

 

철(Iron)

  철에 약 1% 정도의 탄소가 함유된다면 그 합금은 순수한 철보다 매우 우수하여 탄소강으로 분류된다. 탄소강(carbon steel)은 강의 성질을 개선하기 위해 다른 원소를 첨가하여 합금강으로 만들게 되는 모재 금속이 된다. 철과 같은 모재 금속에 소량의 다른 금속을 첨가해서 만든 금속을 합금이라고 한다. 이처 특수한 용도를 위해 다른 금속을 첨가함으로써 모재 금속의 물리적인 성질과 화학적인 성질을 변화시키거나 개선할 수 있다.

 

강과 강 합금(Steel and Steel Alloys)

  미국의 자동차 기술자협회(SAE, society of automotive engineers)와 철강협회(AISI, American iron and steel institute)는 자동차 및 항공기 구조의 재료로 사용되는 강을 분류하였다. 여기서 4 자리 계열은 일반적인 탄소강과 합금강이고, 5자리 계열은 특수 합금강을 나타낸다. 앞의 두 자리는 강의 종류, 두 번째 자리는 주 합금원소의 함유량을 나타내고, 마지막 두 자리(또는 세 자리)는 그 합금에 함유된 탄소 함유량을 백분율로 나타낸다. 함유량이 소량인 원소는 그 양을 명시하지 않고 합금강으로써 제시된다. 이들 원소는 부수적인 것으로 간주고, 구리(copper) 0.35%, 니켈 (nickle) 0.25%, 크롬(chromium) 0.20%, 몰리브덴(molybdenum) 0.06% 등과 같이 최대 함유량을 나타낸다. 

  금속재료는 판재, 봉(rod), 튜브(tubing), 압출 가공품, 단조품 그리고 주조품 등과 같은 여러 가지 형태의 부품으로 제조된다. 판재는 여러 종류의 두께와 크기로 만들어지며, 두께는 1/1,000인치 단위로 명시한다. 튜브의 크기는 일반적으로 바깥지름과 두께로 명시한다. 판재는 일반적으로 프레스(Press), 절곡기(Bending Brake), 드로우-벤치(draw-bench), 롤러 (Roller) 등과 같은 기계로 가공해서 만든다. 단조(forging)는 가열한 금속을 형틀 위에서 압착하거나 망치로 두드려서 형태를 성형하는 방법이고, 주조는 주형(mold) 안에 용융 금속을 부어서 형태를 만드는 방법이다. 주물은 기계가공을 통해서 마무리한다.

  불꽃 시험(spark testing)은 각종 철 금속의 종류를 식별하는 일반적인 방법이다. 이 시험에서 철이나 강 시험편을 회전하는 연삭기에 접촉할 때 발생하는 불꽃의 상태로 금속을 식별할 수 있다. 각 철 금속은 그 특유한 불꽃 특성을 갖고 있다. 이때 불꽃은 매우 좁은 폭으로 몇 feet의 길이에 달할 정도로 발생한다. 일부의 비철금속은 연삭기에 접촉 때 불꽃이 약하게 발생하기 때문에 불꽃 시험으로 식별하기가 어렵다. 따라서 불꽃 시험은 숙련된 정비사에 의해 수행되어야 하며, 시편(test piece)의 탄소 함유량과 합금 성분이 비슷할 때는 정확하지 않을 수도 있다. 연철은 연삭기와의 마찰에 의해 담황색 불꽃이 발생하고, 조금 떨어지면 흰색의 긴 불꽃이 만들어진다. 주철의 불꽃은 처음에는 붉은색을 띠고 멀어지면 담황색으로 변한다. 저탄소강은 약간의 흰색 줄기를 갖는 길고 일직선인 불꽃이 발생한다. 강의 탄소 함유량이 증가함에 따라서 불꽃 줄기의 수는 증가하고 색상은 더욱 흰색을 띠게 된다. 니켈강은 불꽃의 중심에 작은 흰색 띠가 있는 불꽃을 일으킨다.

 

강 합금의 종류, 특성과 용도 (Types, Characteristics, and Use of Alloyed Steels)

  탄소가 0.10〜0.30% 함유된 강을 저 탄소강으로 분류하고, SAE 규격번호로는 1010〜1030가 여기에 속한다. 이 탄소강은 안전결선(safety wire), 너트(nut), 케이블 부싱(cable bushing), 나사를 낸 봉(rod) 등과 같은 부품을 만들 때 사용한다. 이 탄소강으로 만든 판재는 2차 구조부에 사용하고, 튜브 형태는 중간 정도의 응력을 받는 구조 부품에 사용한다. 탄소가 0.30∼0.50% 함유된 강을 중 탄소강으로 분류한다. 이 탄소강은 특히 기계 가공 또는 단조 가공용 재료로 사용하고, 표면 경도를 요구하는 곳에 적합하다. rod end와 경량 단조품 등은 SAE 1035 탄소강으로 만든다. 탄소를 0.50∼1.05% 함유한 강을 고탄소강으로 분류한다. 이 탄소강에 추가로 다른 원소를 적당량 첨가하면 경도가 증가한다. 이 탄소강은 적절히 열처리하면 매우 단단해지고, 큰 전단하중이나 마모에 잘 견디며, 변형이 감소한다. 이 탄소강은 항공기에 제한적으로 사용되는데, SAE 1095 탄소강은 판 형태로는 판스프링(flat spring)을 만들 때 사용하고, 철사 형태로는 코일스프링(coil spring)을 만들 때 사용한다.