금속 조직의 관찰 방법과 관찰·계측의 합리화
최근 자동차 업계에서는 머티리얼(재료)에 의한 경량화와 강성의 양립을 두고 각사가 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 더 높은 기능의 머티리얼 채택에 따라 최적의 금속 재료 선정·사용에 필수인 금속 조직의 관찰·계측에는 정확성과 편의성, 그리고 속도가 요구됩니다.
여기에서는 조직 관찰의 기초와 과제, 그리고 4K 디지털 마이크로스코프에 의한 최신 사례를 소개합니다.
금속 재료와 조직 관찰의 필요성
금속 재료는 자동차·항공 관련 분야를 비롯하여 인프라, 전기 제품, 전자 디바이스 등 각종 분야에서 사용됩니다. 각각의 사용 목적에 맞는 금속·합금을 선택·사용하지만, 완전히 동일한 금속·합금 성분이더라도 「금속 조직」에 따라 내구성이나 가공성 등과 관련된 「기계적 성질」이 다릅니다. 조직을 관찰하면 금속 재료의 성질이나 가공·열처리 등에 대한 변화를 평가·판단하여 적합한 재료를 선택하여 사용할 수 있게 됩니다.
금속 재료의 파손이 제품의 안전성과 인명에 관련된 경우가 많은 자동차 등의 분야에서는 금속 조직 관찰에 의한 기계적 성질의 평가·판단, 표면 처리 및 열처리 후의 평가, 그리고 비금속 개재물·균열·기포 등의 불량 분석이 특히 중요합니다.
금속 재료의 기계적 성질이란
금속 재료에서 말하는 기계적 성질이란, 강도·경도·인성·피로 특성·내마모성 등 역학적인 성질을 뜻합니다. 금속 재료는 같은 재료나 성분 등의 비율이 같은 상태(조직)일지라도 열처리에 따라 금속 조직이 변화하여 기계적 성질이 바뀝니다. 재료의 내구성은 물론, 연삭이나 소성 등 기계 가공의 효율 및 열처리에 관한 특성 변화와 밀접한 관계가 있습니다.
금속 조직과 온도에 의한 변화
일반적으로 금속 조직은 원자가 규칙적으로 나열된 「결정 구조」로 이루어져 있는데 반드시 모든 원자가 규칙적인 배열이 되지는 않습니다. 여러 결정립이 규칙적으로 나열된 결정 구조를 「다결정」, 원자 배열이 흐트러진 영역에 나타나는 결정립과 결정립의 경계를 「결정 입계」라고 합니다.
이러한 금속 조직의 결정 구조는 열처리 등 온도에 따라 결정 입계의 패턴이 변화합니다. 같은 금속 재료라도 열처리에 따라 다른 변화가 나타나기 때문에 금속 조직의 결정립 형태·크기·분포의 변화를 관찰하면 열처리 후의 기계적 성질을 알 수 있습니다.
한 예로, 스테인리스강(SUS재)의 열처리에 따른 조직 변화는 아래와 같습니다.
- 오스테나이트(SUS304)
- 상온에서는 존재하지 않는 조직이지만 Fe와 C의 합금은 723℃ 이상의 온도에서 조직이 안정됩니다. 또한, 담금질 성능을 높이는 합금 원소(Ni과 Mn)를 많이 함유하면 조직이 안정됩니다. 담금질 후 변화하지 않고 강 중에 남은 오스테나이트 조직을 「잔류 오스테나이트」라고 합니다.
- 마르텐사이트(SUS410)
- 오스테나이트 조직을 급격히 냉각했을 때 생기는 조직으로 단단하고 쉽게 부서지는 조직입니다. 마르텐사이트를 100~200℃로 템퍼링하면 Fe3C가 석출되어 약간 인성이 강해지는 한편, 부식이 잘 발생하게 됩니다. 이 상태의 마르텐사이트는 담금질한 것과 구별하여 「템퍼링 마르텐사이트」라고 합니다.
- 페라이트(SUS430)
- Fe에 최대 0.02%의 C가 함유되어 순철에 가까운 조직입니다. 상온에서 780℃까지는 강자성체로 철강 조직 중 가장 부드럽고 연성이 뛰어납니다.
또한, 오스테나이트 상태의 강을 천천히 냉각했을 때 생기는 조직이 「펄라이트」입니다. 냉각 속도에 따라 층의 간격이 다릅니다. 페라이트와 Fe3C가 지극히 얇은 층으로 번갈아 나열되어 진주 조개 같은 색상이 되기 되기 때문에 펄라이트라고 불립니다.
현미경을 이용한 금속 조직의 관찰 방법
일반적인 현미경을 이용한 금속 조직 관찰의 샘플 제작·관찰까지의 프로세스는 아래와 같습니다.
1. 포매(수지 매립)
잘라낸 샘플을 수지로 굳힙니다. 경화시키는 수지에는 다양한 종류가 있습니다. 투명도가 높고 짧은 시간에 경화되는 1액성 가시광 경화 등이 이용됩니다. 원통형 케이스에 샘플을 넣고 경화시킬 수지를 천천히 부어 넣습니다. 이때 기포가 생기지 않도록 주의해야 합니다.
2. 연마
내수 연마지를 이용한 조연마와 평면 연마기를 이용한 정밀 연마로 샘플을 연마합니다. SiC 연마지 80~2400를 거친 순서대로 습식법으로 사용합니다. 정밀 연마에서는 9~0.25 μm 입도의 다이아몬드 스프레이를 합성 명주 등 연마제 및 윤활제, 알칼리성 현탁액을 이용하여 경면으로 마감하고 샘플면을 흐르는 물로 세정합니다.
3. 에칭(부식)
샘플과 맞는 에칭액(부식액)에 샘플의 연마한 면을 담급니다. 부식액을 물로 씻어내고 에틸 알코올 등에 담근 후 건조시킵니다.
4. 현미경을 이용한 조직 관찰
상기의 제작 공정을 거쳐 적절하게 제작된 샘플의 연마된 면을 현미경으로 관찰합니다. 조직을 확대하고 초점을 잘 조정하여 입열에 의한 조직의 변화를 관찰합니다. 단, 비금속 개재물이나 흑연 구상화, 페라이트, 펄라이트 등의 면적률를 포함한 고도의 측정은 전용 소프트웨어로 이행해서 실시할 필요가 있습니다.
금속 조직 관찰의 최신 사례
기존의 현미경에 의한 조직 관찰을 크게 바꾼 것이 최신 디지털 마이크로스코프입니다.
KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용하여 고해상도 화상에 의한 금속 조직 관찰·평가의 고도화는 물론 다양한 작업을 대폭으로 효율화할 수 있습니다.
4K 초고해상도 화상에 의한 금속 조직 관찰
기존의 현미경은 샘플 제작에 많은 공정 수가 필요했습니다. 또한, 포매(수지 매립)한 샘플의 관찰면이 평탄하지 않은 경우, 고배율로는 미세한 높이 차이에 따라 초점이 맞지 않아 조정이 까다로웠습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「내비게이션 라이브 합성」을 통한 간단 조작으로 신속하게 심도를 합성할 수 있기 때문에 조정이 필요 없습니다. 따라서 포매(수지 매립)의 관찰면이 평탄하지 않은 경우에도 금속 조직 전체에 초점이 맞는 초고해상도 4K 화상을 이용한 선명한 조직 관찰을 간단하게 실행할 수 있습니다.
4K HDR 기능으로 육안에 가까운 선명한 관찰을 실현
기존의 마이크로스코프를 이용한 조직 관찰에서는 해상도가 부족하거나 색조가 옅은 조직을 관찰하기 어려웠습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 셔터 속도를 바꿔 고계조의 화상을 여러 장 취득하는 「HDR(High Dynamic Range) 기능」을 탑재했습니다. 기존에는 해상도·콘트라스트 부족으로 보이지 않았던 조직의 세밀한 부분을 고해상도·높은 콘트라스트의 화상을 통해 관찰할 수 있습니다.
고속의 화상 연결에 의한 광범위 촬영 화상
기존에는 고배율·고해상도로 촬영할 수는 있어도 시야가 좁았기 때문에, 그것이 샘플의 어느 부분인지 알기 어렵다는 과제가 있어 작업 효율 저하의 원인이 되었습니다.
「VHX 시리즈」의 화상 연결 기능은 화상 연결 버튼을 누르기만 하면 고속으로 화상이 어긋나지 않게 시야를 연결하여 최대 50000×50000픽셀로 화상을 연결할 수 있습니다. 배율·해상도는 그대로 유지하면서 이것을 조감도로 이용하는 효율적인 관찰이 실현됩니다.
금속 조직을 클릭 한 번으로 계측
기존의 현미경으로는 열처리 후의 페라이트 및 펄라이트 품질을 면적률에 따라 정량적으로 평가할 수 없었습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「자동 면적 계측」 기능이 탑재되었습니다. 간단한 마우스 조작으로 금속 조직의 확대 관찰부터 면적률 자동 계측에 따른 정량 평가, 리포트 출력까지 일련의 작업이 한 대로 신속하게 완결됩니다.
흑연 구상화의 관찰·면적률 계측
기존에는 비철금속 개재물의 측정이나 흑연 구상화율, 페라이트, 펄라이트 등의 면적률 등 고도의 계측은 별도의 전문적인 소프트웨어를 병용해야 했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「자동 면적 계측·카운트」 기능이 탑재되었습니다. 간단한 조작으로 지정한 범위에서 면적률 계측 및 카운트를 실행할 수 있습니다. 불필요한 대상 물체를 제외하거나 서로 겹치는 대상 물체를 분리할 수도 있습니다. 따라서 마이크로스코프를 통한 관찰과 동시에 고도의 계측 수치의 표·그래프화가 간단하게 실현됩니다.
업계를 선도하기 위한 금속 조직 관찰·계측
자동차를 대표로 경량화에 의한 저연비화와 강성을 양립하기 위해, 늘 새로운 머티리얼과 처리 기술로 시대를 이끌어 가고자 각사가 치열하게 경쟁하고 있습니다.
고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 금속 조직 관찰에 이용하면, 기존 현미경에 비해 비약적인 작업 효율화와 이전에는 불가능했던 고해상도의 관찰, 고정도의 계측이 실현됩니다.
그 밖에도 여러 최첨단 기능을 탑재한 「VHX 시리즈」는 머티리얼 선정의 속도와 정확성이 요구되는 업계에서 강력한 툴이 될 것입니다.
「VHX 시리즈」에 관한 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
