용접 작업하면 갑자기 부서지는 '이 금속'…이유 찾았다

[시흥=뉴시스] 중망간강의 수소취성 메커니즘 변화 과정. (사진=한국공대 제공). 2025.05.22. photo@newsis.com

[시흥=뉴시스] 박석희 기자 = 경기 시흥시 한국공학대학교는 이승준 신소재공학과 교수 연구팀이 마찰교반용접(FSW) 후 금속이 갑자기 부서지는 핵심적 원인을 과학적으로 알아냈다고 22일 밝혔다.

대학교에 따르면 연구팀은 일본 오사카대학교, 국립 순천대학교와 공동으로 금속 내부에 침투한 수소가 어떻게 금속을 약화하는지에 대한 메커니즘을 정밀 분석했다. 실험 소재로 '중망간강'을 사용했다.

이 금속은 강하면서도 가볍고 가격 경쟁력도 뛰어나 전기차 등 미래형 산업에 적합한 소재로 주목받는다. 하지만 수소 원자가 금속 내부에 침투하면서 구조를 약화하고 갑작스러운 파괴를 유발하는‘수소취성’ 현상이 문제로 제기됐다.

이에 연구팀은 중망간강을 FSW 이라는 방식으로 접합한 뒤, 용접 전후 수소의 작용 방식을 비교 분석했다. FSW은 고속으로 회전하는 툴(tool)의 마찰열과 압력을 이용해 금속을 붙이는 첨단 비용융(녹이지 않는) 용접 기술이다.

분석 결과, 용접 전에는 수소가 금속의 상 경계(결정 구조가 만나는 경계)에 모여 결합력을 낮추고, 이에 따라 균열(HEDE)이 발생한 것으로 나타났다. 반면, 용접 후에는 수소가 공간을 형성(HESIV)하는 가운데 금속을 약화시켰다.

이러한 현상은 마찰교반용접 이후, 수소에 의한 국부 소성(HELP)이 증가하고, Schmid factor(슬립 유효 계수, 결정 내부에서 변형이 잘 일어나는 방향을 나타내는 수치) 값이 높아졌기 때문으로 분석됐다.

이와 함께 금속을 어떤 방식으로 접합하느냐에 따라 수소취성의 작용 메커니즘이 달라질 수 있다는 사실을 세계 최초로 알아냈다. 이번 연구 결과는 금속의 수명을 늘리고 안전성을 높이는 데 중요한 기반 자료가 될 것으로 평가받는다.

특히 수소차나 전기차처럼 수소 환경에 노출되는 산업에서도 더 튼튼한 금속 소재 개발로 이어질 것으로 전망한다.

이승준 교수는 "수소처럼 작은 원소가 금속에 어떤 영향을 주는지를 실험으로 확인하고 설명한 연구"라며 "향후 수소에 강한 신소재 설계와 용접 기술 개발로 연결될 수 있을 것으로 전망한다"고 말했다.

연구 결과는 야금학 분야 JCR 상위 5% 이내 SCIE 급 국제 저널인 Acta Materialia 2025년 6월호(6월15일 온라인 발간 예정)에 게재가 확정됐으며, 현재 온라인을 통해 선공개(Online First)된 상태다.

☞공감언론 뉴시스 phe@newsis.com

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