[철강인의 금속학 ⑩] 냉연하면 왜 강해지고 단단해지는가 — 가공경화가 바꾸는 강도와 연성

같은 두께의 냉연강판인데 어떤 코일은 잘 절곡되고 다른 코일은 가공 중 균열이 생긴다. 동일한 강종 이름만으로 두 소재의 성형성이 같다고 볼 수 없는 이유다. 냉간압연 자체가 재질을 강화하는 원리와 출하 전 소둔·조질압연 상태를 구분해야 고객의 가공 불량과 구매 사양을 정확히 설명할 수 있다.

냉간압연은 단순한 두께 감소가 아니다

냉간압연은 통상 재결정이 진행되지 않는 온도 영역에서 강판을 롤 사이로 통과시켜 두께와 형상을 제어하는 공정이다. 금속이 소성변형되는 동안 결정 내부에는 전위(dislocation)가 생성·증식한다. 전위가 서로 얽히고 결정립계·석출물 등과 상호작용하면 이동하기 어려워지는데, 이때 추가 소성변형에 필요한 응력이 높아진다. 이러한 강도 증가가 가공경화(strain hardening)의 핵심이다.

냉간가공도가 커지면 일반적으로 항복강도와 경도는 높아지고 연신율은 감소하는 경향을 보인다. 그러나 변화 폭은 강종, 초기 미세조직, 두께, 압하율, 냉간가공·중간열처리 이력에 좌우된다. 특정 강종에서 얻은 강도 변화 수치를 모든 냉연강판에 대입하는 것은 잘못이다. 탄소함량이 같더라도 최종 조직과 가공이력에 따라 성형반응이 달라질 수 있다.

냉연과 풀하드는 같은 말이 아니다

냉연은 공정 계열을 뜻하고, 풀하드(full hard)는 냉간압연 뒤 충분한 재결정 소둔을 거치지 않아 가공경화가 크게 남은 상태를 말한다. 일반 성형용 냉연강판은 냉간압연 다음에 소둔을 진행해 연성을 회복시킬 수 있다. 스킨패스(skin pass, 조질압연)는 소둔 후 작은 압하를 부여해 표면·평탄도·항복점 거동을 조정하는 마무리 공정이다. 스킨패스를 했다는 사실만으로 풀하드 제품이라고 판단해서는 안 된다.

강해진 재료가 프레스에서는 불리해지는 이유

고객이 원하는 것은 늘 높은 강도가 아니다. 항복강도가 높아지면 필요한 성형 하중이 커질 수 있으며, 냉간가공으로 연성이 소모된 재료는 작은 굽힘반경이나 국부 변형에서 균열이 발생하기 쉽다. 스프링백은 항복거동, 두께, 잔류응력, 금형 형상과 관련돼 있다. 가공경화된 강재가 강해진 이유를 탄성계수가 대폭 증가했기 때문이라고 설명하는 것은 정확하지 않다.

다만 풀하드 상태가 곧 품질 불량인 것은 아니다. 높은 강도나 특정 후공정 요구가 있는 소재는 의도적으로 풀하드 상태로 공급될 수 있다. 반대로 깊은 드로잉이나 작은 반경의 절곡을 요구하는 용도에서는 연성과 성형성이 우선될 수 있다. 재료의 우수성은 강도 하나가 아니라 사용 조건과의 적합성으로 판단해야 한다.

소둔이 강재에 되돌려 주는 것은 변형의 여유다

회복(recovery)은 냉간가공으로 쌓인 전위가 재배열되거나 일부 소멸하는 단계다. 재결정(recrystallization)은 변형된 기존 결정립 대신 상대적으로 변형이 적은 새 결정립이 만들어지는 과정이다. 충분히 재결정되면 일반적으로 강도·경도는 낮아지고 연성이 회복된다. 다만 온도·유지시간·강종·압하율에 따라 회복과 재결정의 범위가 달라지므로 실제 결과를 시험성적서로 확인해야 한다.

소둔 후의 조질압연은 소량의 소성변형을 다시 부여할 수 있다. 그 목적은 단순 강도 증가가 아니라 형상, 표면, 항복점 연신과 관련된 외관 문제 등을 관리하는 데 있다. 따라서 소둔재와 조질압연재, 풀하드를 각각 구분해 주문조건과 기술협의서에 표시하는 것이 타당하다.

밀시트는 강종보다 최종 공급상태를 함께 읽어야 한다

일반적인 재질증명서(MTC)에 이들 항목이 모두 표시되지는 않는다. 적용 규격에서 경도, 소둔 이력, 압하율을 요구하지 않았다면 별도 제조사 자료나 고객 승인서로 확인해야 한다. 성적서에 정보가 없다는 이유만으로 공정 자체가 수행되지 않았다고 단정해서도 안 된다.

원가와 공급사 변경 — 왜 같은 냉연인데 견적이 다른가

냉연 원가는 열연 원판뿐 아니라 산세, 냉간압연, 소둔, 조질압연, 표면검사, 수율, 포장·물류에 영향을 받는다. 풀하드가 언제나 더 비싸거나 소둔재가 언제나 더 저렴하다는 단일 가격 공식은 없다. 동일 강종과 두께를 비교할 때는 고객이 필요한 표면등급과 기계적 특성, 최종 공급상태 및 검사 수준을 동일하게 맞춰야 한다.

예컨대 한 가공업체가 기존재를 대체한 뒤 절곡 각도와 금형 복원량이 달라졌다고 가정해 보자. 이는 특정 실거래를 재현한 사례가 아니다. 기존재와 대체재의 공급상태, 강도·연신율 분포, 압연방향, 가공장비 설정, 금형·윤활 조건을 각각 대조해야 한다. 원인을 확인하지 않은 채 소재 결함이나 공정 불량으로 책임을 단정하면 클레임이 확대될 수 있다.

시장 참여자의 결론

철강사와 재압연사/리롤러는 최종 공정상태와 품질 범위를 일관되게 전달해야 한다. 유통업체와 SSC는 주문서의 풀하드·소둔·조질압연 구분을 관리해야 하고, 수요가는 실제 가공시험과 성형 허용범위를 사양에 반영해야 한다. 냉간압연은 강재를 강화하지만, 고객이 실제로 구매하는 냉연강판의 성질은 이후 소둔과 조질압연을 포함한 전체 공정의 결과다.

참고자료와 검증 범위

세계철강협회, The white book of steel; Bodycote, Recrystallisation; 동국산업, 냉연강판. 검증된 공정의 일반 원리를 독립적으로 설명했으며 특정 KS·JIS·ASTM 제품의 규격 수치로 일반화하지 않았다.