[스크랩] [번역] 총기에서의 금속 표면처리 기술과 역사 (1)
< 원문출처 및 추가 참고자료 출처:
[1] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-basics.html)
[2] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-case-hardening.html)
[3] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-browning-and-bluing.html)
[4] (http://www.ehow.com/how_6904788_brown-gun-parts.html)
[5] (http://www.militaryheritage.com/browning.htm) >
금속처리 : 기초 (Metal Treatments: Basics) [1]
초창기 총기에서부터, 총기 부품들 - 총신(barrel), 노리쇠(action), 방아쇠(trigger) 등 - 을 만드는 데에는 철(iron)과 강철(steel)이 사용되었습니다. 그럼 총기 제조에 있어서 사용되는 금속처리 공정에 대해서 몇가지 살펴보도록 하겠습니다.
금속처리 공정의 목표는 무기의 수명을 보존하는 데에 있습니다. 철과 강철로 만들어진 부품들은 부식에 취약하며, 가능한 한 이를 방지하는 것이야말로 중요한 일입니다. 또한 이들 금속 부품들을 경화(harden) 시키는 것도 이들의 수명을 늘리고 변형을 방지하는 좋은 방법입니다.
금속처리의 2번째 이유는 총신에서 비치는 반사광을 감소시킴으로써, 사용자가 조준시에 눈부시지 않도록 하는 것입니다.
3번째 이유로는 단지 미관상 목적입니다. 예를 들어 브라우닝을 한 총신(browned barrel)은 아무 처리를 하지 않은 총신과 비교하여, 아름다운 적갈색 표면을 갖게 됩니다.
오랜 세월에 걸쳐 몇가지 처리 기법 - 표면 경화(Case Hardening), 브라우닝(Browning), 블루잉(Bluing), 파커라이징(Parkerizing), 크롬 도금(Chrome plating), 테니퍼(Tenifer) 등 - 들이 개발되었습니다. 지금부터 이러한 금속처리 기법들이 어떻게 발전되어 왔는지에 대하여 설명하겠습니다.
금속처리: 표면경화 (Metal Treatments: Case Hardening) [2]
초창기 총기들의 경우 대부분의 부속들이 저탄소강(low carbon steel)으로 제조되었는데, 이는 가공(machine)이 용이하고, 가격이 저렴하며, 적당한 강도를 갖고 있기 때문입니다. 그러나 불행히도 이러한 부품들이 야전에서 심한 스트레스를 견뎌내지 못하는 경우가 잦습니다. 이를 극복하기 위하여 표면경화(case-hardening)라는 기술이 개발되었습니다.
표면경화는 저탄소강에 탄소를 첨가하는 기법입니다. 단, 탄소는 표면에만 첨가되며, 이를 통하여 부품의 표면은 경화(harden; 硬化)되는 반면, 부품의 안쪽은 계속 인성(toughness; 靭性)과 연성(mallability; 延性)을 유지하도록 합니다. 이로써 해당 부품의 표면은 단단하지만(hard surface), 충격에는 잘 견디는(not brittle and can withstand shock well) 특성을 갖게 됩니다.
표면경화(case hardening/ also called pack hardening) 공정은, 우선 저탄소강 부품을 딱 맞는 크기로 기계가공을 마친 뒤에, 고탄소화합물(compounds having high carbon content)들과 함께 밀봉된 용기(sealed container) 내에 넣는 것으로 시작합니다. 탄소함유량이 많은 화합물로 과거에는 간단하게 동물의 가죽이나 뼈를 사용했었습니다. 오늘날에는 본 블랙(bone charcoal)이라는 화학물질을 많이 사용합니다. 밀봉용기(container)는 세라믹이나 강철, 흑연 등으로 제작되며, 밀봉시에는 내화점토(fire clay)를 사용합니다. 이후 밀봉용기를 가열로(furnace)에 집어넣어 적열상태(red-hot)(대략 950℃)가 될 때까지 가열하고, 이 온도에서 수시간 동안 유지시킵니다. 동물 뼈와 가죽은 천천히 탄소 및 탄소가 많은 가스(즉, 일산화탄소(CO) 등)로 변화하게 되며, 이는 다시 강철부속의 표면으로 침투하여 수천분의 1센티 깊이까지 파고들어갑니다. 밀봉용기를 해당 온도에 두는 시간의 길이는, 사용자가 부품에 탄소를 얼마나 깊이 침투시키려 하는가에 따라서 달라집니다. 이제 밀봉용기를 가열로에서 꺼내서 내용물을 액체욕탕(liquid bath)에 퀜칭(quench; 급속냉각)하게 됩니다. 액체욕탕은 통상 대량의 물(water)에 얇은 기름층(with thin layer of oil added on top)이 추가된 형태로 설계하는데, 기름층의 목적은 퀜칭 과정에서 가해지는 열충격을 감소시키는 데에 있습니다. 부속품의 표면부는 마치 유리(glass)처럼 단단하게(hard) 됩니다. 반면 내부의 경우 부드러운 연성을 유지하게 됩니다.
컬러 표면경화(Color case hardening) 또한 위와 비슷한 공정을 거칩니다. 다만, 부속품을 고탄소화합물(high-carbon compounds)과 함께 밀봉용기에 넣기 전에, 부속품 표면의 기름과 그리스등을 모두 제거합니다. 이 공정은 퀜칭 공정을 제외하면 앞서 공정과 동일합니다. 강철에 퀜칭이 불균일하게 이뤄지게 되면, 강철 표면에는 다양한 색상(청색, 노란색, 주황색 등)이 나타나게 됩니다. 어떤 사람들은 색깔 무늬를 내기 위하여 퀜칭시에 욕탕에 부속품을 세차게 흔드는(in a jerking motion) 방법을 쓰기도 합니다. 1800년대 런던의 총기 제조자들은 약간 다른 기법을 사용했습니다 : 퀜칭용 욕탕에 다수의 거품이 발생하게 함으로써 부속 표면에 얼룩덜룩한 컬러무늬가 나타나게 하였습니다. 퀜칭용 욕탕에 소량의 질산칼륨(potassium nitratre; KNO3)을 첨가하게 되면, 만들어지는 컬러가 좀 더 밝은 색으로 되는 효과가 나타납니다.
표면경화 과정을 마친 뒤에는 부속품을 꺼내어 씻고 말리고, 이후 부식을 막기 위해 기름칠을 하거나(oiled), 래커칠(lacquered)을 합니다.
이 기법은 1700년대 및 1800년대에 대단히 많이 사용되었습니다. 스프링을 제외한 총기의 가동부(gun's action or lockwork)의 부속품 대다수가 이 기법으로 처리되었습니다.
상기 사진에서 표면경화를 통해 아름답게 청색, 노란색, 어두운 주황색 색조가 나타난 모습을 볼 수가 있습니다. 컬러 표면경화를 실시하는 경우, 위 사진과 같이 색상이 나타나기 때문에 실시여부를 분명하게 확인할 수가 있습니다. 그러나 통상적인 표면경화의 경우에는 이러한 표시가 나타나지 않으므로 겉으로는 확인하기 어렵습니다. 하지만 통상적인 표면경화 역시도 컬러 표면경화와 (색상을 제외한) 동일한 효과를 갖습니다.
오늘날에는 철강제조 공정기술의 발달에 따라서, 표면경화를 해야 하는 이유가 상당부분 사라졌기 때문에, 강철 내부의 탄소 함량을 균일하게 하는 것이 가능해졌습니다. 하지만 아직도 내부의 인성은 유지하되 표면만 경화시켜야 하는 경우가 종종 발생하며, 이러한 경우 표면경화가 여전히 사용되게 됩니다. 따라서 격발핀(firing pins)이나 노리쇠 표면(bolt action faces)의 경우 오늘날에도 표면경화가 실시되며, 이는 이들 부속품들이 기계적 충격(shock impact) 및 고압(high pressure)에 노출되기 때문입니다. 골동품 재현총기류(Replica weapon)들의 경우에도, 해당시기의 금속가공 기법을 강조하기 위하여 표면경화 기법을 사용합니다.
금속처리: 브라우닝과 블루잉 (Metal Treatments: Browning and Bluing) [3]
총기 제작의 초창기 시기부터, 사람들은 각자 무기들의 철과 강철 부속품들을 보다 잘 보호하기 위한 방법들을 모색해 왔었습니다. 사실 '블루잉(bluing)'이란 기법은 '콜드 블루잉(cold bluing)'이란 방법과 '핫 블루잉(hot bluing)'의 2가지로 구분됩니다. 여기서는 2가지 방법 모두에 대해서 알아보도록 하겠으며, 아울러 '브라우닝(browning)'이라는 공정에 대해서도 알아보도록 하겠습니다.
우선 이 공정들의 목적은 무엇일까요? 철과 강철 부속품들의 표면에 얇은 코팅층을 만들어서 부식과 녹생성을 방지하는 것입니다. 아이디어는 부속품(예를 들어 총열)의 표면을 고의로 부식(intentionally rust)시켜서 부식 과정을 차단한다는 것입니다. 이 외곽 부식층은 내부의 부속품이 추가적으로 부식되는 것을 차단합니다. 또한 이 공정을 거치게 되면, 원래 매우 반사가 심했던 부품들의 반사광을 감소시키는 효과도 얻게 됩니다. 이 공정을 거치지 않은 총열을 사용한 경우, 표면 반사광이 사용자의 눈을 부시게 하기 때문에, 밝은 대낮에는 조준하기 어렵게 됩니다.
브라우닝과 콜드 블루잉은 사실 대단히 유사한 공정들이며, 단지 1개의 작은 차이점만 존재합니다. 따라서 이 2가지를 먼저 함께 공부해보도록 하겠습니다. 브라우닝 공정이 둘 중에서 보다 오래된 공정이며, 총기가 발명되기 훨씬 전부터 알려진 공정입니다. 유럽에서는 이 공정을 원래 '러셋팅(russetting)'이라고 불렀었고, '브라우닝'이라는 용어는 보다 후대에서부터 사용되었습니다. 이후, 브라우닝용 용액과 공정이 변형되면서, 결과물의 색상이 암청색/ 검정색 형태(dark blue/black finish)를 띄게 되었고, 이를 통해서 '블루잉'이라는 용어가 탄생하게 됩니다. 유명한 총기인 '브라운 베스(Brown Bess)' 머스켓에 '브라운'이라는 말이 들어간 것도, 총신에 브라우닝 처리를 했기 때문이라고 알려져 있습니다.
브라우닝 용액의 구성에 대해서는, 수세기 동안 총기 제작자들 사이에서 비밀로서 지켜져 왔었습니다. 하지만 긴 세월이 지나는 과정에서, 여러사람들이 동일한 효과를 낼 수 있는 여러가지 방법들을 발명하게 됩니다. 그 결과 오늘날에는 수백가지가 넘는 브라우닝 용액들이 존재하게 되었습니다. 가장 흔히 사용하는 용액 중의 하나는 소금물(salt-water)을 사용하는 것입니다. 이는 이미 철기시대에서부터 녹을 슬게 만드는 용액으로 잘 알려져 왔었습니다. 소금물(salt-water)은 적어도 1800년대 중반 무렵부터는 확실히 사용된 것 같습니다. 그 외에도 강산(strong acids)이나 금속염(metallic salts), 클로릭 염(chlorides), 안티몬 염(antimony) 등이 사용된 것으로 알려져 있습니다. 일반적으로 농축된 브라우닝 용액이 희석된 용액보다는 빨리 반응하는 경향이 있습니다만, 코팅층의 내구성이나 외관 등의 측면에서는 희석된 용액 쪽이 보다 우수한 경향이 있습니다. 또한 옛날 총신들의 경우 그 성분(composition)이 불균일한 경우가 많아, 농축 용액을 사용하면 불균일한 마감 형태(non-uniform finish)가 더 빠르게 생성된다고 합니다. 따라서 통상 희석 용액이 보다 선호되었다고 합니다. 그리고 각각의 총기 제작자들마다 다른 종류의 강철을 사용했기 때문에, 한 총기 제작자의 총기에 좋은 결과를 내는 용액이 다른 제작자의 총기에도 같은 결과를 내리라고는 보장할 수 없었습니다.
문헌에 남아있는(1811년 육군 일반규정 및 명령(General Regulations and Orders for the Army, 1811)) 브라운 베스 머스켓용 브라우닝 용액의 구성은 다음과 같습니다:
* 질산(Nitric acid) - 1/2 온스
* 에틸 니트레이트 4% 알콜용액(sweet spirit of nitre) - 1/2 온스 [4]
* 알콜(Spirits of wine) - 1 온스
* 황산구리(Blue vitriol) - 2 온스
* 염화철 용액(Tincture of Steel) - 1 온스 [4]
먼저 황산구리를 녹이기 위해 물(water)을 사용하고, 이어 나머지 성분들을 용액에 넣은 다음, 용액의 총량이 1쿼트(quart)가 되도록 물을 추가합니다. 무기에 사용된 철이나 강철의 합금 성분에 따라서 이 외에도 다양한 종류의 용액들이 사용되었습니다.
브라우닝 공정은 다음과 같이 실시됩니다: 비누나 기타 세정제를 이용하여 총신에 있는 기름이나 기타 때를 모두 제거합니다. 다음으로 총신 양쪽을 목제 마개로 막아 총신 내부를 밀봉함으로써, 총신 외부만 부식되도록 합니다. 총신을 공중에 걸어놓은 다음, 스폰지나 깨끗한 천으로 브라우닝 용액을 외부에 바릅니다. 총신을 대략 24시간 동안 대기 중에 방치하면 표면에 적갈색의 얇은 층이 형성되게 됩니다. 이후 뻣뻣한 솔이나 강철솜(hard brush or steel wool) 따위를 사용하여 표면을 '솔질(carded)'함으로써, 총신 표면에 있는 산(acid)을 제거합니다. 원하는 수준의 색상이 나올 때까지, 이 과정을 2~3차례 반복합니다. 이후 총신을 닦아내고 기름칠을 하게 됩니다. 철 및 강철로 된 다른 총기부품들에도 비슷한 공정을 적용합니다.
(브라운 베스 머스켓의 사진으로, 전형적인 브라우닝 공정이 적용된 총열(barrel)을 볼 수 있다)
한편, 솔질(carding) 직전에 부품을 먼저 끓는 물에 담그게 되면 부식 과정이 중단된다는 것이 나중에 알려지게 됩니다. 그리고 이렇게 하면 부품의 색상이 적갈색(reddish brown)이 아닌 암청색 내지 검정색(deep blue or black)이 된다는 것도 알려집니다. 이는 붉은 색인 산화제이철(Fe203) 대신에, 검정색인 사산화삼철(Fe304)이 형성되었기 때문입니다. 이 공정은 '콜드 블루잉'이라고 불리게 되었으며, 단지 이 점만이 '브라우닝'과 다른 부분입니다.
위 사진은 미국 남북전쟁 시기의 퍼커션-록 소총(percussion-lock weapon)으로, 콜드 블루잉이 된 총신을 보여주고 있습니다.
아래의 2개의 비디오는 각각 다른 화학물질을 이용하여 콜드 블루잉을 하는 과정을 소개하고 있습니다.
브라우닝과 콜드 불루잉은 각각 대단히 얇은 보호층을 형성하기 때문에, 정교하게 제작된 부품의 치수가 달라지거나 한다는 걱정은 하지 않아도 됩니다. 다만, 이 공정들은 표면의 경도(hardness)에는 기여하지 못하기 때문에, 마모(wear)에 대한 저항성은 제공하지 못합니다. 또한 공정에 소모되는 노동력과 시간도 대단히 크기 때문에, 오늘날 대규모 공장에서는 사용하지 않고, 단지 개인 작업장이나 취미가들에게서만 사용되고 있습니다.
한편, 보다 현대적인 제작자들의 경우에는 핫 블루잉이라는 공정을 사용합니다. 이 공정을 살펴보면, 먼저 브라우닝이나 콜드 블루잉에서처럼 부속품 표면의 기름과 때를 제거하는 것으로부터 시작합니다. 다음으로, 강철 부품을 질산칼륨과 수산화나트륨, 물이 혼합된 뜨거운 용액에 집어넣습니다. 스테인레스 강으로 된 부속품의 경우에는 질산염과 크롬산염의 뜨거운 용액에 넣습니다. 이 공정을 거치면 검정색의 사산화삼철(Fe304) 층이 발생됩니다. 이때 사용되는 용액들은 피부나 섬유, 가죽 등을 부식시키며, 또한 공정 중에 발생하는 증기도 근방의 금속들과 반응할 수 있기 때문에 주의해야 합니다. 따라서 핫 블루잉의 경우, 제대로 준비된 공장 환경에서만 실시할 수 있으며, 가정집 등에서는 따라하기 곤란한 공정입니다. 아무튼 시간이 좀 지난 뒤에 부속품을 용액에서 꺼내게 되고, 블루잉 과정을 끝내기 위해 뜨거운 물에 담가 부품에 묻은 용액을 헹구게 됩니다. 이후 부속품에 기름칠을 하고 조립합니다.
위 사진은 유명한 콜트 M1911 권총을 기반으로 제작된 타우러스 권총(Taurus pistol)의 사진입니다. 블루잉을 하여 표면이 암청색이라는 점이 눈에 띄입니다.
핫 블루잉은 부식 방지 및 녹방지에 있어서 앞서 3가지 공정 중에서 가장 우수한 특성을 보입니다. 또한 공정에 투입되는 시간도 가장 짧고, 외관 특성에 있어서도 3가지 중에서 가장 우수합니다. 따라서 이 공정의 경우 오늘날의 총기제조자들도 자주 사용하는 방법이 되었습니다. 핫 블루잉의 가장 큰 단점은 사용되는 화학약품이 부식성이 강하므로, 제대로 된 공장 환경에서만 실시할 수 있다는 점입니다.
비록 블루잉이 마감처리에 있어서 가장 저렴한 방법이긴 하지만, 현대적인 다른 마감 기법들에 비하면 녹방지 등의 특성이 그리 우수하지는 못합니다. 또한 이 방법은 철계 재료(ferrous materials)나, 강철, 스테인레스 강 등으로 제작된 부속들에만 적용이 가능하며, 알루미늄 합금과 같은 다른 재료로 만든 것들에는 적용이 곤란합니다. 이어질 단원들을 통해 다른 금속처리 기법들에 대해서 설명하도록 하겠습니다.
(계속)
* 추가적으로 읽을만한 글:
영국 육군에서의 브라우닝 적용의 역사 (http://www.militaryheritage.com/browning.htm) [5]