[스크랩] [번역] 총기에서의 금속 표면처리 기술과 역사 (3)
< 원문출처:
[1] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-ferritic.html)
[2] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-stainless-steel.html)
[3] (http://firearmshistory.blogspot.com/2010/08/metal-treatments-other-treatments.html)
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금속처리 : 페리틱 니트로카뷰라이징, 멜로나이트, 테니퍼 (Metal Treatments: Ferritic Nitrocarburizing/Melonite/Tenifer) [1]
지난 단원들을 통하여 도금, 파커라이징, 블루잉 등에 대해서 배웠습니다. 이번 단원에서는 비교적 최근인 80년대 무렵부터 인기를 끌기 시작한 새로운 금속처리 방법들에 대하여 배워보도록 하겠습니다. 이 금속처리 공정은 일명 페리틱 니트로카뷰라이징(Ferritic Nitrocarburizing)이라고 불립니다만, 여기에는 몇가지 변형들도 존재합니다. 이들 변형 중에서 가장 인기 있는 것은 각각 테니퍼(Tenifer)와 멜로나이트(Melonite)라는 상표명을 갖고 있으며, 이들은 각각 사용되는 화학약품 측면에서 가장 큰 차이점을 보입니다. 이 두가지 및 터프트라이드(Tufftride)라는 방법은 모두 독일의 데구싸(Degussa; 현재는 여러 회사로 쪼개져서 매각된 것 같음. 역주)라는 회사가 소유하고 있습니다. 데구싸의 웹사이트를 방문하여 살펴보면, 테니퍼와 터프트라이드가 사실은 동일한 공정이며, 이를 2가지 이름으로 등록한 이유는 단지 일부 국가들에 이미 테니퍼라는 상표가 다른 사람들에게 먼저 등록되어 있어서 쓸 수 없는 경우 대신 터프트라이드로 등록하기 위한 것임을 알 수 있습니다.
이 방법에 대해서 이해하기 위해서는, 먼저 철과 강의 몇몇 기본적인 성질에 대하여 이해할 필요가 있습니다. 철이나 강과 같은 일부 재료들은 몇가지 다른 결정구조(crystalline structure) 형태로 존재할 수가 있습니다. 동일한 재료라도 다른 결정구조를 갖게 되면 물리적 성질(예를 들어 경도, 탄성 등)이 달라지게 됩니다. 이런 다른 결정구조들을 "상(phases)"이라고 부릅니다. 이러한 상들의 예를 들면: 페라이트 상(ferritic phase), 오스테나이트 상(austenitic phase), 마르텐사이트 상(martensitic phase), 레데부라이트 상(ledeburite phase), 펄라이트 상(pearlite phase) 등이 있습니다. 철과 강은 온도를 변화시키거나, 다른 원소를 첨가하거나, 냉각속도를 바꾸는 등의 방법들 사용하면 상이 변화하는데, 이를 이용하여 최종제품의 결정구조를 바꿀 수가 있습니다. 아래 제시한 그림에는 강철이 한 상에서 다른 상으로 변화하는 온도 및 탄소 함량에 대하여 도시하고 있습니다.
(철의 상태도)
페리틱 니트로카뷰라이징 기법 뒤에 있는 기본 개념은, 강철의 결정구조가 아직 페라이트 상태일 때에 질소와 탄소를 주입한다는 것입니다. 이것이 이뤄지는 온도는 대략 섭씨 525-650도 범위입니다. 페리틱 니트로카뷰라이징이 최초로 발명된 것은 영국의 대형 화학회사인 임페리얼 케미컬 랩(Imperial Chemical Laboratories, ICL)에 의해서인데, 이 회사에서는 대상체(workpiece)를 섭씨 550도의 황 염욕(sulfur salt bath)에 담그는 공정을 개발하였습니다. 이 공정은 황 염을 사용한다는 점 때문에 설피누즈 처리(Sulfinuz treatment)라는 이름으로 불렸습니다. 이 기법은 절단공구나 고속회전 부품등에 주로 사용되었는데, 용액을 닦아내는 과정에 문제가 있었습니다.
독일의 데구싸 회사에서 보다 환경 친화적인 염욕 공정을 개발하였습니다. 이 공정은 유럽 대부분 지역에서 테니퍼 공정으로 불리며, 영국과 아시아 등지에서는 터프트라이드라고 불립니다. 데구싸에서는 1980년대 초반에 이온 질화(ion nitriding) 공정을 발명함으로써, 이 공정을 향상시켰습니다. 이온 질화 공정은 더 빠르고, 제어도 보다 정밀하게 할 수가 있었습니다. 다만 총기 산업과 관련된 부분에서는 그래도 염욕을 사용하는 공정을 사용합니다. 테니퍼와 멜로나이트는 사실 동일한 공정이지만, 사용하는 화학약품과 온도가 약간 다릅니다. 멜로나이트 처리 쪽이 보다 단순한 공정으로 알려져 있습니다. 공정의 시작은 우선 강철반응기(steel vessel) 내에 알칼리 시안염(alkali cyanate) 염욕(salt bath)을 형성하는 것으로부터 시작합니다. 강철반응기에는 공기방울을 발생시켜 염욕 내에 공기를 주입시키는 용도의 파이프가 설치되어 있습니다. 작업물을 염욕에 집어넣으면, 시안염이 작업물과 반응하여 알칼리 카보네이트(alkali carbonate)를 형성합니다. 염욕에는 나중에 재생약품(regenerator chemical) 처리를 통해 카보네이트를 시안염으로 도로 변환시킵니다. 이를 통하여 표면에 2개의 층이 형성되게 됩니다: 화합물 층(compound layer)와 확산 층(diffusion layer). 화합물 층에는 철, 질소, 산소가 포함되어 있고, 마찰 및 마모에 저항성을 지닙니다. 확산 층의 경우에는 질화물(nitride)과 탄화물(carbides)로 구성되어 추가적인 경도를 제공합니다. 최종적으로 극도로 단단하고 내부식성이 강한 표면층이 형성되게 됩니다.
테니퍼 공정은 전통적으로 BMW나 메르세데스 등의 독일 자동차 산업에서 수년간 사용되어 왔습니다. 1980년대 무렵 이 기술을 최초로 총기 산업에 사용한 것은, 당시만 해도 잘 알려지지 않은 오스트리아 회사였던 글록 유한회사(Glock GmBH)였습니다. 글록 사의 권총들은 모두 테니퍼 처리를 거쳤고, 급격한 성공을 통해 총기 산업에서 유명세를 타게 됩니다. 이 공정은 이제 다른 총기 제조업체인 슈타이어(Steyr), 발터(Walther), 헤클러 앤 코크(Heckler & Koch) 등에서도 사용됩니다. 이 공정은 단단함과 튼튼함에 있어서 유명세를 탑니다. 테니퍼를 실시할 경우, 흐릿한 회색빛(dull-gray color)을 보이며, 경도는 록웰 경도로 69 HRC를 나타냅니다. 이는 다이아몬드의 경도가 70 HRC라는 점을 감안하면 엄청나게 단단한 것임을 알 수 있습니다. 테니퍼는 대단히 내부식성이 강하며, 하드크롬 도금과 비교하였을 때, 최소 85% 이상 내부식성이 우수합니다. 또한 염수에 대해서도 사실상 완벽히 내부식성을 갖습니다. 또한 내마찰성(anti-friction properties)도 대단히 우수합니다. 글록 사에서는 일반적으로 자사 권총의 슬라이드와 총열에 0.5mm 두께의 테니퍼 코팅을 실시합니다. 슬라이드의 경우에는 그 위에 다시 파커라이징을 실시하는데, 만약 파커라이징 층이 벗겨져 나갔다고 하더라도, 슬라이드는 여전히 테니퍼 층에 의해 보호받게 됩니다.
(글록 17 권총. 권총 상면의 슬라이드 부분이 테니퍼 처리되었다. 총열 역시 마찬가지임.)
테니퍼의 성질은 사실상 전설급(semi-legendary status)이라고 할 수가 있습니다. 인터넷에는 테니퍼의 단단함과 튼튼함에 대해서 보여주는 수많은 비디오들과 글들이 넘쳐납니다. 사람들이 자신들의 글록 권총을 바닷물 속에 몇 개월간 담근다거나, 단검 칼날을 가는데 글록 권총을 숫돌처럼 쓴다거나 하는 데에도 권총의 마감에는 전혀 이상이 생기지 않는 모습이 보여집니다!
테니퍼 공정이 대단히 우수한 금속처리 공정인 것은 사실이지만, 미국에서는 환경관련 법규로 인하여 실시하는 것이 금지되어 있습니다 - 이 공정에서 발생하는 시안화물 부산물 및 특정 시안염 약품들은 미국환경청(EPA)에서 규제하는 한도를 초과합니다. 유럽에서 원래 사용되었던 공정에서는 60%의 시안화나트륨(Sodium Cyanide and Cyanate)과 40%의 청산가리(Potassium Cyanide and Cyanate)를 사용합니다.
따라서 스미스 앤 웨슨(Smith and Wesson)이나 스피링필드 아스날(Springfield Arsenal) 등의 미국 회사들은 그 대신에 멜로나이트 공정을 사용합니다. 이 공정 또한 페리틱 니트로카뷰라이징이긴 하지만 다른 종류의 화학염을 사용하며, 또한 약간 변형된 공정입니다. 멜로나이트는 416 스테인레스 강이나, 4140 강 등의 강종에 적용이 가능합니다. 하지만 이 공정은 416 스테인레스 강의 장점 일부를 없애는 단점도 갖고 있습니다. 멜로나이트 공정을 사용하게 되면, 또한 테니퍼 공정시의 회색빛 대신에 검정색 표면을 갖게 됩니다.
페리틱 니트로카뷰라이징 처리는 현존하는 금속처리 공정 중에서 가장 내부식성과 경도가 우수한 특성을 갖고 있습니다. 글록 사에서 총기 산업에 이 공정을 도입한 이래, 기존의 총기 제조업체들도 천천히 이 기술을 자기 제품들에 적용시키고 있습니다.
금속처리 : 스테인레스강 (Metal Treatments: Stainless steel)[2]
이제까지 공부한 단원에서 다룬 내부식성 향상 방법들은, 철제 및 강철제 총기 부속품 표면에 얇은 내부식성 층을 만들어 해결하는 방법들이었습니다. 이번 단원에서는 다른 접근방법, 즉 총기 부속품을 만드는 재료 자체를 내부식성을 갖는 재료로 하는 방법을 알아보도록 하겠습니다. 즉 스테인레스 강에 대해서 이야기하고자 합니다.
스테인레스 강은 기본적으로 최소 10.5%(질량기준)의 크롬 함량을 갖는 강철합금입니다 (실제로는 이 설명이 들어맞지 않는 스테인레스 강종도 있습니다. 역주). 이 강종은 일반 강철과는 달리 쉽게 녹이 슬지 않습니다. 하지만 그 이름에서 시사하는 것(stain: 녹/ -less: 없는)과는 달리, 모든 상황에서 녹발생이 반드시 억제되는 것은 아닙니다.
내부식성이 강한 강철에 대한 초창기 연구는 1890년대와 1900년대 무렵 독일에서 이뤄졌으며, 크룹 사(Krupp)에서는 1912년에 오스테나이트계 스테인레스 강(autenitic stainless steel)에 대한 특허를 출원한 바 있습니다. 한편, 1912년에는 영국 셰필드의 브라운 퍼스 연구소(Brown-Firth research lab of Sheffield)의 해리 브레얼리(Harry Brearley)가 마르텐사이트계 스테인레스 강을 발명하였는데, 이들은 당시 총기 제조를 위해 적합한 강종을 개발하려던 중이었습니다! 이 연구소에서는 고온으로 인한 총강 내의 마모를 감소시키는 방법을 연구하는 프로젝트를 수행하고 있었습니다. 해리 브레얼리는 이 문제를 연구할 책임을 맡고 있었습니다. 그는 순전히 우연하게 자신의 샘플들 중 하나가, 물속에 넣었다가 공기 중에 장기간 노출시킨 뒤임에도 전혀 녹이 슬지 않았다는 사실을 발견하였습니다. 그는 이 강철 샘플을 분석하였고, 그 결과 녹이 슬지 않게 만드는 원인이 높은 크롬 함량에 기인한다는 사실을 알아냅니다. 이로써 "러스트레스 강(rustless steel; 녹없는 강철)"이 1912년에 탄생하게 됩니다. 러스트레스 강이라는 이름은 나중에 셰필드 시의 한 도검류 제조상의 제안에 따라 "스테인레스 강"으로 바뀌게 됩니다.
스테인레스 강에는 그 기계적 성질 및 화학적 성질이 다른 다양한 강종들이 존재하고 있습니다. 총기에는 대체로 SAE 416 강종(SAE 416 grade)이 사용됩니다. 이 강종은 황이 포함된 마르텐사이트계 강종으로, 가공성(machining properties)이 우수하며 열처리를 통한 경화가 가능합니다. 가공성이 우수하기 때문에, 스테인레스 강으로 제작된 총열은 크롬-몰리브데늄 강(chrome-molybdenum steel)으로 만든 총열보다 정밀도가 우수한 경향이 있습니다. 이는 사격 경기 선수(target shooters)들이 스테인레스 총열을 선호하는 원인이기도 합니다. 그러나 스테인레스강은 보다 비싸다는 단점을 갖고 있으며, 또한 경도가 약하기 때문에 크롬-몰리브덴 강으로 제조된 총열에 비해서 수명이 다소 짧습니다. 따라서 군용 총기의 경우에는 대체로 크롬-몰리브덴 강을 사용하게 됩니다.
스테인레스 강으로 제조된 총기의 겉모습은 니켈 도금이 실시된 강철제 총기와 대단히 유사합니다. 니켈 도금에서와 마찬가지로, 외관은 밝은색(bright), 무광(matte) 등의 모습을 보입니다. 하지만 니켈 도금강의 경우에는 얇은 표면층이 언젠가는 벗겨지는 문제(flaking and peeling)가 발생합니다. 스테인레스 강으로 제조된 총기에서는 이런 문제가 발생하지 않습니다.
예전에도 일부 부품들에 스테인레스 강을 사용한 총기가 있긴 했지만, 위 사진에 있는 스미스 앤 웨슨제 모델 60 리볼버 권총은 100% 스테인레스 강 부품들로 제조된 정규 생산모델이라는 점에서 차이점을 드러냅니다. 이 모델은 1965년 생산을 시작한 이래 꾸준히 생산되고 있습니다. 최초 이 모델이 시장에 풀리던 시기에 인기가 너무 높아서, 대부분의 총기상에서는 최소한 6개월을 기다려야 이 총을 구매할 수가 있었습니다.
위 사진의 스미스 앤 웨슨사제 M1911 권총 또한 스테인레스 강으로 만든 것입니다. 앞서 단원에서 나온 니켈 도금 및 크롬 도금이 이뤄진 M1911 권총들과 비교해보세요. 다만 100% 스테인레스강으로 된 1911모델을 처음 제조한 회사는 스미스 앤 웨슨이 아닙니다. 그 영광은 1977년 100% 스테인레스강 M1911을 제조한 아카디아 머신 앤 툴 회사(Arcadia Machine and Tool company)가 차지하였습니다.
스테인레스 강은 일부 총기의 경우 외관을 좋게하며, 또한 가공이 용이하며, 따라서 생산도 용이합니다. 하지만 단점도 있습니다. 비록 내부식성이 있긴 하지만, 어떤 환경에서도 녹이 슬지 않는 것은 아니며, 따라서 총기 관리에 주의를 기울일 필요가 있습니다. 또한 스테인레스 강은 탄소강처럼 단단하지 않기 때문에, 스테인레스 강으로 만든 총기는 탄소강에 블루잉해서 만든 동종의 총기에 비해 휘거나 흠집이 날 가능성이 높습니다. 스테인레스 강은 록웰 경도로 최대 25-32 HRC까지만 단단하게 만들 수 있으며, 이는 다른 금속처리들에 비하면 비교적 낮은 값입니다. 움직이는 부품들간의 마모 문제는 초기 스테인레스 강 총기들에서 이슈가 된 바가 있으나, 오늘날에는 윤활제가 개선되면서 상당부분 개선된 상태입니다.
금속처리 : 기타 기법들 (Metal Treatments: Other Treatments) [3]
이번 단원에서는 앞서 다룬 기법들과는 다른 몇가지 코팅 기법들에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
첫번째로 다룰 기법은 테플론 코팅(Teflon coating)입니다. 테플론은 1938년 듀퐁 사(DuPont)에 의해 최초로 발명되었으며, 세계에서 가장 미끄러운 물질이라고 할 수 있습니다. 이 물질은 흔히 주방에서 늘러붙지 않는 프라이팬과 솥 등에 쓰이는 것으로 친숙합니다만, 우주항공분야나 전자장비 분야, 그리고 여기서 다룰 총기제조 분야에도 사용됩니다. 테플론은 스테인레스 강 부품이나, 블루잉한 부품, 티타늄이나 알루미늄 등에도 적용할 수가 있습니다. 테플론은 블루잉에 비해서 내마모성이 우수합니다. 또한 내후성이 우수하며, 습기가 금속부에 접촉하지 못하게 함으로써 부식을 방지합니다. 테플론 코팅을 하게 되면 총기에 기름칠을 할 필요성이 사라지게 되는데, 이는 테플론 자체가 우수한 윤활효과를 지니고 있으며, 테플론이 마모되면 될 수록 더욱 미끄러워지는 특징을 갖기 때문입니다. 다른 측면으로 보면, 기름칠을 할 경우 혹한의 상황에서 얼게되는 문제도 피할 수 있다는 뜻입니다. 총기 소제도 간단해지며, 단지 공기호스로 바람을 불어주기만 하면 끝나게 됩니다. 또한 색깔도 다양한 종류로 나오기 때문에, 밝은 색의 스테인레스 강 총열을 갖고 있는 사람이 검은색이나 위장 도색을 원하는 경우, 테플론 코팅이 그 색깔을 띄도록 코팅해 주면 해결됩니다.
위의 사진은 C.O. 암즈(C.O. Arms) 사에서 만든 전천후 권총(All Weather Pistol)이라는 것입니다. 이 권총은 SAE 4140 탄소강과 알루미늄으로 제조되었고, 테플론 코팅이 되었습니다. 이 사진에서 총기는 검정색으로 코팅되었습니다.
위 사진은 콜트 디펜더 권총인데, 스테인레스 제 슬라이드에 테플론 코팅이 되어 있습니다. 이 사진에서 테플론 코팅의 흔적이 뚜렷한 것을 볼 수 있습니다.
다음으로 소개할 코팅 방법은 일명 KG 건코트(KG Gun Kote)라는 것으로, KG 유한공업사 (KG Industries LLC)에서 발명한 방법입니다. 이 기법은 본래 미국 네이비 실 팀의 요구사항에 따라 만들어진 것입니다. 당시 요구사항은, 최소 500시간 동안의 표준 염수 분사 테스트(standard salt spray test)(5% 소금물을 챔버 내에 지속적으로 분사)에 견디면서도 군용 기관총 사격 요구사항(military machine gun firing requirement)을 충족시키는 코팅이었습니다. 건코트는 페놀 수지의 일종으로서, 스프레이(spraying on) 또는 담그는(dip spin) 방식으로 칠하게 되어있습니다. 그 후, 화씨 300-325도 범위 내에서 열경화(thermally cure)하게 되어 있습니다. 최종 코팅층의 두께는 단지 0.0003-0.0005 인치에 불과하지만, 블루잉이나 파커라이징보다 튼튼하며, 9H 연필심보다도 단단합니다. 이 코팅은 내마모성이 우수하고, 내화학성, 내부식성을 갖고 있으며, 윤활성도 나타냅니다. 윤활 효과는 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide)으로 인해 나타납니다. 건코트는 테스트 결과 황산에서부터 유압유에 이르는 다양한 화학약품에 저항성을 지니는 것이 증명되었습니다. 한 버전의 경우에는 염수분무 테스트에서 단지 500시간만 견딘 것이 아니라 1000시간 이상 견뎌내기도 하였습니다! 남아프리카 군대에서는 이걸 7년간의 동등한 부식 테스트(equivalent of a 7 year corrosion test)를 실시하였고, 여기에도 통과하였습니다. 테플론 코팅과 마찬가지로, 이 역시도 다양한 색상을 가질 수가 있습니다. 최초 제품이 등장한 이래로, 이후 다양한 제조공식들이 탄생하였습니다. 킴버(Kimber), 버즈테일(Buzztail) 등의 여러 제조사들이 KG 건코트를 사용하며, 다른 총기회사의 제품에도 적용하는 것이 가능합니다.
(건코트로 코팅된 콜트 1911 권총)
다음으로 소개할 코팅 방법으로는 라우어 커스텀 무기사(Lauer Custom Weaponries)의 듀라코트(Duracoat)입니다. 듀라코트는 극도로 단단한 고분자로서, 기름과 기타 세척용 약품에 저항성을 갖고 있습니다. 또한 자체로 윤활성을 지니고 있습니다. 듀라코트의 경도는 연필심 기준으로 H와 2H 사이의 값을 갖고 있으며, 내충격성이 우수한 특성도 지니고 있습니다. 또한 염수분무 테스트시 300시간 이상 견딜 수 있습니다. 적절한 전처리를 전제로 한다면 어떤 종류의 표면(금속, 플라스틱, 나무 등)에도 적용 가능합니다. 이 물질은 신속하게 굳습니다 - 바르고 20분 내로 마르게 되며, 6~8시간 후부터는 총기 사용이 가능합니다. 다만 경화반응(cure)이 완료되는 것은 대략 4-6주가 지난 뒤입니다. 듀라코트는 대단히 다양한 종류의 색상(기본 색상이 130가지 이상이며, 표준 위장 패턴도 11종류임)을 낼 수가 있습니다. 듀라코트의 장점 중의 하나로, 열에 대한 저항성이 대단히 후수하여 화씨 1800도 이상에도 견딜 수 있다는 점입니다. 따라서 사격속도가 높은 총기, 예를 들어 LMG나 완전자동소총 등에도 적용 가능합니다.
(형광 분홍색(neon pink)의 듀라코트로 코팅된 글록 권총)
(듀라코트로 위장패턴이 코팅된 FN 소총)
마지막으로 소개할 코팅방법은 NIC 공업사(NIC industries)에서 발명한 세라코트(CeraKote)입니다. 세라코트는 세라믹 기반의 코팅으로서, 2종류로 공급됩니다: "C" 시리즈의 경우에는 통상 온도에서 경화(cure)하며, "H" 시리즈의 경우에는 가열을 통해 경화됩니다. 세라코트는 내마모성이 대단히 우수하며, 내식성과 경도가 우수합니다. 세라믹 재료이기 때문에, 테플론에 비해서 보다 단단할 뿐만 아니라 내마모성도 60%가량 우수합니다. 세라코트 역시 자체적으로 윤활효과를 갖기 때문에, 이것이 적용된 총기는 기름칠을 할 필요성이 거의사라집니다. C 시리즈의 경우 연필 경도 기준으로 7H 가량에 해당하는 경도를 가지며, 표준 염수 분무 테스트에도 550시간 이상 견딜 수가 있습니다. 또한 화씨 1200도 이상에 장시간 노출되어도 무리없이 견딜 수 있으며, 이는 높은 사격속도를 갖는 화기에도 적용할 수 있다는 것을 뜻합니다. H 시리즈의 경우에는 염수분무 테스트에 2500시간 이상 견디며, 화씨 550도에서 장시간 견딜 수 있습니다. 이 코팅방법은 총 31종의 색상으로 제공됩니다.
NIC 공업사에서는 글록 권총에 다양한 색깔을 입혀볼 수 있는 테스트 웹페이지(http://www.nicindustries.com/guncoater.php)를 제공하고 있습니다.
(끝)