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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 조건의 담금질 실험을 전통 유기공방과 실험실에서 병행하며 이 과정에서 이루어지는 모든 열처리 조건을 측정하고, 그 결과물을 금속학적 방법으로 분석하여 변태 온도의 경계가 불명확한 미세조직이 출현하는 이유를 찾고자 하였다.
제안 방법
- 가열온도는 먼저 접촉식온도계로 화덕의 내부 온도를 5회 이상 측정하고, 비접촉식 적외선온도계로 빨갛게 달궈진 방짜유기의 표면 온도를 5회 이상 측정하였다. 가열시간은 화덕 내에 방짜유기를 넣고 가열이 완료되어 화덕에서 꺼내는데 까지 소요되는 시간으로 스톱워치를 이용해 10회 이상 측정하였다. 입수방법은 가열한 방짜숟가락을 찬물에 담금질할 때 어느 방향부터 입수시키는지를 파악하기 위해 10회 이상 관찰하였다.
- 한국민속촌의 유기공방에서 전통기술로 방짜유기를 담금질할 때 가해지는 가열온도, 가열시간, 입수(入水)방법을 조사하였다. 가열온도는 먼저 접촉식온도계로 화덕의 내부 온도를 5회 이상 측정하고, 비접촉식 적외선온도계로 빨갛게 달궈진 방짜유기의 표면 온도를 5회 이상 측정하였다. 가열시간은 화덕 내에 방짜유기를 넣고 가열이 완료되어 화덕에서 꺼내는데 까지 소요되는 시간으로 스톱워치를 이용해 10회 이상 측정하였다.
- 미세조직 관찰은 광학현미경(DMRBE, Leica, Germany)을 이용하였으며, 조직전체를 50배로 확인하고 특징적인 부분을 100배, 200배, 500배로 확대하여 조사하였다. 광학 현미경으로는 관찰이 어려운 고배율의 경우에는 시편 표면을 카본코팅하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6460LV, JEOL, Japan)으로 조사하였다.
- 여기서 최저 가열시간인 2분은 전통적인 방법으로 방짜유기를 제작할 때 가열시간이 1분20초에서 2분30초 정도 소요되는 것을 참고하였으며, 600℃의 가열온도는 22%의 주석을 포함한 청동합금이 α+γ상에서 α+β상으로 변태하는 586℃를 기준으로 하였다. 담금질이 완료된 8종류의 시편은 유기공방에서 제작한 계절별 생산품과 동일한 방법으로 미세조직을 분석하였다.
- 먼저 주조 단계까지만 작업이 수행된 ‘무질가락’ 시편과 열간가공한 ‘뽀갬질’ 시편을 4개로 나누어 각각 다른 가열온도 조건에서 담금질 실험을 하였다.
- 연마된 시편은 에틸알코올 120㎖, 염산 30㎖, 산화철(Ⅲ) 10g을 혼합한 용액으로 부식시켰다. 미세조직 관찰은 광학현미경(DMRBE, Leica, Germany)을 이용하였으며, 조직전체를 50배로 확인하고 특징적인 부분을 100배, 200배, 500배로 확대하여 조사하였다. 광학 현미경으로는 관찰이 어려운 고배율의 경우에는 시편 표면을 카본코팅하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6460LV, JEOL, Japan)으로 조사하였다.
- 시편은 연마와 분석을 용이하게 하기 위해 에폭시수지로 마운팅하였다. 자동연마기에서 사포 800번, 1000번, 2400번, 4000번순으로 연마한 다음, 1㎛ diamond suspension으로 미세 연마를 실시하였다.
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2. 실험실 제작 시편에 대한 담금질 실험
실험실에서 Cu와 Sn을 78%와 22%의 배합 비율로 섞어 청동합금을 만든 뒤, 수차례 열간가공을 가하여 담금질 전단계의 방짜유기와 유사한 시편을 제작하였다
. 열간가공이 완료된 시편을 4개로 나누어 각각 다른 가열온도 조건에서 담금질 실험을 하였다. - 여기서 최저 가열시간인 2분은 전통적인 방법으로 방짜유기를 제작할 때 가열시간이 1분20초에서 2분30초 정도 소요되는 것을 참고하였으며, 600℃의 가열온도는 22%의 주석을 포함한 청동합금이 α+γ상에서 α+β상으로 변태하는 586℃를 기준으로 하였다.
- 실험실에서 Cu와 Sn을 78%와 22%의 배합 비율로 섞어 청동합금을 만든 뒤, 수차례 열간가공을 가하여 담금질 전단계의 방짜유기와 유사한 시편을 제작하였다. 열간가공이 완료된 시편을 4개로 나누어 각각 다른 가열온도 조건에서 담금질 실험을 하였다. 가열조건 및 담금질 실험 방법은 앞서 언급한 ‘방짜숟가락 시편에 대한 담금질 실험’과 동일하게 수행하였다.
- 외부 기온이 담금질에 미치는 영향을 찾기 위해 한국민속촌 유기공방에서 전통방식으로 봄과 겨울에 생산된 방짜숟가락의 미세조직을 관찰하였다. 봄 생산품은 5월에 생산된 방짜숟가락 4점을, 겨울 생산품은 영하권 날씨인 12월에 생산된 방짜 숟가락 4점을 선정하였으며, 입수방법이나 두께에 따른 미세조직의 차이를 관찰하기 위해 술잎과 손잡이 부분에서 각각 시편을 채취하였다.
- 가열시간은 화덕 내에 방짜유기를 넣고 가열이 완료되어 화덕에서 꺼내는데 까지 소요되는 시간으로 스톱워치를 이용해 10회 이상 측정하였다. 입수방법은 가열한 방짜숟가락을 찬물에 담금질할 때 어느 방향부터 입수시키는지를 파악하기 위해 10회 이상 관찰하였다.
- 시편은 연마와 분석을 용이하게 하기 위해 에폭시수지로 마운팅하였다. 자동연마기에서 사포 800번, 1000번, 2400번, 4000번순으로 연마한 다음, 1㎛ diamond suspension으로 미세 연마를 실시하였다. 연마된 시편은 에틸알코올 120㎖, 염산 30㎖, 산화철(Ⅲ) 10g을 혼합한 용액으로 부식시켰다.
- 한국의 방짜유기에 적용되는 담금질 방법을 분석하기 위하여 유기공방에서 수행되는 모든 열처리 조건을 조사하고, 다양한 조건의 담금질 실험을 유기공방과 실험실에서 병행하는 재현실험을 통하여 다음과 같은 사실이 밝혀졌다.
대상 데이터
- 외부 기온이 담금질에 미치는 영향을 찾기 위해 한국민속촌 유기공방에서 전통방식으로 봄과 겨울에 생산된 방짜숟가락의 미세조직을 관찰하였다. 봄 생산품은 5월에 생산된 방짜숟가락 4점을, 겨울 생산품은 영하권 날씨인 12월에 생산된 방짜 숟가락 4점을 선정하였으며, 입수방법이나 두께에 따른 미세조직의 차이를 관찰하기 위해 술잎과 손잡이 부분에서 각각 시편을 채취하였다.
- 실제 유기공방에서 제작한 방짜유기 소재에 대한 담금질 실험은 담금질 이전까지의 과정에서 생산된 소재를 대상으로 하였으며, 열간가공에 따른 담금질 차이를 비교하기 위해 열간가공이 수행되지 않은 ‘무질가락’과 가장 많이 열간가공된 ‘뽀갬질’ 소재를 대상으로 실시하였다.
성능/효과
- 1) 현재 전통적인 방법으로 방짜유기를 제작하는 유기공방의 화덕 온도를 측정한 결과, 750~850℃로 약 100℃ 정도의 편차가 확인되었다. 이처럼 화덕 내에서 온도편차 가 심하게 나는 이유에 대해 유기를 만드는 유기장은 연료를 숯이 아닌 나무장작을 사용하기 때문으로 해석하였다.
- 2) 봄(5월)과 겨울(12월)에 제작된 8점의 미세조직을 관찰한 결과, α+β(M)상, α+γ상, α+β(M)+γ상, α+δ상 등 다양한 미세조직이 발견되었다.
- 3) 겨울(12월)에 제작된 완성품 중 미세조직이 α+δ상으로 형성된 경우, 조직에는 미세한 δ상과 함께 둥근형태의 초정 α상이 자리하고 있었다.
- 4) α+β(M)상이 출현하는 600℃의 온도에서도 충분한 가열조건이 이루어지지 않을 경우 α+γ상 또는 α+β(M)+γ상의 경계가 불명확한 미세조직이 형성되었다. 즉 담금질 하는데 있어서 가열시간도 가열온도만큼 중요한 요인이 됨을 알 수 있다.
- 가열시간이 짧은 2분에서는 γ상이 생성되었고, 이보다 가열시간을 증가시킨 4분에서도 주요 미세조직으로는 α+γ상이 구성되었지만 표면에 마르텐사이트(β)상이 몰려있어 급냉시 표면과 내부에 온도차이가 생기는 것을 알 수 있다.
- 이는 주조한 시편의 두께가 5㎜, 열간가공한 시편의 두께는 2㎜로 2배 이상의 차이가 나며, 이에 따라 시편에 전달되는 가열속도가 다르다. 결과적으로 두께가 얇은 열간가공 시편이 두꺼운 주조 시편보다 높은 온도구간에서 담금질된 것으로 판단된다. 본 실험을 수행한 600℃에서 가열시간을 연장시킬수록 β상이 생성될 수 있는 온도조건에 가까워지는 것을 알 수 있다.
- 본 실험을 수행한 600℃에서 가열시간을 연장시킬수록 β상이 생성될 수 있는 온도조건에 가까워지는 것을 알 수 있다.
- 실험실에서 제작하여 수차례 열간가공한 시편에 대해 담금질 실험한 결과, 본 실험의 가열조건인 600℃에서는 β상이 생성되어야 하나 가열시간이 충분치 못할 경우 586℃ 이하에서 출현하는 γ상이 생성되는 것으로 밝혀졌다.
- 유기공방에서 제작된 주조품에 대하여 담금질 실험한 결과, 본 실험의 가열조건인 600℃에서는 β상이 생성되어야 하나 가열시간이 충분치 못할 경우 586℃ 이하에서 출현하는 γ상이 생성되는 것으로 밝혀졌다.
후속연구
- 또한 현재 전통기술로 만들어지는 장인의 완성품에서도 α+γ, α+β(M), α+δ상 등 변태 온도의 경계가 불명확한 미세조직이 출현하고 있어 담금질 방법에 대한 다각적인 조사연구가 요구된다.
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