강의 청정도 및 비금속 개재물 등급 평가

강의 청정도가 의미하는 것과 개재물 등급이 의미하지 않는 것

비금속 입자 집단으로서의 청정도

강의 청정도는 단일한 보편적 등급이 아니라, 강 제품에 존재하는 비금속 개재물 집단을 나타낸다. 비금속 개재물은 제강 또는 주조 과정에서 형성되어 용해되지 않은 불순물 입자로, 금속이 응고할 때 금속 내부에 갇힌다. 산화물, 황화물, 규산염, 알루미네이트 및 복합 구상 입자 등이 이 집단에 포함될 수 있다. 일부는 탈산 반응을 통해 형성되며, 다른 일부는 슬래그, 내화물의 침식, 몰드 플럭스 또는 재산화에서 유래한다.

몇 가지 변수를 구분해야 한다. 조성은 개재물이 무엇을 포함하는지를 나타내며, 황화망간, 알루미나, 칼슘 알루미네이트 또는 칼슘 개질 산화물 등이 그 예이다. 크기는 개재물의 치수 또는 등가 면적과 관련된다. 개수는 특정 체적 또는 검사 면적에서 몇 개의 입자가 발생하는지를 나타낸다. 분포는 입자가 균일하게 분산되어 있는지, 군집을 이루는지, 스트링거 형태로 배열되어 있는지, 또는 특정 밴드에 집중되어 있는지를 묻는 개념이다. 위치는 입자가 어디에 존재하는지를 나타낸다. 즉 표면 근처, 중심선, 편석대, 분말 단조 입자 사이, 또는 부품에서 높은 응력을 받는 부분이 될 영역 등에 존재할 수 있다.

이러한 변수들은 함께 변하지 않는다. 어떤 용강에는 매우 작은 산화물이 많이 포함되어 있지만 유난히 큰 입자는 없을 수 있는 반면, 다른 용강에는 평균 개수가 적고 손상을 유발하는 개재물 하나가 있을 수 있다. 동일한 최대 치수를 가진 압연 황화물 스트링거와 치밀한 산화물은 동일한 응력 집중을 일으키지 않으며, 가공 중에도 동일한 방식으로 거동하지 않는다. ASTM B796:2020은 거의 완전 밀도에 가까운 분말 단조 재료에 대해 이와 관련된 점을 제시한다. 즉 개재물의 조성, 크기, 분포 및 위치가 최종 재료에 큰 영향을 미친다는 것이다.

가공은 개재물의 외관을 변화시킨다. 점성 황화물은 압연 중 길게 늘어날 수 있고, 취성 산화물은 파괴될 수 있으며, 일부 입자는 각진 형태를 유지하거나 칼슘 처리 후 더욱 구상화될 수 있다. 따라서 관찰되는 입자 집단은 제강 이력과 변형 이력을 모두 반영한다. 청정도 결과는 제품 형태, 시료 채취 위치, 압하 이력, 검사 면적 및 시험 방법과 함께 제시될 때에만 의미가 있다.

등급이 직접적인 화학 분석이 아닌 이유

일반적인 개재물 등급 평가는 형태와 분포 정도를 방법에 따라 관찰한 결과이다. 이는 모든 입자에 대한 화학 분석이 아니다. ASTM E45-25는 압연강의 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 현미경 방법을 제시한다. 널리 사용되는 현미경 분류는 A, B, C 및 D이며, 각각 A-황화물형, B-알루미나형, C-규산염형 및 D-구상 산화물형이다. 이러한 명칭은 해당 방법으로 관찰한 외관과 형태학적 등급을 설명하는 것이며, 특정 범주에 속하는 모든 입자가 하나의 순수한 화학적 정체성을 가진다는 것을 입증하는 것은 아니다.

ASTM E45의 기준 도표는 100배 배율에서 촬영한 얇은 계열과 두꺼운 계열의 그림을 사용하며, 시야 면적은 약 0.50 mm²이다. 따라서 “B 1.5 heavy”와 같은 보고 결과는 특정 검사 절차에 따라 관찰된 시야가 특정 기준 도표 수준과 유사했다는 뜻이다. 이는 강에 보편적인 임계값과 동일한 화학적으로 측정된 농도의 알루미나가 포함되어 있다는 의미가 아니다. 또한 해당 용강 전체에서 가장 큰 개재물의 크기를 확정하는 것도 아니다.

다른 표준은 동일한 미세조직을 다르게 분류한다. JIS G 0555:2020은 가공 중 점성 변형으로 형성된 개재물을 Type A, 입상 및 불연속 개재물을 Type B, 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물을 Type C로 분류한다. DIN EN 10247:2017은 표준 사진에 의한 미세조직 검사를 규정하며, ISO 4967:2026은 압하비가 3 이상인 압연 또는 단조 강 제품에 적용되는 해당 국제 방법을 규정한다. 정의, 시편 준비, 배율, 시야 선택 및 보고 규칙을 확인하지 않고는 한 표준의 범주 명칭을 다른 표준에 그대로 적용할 수 없다.

화학적 질문에는 다른 도구가 필요하다. 에너지 분산형 X선 분석을 이용한 주사전자현미경(SEM/EDS)은 개별 입자를 특성화하고, 예를 들어 알루미나가 풍부한 산화물과 칼슘 알루미네이트 또는 망간을 포함하는 복합 개재물을 구별할 수 있다. DOE가 지원한 ASCAT 프로젝트는 X선 분석 기능을 갖춘 컴퓨터 제어 주사전자현미경을 사용하여 개별 개재물의 크기, 조성 및 분포를 전반적인 청정도와 연관시켰다. 자동 이미지 분석은 많은 시야에 걸쳐 입자를 계수하고 크기를 측정할 수 있지만, 임계값 설정 규칙과 명암 대비의 한계가 여전히 결과에 영향을 미친다.

청정도, 전산소 및 기계적 성능의 구분

전산소와 개재물 청정도는 서로 관련되지만 동일한 측정값은 아니다. 전산소는 분석한 강 시료에 존재하는 산소의 양을 측정하며, 산화물 개재물에 결합된 산소와 절차에 따라 용존 산소도 포함한다. 그러나 전산소는 입자의 형상, 크기 분포, 위치 또는 산화물이 소수의 큰 개재물에 집중되어 있는지를 나타내지 않는다. 따라서 전산소가 유사한 두 용강도 서로 다른 개재물 집단과 서로 다른 위험성을 가질 수 있다.

도표에 따른 등급만으로 부품 수명을 예측할 수도 없다. 피로 강도, 파괴 인성, 구름 접촉 피로, 연성, 절삭성 및 단조성은 개재물뿐 아니라 강종, 모재 조직, 열처리, 응력 상태, 표면 상태, 하중 스펙트럼 및 부품 형상에도 좌우된다. 높은 응력을 받는 표면 아래 영역에 존재하는 큰 개재물 하나가 다른 곳에 있는 작은 입자 다수보다 더 중요할 수 있다. 위치에 따라 결과가 달라진다.

청정도가 매우 높은 베어링강의 경우, 검사한 시야에 도표의 해상도로 식별할 수 있는 입자가 거의 없거나 전혀 없기 때문에 기존 ASTM 및 JIS 등급으로는 용강 간 차이를 구별하지 못할 수 있다. 동료 심사를 거친 JIS 연구는 극값 통계와 함께 평가할 때 √area로 표현한 최대 개재물 크기가 더 많은 정보를 제공할 수 있는 이유를 보여주었다. ASTM E2283-08(2019)은 ASTM E45-25와 함께 ASTM 소위원회 E04.09에서 이러한 유형의 극값 분석을 다룬다. 이때 질문은 “이 시야들에서 어떤 도표 등급이 나타났는가?”에서 “더 넓은 검사 체적 또는 생산 체적에서 현실적으로 발생할 수 있는 희귀 개재물의 크기는 얼마인가?”로 바뀐다.

어떤 하나의 결과도 청정도에 관한 모든 질문에 답할 수는 없다. 도표 등급은 정해진 방법에 따른 형태를 비교하고, 이미지 분석은 개수와 크기 분포를 제공하며, SEM/EDS는 입자의 화학 조성을 식별하고, 전산소 측정은 총체적인 산소량을 측정하며, 극값 방법은 희귀하고 큰 개재물을 다룬다. 이들 중 어느 하나를 보편적인 합격/불합격 수치로 취급하면 서로 다른 측정값을 혼동하게 되며, 해당 시험이 애초에 제공하도록 설계되지 않은 사용 수명 예측을 부여하게 될 수 있다.

제강 과정에서 비금속 개재물이 형성되고 변화하는 방식

제강 및 주조 중의 발생 원인

National Institute of Standards and Technology (NIST)는 비금속 개재물을 제강 및 주조 과정에서 형성되고 응고 중에 포획되는 불용성 불순물 입자로 설명한다. 이 정의가 중요한 이유는 개재물이 장입물에 이미 존재하는 단순한 “불순물”이 아니기 때문이다. 개재물의 조성과 형상은 용강, 슬래그, 내화물, 합금 첨가물 및 대기 사이의 반응을 통해 발달할 수 있다.

산화물 개재물은 일반적으로 용해된 원소가 산소와 반응할 때 형성된다. 예를 들어 알루미늄 탈산강에서는 알루미늄이 용탕에서 용해 산소를 제거하면서 알루미나인 Al₂O₃가 생성될 수 있다. 탈산 생성물은 서로 충돌하여 응집할 수 있으며, 칼슘 처리에 의해 용융 및 변형 거동이 다른 칼슘 알루미네이트 상으로 변형될 수도 있다. 규산염 개재물은 강–슬래그 반응, 내화물 침식 또는 복합 산화물 반응으로 발생할 수 있다. 슬래그 혼입물과 내화물 입자는 또 다른 발생 경로를 제공한다. 특히 난류로 인해 슬래그 층이 금속 내부로 끌려 들어가거나, 노즐, 레이들 내장재 또는 침지식 주입 시스템에서 재료가 떨어져 나올 때 그러하다.

황화물 개재물은 주로 냉각 중 황이 망간 및 기타 원소와 결합할 때 형성된다. 황화망간인 MnS는 저합금강과 쾌삭강에서 특히 중요하다. 재황화 강종에서는 의도된 황화물 개재물의 분포량이 저황 베어링강보다 훨씬 클 수 있으므로, 강종, 제품 형상 및 시험 방법을 고려하지 않은 수치 비교는 오해를 불러일으킬 수 있다. 질화물 및 탄질화물 입자도 냉각 중 또는 이후의 열처리 과정에서 석출될 수 있지만, 표준 개재물 등급 평가는 이들을 반드시 화학적으로 식별하지는 않는다.

NIST의 IMPACTS 설명에서는 개재물의 조성, 크기 및 개수를 청정도 매개변수로 제시한다. 분포 또한 그에 못지않게 중요하다. 한 영역에 집중된 소수의 큰 입자는 동일한 수의 입자가 단면 전체에 분산된 경우와 같은 위험을 나타내지 않는다. 전산소량은 산화물 개재물군이 포함하는 산소를 측정하지만, 가장 큰 개재물의 크기, 그 화학 조성 또는 입자의 군집 여부는 알려 주지 않는다. 자동 영상 분석과 에너지 분산형 X선 분석을 이용한 주사전자현미경(SEM/EDS)은 전산소량 시험과는 서로 다른 질문에 답한다.

주조는 이러한 입자가 어디로 이동하는지를 결정한다. 연속주조 중 개재물은 슬래그로 부상하거나, 기포에 부착되거나, 응고 전선에 포획되거나, 포획될 때까지 부유 상태로 남을 수 있다. 유동 양상, 주조 속도, 용강 과열도, 전자기 교반 및 몰드 플럭스의 거동은 모두 이 경쟁 과정에 영향을 미친다. 따라서 최종 개재물 분포는 압연이 시작되기 전의 공정 이력을 반영한다.

응고 중의 포획

강 스트랜드, 빌릿 또는 잉곳이 응고할 때 응고 전선은 용해된 원소 일부를 남아 있는 액체 쪽으로 배제한다. 황, 산소 함유 종 및 기타 용질은 수지상정 사이의 영역에 농축될 수 있으며, 이곳에서 새로운 개재물이 형성되거나 기존 입자가 포획될 수 있다. 입자는 계면이 입자가 이동하여 벗어날 수 있는 속도보다 빠르게 전진할 때 포획될 가능성이 높아진다. 다만 입자 크기, 계면 에너지, 유체 유동 및 국부 화학 조성도 영향을 미친다.

이로 인해 공간적 편차가 발생한다. 개재물은 중심선 부근에 집중되거나, 수지상정 사이의 편석과 같은 방향으로 배열되거나, 빌릿 전체에 불균일하게 분포할 수 있다. 기공과 수축공은 산화물 축적을 위한 추가적인 장소를 제공할 수 있다. 따라서 동일한 용강이라도 시험편을 중심부, 두께 1/4 지점, 표면 영역, 종단면 또는 횡단면 중 어디에서 채취하느냐에 따라 서로 다른 시험 결과가 나올 수 있다.

위치는 공학적 영향도 변화시킨다. 기지에 고립된 작은 산화물은 영향이 거의 없을 수 있지만, 피로가 중요한 표면 가까이에 있는 알루미나 군집은 균열을 시작시킬 수 있다. 위험은 평균 개수보다 최대 또는 최대에 가까운 개재물에 의해 좌우되는 경우가 많다. ASTM Subcommittee E04.09는 ASTM E45-25와 ASTM E2283-08(2019)을 제시하며, 후자는 강 중 비금속 개재물의 극값 분석을 다룬다. 베어링강에 관한 한 동료심사 연구에서는 기존 ASTM 및 JIS 등급 평가가 매우 청정한 재료를 구별하지 못할 수 있다고 보고했다. 최대 개재물 크기를 √area로 표현하고 극값 통계를 적용하면 일상적인 차트 등급 평가에서 동일하게 보이는 개재물군도 구분할 수 있다.

응고 조직은 이후의 가공 과정에서 개재물이 어떻게 드러나는지도 결정한다. 수지상정 사이에 포획된 입자는 압하 과정에서 제품 축을 따라 길게 늘어날 수 있다. 반면 구속이 덜한 영역에 있는 다른 입자는 파괴되거나 분산되거나 비교적 치밀한 형태를 유지할 수 있다.

압연 및 단조 중의 변형

압연과 단조가 모든 개재물을 제거하는 것은 아니다. 두 공정은 개재물의 형상, 방향, 간격 및 때로는 내부 구조를 변화시킨다. MnS와 같은 연성 황화물은 주변 강과 함께 변형되어 압연 방향과 평행한 길고 가느다란 스트링거가 될 수 있다. 알루미나와 같은 산화물은 일반적으로 기지보다 단단하고 연성이 낮다. 이러한 산화물은 여러 조각으로 파괴되거나, 회전하거나, 강과의 결합이 끊어지거나, 비교적 구상에 가까운 형태를 유지할 수 있다. 일부 규산염은 고온 가공 온도에서 연화되어 길게 늘어날 수 있지만, 다른 규산염은 취성 입자와 유사하게 거동한다. 그 반응은 화학 조성에 의해 좌우된다.

이 때문에 황화물형 스트링거는 외관과 영향 모두에서 구상 산화물과 다르다. 압연강의 종단면에서는 MnS가 얇고 연속적인 선처럼 보일 수 있지만, 횡단면에서는 짧은 점 또는 납작한 반점처럼 보일 수 있다. 알루미나 군집은 한 평면에서는 여러 개의 각진 파편으로 보이고, 다른 평면에서는 하나의 불규칙한 입자로 보일 수 있다. 입자군의 개수가 반드시 변한 것은 아니다. 단면이 3차원 물체와 교차하는 방식이 달라진 것이다.

압하율이 중요하다. 압연량이 큰 제품에서는 개재물이 더 긴 거리에 걸쳐 퍼지고 겉보기 두께가 감소할 수 있으며, 단조에서는 반복적인 압축을 통해 군집이 파괴되고 입자가 재분포될 수 있다. 반대로 가공량이 부족하면 집중된 군집이나 수축 관련 결함이 남을 수 있다. ISO 4967:2026은 압하율이 3 이상인 압연 또는 단조 강 제품에 대한 미세조직학적 방법을 규정한다. 이는 모든 주조 상태를 동등하게 취급하는 것이 아니라, 관찰 방법을 이전의 변형 이력과 연결하는 범위이다.

표준은 이러한 형태학적 영향을 서로 다른 방식으로 반영한다. ASTM E45-25는 가공강의 개재물 함유량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제공한다. 이 표준의 미시적 분류 A, B, C 및 D는 형태학적 보고 등급이며, 화학적 직접 식별 결과가 아니다. ASTM E45의 참조 차트에서는 A를 황화물, B를 알루미나, C를 규산염, D를 구상 산화물과 연관시킨다. 얇은 등급과 무거운 등급은 약 0.50 mm²의 시험편 관찰 영역에서 100배 배율로 평가된다. 이러한 표기는 유용한 관찰 결과이지만, A형 선상 개재물이 MnS에 대한 화학 분석 결과를 의미하는 것은 아니다.

DIN EN 10247:2017은 미세조직학적 검사를 위해 표준 사진을 사용하는 반면, ISO 4967은 이에 대응하는 국제적 방법을 규정한다. 한편 JIS G 0555:2020은 A형을 가공 중 점성 변형에 의해 형성된 개재물, B형을 입상이고 불연속적인 개재물, C형을 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물로 정의한다. 이러한 분류는 목적 면에서는 서로 겹치지만, 서로 대체 가능한 등급은 아니다.

따라서 서로 다른 관찰면, 배율, 시야, 압하 이력 또는 표준을 사용하면 동일한 용강에서 얻은 재료를 검사하더라도 두 시험기관이 서로 달라 보이는 개재물 분포를 보고할 수 있다. 차트 등급 평가는 선택한 방법이 관찰한 내용을 기술한다. SEM/EDS는 입자별 조성과 형태를 식별할 수 있고, 영상 분석은 크기와 분포를 정량화할 수 있으며, 전산소량은 산소 함유 성분의 양을 추정하고, 극값 분석은 가장 큰 입자를 다룬다. 이들 방법 중 어느 것도 다른 방법을 대체하지는 않는다.

ASTM E45: 방법, 분류 및 기준 차트 등급

ASTM E45-25는 하나의 보편적인 강 청정도 등급이 아니라 거시적 및 미시적 방법으로 이루어진 방법군이다. Strong evidence

[1][1] ASTM E45: Standard Practice for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E45-25는 하나의 단일 현미경 절차가 아니며, 강재에 하나의 보편적인 청정도 등급을 부여하지도 않는다. 이는 압연강 또는 단조강에서 비금속 개재물 함량을 판정하고 보고하기 위한 방법군이다. ASTM International에 따르면 2025년판은 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 현미경 방법을 제공한다. 선택한 방법에 따라 관찰 대상, 검사 면적, 개재물의 크기와 형상에 대한 민감도, 그리고 보고 결과의 형식이 달라진다.

이러한 구분이 중요한 이유는 개재물이 제강 또는 주조 과정에서 형성되고 금속이 응고할 때 내부에 갇힌 불용성 입자이기 때문이다. 등급은 준비된 단면에 나타나는 양상을 설명할 수 있지만, 입자의 화학적 조성을 완전히 식별하거나 모든 용도에서의 영향을 예측해 주지는 않는다. NIST의 IMPACTS 연구는 조성, 크기 및 개수를 중요한 청정도 매개변수로 규정하며, 분포와 위치 역시 압연, 단조, 기계가공, 피로 및 파괴 과정에서 개재물이 거동하는 방식에 영향을 준다고 설명한다.

네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 현미경 방법

거시적 방법은 강재의 비교적 넓은 면적 또는 더 큰 규모의 지시를 검사한다. 이러한 방법은 작은 현미경 시야에서는 놓칠 수 있는 편석, 군집, 스트릭, 대형 개재물 및 기타 불연속부를 검출하는 데 유용하다. 방법과 제품에 따라 검사는 파면, 매크로 에칭면, 심부 에칭 단면 또는 더 큰 규모의 불연속부를 드러내도록 준비한 다른 영역을 대상으로 할 수 있다. 이러한 방법은 연마 단면에서 개재물 개수를 세는 것과는 다른 질문에 답한다. 즉, “이 작은 시야에 입자가 몇 개 존재하는가?”가 아니라 “검사 영역 전반에 눈에 띄거나 비정상적으로 집중된 불연속부가 제품에 존재하는가?”를 확인하는 것이다.

현미경 방법은 정해진 배율에서 연마 및 에칭한 단면을 검사하고, 관찰된 개재물을 규정된 등급 기준과 비교한다. ASTM E45에는 차트 기반 등급과 개재물의 개수 또는 치수를 기준으로 하는 방법이 포함되어 있으므로, 다섯 가지 현미경 방법을 동일 시험의 상호 교환 가능한 변형으로 취급해서는 안 된다. 어떤 방법은 최악 시야를 중점적으로 평가하고, 다른 방법은 정해진 면적에서 개재물의 개수 또는 길이를 기록하며, 또 다른 방법은 자동 영상 분석을 사용할 수 있다. 결과는 단면의 방향, 시료 채취 계획, 시야 선택, 현미경 설정, 임계값 규칙, 그리고 절차가 최대 관찰값을 보고하는지 평균값을 보고하는지에 따라 달라진다.

차트 등급은 특히 시야 선택에 민감하다. 작업자가 최악의 시야를 찾아 보고하는 경우, 국부적인 개재물 스트링거 하나가 결과를 좌우할 수 있다. 반대로 시야를 체계적으로 선택하여 평균을 내면, 동일한 강재라도 같은 국부적 특징을 포함하면서 더 낮은 수치로 평가될 수 있다. 재료 규격에서 요구한 방법을 알지 못하는 한 어느 결과도 자동으로 “옳다”고 할 수 없다.

자동 분석은 길이, 폭, 면적 분율, 등가 직경, 종횡비 및 수밀도와 같은 측정값을 추가로 제공하지만, 자동화가 방법 선택과 해석의 문제를 없애 주는 것은 아니다. 영상화 및 검증 규칙을 통제하지 않으면 연마 흠집, 에칭 대비, 기공, 탄화물 입자 및 서로 접촉한 개재물이 잘못 분류될 수 있다. DOE가 지원한 ASCAT 프로젝트는 개별 개재물의 크기 및 조성과 분포의 관계를 파악하기 위해 X선 분석을 결합한 컴퓨터 제어 주사전자현미경의 유용성을 보여 주었다. 이는 단순한 통상적 E45 차트 비교가 아니라 특성 분석에 해당한다.

A, B, C 및 D 형태학적 분류

널리 사용되는 ASTM E45 현미경 분류는 형태학적 보고 등급이다. 이 분류는 연마 단면에서 개재물 또는 개재물 스트링이 어떻게 나타나는지를 설명한다.

A-sulfide는 일반적으로 황화물 스트링거와 관련된, 길게 늘어나고 변형 가능한 개재물을 의미한다. ASTM 부속 자료에서는 A형을 황화물로 규정한다. 압연 제품에서 이러한 개재물은 일반적으로 가공 방향과 평행한 긴 치수를 나타낸다.

B-alumina는 기준 차트에서 알루미나와 관련된 것으로 분류되는 각진 형태의, 흔히 취성으로 보이는 개재물 또는 군집을 설명한다. 이러한 개재물은 개별 입자, 정렬된 집단 또는 분리된 군집으로 나타날 수 있으며, 형상은 가공 중의 변형과 파쇄를 반영할 수 있다.

C-silicate는 부속 자료에서 규산염으로 식별되는 길고 변형 가능한 개재물을 설명한다. A형 개재물과 마찬가지로 C형 개재물도 스트링거를 형성할 수 있지만, 형태와 차트상의 위치에 따라 A 계열과 구별된다.

D-globular-oxide는 일반적으로 둥글거나 구상인 산화물 개재물을 포함한다. ASTM 기준 차트에서는 D형을 구상 산화물로 규정하며, 관찰 시야에 나타난 입자의 크기, 개수 및 외관을 기준으로 등급을 부여한다.

이 명칭을 완전한 화학적 식별명으로 받아들여서는 안 된다. 예를 들어 “B-alumina”는 특징적인 형태와 차트 분류에 연결된 ASTM 기준 명칭일 뿐이며, 해당 분류에 속하는 모든 입자가 순수한 Al₂O₃로 이루어졌음을 입증하지 않는다. 개재물에는 혼합 산화물, 황화물, 규산염, 칼슘 알루미네이트, 스피넬상, 혼입된 슬래그 또는 반응 생성물이 포함될 수 있다. 화학적 조성의 확인에는 일반적으로 에너지 분산형 X선 분광법을 이용한 주사전자현미경(SEM/EDS)과 같은 별도의 기법이 필요하다. 다만 작은 입자는 주변 강재 기지의 영향을 받을 수 있으므로 SEM/EDS를 사용할 때에도 주의가 필요하다.

다른 표준은 서로 다른 분류 체계를 사용한다. JIS G 0555:2020에서는 가공 중 점성 변형으로 형성된 개재물을 Type A, 입상 및 불연속 개재물을 Type B, 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물을 Type C로 분류한다. 이러한 Type A, B 및 C 명칭은 ASTM E45의 A, B, C 및 D 명칭과 서로 바꾸어 사용할 수 없다.

기준 시야에서의 박막 및 중량 계열

ASTM E45 부속 기준 차트는 A-sulfide, B-alumina, C-silicate 및 D-globular-oxide 개재물을 박막 계열과 중량 계열로 평가한다. “박막”과 “중량”은 기준 그림에 나타난 개재물 집단의 양과 시각적 심각도를 설명하는 표현이며, 별도의 화학적 유형을 의미하지 않는다.

차트 비교는 약 0.50 mm²의 시험편 시야 면적에서 100× 배율로 수행한다. 이 고정된 기준 시야는 차트 번호에 정의된 척도를 부여한다. 그렇다고 해서 전체 빌릿, 봉, 판재 또는 단조품에 한 시야에서 보이는 입자만 존재한다는 뜻은 아니다. 등급은 표본으로 채취한 단면과 시야에서 얻은 관찰 결과이므로, 시료 채취 위치와 방향이 여전히 중요하다. 길이 방향 단면은 횡단면과 다르게 스트링거를 드러낼 수 있으며, 큰 입자가 드물게 분포하는 경우에는 소면적 검사에서 해당 입자가 전혀 포착되지 않을 수 있다.

이러한 한계 때문에, 적용되는 제품 규격을 확인하지 않고 E45 차트 결과를 보편적인 합격/불합격 판정으로 변환해서는 안 된다. 예를 들어 D 1.0으로 보고된 강재의 결과는 D 분류, 박막 또는 중량 계열, 배율, 기준 시야, 검사한 단면 및 선택한 등급 절차에 연계되어 있다. 이는 하나의 청정도 백분율을 의미하지 않으며, 검사한 시야 밖의 최대 개재물 크기에 대해서도 그 자체로는 아무것도 말해 주지 않는다.

청정도가 매우 높은 베어링강의 경우, 차트 시야에 나타나는 개재물 수가 너무 적어 통상적인 ASTM 또는 JIS 등급으로는 의미 있는 차이를 구분하지 못할 수 있다. 극값 분석은 다른 위험, 즉 표본으로 채취한 체적에서 발생할 가능성이 있는 최대 개재물의 크기를 평가할 수 있다. ASTM 소위원회 E04.09에서 ASTM E45-25와 함께 등재된 ASTM E2283-08(2019)은 강재 내 비금속 개재물의 극값 분석을 다룬다. 일본의 한 연구에서는 √area로 표현되는 최대 개재물 크기를 극값 통계로 평가할 수 있다고 보고했다. ISO 4967:2026 역시 압하비가 3 이상인 압연 또는 단조강 제품에 대해 기준 차트 또는 영상 분석을 사용하는 현미경적 방법을 규정한다.

따라서 E45 차트 등급은 표준화된 형태학적 비교에 여전히 유용하지만, 화학 분석, 전산소 측정 또는 드물게 존재하는 대형 개재물에 대한 보증은 아니다. 각각의 방법은 더 제한된 범위의 질문에 답한다.

ISO 4967 및 DIN EN 10247: 미세조직 표준 사진 체계

ISO 4967:2026의 적용 범위와 압하비

ISO 4967:2026은 압하비가 3 이상인 압연 또는 단조 강 제품의 비금속 개재물을 평가하기 위한 미세조직 검사 방법을 규정한다. 이 조건은 사소한 세부 사항이 아니다. 압연과 단조는 포획된 입자의 형상과 간격을 변화시키므로, 이 방법은 제품이 해당 절차가 적용되는 개재물 형태를 형성할 만큼 충분한 가공을 거쳤다는 것을 전제로 한다. 주조 강재 단면이나 변형량이 더 적은 제품에는 이 표준에 따른 동일한 의미를 자동으로 부여해서는 안 된다.

이 방법에서는 준비된 연마 단면을 부식하거나 부식하지 않은 상태에서 표준 참조 차트와 비교하여 검사하며, 절차와 보고 체계가 지원하는 경우에는 화상 분석을 사용할 수도 있다. 따라서 결과는 강재에 대한 직접적인 화학 분석이 아니라, 선택된 현미경 시야에 나타난 것을 기술한 것이다. 비금속 개재물은 제강 또는 주조 과정에서 형성되어 응고 중에 잔류하는 불용성 입자이다. 개재물의 조성, 크기, 개수, 형태, 분포 및 위치는 모두 성능에 영향을 줄 수 있지만, 통상적인 차트 평가는 이러한 변수 중 일부만 포착한다.

압하는 또한 방향에 따라 형태를 변화시킨다. 황화망간 입자는 길게 늘어난 스트링거가 될 수 있는 반면, 단단한 알루미나 클러스터는 파쇄되거나 퍼지거나 조밀한 집합체로 남을 수 있다. 따라서 종방향 단면에서 실시한 평가는 횡방향 단면에서 실시한 평가와 상당한 차이가 날 수 있다. 다른 시험기관이 결과를 정확히 해석하려면 평가와 함께 시료 채취 방향, 단면 위치 및 시야 수를 제시해야 한다.

ISO 4967:2026은 하나의 보편적인 청정도 등급을 설정하지 않는다. 이 표준은 방법과 그 적용 조건을 규정한다. 보고된 결과는 개재물의 종류와 심각도를 구분할 수 있지만, 그 결과의 의미는 제품, 강종, 검사 면 및 합격 기준에 따라 달라진다. 전산소량은 산소를 함유한 개재물의 전체적인 부담량을 나타낼 수 있지만, 입자의 형상을 식별하거나 소수의 대형 개재물이 존재하는지를 알려주지는 못한다. 반대로 미세조직 평가는 형태를 보여줄 수 있지만 모든 입자의 화학적 정체를 입증하지는 못한다.

DIN EN 10247:2017 및 표준 사진

DIN EN 10247:2017은 표준 사진을 이용한 강 중 비금속 개재물의 미세조직 검사라는 제목의 유럽 표준 EN 10247:2017을 독일 표준 체계에 채택한 것이다. “DIN EN”은 해당 유럽 문서가 독일 표준 체계에 채택되었음을 의미하며, 관련 없는 국가 절차를 독일어로 비공식 번역한 것에 불과하다는 뜻이 아니다. 이 표준의 표준 사진 체계는 ISO 4967에서 규정하는 국제 미세조직 검사 방식과 밀접한 관련이 있다.

검사자는 관찰된 시야를 개재물의 형태와 심각도를 나타내는 참조 사진과 비교한다. 실제로는 길이, 두께, 각진 정도, 연속성, 군집화 및 겉보기 변형과 같은 특징을 판단한다. 사진 시리즈는 공통의 시각적 언어를 제공하지만, 외관을 화학적 조성으로 바꾸어 주는 것은 아니다. 예를 들어 어둡고 길게 늘어난 특징은 황화물 스트링거와 일치할 수 있고, 조밀한 각형 집합체는 알루미나를 시사할 수 있지만, 이를 확인하려면 주사전자현미경과 에너지 분산형 X선 분석(SEM/EDS)과 같은 방법이 필요하다.

널리 알려진 ASTM E45-25 체계는 다른 표준 계열에서도 동일한 한계를 보여준다. ASTM E45-25는 압연 강재의 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제공한다. 이 표준의 미시적 분류 A, B, C 및 D는 조성을 직접 식별하는 것이 아니라 형태를 기술한다. ASTM E45 부속 차트는 A-황화물, B-알루미나, C-규산염 및 D-구상 산화물 유형을 식별하며, 약 0.50 mm²의 시야 면적에서 100× 배율로 박편 계열과 중박편 계열을 평가한다. 이러한 명칭과 차트 값은 척도가 상호 교환 가능한 것처럼 DIN EN 10247:2017 또는 ISO 4967에 그대로 적용해서는 안 된다.

JIS G 0555:2020은 지정 체계를 신중하게 다루어야 하는 이유를 보여준다. 이 표준에서는 가공 중 점성 변형에 의해 형성된 개재물을 Type A로, 입상 및 불연속 개재물을 Type B로, 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물을 Type C로 분류한다. 서로 다른 표준에서는 시각적으로 유사한 특징에 서로 다른 명칭, 등급 또는 한계값을 부여할 수 있다.

참조 차트와 화상 분석의 비교

표준 사진 비교법은 빠르고 익숙하며 생산 관리에 유용하다. 그러나 이 방법에는 검사자의 판단이 포함된다. 두 검사자가 서로 다른 시야를 선택하거나, 경계에 있는 시야를 서로 다른 심각도 등급에 배정하거나, 군집을 다르게 해석할 수 있다. 개재물은 봉이나 빌릿 전체에 균일하게 분포하지 않기 때문에 시야 선택이 특히 중요하다. 검사 면적이 작으면 드물게 존재하는 대형 입자를 완전히 놓칠 수 있다.

화상 분석은 일부 시각적 판단을 개재물 면적률, 등가 직경, 길이, 폭, 종횡비 및 단위 면적당 개수와 같은 측정값으로 대체한다. 그렇다고 방법 의존성이 사라지는 것은 아니다. 시험편 준비 상태는 긁힘, 인출 결함, 가장자리 라운딩 및 표면 요철을 좌우한다. 배율은 검출 가능한 최소 입자 크기를 결정한다. 조명, 초점, 카메라 보정 및 시야 선택 규칙은 분할 결과에 영향을 준다. 임계값 설정은 인접한 입자를 하나로 합치거나, 희미한 개재물을 제외하거나, 연마 손상을 개재물로 분류할 수 있다. 이후의 보고 관행에 따라 결과는 개수, 면적률, 최대 치수, 크기 분포 또는 등급별 빈도로 표현될 수 있다.

따라서 ISO 4967:2026의 차트 평가 결과와 화상 분석 결과를 서로 교환 가능한 측정값으로 취급해서는 안 된다. 두 방법은 동일한 강재를 검사하면서도 서로 다른 질문에 답할 수 있다. 화상 분석은 많은 시야를 정량화할 수 있는 반면, 차트 방법은 구매 사양이나 공정 사양에 더 직접적으로 부합할 수 있다. SEM/EDS는 개별 입자의 조성과 형태에 대한 정보를 추가하며, ASTM E2283-08(2019)은 가장 큰 개재물이 관심 대상일 때 극값 분석을 다룬다. 동료 심사를 거친 한 JIS 연구에서는 기존 ASTM 및 JIS 평가가 매우 청정한 베어링 강을 구분하는 데 실패할 수 있는 반면, √area로 표현한 최대 개재물 크기는 극값 통계로 평가할 수 있음을 밝혔다. 따라서 올바른 결과란 그 방법, 시험편 및 보고 관행이 파괴 원인에 관한 질문과 일치하는 결과이다.

JIS G 0555와 SAE J422: 유사한 질문, 서로 다른 분류 경계

JIS G 0555:2020과 SAE J422:201801은 모두 연마된 강 중의 비금속 개재물을 조사하지만, 동일한 범주나 보고 논리에 따라 청정도를 정의하지는 않는다. 각 표준은 시험 방법에 의존하는 관찰 결과를 산출한다. 결과는 시험편의 위치, 표면 준비, 배율, 조사 시야, 개재물의 형태, 그리고 등급 또는 수량을 지정하는 규칙에 따라 달라진다. 따라서 표준 자체를 비교하지 않고 “JIS 청정도 등급”을 SAE 또는 ASTM 등급과 직접적으로 동등한 것으로 간주할 수는 없다.

JIS A형, B형 및 C형

JIS G 0555:2020은 가공 후 나타나는 외관과 강 매트릭스 내 분포 방식에 따라 개재물을 분류한다. 이 분류는 형태학적 분류이며, 화학적 조성을 직접 식별하는 분류가 아니다.

A형 개재물은 가공 중 점성 변형에 의해 형성된다. 압연강 또는 단조강에서는 일반적으로 가공 방향을 따라 배열된 길쭉한 입자 또는 끈 모양의 입자로 나타난다. 황화망가니즈(MnS)는 이러한 외관을 나타낼 수 있는 개재물의 흔한 예이며, 특히 황 함량이 충분하고 고온 가공성이 양호한 강에서 그러하다. 그러나 이 분류는 관찰된 변형 양상을 설명하는 것이며, 모든 A형 지시가 화학적으로 MnS임을 입증하는 것은 아니다.

B형 개재물은 입상이며 불연속적이다. 길고 연속적인 스트링거를 형성하기보다는 서로 분리된 입자 또는 짧은 입자군으로 나타난다. 알루미나가 풍부한 탈산 생성물이 이러한 외관을 나타낼 수 있지만, 화학적 확인에는 주사전자현미경과 에너지 분산형 X선 분광법(SEM/EDS)과 같은 방법이 필요하다. 작은 입자들의 군집은 개별 입자의 치수가 크지 않더라도 중요할 수 있다. 군집이 집중된 결함 영역으로 작용할 수 있기 때문이다.

C형 개재물은 불규칙하게 분산되어 있으며 점성 변형을 보이지 않는다. 무작위적이거나 산재한 외관은 이를 정렬된 A형 집단과 구별한다. 산화물 또는 규산염 입자가 이 범주에서 관찰될 수 있지만, C형 지정 역시 화학 분석이 아니라 형태와 분포에 근거한다.

개재물의 형상이 피로 또는 파괴 거동을 좌우할 때 이러한 구별은 중요하다. 얇고 길쭉한 황화물과 조밀한 산화물 입자는 유사한 투영 면적을 차지할 수 있지만, 서로 다른 응력 집중, 균열 경로 및 피삭성에 대한 영향을 유발할 수 있다. JIS G 0555는 해당 절차에 의해 확립된 시각적 분류를 기록하는 것이며, 조성, 크기, 위치 및 기계적 영향을 하나의 보편적인 청정도 수치로 통합하지 않는다.

SAE J422의 정량적 현미경 검사 방법

SAE J422:201801은 강의 청정도를 결정하기 위한 정량적 현미경 검사 방법으로 이 문제에 접근한다. 기준 이미지를 재료에 대한 완전한 설명으로 취급하는 대신, 정의된 현미경 관찰 조건에서 개재물 지시를 계수하고 측정한다. 따라서 보고 결과는 시료 채취 면적, 배율, 측정 규칙 및 해당 조건에서 관찰 가능한 개재물 집단과 연결된다.

이는 단순히 JIS A형, B형 또는 C형을 지정하는 것과는 다른 경계이다. JIS 분류는 주로 변형 및 분산 특성을 전달한다. SAE J422는 관찰된 개재물 집단을 정량화할 수 있지만, 수치 결과는 여전히 검사한 단면과 해당 방법의 검출 한계만을 나타낸다. 소수의 대형 개재물이 다수의 미세 입자보다 더 큰 영향을 미칠 수 있으며, 평균 개수는 드물지만 손상을 유발하는 최대 크기 입자를 가릴 수 있다. 극값 방법은 이러한 별도의 문제를 다룬다. ASTM E2283-08(2019)은 ASTM 소위원회 E04.09에 따라 강 중 비금속 개재물의 극값 분석을 다룬다.

SAE J422:201801은 또한 적용 범위에 대한 직접적인 제한을 명시한다. 해당 표준의 현미경 사진은 “일반적으로 ASTM E45를 사용하여 분류하는 재황화 강종 또는 고탄소 베어링 품질강을 대상으로 하지 않는다.” 이 문장은 흔히 발생하는 오용을 방지한다. 해당 사진과 정량적 검사 방법을 이러한 강종군에 대한 지배적인 분류 체계인 것처럼 적용해서는 안 된다.

재황화강종 및 베어링 품질강에 대한 제외 사항

재황화강종은 일반적으로 피삭성을 향상시키기 위해 의도적으로 황 함량을 증가시킨다. 이 강종의 황화망가니즈 집단은 저황 청정강의 개재물 집단과 비교하여 양, 종횡비 및 분포가 크게 다를 수 있다. 따라서 일반적인 개재물 형태를 기준으로 개발된 등급 평가 방법은 유해한 산화물 오염과 의도적으로 설계된 황화물의 영향을 구별하지 못한 채 겉보기 개재물 함량을 높게 보고할 수 있다.

고탄소 베어링 품질강에는 또 다른 경계가 존재한다. 베어링 성능은 단순히 검사 시야의 평균적인 개재물 집단이 아니라, 드물게 존재하는 매우 큰 산화물 개재물에 크게 좌우될 수 있다. 기존의 도표 등급은 제한된 면적만을 시료로 사용하고 서로 다른 크기 분포를 유사한 서열 등급으로 압축하기 때문에, 매우 청정한 베어링강을 서로 구별하지 못할 수 있다. 한 동료심사를 거친 JIS 연구는 이러한 한계를 보고하고, √area 파라미터와 극값 통계를 결합하여 최대 개재물 크기를 논의했다.

ASTM E45-25 자체는 가공강의 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 현미경 방법을 제공한다. 부속 기준 도표는 A-황화물, B-알루미나, C-규산염 및 D-구상 산화물 유형을 식별하며, 약 0.50 mm²의 시야에서 100× 배율로 얇은 계열과 두꺼운 계열을 사용한다. 이러한 명칭은 문자가 서로 같더라도 JIS A형, B형 및 C형과 서로 바꾸어 사용할 수 없다.

실무적인 원칙은 간단하다. 문자, 숫자 또는 추정된 청정도 순위만으로 등급을 변환해서는 안 된다. 먼저 강종, 개재물 집단, 압하 이력, 시험편 방향, 검사 면적, 배율 및 제외 조항을 확인해야 한다. 문제가 화학 조성에 관한 것이라면 SEM/EDS를 사용하고, 전산소에 관한 것이라면 전산소를 측정하며, 손상을 유발하는 가장 큰 입자에 관한 것이라면 적절한 극값 방법 또는 √area 방법을 사용해야 한다. 각각은 서로 다른 질문에 답한다.

시편 준비, 현미경 관찰 및 보고 규율

시료 채취 방향과 금속조직학적 준비

개재물 분석 결과는 현미경이 아니라 시편에서 시작된다. 시료 채취 계획에는 단면이 종단면인지, 횡단면인지, 또는 다른 특정 평면을 통과하는 단면인지 명시해야 한다. 가공에 따라 개재물의 형상과 간격이 모두 달라지기 때문이다. 압연된 황화물은 종단면에서 긴 띠처럼 보일 수 있지만, 횡단면에서는 짧은 입자 또는 거의 점처럼 보일 수 있다. 두 관찰 결과는 서로 다른 방향에서 본 동일한 3차원 특징을 나타낸다.

제품 형상도 중요하다. ASTM E45-25는 압연·단조 등 소성가공된 강의 개재물 함량을 다루며, 이를 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제시한다. ISO 4967:2026은 압하율이 3 이상인 압연 또는 단조 제품에 적용되는 미세조직학적 방법을 규정한다. 큰 압하를 받은 봉강에서 얻은 결과를 주조 상태의 제품, 분말 단조 소재 또는 형상이 명시되지 않은 강을 대표하는 것처럼 제시해서는 안 된다. 개재물은 특정 영역으로 편석되거나 집중될 수 있으므로, 시료 채취 위치—표면, 두께의 1/4 지점, 중심 또는 기타 명시된 위치—를 결과와 함께 기록해야 한다.

절단면은 준비하기 전에 주된 가공 방향을 기준으로 그 위치를 식별해야 한다. 절단 과정에서 연한 구성상은 번져 늘어날 수 있고, 입자가 빠져나오거나, 길게 늘어난 개재물처럼 보이는 긁힘이 생길 수 있다. 연삭과 연마는 선택한 검사 방법에 충분하도록 긁힘과 변형이 제거된 평탄하고 깨끗한 표면을 만들어야 한다. 단단한 산화물 주위에 과도한 단차가 생기면 겉보기 치수가 왜곡될 수 있으며, 연마 손상으로 개재물이 부서지거나 빠져나올 수 있다. 천, 연마재, 마운팅 재료 또는 취급 과정에서 남은 잔류물은 외부 이물질로 오인될 수 있다. 따라서 준비 단계 사이의 세척과 완성된 표면의 보호는 표준이 하나의 보편적인 준비 순서를 규정하지 않는 경우에도 측정 관리의 일부이다.

에칭에도 유사한 주의가 필요하다. 목적이 개재물 등급 평가라면, 표면을 무에칭 상태로 검사했는지 또는 특정 에칭액을 사용한 후 검사했는지를 보고서에 명시해야 한다. 기지의 대비와 개재물의 겉보기 경계가 달라질 수 있기 때문이다. 기술적으로 판독 가능한 연마면이라도 오염되었거나 심하게 긁혀 있다면 현미경 배율을 높인다고 문제가 해결되지 않는다. 준비 품질이 측정의 한계를 결정한다.

2차원 시야와 개재물 형태

금속조직 관찰 시야는 3차원 개재물 집단을 2차원으로 표본화한 것이다. 따라서 제품 내 모든 개재물의 실제 체적, 최대 길이 또는 공간적 분포를 그 자체만으로 확정할 수 없다. 그러므로 시야의 선택이 결과에 영향을 미친다. 육안으로 깨끗해 보이는 영역만 검사하면 분산된 개재물의 양을 과소평가할 수 있으며, 의도적으로 가장 오염된 시야를 선택하면 일반적인 청정도를 과대평가할 수 있다. 다만 후자의 방법은 최악 위치를 확인하는 별도의 질문에는 적합할 수 있다. 어떤 방법이 적절한지는 시험 방법, 시료 채취 계획 및 시야 선택 규칙에 따라 결정해야 한다.[2][2] ASTM E45 Adjunct Reference Charts for Inclusion Rating. ASTM International. ASTM International adjunct, 2025.

배율과 시야 면적은 서로 대체할 수 있는 항목이 아니다. ASTM E45 부속 참고 도표는 100× 배율과 약 0.50 mm²의 시편 시야 면적을 사용한다. 이 도표는 형태학적 분류를 A-sulfide, B-alumina, C-silicate 및 D-globular-oxide로 구분하며, 등급 평가를 위해 얇은 계열과 두꺼운 계열의 사진을 제시한다. 이러한 명칭은 해당 방법에서 관찰되는 외관과 형태를 설명하는 것이며, 직접적인 화학 분석 결과가 아니다. 도표에서 해당 범주를 “B-alumina”라고 부른다는 이유만으로 B형 입자처럼 보이는 개재물이 화학적으로 alumina라는 사실이 입증되는 것은 아니다.

형상, 연속성, 변형 및 분산 상태는 금속학적 정보를 제공한다. JIS G 0555:2020은 Type A를 가공 중 점성 변형에 의해 형성된 개재물, Type B를 입상이며 불연속적인 개재물, Type C를 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물로 규정한다. 이러한 범주를 ASTM E45의 A, B, C 또는 D 등급으로 아무런 설명 없이 변환해서는 안 된다. 이 명칭들은 서로 다른 분류 체계에 속한다.

선택한 표준에 맞게 시야 크기, 배율, 시편 방향 및 등급 평가 절차가 일치할 경우 도표 비교가 유용하다. 영상 분석은 다른 질문에 답하는 방법이다. 임계값 처리를 이용하면 더 넓은 면적에서 면적 분율, 입자 수, 길이, 폭, 종횡비 또는 크기 분포를 측정할 수 있다. 그러나 그 결과는 조명, 초점, 분할 임계값, 보정 및 서로 접촉한 입자를 처리하는 규칙에 따라 달라진다. 보고서에는 이러한 선택 사항을 보존하여 기록해야 한다. DOE가 후원한 ASCAT 프로젝트에서 개발된 X선 분석을 결합한 자동 주사 전자현미경은 개별 개재물의 크기와 분포 측정에 조성 정보를 추가한다. 전산소 분석값은 전체적인 산소 관련 지표를 제공할 뿐, 개재물의 형태나 위치를 보여 주는 지도는 아니다. ASTM E2283-08(2019)에서 다루고 동료심사를 거친 JIS 연구에서 논의된 √area 접근법을 포함한 극값 분석은 평균적인 도표 시야가 아니라 비정상적으로 큰 입자를 대상으로 한다.

방어 가능한 보고서에 명시해야 할 사항

방어 가능한 보고서는 표준의 정식 명칭과 함께 판 또는 연도를 명시한다. 예를 들면 ASTM E45-25, ISO 4967:2026, DIN EN 10247:2017 또는 JIS G 0555:2020과 같이 기재한다. 제품 형상과 해당되는 경우 압하 조건도 명시해야 한다. ISO 4967:2026은 압하율이 3 이상인 압연 또는 단조 제품에 적용된다. 또한 문서에는 용강 또는 로트 식별 정보, 시료 채취 위치, 압연 또는 단조 방향을 기준으로 한 단면 방향, 그리고 표면 에칭 여부를 기록해야 한다.

등급 평가 체계는 명확해야 한다. ASTM E45 A, B, C 및 D와 얇은 계열 또는 두꺼운 계열을 사용했는지, 혹은 JIS G 0555 Type A, Type B 및 Type C를 사용했는지와 같은 범주를 명시한다. 배율, 도표 또는 영상 분석 절차, 규정되어 있는 경우 시야 크기, 검사한 시야의 수 또는 면적, 그리고 시야 선택에 사용한 규칙도 기재해야 한다. 여러 시편이나 방향을 검사했다면 이를 설명되지 않은 하나의 숫자로 통합하지 말고 각각 별도로 보고해야 한다.

화학적 특성 분석에는 별도의 설명이 필요하다. SEM/EDS를 사용한 보고서는 해당 방법을 명시하고 결과가 정성적인지 정량적인지 밝혀야 한다. 전산소 분석 결과는 분석 방법과 시편 기준을 명시해야 한다. 영상 분석을 사용했다면 보정, 분할 기준, 입자 크기의 정의, 서로 접촉한 입자의 처리 방법 및 분석 면적을 기록해야 한다. 최대 개재물 결과에는 크기를 길이, 등가 직경 또는 √area 중 무엇으로 보고했는지, 그리고 극값 절차를 적용했는지를 명시해야 한다.

이러한 세부 사항이 없으면 “청정강”이라는 표현은 불완전한 결과에 불과하다. 해당 수치는 한 시험실 안에서는 재현 가능할 수 있지만, 다른 표준에 따른 도표 등급, 전산소 값 또는 최대 입자 추정값과는 비교할 수 없을 수 있다.

기존 등급 평가가 가장 크고 가장 희귀한 개재물을 놓칠 수 있는 이유

강의 청정도 등급은 특정 용강에 예를 들어 “1등급” 개재물이 포함되어 있으며 따라서 알려진 최대 결함 크기를 가진다는 직접적인 진술이 아니다. 이는 정해진 시험편 영역에 정의된 관찰 방법을 적용한 결과이다. 배율, 검사 영역, 개재물 분류, 보고 규칙 또는 샘플링 위치를 변경하면 강 자체에 아무런 변화가 없어도 보고되는 청정도는 달라질 수 있다.

이는 피로 손상이 평균적인 입자 집단이 아니라 유난히 큰 개재물 하나에서 시작될 수 있는 베어링강에서 특히 중요하다. 비금속 개재물은 제강 또는 주조 과정에서 형성되어 용해되지 않은 채 응고 중에 포획되는 입자이다. 개재물의 조성, 크기, 개수, 형태, 분포 및 위치는 모두 그 영향을 좌우한다. 총 산소량은 전체 산화물 부담을 나타낼 수 있고, 자동 광학 분석 또는 SEM/EDS는 개별 입자를 설명할 수 있지만, 어느 결과도 차트 등급 평가 결과와 상호 대체할 수는 없다.

평균적인 외관과 극단적인 개재물 크기

기존의 현미경 등급 평가는 일반적으로 검사한 시야가 어떻게 보이는지를 설명하는 데에는 효과적이다. 그러나 전혀 다른 질문, 즉 전체 제품 체적에서 발생할 가능성이 있는 가장 큰 개재물은 무엇인가에 답하는 데에는 효과가 떨어진다.

ASTM E45-25는 단조강의 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 현미경 방법을 제시한다. 이 표준의 현미경용 기준 차트는 A-황화물, B-알루미나, C-규산염 및 D-구상 산화물 유형을 식별한다. 100× 배율에서 이 차트는 약 0.50 mm²의 시험편 시야 면적에 대해 미세 계열과 조대 계열의 사진을 사용한다. 이 절차는 반복 가능한 비교를 가능하게 하지만, 동시에 관찰 범위를 작은 샘플 영역과 해당 방법이 정의한 시각적 범주로 제한한다.

이와 같은 한계는 JIS G 0555:2020에서도 나타나지만, 그 분류 체계는 다르게 구성되어 있다. 유형 A는 가공 중 점성 변형으로 형성된 개재물을, 유형 B는 입상 및 불연속 개재물을, 유형 C는 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물을 다룬다. 이는 형태와 분포에 따른 분류이지, 완전한 화학적 동정 결과가 아니다. 유형 B 등급만으로 모든 입자가 알루미나라는 사실이 입증되는 것은 아니다. 마찬가지로 ASTM의 D 등급도 화학 분석을 통해 특정 단일 산화물 화합물이 존재한다는 것을 확정하지 않는다.

기존 ASTM 및 JIS 등급은 가장 큰 개재물에서 차이가 나는 매우 청정한 베어링 강을 구별하지 못할 수 있다. Limited evidence

매우 청정한 베어링강의 JIS 청정도 등급을 조사한 동료 심사 연구는 이러한 구별이 중요한 이유를 보여주었다. 두 강재가 일상적인 등급 평가 절차에서 모두 매우 청정하게 보였더라도, 기존 ASTM 및 JIS 결과만으로는 최대 개재물 크기가 서로 다른 강재를 구분하지 못할 수 있었다. 평균 개수가 낮거나 차트상 외관이 양호하더라도, 드물지만 중대한 결과를 초래할 수 있는 입자 하나가 존재할 수 있다. 검사한 시야에 해당 입자가 포함되지 않으면 등급은 크기 분포의 극단적 꼬리 부분이 아니라 일반적인 외관을 기록하게 된다.

이는 차트 방법 자체의 결함이라기보다는 샘플링의 문제이다. 차트 등급은 규정된 시야와 분류에서 어느 정도의 개재물 함량이 보이는지를 묻는다. 베어링 링, 봉강 또는 대규모 생산 용해 전체에서 최대 입자 크기를 추정해 준다고 보장하지는 않는다. 희귀한 개재물을 발견할 확률은 검사 면적과 체적이 증가할수록 높아진다. 몇 제곱밀리미터를 검사하는 시험으로는 대량의 강 체적을 통계적으로 대표하는 시험과 동일한 정보를 얻을 수 없다.

√area 개념

√면적√면적 연마 단면에서 개재물이 투영한 2차원 면적의 제곱근으로, 극값 및 피로 민감성 개재물 분석에서 실용적인 크기 매개변수로 사용된다.

극단적인 개재물 평가에서 최대 개재물 크기는 흔히 √area로 표현하며, 이는 개재물의 투영 면적의 제곱근으로 정의된다. 개재물이 연마된 단면에서 $A$의 면적을 차지한다면, 그 크기 매개변수는 다음과 같다.

$$\sqrt{\text{area}}=\sqrt{A}.$$

$A$를 제곱마이크로미터 단위로 측정하면 √area는 마이크로미터 단위로 보고된다. 따라서 투영 면적이 400 µm²인 대략적인 원형 개재물의 경우 √area = 20 µm이다. 이 매개변수는 개재물이 구형이라는 주장도 아니며, 실제 3차원 체적을 측정했다는 의미도 아니다. 이는 연마 단면에 나타난 결함을 실용적으로 나타내는 2차원 서술자이다.

이 측정값은 개재물에 민감한 피로 분석에서 중요해졌다. 균열 발생은 단순한 개재물 개수 이상의 요인에 좌우되기 때문이다. 크고 단단하며 결합 상태가 불량한 산화물은 특히 표면 근처 또는 높은 반복 응력을 받는 위치에서 심각한 국부 응력 집중을 일으킬 수 있다. 형상, 경도, 탄성 불일치, 주변 기지의 상태 및 위치도 여전히 중요하다. √area는 이러한 변수를 대체하지 않으며, 관찰된 비정상적으로 큰 입자를 비교하기 위한 일관된 크기 변수를 제공한다.

베어링강에 관한 JIS 연구에서는 최대 √area를 또 하나의 평균 청정도 지수로 취급하지 않고 극값 변수로 사용했다. 질문을 이렇게 바꾼 것이 결정적이다. 일반적인 시야에서 개재물이 몇 개 발생하는지를 묻는 대신, 검사 면적이 증가할 때 관찰된 최대값이 어떻게 변하는지, 그리고 특정 위험 수준에서 어떤 최대 크기가 예상되는지를 분석하는 것이다.

따라서 강 전체에 개재물이 거의 없더라도 최대 √area 값이 높기 때문에 주의가 필요할 수 있다. 반대로 작은 황화물이 더 많이 포함된 강은 일상적인 개수 평가에서 덜 양호한 등급을 받을 수 있지만, 단일 대형 칼슘 알루미네이트 또는 알루미나 클러스터를 포함한 강보다 피로 위험이 낮을 수 있다. 화학 조성은 여전히 중요하다. SEM/EDS는 광학 차트가 외관에 따라서만 분류하는 알루미나, 칼슘 알루미네이트, 규산염, 황화물 및 복합 산화물 개재물을 구분할 수 있다.

ASTM E2283과 극값 분석

ASTM E2283-08(2019)은 강의 비금속 개재물에 대한 극값 분석을 다룬다. 이 표준은 ASTM E45-25도 담당하는 ASTM 소위원회 E04.09의 관할에 속한다. 따라서 두 표준은 동일한 ASTM 기술 분야에 속하지만 서로 다른 측정 질문에 답한다. ASTM E45는 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 확립된 방법을 제공하며, ASTM E2283은 희귀하고 큰 개재물의 통계적 처리를 다룬다.

극값 분석이 관찰되지 않은 입자를 마법처럼 밝혀내는 것은 아니다. 이는 측정된 관찰값에서 최대값의 분포를 추정하는 것이므로, 결과는 시험편 준비, 검사 면적, 샘플링 계획, 검출 한계, 그리고 관찰값이 서로 독립적이며 대표성을 가지는지 여부에 따라 달라진다. 연마된 종단면에서는 횡단면과 다르게 길게 늘어난 개재물이 나타날 수 있다. 단면 깊숙이 있는 입자보다 표면 가까이에 있는 입자가 더 큰 손상을 일으킬 수 있으며, 영상 분석 규칙에 따라 대형 클러스터를 하나의 특징으로 세거나 여러 개로 셀 수도 있다.

따라서 √area와 ASTM E2283은 모든 청정도 측정을 대체하는 방법이 아니다. 차트 등급 평가는 일상적인 형태 비교에 여전히 유용하다. 자동 영상 분석은 개수, 길이, 면적 및 분포를 정량화할 수 있다. SEM/EDS는 조성을 식별할 수 있다. 총 산소 분석은 벌크 산소 수준을 추적할 수 있다. ASTM E2283은 가장 크고 가장 희귀한 관찰값의 중요성을 추정하는 방법을 추가로 제공한다.

실제 시험에 앞서 목적을 명확히 정해야 한다. 목적이 평균 개재물 함량을 비교하는 것인지, 개재물의 화학 조성을 식별하는 것인지, 생산 추세를 확인하는 것인지, 아니면 피로와 관련된 최대 결함을 추정하는 것인지 구분해야 한다. 기존 등급 평가는 첫 번째 질문에는 잘 답할 수 있지만 마지막 질문에는 적절하지 않을 수 있다. 청정해 보이는 시야는 해당 시야에 관한 증거일 뿐이다. 그것만으로 강에 존재하는 가장 큰 개재물이 작다고 입증할 수는 없다.

자동 개재물 분석: 이미지 분석, SEM 및 X선 특성 분석

컴퓨터 지원 스캐닝 및 분류

컴퓨터 지원 개재물 분석은 연마된 강재 단면을 육안으로 받은 인상이 아니라 측정된 이미지로 변환한다. 카메라 또는 현미경이 지정된 영역을 스캔하고, 명암 대비를 이용해 강재 기지에서 입자를 분리한 뒤, 검출된 각 특징의 길이, 폭, 면적, 종횡비, 방향 및 위치를 기록한다. 그런 다음 소프트웨어는 입자의 형상 또는 참조 표준에서 도출된 규칙에 따라 입자를 분류할 수 있다. 이는 작업자가 검사 영역을 인쇄된 차트와 비교하도록 하는 것보다 측정값을 더 반복성 있게 수집하는 방법이다. 특히 개재물이 많거나 작거나 넓게 분포되어 있을 때 유용하다.

자동화가 보편적인 청정도 수치를 만들어 내는 것은 아니다. ASTM E45-25는 가공 강재의 개재물 함량을 결정하고 보고하기 위한 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제시하며, 각 방법은 서로 다른 질문에 답한다. 이 표준의 미시적 참조 차트는 A-황화물, B-알루미나, C-규산염 및 D-구상 산화물 범주를 사용하며, 시험편의 약 0.50 mm² 영역에서 100× 배율로 박편 계열과 중편 계열을 평가한다. 이러한 지정은 주로 형태학적 보고 등급이며, 직접적인 화학적 동정 결과는 아니다. B형 개재물로 평가된 입자는 해당 등급에 부합하는 형상과 배열을 보인다는 의미이며, 모든 입자가 화학적으로 순수한 알루미나라는 것을 입증하는 것은 아니다.

이미지 분석은 이러한 차트 기반 측정을 재현할 수 있지만, 차트로는 드러나지 않는 수량도 보고할 수 있다. 수천 개의 입자를 계수하고, 크기 분포를 계산하며, 단면 전체에서 입자의 위치를 지도화하고, 길게 늘어난 황화물 스트링거와 대략 구상인 산화물을 구별할 수 있다. ISO 4967:2026은 압하비가 3 이상인 압연 또는 단조 강재 제품에 대해 표준 참조 차트 또는 이미지 분석을 허용한다. DIN EN 10247:2017은 표준 사진을 사용하는 이와 관련된 유럽 미세조직 검사를 규정하며, JIS G 0555:2020은 화학 조성이 아니라 변형, 연속성 및 분산 상태에 따라 Type A, Type B 및 Type C를 지정한다.

그러나 결과는 여전히 이미지 처리상의 결정에 좌우된다. 희미한 산화물 후광까지 검출하도록 설정한 임계값은 연마 흠집도 포함할 수 있다. 임계값을 너무 높게 설정하면 작은 개재물이 제외될 수 있다. 배율, 조명, 에칭, 초점, 분할 규칙, 최소 입자 면적 및 서로 접촉한 입자의 처리 방식은 모두 보고되는 모집단을 변화시킨다. 스테이지 마이크로미터와 관리용 시험편을 이용한 교정이 필요하며, 두 소프트웨어 패키지의 결과가 일치한다고 해서 어느 한쪽이 모든 개재물을 식별했다는 증거가 되는 것은 아니다.

X선 분석을 이용한 SEM

주사전자현미경은 광학 이미징으로 얻은 형상 정보에 화학적 민감도를 더한다. 반사전자 모드에서는 평균 원자번호가 더 높은 상이 일반적으로 강재보다 더 밝게 나타나는 반면, 이차전자 이미징은 표면 형상을 강조한다. 이후 에너지 분산형 X선 검출기가 선택된 입자에서 발생하는 특성 X선을 수집할 수 있다. 그 결과 얻은 스펙트럼은 황화망간에서는 망간과 황, 알루미나가 풍부한 입자에서는 알루미늄과 산소, 칼슘 알루미네이트에서는 칼슘과 산소, 질화티타늄에서는 티타늄과 질소의 존재를 나타낼 수 있다. 또한 광학 현미경 사진에서 유사하게 보이는 혼합 입자 또는 층상 입자도 분석을 통해 밝혀낼 수 있다.

미국 에너지부(DOE)가 지원한 ASCAT 프로젝트는 이러한 접근법의 대표적인 사례이다. ASCAT는 개별 개재물을 특성 분석하고, 개재물의 크기·조성·분포를 강재의 전반적인 청정도와 연계하기 위해 X선 분석 기능을 갖춘 컴퓨터 제어 주사전자현미경 시스템을 개발했다. 이 구분은 중요하다. 형태만을 기준으로 한 등급은 가공 및 연마 후 개재물이 어떻게 보이는지를 기록하지만, ASCAT 방식의 특성 분석은 각 입자가 무엇을 포함하는지, 크기가 얼마인지, 그리고 해당 화학 조성을 가진 입자가 어디에 분포하는지를 묻는다.

SEM/EDS는 완벽한 화학 분석법이 아니다. 상호작용 부피가 작은 개재물 아래의 강재 기지까지 확장될 수 있으므로, 수 마이크로미터에 불과한 입자를 분석할 때 주변 물질에서 유래한 철이 분석 결과에 포함될 수 있다. 표면 오염, 거칠기, 검출기 형상, 가속 전압, 표준물질의 선택 및 기지 보정은 정량 결과에 영향을 미친다. 경원소는 정확하게 측정하기 어려울 수 있으며, EDS 스펙트럼은 일반적으로 정밀한 화학양론식보다는 조성 범주를 뒷받침한다. 산소, 탄소 또는 질소를 확인하려면 적절한 표준물질이나 파장 분산형 분광법과 같은 보완적 방법이 필요할 수 있다.

전산소 분석은 전혀 다른 양을 측정한다. 이는 강재 시료에 잔류하는 전체 산소량을 추정하며, 산화물 개재물에 포함된 산소와 함께 시험 절차 및 시료 상태에 따라 용존 산소 또는 기타 산소 함유 성분에서 유래한 산소도 포함할 수 있다. 전산소 분석은 각 개재물을 식별하거나, 그 형태를 확정하거나, 단면 내 위치를 파악하거나, 산소가 소수의 대형 알루미나 군집에 집중되어 있는지를 밝히지 못한다. 반대로 자동 이미지 스캔은 검출 한계 이하의 개재물을 놓칠 수 있지만, 가시적으로 확인되는 모집단은 상세하게 기술할 수 있다. 따라서 전산소 분석과 개재물 이미징은 서로 대체하는 방법이 아니라 상호 보완하는 방법이다.

개별 개재물과 강재 모집단의 연계

측정된 입자가 자동으로 용강, 주편, 빌릿 또는 완성 봉강 전체를 대표하는 것은 아니다. 개재물은 응고 중 편석되고, 압연 중 정렬되며, 중심선 부근, 두께의 1/4 지점, 표면 또는 특정 시료 채취면 주변에 군집을 형성할 수 있다. 평균 개수가 적더라도 위치가 파괴 위험을 좌우할 수 있다. ASTM B796은 분말 단조용 철계 분말에 대해서도 같은 점을 지적한다. 개재물의 조성, 크기, 분포 및 위치는 거의 완전 밀도에 이른 소재의 특성에 큰 영향을 미친다.

신뢰성 있는 자동화 연구에서는 스캔 전에 시료 채취 계획을 수립한다. 제품의 방향, 단면 위치, 연마 면적, 배율, 검출 한계, 검사 영역의 수, 그리고 가장자리를 가로지르는 입자를 포함할지 여부를 명시한다. 또한 평균값만이 아니라 전체 분포를 기록한다. 많은 소형 개재물을 포함하는 강재는 전체 개재물 면적이 동일하더라도 소수의 대형 입자를 포함하는 강재와 다르게 거동할 수 있다.

극값 방법은 이러한 차이를 다룬다. ASTM 소위원회 E04.09는 ASTM E45-25와 함께 강재 내 비금속 개재물의 극값 분석을 다루는 ASTM E2283-08(2019)을 열거하고 있다. 한 동료심사 JIS 연구는 기존 ASTM 및 JIS 등급이 매우 청정한 베어링 강재를 구별하지 못할 수 있다고 보고했다. 이러한 강재에서는 검사 영역의 평균값보다 가장 큰 개재물이 더 중요할 수 있다. √area로 표시되는 최대 개재물 크기는 극값 통계로 평가할 수 있으며, 이를 통해 관찰된 입자를 제한된 스캔으로 가능한 최대 결함을 찾았다고 가정하지 않고 추정된 상위 꼬리 분포와 연계할 수 있다.

자동화는 일관성과 데이터 규모를 향상시킨다. 그러나 표본 추출 오차, 임계값 설정, 교정 요건 또는 보고된 모집단이 제품과 파괴 메커니즘에 대해 무엇을 의미하는지 해석해야 할 필요성을 없애지는 않는다. 따라서 유용한 결과는 단일한 “청정” 등급이 아니라, 특정 방법에 따라 지정된 입자를 측정하고 그 과정을 문서화한 결과이다.

청정도 데이터에서 공학적 해석으로

청정도 결과는 강의 한 히트에 부여되는 보편적인 등급이 아니다. 이는 정해진 시편, 전처리 방법, 검사 면적, 배율, 분류 체계 및 보고 규칙에 따라 산출된 관찰 결과이다. 예를 들어 ASTM E45-25는 압연강의 비금속 개재물 함량을 판정하고 보고하기 위해 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제시한다. 이러한 방법들은 정확히 동일한 질문에 답하지 않는다. 도표 등급은 규정된 비교 기준에 따라 관찰된 가장 심한 시야를 설명할 수 있는 반면, 자동 영상 분석은 훨씬 더 많은 입자를 측정하고 그 치수와 공간 빈도를 보고할 수 있다.

따라서 공학적 해석은 측정된 개재물 집단을 파손 메커니즘과 연결해야 한다. 개재물 수가 적은 강이라고 해서 모든 적용 분야에서 자동으로 더 안전한 것은 아니다. 남아 있는 입자가 더 크거나, 더 각지거나, 더 취성이 높거나, 중요한 영역에 집중되어 있을 수 있기 때문이다. 반대로 작고 둥근 개재물의 수가 많더라도, 길게 늘어난 알루미나 클러스터의 수가 적은 경우와는 영향이 다를 수 있다. 하나의 수치만으로는 이 모든 정보를 보존할 수 없다.

조성, 크기, 분포 및 위치를 별개의 변수로 보기

개재물의 조성은 경도, 파괴 저항성, 변형성 및 강 매트릭스와의 계면 접착력과 같은 특성을 좌우한다. 황화망가니즈는 압연 중 변형되어 JIS G 0555:2020에 따른 길게 늘어난 A형 개재물 집단을 형성할 수 있다. 알루미나 입자는 일반적으로 단단하고 각지며, 규산염은 가공 중 변형되거나 파쇄될 수 있고, 구상 산화물은 이와 다른 형상 반응을 보인다. ASTM E45의 A, B, C 및 D 도표 범주는 형태학적 보고 분류이며, 직접적인 화학 분석 결과가 아니다. 해당 기준 도표는 A-황화물형, B-알루미나형, C-규산염형 및 D-구상 산화물형을 식별하며, 얇은 계열과 중한 계열을 약 0.50 mm²의 시야에서 100배로 평가한다.

크기가 중요한 이유는 개재물이 주변 미세조직 및 하중을 받는 단면에 비해 커질수록 응력 집중이 증가하기 때문이다. 평균적인 시야가 깨끗해 보이더라도 가장 큰 입자가 피로 거동을 지배할 수 있다. 평균 직경이나 평균 개재물 수는 크기 분포의 꼬리 부분, 즉 임계 결함을 포함하는 소수의 부분을 희석해 버린다. 이러한 이유로 ASTM 소위원회 E04.09의 관할하에 있는 ASTM E2283-08(2019)은 극값 분석을 다룬다. 베어링강에서는 최대 개재물 크기를 개재물의 투영 면적의 제곱근인 √area로 표시하고, 일반적인 평균 시야에서 추론하기보다 통계적으로 평가하는 경우가 많다.

분포는 또 하나의 별도 변수이다. 입자는 균일하게 분산될 수도 있고, 압연 밴드에 따라 정렬될 수도 있으며, 클러스터로 모일 수도 있고, 편석 영역 주변에 집중될 수도 있다. 총 개재물 면적이 동일한 두 히트라도, 한쪽이 고립된 입자를 가지고 다른 쪽이 스트링거 또는 클러스터를 가진다면 균열 발생 위험은 다르게 나타날 수 있다. JIS G 0555:2020은 가공 중 점성 변형으로 형성된 A형 개재물, 입상이며 불연속적인 B형 개재물, 그리고 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 C형 개재물을 구분한다. 이러한 구분은 단순히 입자 수량이 아니라 공간적 거동과 변형 거동을 설명한다.

위치는 입자가 손상을 유발하는 응력장에 노출되는지를 결정한다. 최대 전단 영역, 구름 접촉부, 가공 표면 또는 용접 영향부 근처의 개재물은 응력이 낮은 체적 내부 깊숙이 있는 동일한 크기의 입자보다 더 중요할 수 있다. 따라서 시료 채취 위치는 제품 형상과 공정 방향을 대표해야 한다. 총산소량은 전체 산화물 부담을 나타낼 수 있지만, 어떤 입자가 가장 큰지, 어디에 위치하는지, 알루미나 클러스터인지 둥근 산화물인지는 식별하지 못한다. SEM/EDS, 자동 개재물 분석 및 금속조직학적 검사는 이러한 답변의 서로 다른 부분을 제공한다.

베어링강 및 피로 민감 적용 분야

베어링강은 청정도를 단일 순위로 축소할 수 없는 이유를 잘 보여 준다. 구름 접촉 피로에서는 작은 표면하 체적이 높은 반복 전단 응력과 압축 응력을 받는 상태가 반복된다. 단단하고 각진 개재물이나 클러스터는 균열을 발생시킬 수 있으며, 더 연한 개재물은 변형되어 다른 응력장을 형성할 수 있다. 따라서 적절한 비교는 단순히 “히트 A의 개재물이 히트 B보다 적다”가 아니다. 두 히트가 고응력 재료에서 유사한 화학 조성, 최대 √area, 클러스터 빈도, 배향 및 시료 채취 신뢰도를 갖는지가 중요하다.

기존의 ASTM E45 및 JIS 등급은 매우 청정한 베어링강을 구분하지 못할 수 있다. 도표 등급과 검사 시야가 수명을 지배하는 드문 극대 입자를 식별하지 못할 수 있기 때문이다. 따라서 베어링강 청정도에 관한 동료 심사 JIS 연구에서는 극값 통계를 통해 최대 개재물 크기를 평가했다. 이 접근법은 측정된 개재물 집단을 바탕으로 특정 체적 내에 존재할 가능성이 높은 최대 개재물의 크기를 추정한다. 작은 연마 단면에서 가능한 모든 결함을 관찰했다고 가장하지는 않는다.

적용 관련 주장은 조건부로 유지되어야 한다. 파손이 큰 산화물 입자에서 시작된다면 총산소량보다 극값 크기 평가와 SEM/EDS 특성 분석이 더 유용할 수 있다. 길게 늘어난 황화물이 이방성 연성 또는 절삭성을 지배한다면 배향과 변형 분류에 더 큰 비중을 두어야 한다. 표면 기점 피로가 지배적인 경우에는 표면 근처 시료 채취와 위치별 검사가 필수적이다. 의심되는 메커니즘에 따라 방법을 선택해야 한다.

ASTM B796에 따른 분말 단조의 시사점

ASTM B796은 분말 압축, 소결 및 단조를 통해 거의 완전 밀도의 재료를 제조하는 분말 단조용 철계 분말의 비금속 개재물을 다룬다. 이 규격의 핵심적인 공학적 요지는 분명하다. 개재물의 조성, 크기, 분포 및 위치가 생성된 재료에 큰 영향을 미친다는 것이다. 분말 내 개재물이 주조강이나 압연강의 개재물과 자동으로 동등한 것은 아니다. 개재물은 개별 분말 입자 내부, 입자 경계 또는 소결 및 단조 중 변화된 영역에 존재할 수 있다.

조성은 치밀화 과정에서 입자가 변형되는지, 파쇄되는지, 반응하는지 또는 취성 불연속부로 남는지를 좌우한다. 크기는 단조 후 남는 기공 또는 균열의 규모에 영향을 미친다. 분포는 결함이 고립되어 있는지, 손상을 유발하는 연속적인 결함 사슬로 연결되어 있는지를 결정하며, 위치는 잔류 기공, 이전 분말 입자 경계 및 최종 부품의 인장 또는 피로 응력장과의 근접성을 결정한다. 거의 완전한 밀도는 기공을 줄이지만, 큰 난용성 산화물이나 집중된 개재물 클러스터를 없애지는 못한다.

따라서 ASTM B796은 압연강용 도표 등급을 분말 단조 재료에 직접 적용해서는 안 된다는 경고로 이해해야 한다. 측정된 분말 개재물 집단과 완성 부품의 공정 이력을 서로 연결해야 한다. 적절한 평가에는 금속조직 관찰, 영상 분석 및 화학적 식별을 함께 수행한 뒤, 검출된 개재물이 파괴 기점 또는 피로 손상과 일치하는지를 조사하는 방법이 포함될 수 있다. 그 결과는 보편적인 청정도 점수가 아니라 공학적 해석이다.

허위 등가성을 만들지 않고 표준 간 결과를 비교하는 방법

청정도 등급은 보편적인 재료 등급이 아니라, 규정된 시험을 통해 얻은 관찰 결과이다. 두 실험실이 동일한 용강에서 채취한 강재를 검사하고 서로 다른 결과를 보고하더라도 어느 한쪽의 결과가 반드시 잘못된 것은 아니다. 차이는 도표 계열, 시험편의 관찰 면, 검사 영역, 배율, 개재물 정의 또는 크기는 크지만 드문 입자를 처리하는 방식에서 비롯될 수 있다.

ASTM E45-25는 이러한 점을 잘 보여 준다. 이 표준은 압연 또는 단조 강재의 개재물 함량을 판정하고 보고하기 위해 네 가지 거시적 방법과 다섯 가지 미시적 방법을 제시한다(ASTM International, 2025). 이 표준의 현미경 도표법은 황화물, 알루미나, 규산염 및 구상 산화물의 형태를 각각 A, B, C, D로 분류한다. 이러한 문자는 직접적인 화학적 동정을 의미하지 않는다. “A” 등급이라고 해서 모든 입자가 황화망간임이 입증되는 것은 아니며, “D” 등급 역시 분석적 확인 없이는 특정 산화물의 화학 조성을 확정하지 않는다.

등급을 비교하기 전에 확인할 질문

서로 보고된 두 수치를 동일한 표에 배치하기 전에 다음 사항을 기록해야 한다.

• 표준 및 판본: 결과는 ASTM E45-25, ISO 4967:2026, DIN EN 10247:2017, JIS G 0555:2020, SAE J422:201801 또는 다른 문서에 따라 얻어진 것인가? 판본이 바뀌면 정의와 절차가 달라질 수 있다.
• 제품 형태 및 가공 이력: 재료는 압연재, 단조재, 봉강, 판재, 분말 단조재 또는 주조재인가? ISO 4967:2026은 압하비가 최소 3인 압연 또는 단조 제품에 적용된다. 주조 제품이나 가공 정도가 낮은 제품을 이러한 시료 채취 기준을 충족한 것처럼 취급해서는 안 된다.
• 시험편의 방향: 단면은 종방향, 횡방향 또는 두께 방향인가? 가공 과정에서 많은 개재물이 길게 늘어나므로 동일한 강재라도 서로 다른 면에서는 길이와 분포가 다르게 나타날 수 있다.
• 배율 및 관찰 영역: ASTM E45의 기준 도표는 100× 배율과 약 0.50 mm²의 시험편 관찰 영역을 사용한다. 다른 배율이나 검사 영역을 바탕으로 한 결과는 자동으로 동등하다고 볼 수 없다.
• 등급 계열: 미세 계열과 조대 계열을 모두 사용할 수 있었는가, 아니면 한 계열만 보고되었는가? 조대 계열의 관찰 결과는 미세 계열의 관찰 결과와 다른 개체군 임계값을 나타낸다.
• 분류 정의: ASTM E45는 A-황화물, B-알루미나, C-규산염 및 D-구상 산화물 도표 유형을 사용한다. 반면 JIS G 0555:2020은 Type A를 가공 중 점성 변형으로 형성된 개재물, Type B를 입상이며 불연속적인 개재물, Type C를 점성 변형 없이 불규칙하게 분산된 개재물로 정의한다. 동일한 문자를 사용하더라도 그 의미가 동일한 것은 아니다.
• 영상 분석 설정: 자동 분석을 수행한 경우 임계값 설정, 분할 규칙, 최소 검출 크기, 등가 직경 또는 면적의 정의, 서로 접촉한 입자의 처리 방식, 기공이나 긁힘을 제외했는지 여부를 기록해야 한다.
• 화학 조성 측정: 개재물의 조성을 SEM/EDS로 측정했는가, 아니면 반사광 형태만을 근거로 결과를 산출했는가? 총산소량은 벌크 재료의 지표일 뿐, 개별 개재물의 개수나 정체를 나타내는 값은 아니다.

위치도 중요하다. 작은 산화물이 분산된 개체군과 피로에 중요한 표면 가까이에 존재하는 하나의 개재물 군집은 평균 개수가 비슷하더라도 공학적 영향이 서로 다를 수 있다. ASTM B796:2020도 분말 단조용 철계 분말에 대해 동일한 일반적 관점을 제시하며, 조성, 크기, 분포 및 위치가 거의 완전 치밀 재료에 중요한 영향을 미치는 요인이라고 설명한다.

도표 등급을 수치로 직접 환산할 수 없는 경우

ASTM E45, ISO 4967, DIN EN 10247, JIS G 0555 및 SAE J422는 환산표가 아니라 규정된 시험 방법으로 취급해야 한다. ISO 4967:2026은 기준 도표 또는 영상 분석을 이용한 미세조직 관찰 절차를 규정하며, DIN EN 10247:2017은 표준 사진을 이용한 미세조직 검사를 위한 독일 및 유럽 표준이다. 두 표준의 관계가 존재한다고 해서 ISO 등급 1.0을 산술적으로 DIN, ASTM 또는 JIS 등급으로 변환할 수 있다는 뜻은 아니다.

SAE J422:201801은 정량적 청정도 판정을 위한 현미경 시험 관행을 규정하지만, 그 미세 사진은 일반적으로 ASTM E45를 사용해 분류되는 재황화 강종이나 고탄소 베어링 품질강에는 적용하도록 작성된 것이 아니다. 이러한 제한만으로도 보편적인 환산 규칙을 설정할 수 없다.

도표 체계는 정보도 압축한다. 도표는 관찰된 시야가 기준 사진과 유사한지를 중점적으로 보여 주는 반면, 자동 분석은 입자 개수, 면적, 등가 크기, 종횡비 및 공간적 위치를 측정할 수 있다. ASCAT 프로젝트는 개별 개재물의 크기와 조성을 분포와 연결함으로써 X선 분석을 이용한 컴퓨터 제어 주사전자현미경의 가치를 입증했다. 이는 하나의 점수를 서로 바꾸어 표현한 것이 아니라 서로 다른 측정값이다.

청정도가 매우 높은 베어링강은 이러한 문제를 더욱 분명하게 보여 준다. 동료 심사를 거친 한 JIS 연구는 검사 시야에 눈에 보이는 개재물이 거의 없기 때문에 기존 ASTM 및 JIS 등급으로는 이러한 재료를 구별하지 못할 수 있다고 보고했다. 이러한 경우 극값 통계로 평가한 √area 기준 최대 개재물 크기가 평균 도표 등급보다 더 유용한 정보를 제공할 수 있다. ASTM 소위원회 E04.09가 ASTM E45-25와 함께 제시한 ASTM E2283-08(2019)은 이러한 유형의 극값 분석을 다룬다. 최대값 추정은 도표 등급을 대체하는 것이 아니라, “더 큰 재료 체적에서 가장 큰 개재물이 어느 정도 크기일 수 있는가?”라는 질문에 답하는 것이다.

강재 청정도 데이터 보고 양식

신뢰성 있는 보고서는 수치를 제시하기 전에 시험 방법을 보존해야 한다.

재료: 강종, 용강, 제품 형태, 단면 크기 및 가공 이력. 방법: 표준 명칭 및 판본, 시료 준비 방법, 시험편 방향, 배율, 관찰 영역 또는 주사 영역, 관찰 시야의 수와 선정 방법. 등급: 도표 또는 영상 분석 계열, 분류 정의, 범주별 관찰 등급 및 해당되는 경우 미세/조대 계열의 구분. 화학 조성: SEM/EDS 또는 다른 방법으로 개재물 조성을 동정했는지 여부. MnS, 알루미나, 칼슘 알루미네이트 또는 규산염과 같은 상은 실제로 측정된 경우에만 보고한다. 크기 및 분포: 개수, 면적 분율, 크기 지표, 종횡비, 군집화 및 위치. 극값: 관찰된 최대 크기, √area의 정의, 신뢰도 평가 방법 및 표본 추출 체적 또는 면적. 해석: 결과가 시험 방법에 의존한다는 점을 명시하고, 검증된 상관관계 연구 없이 다른 표준으로 환산하지 않는다.

이러한 형식을 사용하면 관찰된 등급을 화학 조성, 크기 분포 및 극값 위험과 분리하여 기록할 수 있다. 이는 데이터를 비교할 때 실제로 존재하지 않는 동등성을 만들어 내지 않기 위해 필요한 구분이다.

참고 문헌

1. [1]ASTM International. ASTM E45: Standard Practice for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e45
2. [2]ASTM International. ASTM E45 Adjunct Reference Charts for Inclusion Rating. ASTM International adjunct, 2025. https://store.astm.org/adje004502a.html