철의 비중은 제조 설계자에게 필수적인 기초 지식입니다. 본 기사에서는 비중의 개념, 철의 특성, 중량 계산 방법 이외에 그 장점과 실무상의 의문점에 대해 설명합니다. 꼭 참고하여 일상적인 설계 업무에 도움이 되기 바랍니다.
목차
비중이란? 비중과 밀도의 차이
철의 비중을 설명하기 전에 비중에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.
비중이란?
비중이란 「한 물질의 밀도를 같은 온도의 물의 밀도로 나눈 값」으로 정의합니다. 물과의 비교에 의해 재료의 무게를 상대적으로 평가할 수 있는 점이 특징입니다. 실무에서 비중은 밀도와 같은 정의로 다루어지는 경우가 많습니다.
밀도란?
밀도는 「물질 1cm³당 질량(g)」을 나타내는 물리량으로, 단위에는 g/cm³나 kg/m³가 사용됩니다. 철의 경우 7.85g/cm³라는 값을 기준으로 함유 성분이나 온도 조건에 따라 ±0.5% 정도의 변동이 발생합니다. 재료 강도 계산과 비용 견적에서는 이 작은 차이가 설계 정밀도를 좌우하기 때문에 JIS 규격 등 신뢰성 높은 데이터 소스로부터의 채용이 요구됩니다.
비중과 밀도의 차이
최대의 차이는 「비교 대상의 유무」에 있습니다. 비중이 물을 기준으로 한 상대 값인 반면 밀도는 절대 수치로 표시됩니다. 실무에서는 「철판의 밀도 7.85g/cm³」와 「비중 7.85g/cm³」가 같은 정의로 다루어지는 일도 있습니다만, 엄밀하게는 단위의 유무가 다릅니다.
철 비중의 기본
여기에서는 철 비중의 기본에 대해서, 이하의 3개의 시점으로 해설합니다.
- 철 비중이란
- 주철 및 합금강
- 다른 금속과의 비중 비교
철 비중이란
철의 비중은 일반적으로 7.85g/cm³(물의 약 7.85배)로 되어 제조업의 설계 계산에서 널리 채용되는 기준치입니다. 다만 엄밀하게는, JIS규격에 있어서의 순철의 밀도는 7.87g/cm³로, 탄소강에서는 계산의 간략화로 7.85g/cm³가 이용되는 케이스를 많이 볼 수 있습니다.
이 차이는 재료의 순도나 탄소 함유율, 측정 온도에 의한 영향이 요인으로, 고정밀도의 중량 계산이 필요한 경우에는 재료 증명서의 실측치를 참조하는 것이 불가결합니다.
주철 및 합금강
주철(FC재)의 비중은 7.2~7.3로 순철보다 가볍고, 이것은 탄소 함유량(2.1~4%)과 흑연 조직의 존재에 의한 것입니다. 반대로 크롬 몰리브덴 강과 같은 합금 강은 7.9를 초과할 수 있으며 첨가 원소의 종류와 양이 비중에 직접 영향을 미칩니다.
텅스텐을 포함한 고속강에서는 8.0을 웃도는 것도 있어, 절삭 공구 등 내마모성이 요구되는 부품에 채용됩니다. 재료 선정 시에는 카탈로그 값뿐만 아니라 실제 화학 성분표와의 조합이 중요합니다.
다른 금속과의 비중 비교
표는 철과 기타 주요 금속의 비중을 g/cm³ 단위로 보여줍니다. 실무에서는 ton/m³가 이용되는 경우도 있습니다만, 1 g/cm³는 1 ton/m³와 같은 수치가 되기 때문에, 기본적으로는 g/cm³의 수치를 사용합니다.
| 금속 | 비중(g/cm³) | 특징 |
| 철 | 7.85 | 고강도・내구성, 가공성이 뛰어나 용도도 풍부 |
| 알루미늄 | 2.70 | 가볍고 내식성이 우수함 |
| 스테인레스 | 7.7~8.0 | 고내식성과 강도를 겸비 |
| 납 | 11.35 | 고밀도로 방사선 차폐에 적합 |
| 구리 | 8.96 | 우수한 전도성과 열전도성을 가진 |
| 아연 | 7.13 | 부식성이 뛰어나 도금 재료로 사용 |
| 티타늄 | 4.51 | 고강도・경량으로 내식성이 뛰어난 |
설계자는 각 금속의 특성을 이해하고 적재 적소에서 재료를 선택하는 것이 중요합니다.
철판·강재의 중량 계산 방법
철의 비중을 이용한 중량의 계산 방법에 대해 살펴보겠습니다.
기본 계산식
강재의 중량 계산은 「부피×밀도」가 기본 원칙입니다. 단위계의 취급에 주의가 필요하고, mm 단위로 설계 도면을 작성하는 경우, 계산시에는 cm나 m로 환산할 필요가 있습니다. 단, 정밀계산시에는 JIS G 3192에 근거한 실밀도값의 채용을 권장합니다.
철판의 무게 계산
철판 중량의 산출에는 「두께×폭×길이×밀도」가 이용됩니다. 단위를 cm로 통일했을 경우, 두께 1.2 cm(12 mm), 폭 100 cm, 길이 200 cm의 철판의 계산예는 이하와 같습니다.
| 1.2×100×200×7.85=188,400g=188.4kg |
봉재의 중량 계산
원봉은 「반경×반경×π×길이×밀도」로 계산합니다. 직경 30mm(반경 1.5cm), 길이 3m(300cm)의 원봉이면 계산예는 다음과 같습니다.
| 1.2×100×200×7.85=188,400g=188.4kg |
파이프재의 중량 계산
파이프재는 외경과 내경의 차이로부터 실질 부피를 산출합니다. 외경 50mm(외반경 2.5cm), 내경 30mm(내반경 1.5cm), 길이 3m인 경우의 중량은 다음과 같습니다.
| (2.5²-1.5²)×3.14×300×7.85=29,578g≒29.6kg |
비중을 고려한 장점
비중을 고려하는 이점에는 어떤 것이 있습니까? 다음 세 가지에 대해 설명합니다.
중량 파악에 의한 강도・안전 설계
무게를 정확하게 추정하지 않으면 예상치 못한 응력과 왜곡으로 인해 안전 기준을 충족하지 못할 수 있습니다. 특히 대형 구조물이나 높은 부하 환경 하에서 사용되는 기계 부품에서는 약간의 중량 오차가 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 철의 비중 7.85g/cm³에 근거한 정확한 중량 설계는 제품이나 구조물의 신뢰성과 안전성을 높이는데 필수적입니다.
비용 평가
중량이 바뀌면 원재료비나 수송비, 설치에 걸리는 수고가 크게 좌우됩니다. 주물 제조에서는 형제 제작 전에 주물의 비중으로 중량 계산을 하여 재료비 변동을 예측합니다. 수송면에서는 트럭 적재량의 제한에 대해 철판의 비중에서 적재 매수를 역산해야 합니다. 만일 계산 오차가 있으면 배송 횟수가 증가하게 됩니다.
설치 작업에서는 크레인 차량의 리프팅 능력을 중량 계산치로 선택하기 때문에, 과대 평가하면 중기 렌탈비가, 과소 평가하면 작업 중단 리스크가 발생합니다. 설계 단계에서의 정확한 비중 고려는 제조에서 물류까지의 전체 공정 비용을 최적화하는 핵심입니다.
부품 선정 및 설계 밸런스 조정
경량화나 강도・강성의 확보 등, 설계의 목적에 따라 「어느 소재를, 어느 두께로 사용하는가」를 선택할 필요가 있습니다. 예를 들어 자동차의 바디 패널에서는 철(비중 7.85g/cm³)과 알루미늄(비중 2.7g/cm³)의 사용 비율을 최적화하여 강도와 경량화의 균형을 맞춥니다.
철의 비중을 정확하게 파악함으로써 다른 재료와의 비교가 용이해져 최적의 소재 선정이 가능해집니다.
철의 비중과 실무로 자주 있는 Q&A
철의 비중과 실무에서 자주 묻는 질문에 대해 소개합니다.
철의 비중은 정말 일정?
철의 비중 7.85g/cm³는 어디까지나 기준치입니다. 실제로는 탄소 함유량이나 합금 원소에 따라 ±0.5% 정도 변동합니다. JIS G 4051(탄소강재)에서는 7.85를 표준치로 하면서 성분 분석값에 근거한 실측치의 채용을 추천하고 있습니다. 고온 환경에서는 열팽창에 의한 부피 변화도 발생하기 때문에 정밀 설계에서는 온도 보정이 필요합니다.
비중과 밀도, 어느 쪽으로 설계하면 좋을까?
공적 규격이나 기술 문서에서는 「밀도 7.85g/cm³」라고 단위 첨부로 표기 됩니다 만, 제조 현장에서는 간편성으로부터 「비중 7.85」라고 하는 말이 일반적입니다. JIS 규격에서도 밀도 표기가 원칙이지만, 실무에서는 물과의 상대값인 비중이 직관적으로 이해하기 쉽고, 근사치에 적합하기 때문에 널리 사용되고 있습니다.
재료 선정에서 비중 이외에 고려해야 할 점은?
강도나 가공성(절삭·용접의 난이도), 내식성, 비용 등을 고려하여 종합적으로 판단합시다. 자동차 프레임에서는 비중 2.7의 알루미늄과 7.85의 철을 조합하여 경량화와 충돌 안전성을 양립시키는 사례가 전형적입니다.
정리
이 기사에서는 철의 비중의 중요성에 대해 설명했습니다. 비중 7.85를 기준으로 재료와 환경에 따른 미묘한 변동을 고려한 설계가 요구됩니다. 정확한 중량 파악은 강도 계산이나 비용 시산, 재료 선정의 기반이 되어 제품의 신뢰성과 경제성을 좌우합니다. 철의 비중을 깊이 이해하고 적절하게 활용하여 효율적이고 고품질의 제품 설계를 실현하십시오.
