1. 탄소강/합금강 나사의 강도
탄소강 계열의 나사는 고장력 볼트로 많이 사용한다. KS B 0233(ISO 898-1) 표준에 탄소강 계열 나사의 강도와 시험법이 설명되어 있으며 제품을 설계할 때 이런 표준을 참고하여 적절한 크기와 강도를 가지는 나사를 선정해야 한다. 아마도 작은 나사를 분산 배치하여 하중을 나누는 방법이 있고, 강도가 크거나 직경이 큰 나사를 이용할 수 있을 것이다. KS B 0233(ISO 898-1)에 설명되어 있는 나사의 강도를 알아보자. 아래 표에 몇 가지 많이 사용하는 Property Class를 정리했다. 여기서는 간략하게 필요한 부분만 빠르게 확인하고 상세한 내용이 궁금하다면 KS B 0233이나 ISO 898-1을 직접 찾아보자.
Table 1. Mechanical and physical properties of bolts, screws and studs [ISO 989-1]
| Property | Property Class | |||
| 8.8 [≤M16] | 9.8 | 10.9 | 12.9 | |
| Tensile Strength [MPa] |
800 | 900 | 1040 | 1220 |
| Yield Strength [MPa] |
640 | 720 | 900 | 1080 |
| Proof Strength [MPa] |
580 | 650 | 830 | 970 |
간단한 규칙이 있으니 가볍게 알아보자. 먼저 클래스를 나타내는 숫자의 소수점 윗자리는 MPa 단위 인장강도의 1/100을 의미한다. 그리고 소수점 아래 자리는 항복강도의 비율이다. 예를 들어 10.9 Class는 앞자리 10을 보고 인장강도 1000 MPa이라는 것을 알 수 있고 9를 보면 항복강도는 인장강도의 90%로 900 MPa이라는 것을 쉽게 알 수 있다.
이 규칙은 ISO 898-1에서 사용하는 property class 지정 체계이다. 볼트의 강도를 찾다 보면 12.9 클래스의 인장강도가 1200 MPa, 10.9에서 1000 MPa로 써놓은 것들을 종종 볼 수 있는데 사실 이것은 ISO 898-1에서 property class를 지정하는 데에만 쓰이는 nominal tensile strength 값이다. 쉽게 말해 그냥 이름을 정하는 용도로 쓰는 것이고 실제로 사용하는 강도는 minimum tensile strength를 사용한다. Table 1에 표시한 것은 minimum tensile strength이다.
마지막으로 표에서 말하는 tensile strength는 극한인장강도(ultimate tensile strength)이다. 다시 말해 볼트가 끊어지는 강도가 된다. Yield strength는 항복강도로 0.2% offset 강도이다. ISO 898-1의 Table 3을 보면 강도가 낮은 클래스만 lower yield strength를 사용하고 있다. 상항복점과 하항복점이 나타나면 보수적으로 접근하여 하항복점을 항복 강도로 정한다.
Proof strength는 보증 하중이 작용할 때 발생하는 응력으로 내 맘대로 보증 강도라고 쓴 것이다. ISO 898-1에는 Stress under proof load라고 되어 있다. 아무튼 보증 강도는 항복강도의 90% 내외라고 생각하면 된다.
2. 탄소강/합금강 나사의 성능 표식
나사의 property class를 표식으로 새겨서 사용하려는 스크루의 성능을 알 수 있게 했다. 아래 그림은 ISO 898-1의 표식 법이다. 점과 선으로 나타내는 방법, 기호로 나타내는 법 등이 있지만 아래 그림 1과 2에 나타낸 방법이 주로 쓰인다. 스터드(stud)에는 섕크(shank) 옆면과 윗면의 평탄한 부분에 표기하고 여기저기 뒤집어보고 돌려보며 찾아보면 된다. 이리저리 찾아봐도 아무런 표기가 없다면 근본 없는 스크루니까 쓰지 말고 그냥 버리면 된다. 참고로 LN(Lufthansa norm) 규격 볼트에는 아무런 표식이 없을 수도 있다.
3. 탄소강/합금강 나사의 허용 하중
일반적인 구조 해석에서는 부재의 응력을 평가해 파손 여부를 확인하지만 나사를 다룰 때는 응력보다는 하중 기준을 더 많이 사용한다. 아마 오래전부터 현장에서 그렇게 써왔고 무게를 대충 나눠서 계산하기 편해서 그럴 것이다. 여러 가지 사례를 보면 볼트 응력을 비교를 하기보다는 구조 분석으로 볼트 하중을 구한 뒤 사용하려는 볼트의 허용 하중과 직접 비교하고는 한다.
Table 2와 3에 보통 나사의 허용 하중 표를 나타내었다. 보통 나사라고 하면 coarse pitch thread를 말한다. Table 4와 5는 가는 나사의 허용 하중 표이다. 가는 나사는 종종 잔나사라고 하기도 하며 fine pitch thread를 말한다.
나는 개인적으로 가는 나사라는 표현을 별로 좋아하지 않는다. 한국인이게 '가늘다'라고 하면 직관적으로 직경이 작고 길이가 긴 것을 떠올리지 나사산이 촘촘한 것을 떠올리지 않는다. 그리고 영어로는 fine과 coarse가 '촘촘한', '성긴'의 뜻으로 서로 반의어이지만 우리말 용어에서는 '가는'과 '보통'으로 정해 놓아서 서로 의미가 통하지 않는다. 게다가 일반적으로 많이 쓰는 형태를 보통 나사로 정한다고 하더라도 보통이 아닌 나사는 power screw나 bulb screw가 먼저 떠오르지 피치가 촘촘한 것이 떠오르지는 않기 때문이다. 내가 경험한 현장에서는 가는 나사를 그냥 fine pitch bolt라고 부른다.
3.1. 보통 나사(coarse pitch thread)의 허용 하중
Table 2. Minimum ultimate tensile loads — ISO metric coarse pitch thread [ISO 898-1]
| Thread $d$ | Nominal Stress Area $A_{s,nom}$ [$mm^{2}$] | Property Class | |||
| 8.8 [N] | 9.8 [N] | 10.9 [N] | 12.9 [N] | ||
| M3 M3.5 M4 |
5.03 6.78 8.78 |
4,020 5,420 7,020 |
4,530 6,100 7,900 |
5,230 7,050 9,130 |
6,140 8,270 10,700 |
| M5 M6 M7 |
14.2 20.1 28.9 |
11,350 16,100 23,100 |
12,800 18,100 26,000 |
14,800 20,900 30,100 |
17,300 24,500 35,300 |
| M8 M10 M12 |
36.6 58.0 84.3 |
29,200 46,400 67,400 |
32,900 52,200 75,900 |
38,100 60,300 87,700 |
44,600 70,800 103,000 |
Table 3. Proof loads — ISO metric coarse pitch thread [ISO 898-1]
| Thread $d$ | Nominal Stress Area $A_{s,nom}$ [$mm^{2}$] | Property Class | |||
| 8.8 [N] | 9.8 [N] | 10.9 [N] | 12.9 [N] | ||
| M3 M3.5 M4 |
5.03 6.78 8.78 |
2,920 3,940 5,100 |
3,270 4,410 5,710 |
4,180 5,630 7,290 |
4,880 6,580 8,520 |
| M5 M6 M7 |
14.2 20.1 28.9 |
8,230 11,600 16,800 |
9,230 13,100 18,800 |
11,800 16,700 24,000 |
13,800 19,500 28,000 |
| M8 M10 M12 |
36.6 58.0 84.3 |
21,200 33,700 48,900 |
23,800 37,700 54,800 |
30,400 48,100 70,000 |
35,500 56,300 81,800 |
3.2. 가는 나사(fine pitch thread)의 허용 하중
보통 나사는 M10 크기의 pitch가 1.5 mm이지만 M10 × 1.25는 pitch가 1.25 mm인 것을 말한다. 가는 나사는 M8x1.0, M10x1.25, M12x1.5 정도를 많이 사용한다. 이런 가는 나사는 부재가 너무 얇야 보통 나사로는 thread를 몇 개 물리지 못하는 경우, 또는 밀폐가 필요한 경우, 볼트의 풀림이 걱정되는 경우에 사용한다. 주로 항공기, 자동차, 우주선 등 진동을 견뎌야 하는 곳에서 사용한다. Thread가 많아 접촉면이 넓기 때문에 thread 마찰력이 커서 쉽게 풀리지 않는다.
Table 4. Minimum ultimate tensile loads — ISO metric fine pitch thread [ISO 898-1]
| Thread $d$ | Nominal Stress Area $A_{s,nom}$ [$mm^{2}$] | Property Class | |||
| 8.8 [N] | 9.8 [N] | 10.9 [N] | 12.9 [N] | ||
| M8 × 1 M10 × 1.25 M10 × 1 |
5.03 6.78 8.78 |
31,360 49,000 51,600 |
35,300 55,100 58,100 |
40,800 63,600 67,100 |
47,800 74,700 78,700 |
| M12 × 1.5 M12 × 1.25 M14 × 1.5 |
14.2 20.1 28.9 |
70,500 73,700 100,000 |
79,300 82,900 112,000 |
91,600 95,800 130,000 |
107,000 112,000 152,000 |
Table 5. Proof loads — ISO metric fine pitch thread [ISO 898-1]
| Thread $d$ | Nominal Stress Area $A_{s,nom}$ [$mm^{2}$] | Property Class | |||
| 8.8 [N] | 9.8 [N] | 10.9 [N] | 12.9 [N] | ||
| M8 × 1 M10 × 1.25 M10 × 1 |
5.03 6.78 8.78 |
22,700 35,500 37,400 |
25,500 39,800 41,900 |
32,500 50,800 53,500 |
38,000 59,400 62,700 |
| M12 × 1.5 M12 × 1.25 M14 × 1.5 |
14.2 20.1 28.9 |
51,100 53,400 72,500 |
57,300 59,900 81,200 |
73,100 76,400 104,000 |
85,500 89,300 121,000 |
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