강철

강철(steel)은 철과 탄소의 합금이다. 탄소강과 특수강으로 나누어지며 성분적으로 탄소의 함유가 0.3%에서 2% 이하의 것을 말한다.

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개요

강철은 철과 탄소의 합금의 일종으로, 탄소가 0.035wt% ~ 1.7wt% 포함된 합금을 가리킨다. 탄소의 함유량이 0.035wt% 이하일 경우 연철, 1.7wt% 초과일 경우 주철라 불린다. 순수한 철은 강도와 경도가 약하지만 철과 탄소의 합금의 탄소량이 0~1.7wt% 범위일 경우 열처리에 의해 그 물리적 성질이 크게 차이나며, 이 중 강도와 인성면에서 가장 효용성이 높은 금속 합금이 강철에 해당한다. 탄소 함량이 증가할 수록 열처리시 강도와 경도가 상승하지만 경도가 지나치게 높아져 쉽게 깨질 수 있기에 구조재로 많이 사용되는 강철의 경우 탄소함유량이 0.04~0.6wt% 사이에 주로 분포되어 있으며 칼이나 공구의 날에 사용되는 경우 0.9~1wt% 수준의 함유량이 사용된다. 용광로가 나오기 전 과거에는 강철을 만드려면 블루머리에서 나온 연철에 다시 탄소를 침탄시켜 강철을 만들었다. 연철괴와 숯이나 코크스을 섞어서 오랜 시간 고온에서 가열해 탄소를 서서히 침투시켜야 해서 생산량도 적고 비용도 많이 들었다. 이후 용광로가 발명되어 주철을 대량 생산할 수 있게 된 후에도 강철의 제조에는 여전히 블루머리와 침탄법이 계속 쓰였다. 용광로에서 나온 주철을 강철로 바꾸려면 블루머리에서 연철을 만드는 법과 마찬가지로 큰망치로 오랫동안 때려 탄소와 불순물을 줄여서 강철로 만들었기 때문에 강철은 비싸고 생산량이 적을 수 밖에 없었다. 하지만 19세기 중반에 대량으로 주철을 강철로 바꾸는 전로가 발명되면서 강철을 싼 가격에 대량 생산할 수 있게 되어 강철이 상용화되기 시작했다.

종류

탄소강

탄소강은 연철에 탄소를 넣어 철의 강도를 높인 강철의 한 종류로, 탄소 이외의 함유 원소의 양이 합금강으로 분류되지 않는 양의 이하인 강이다. 가공이 용이하고 염가이기 때문에 철기문명이 시작되면서부터 지금까지도 사용되고 있는 가장 오래된 금속 재료 중 하나이다. 탄소강은 탄소함유량 0.02wt%C 이상부터 6.67wt%C 정도까지의 탄소 함유량을 가지는 금속조직으로 구성된 강을 통칭하는 명칭으로, 세부적으로는 탄소 함유량에 따라 저탄소강(<0.3wt%C), 중탄소강(0.3~0.5wt%C), 고탄소강(>0.5wt%C)으로 나눈다. 저탄소강이란 탄소함유량이 0.3wt%C 이하인 강을 말하며 강도는 낮지만 우수한 성형성과 가공성을 가지고 있는 것이 특징이며 열처리 효과가 없기 때문에 주로 냉간 가공으로 강화한다. 모든 강중에서 생산비 가장 저렴해 널리 사용되는 강이다. 대표적으로 볼트, 너트, 박판, 관재 등의 큰 강도가 요구하지 않는 기계 부품에 널리 사용된다. 중탄소강이란 탄소유량이 0.3~0.5wt%C인 강을 말하며 적당한 강도와 적당한 연성을 가지고 있는 강재로써 열처리로 강화가 가능하다. 중탄소강은 가공하기가 쉬우 며 일부 제조업체는 품질을 향상시키기 위해 강철에 약간의 실리콘과 망간을 첨가한다. 대표적으로 자동차 부품, 기어, 축, 커넥팅로드, 철로 등에 사용되며 저탄소강보다 높은 강도가 요구되는 상황에서 사용된다. 고탄소강이란 탄소함유량이 0.5wt%C 이상인 강을 말한다. 탄소강중 높은 경도와 내마모성을 가지고 있는 것이 특징이며 낮은 인성과 성형성, 가공성을 갖는다. 또한 강철의 경화성을 높이기 위해 첨가되는 망간 비율이 더 높다. 고탄소강은 열에 매우 취약하고 쉽게 화염 경화되어 여러 가지 형태로 가공 될 수 있다. 대표적으로 철로, 스프링 및 공구강, 망치 등의 높은 강도, 경도, 내마모성이 요구되는 제품에 주로 사용된다. 초고 탄소강은 1.25~2.0wt%C 범위의 탄소를 보유하고 있는 강을 말한다. 이 유형의 탄소강은 매우 부서지기 때문에 냉간 가공이 불가능합니다. 초고 탄소강은 블레이드, 절삭 공구 및 대형 부품과 같이 극도의 경도가 필요한 부품을 만드는 데 사용됩니다. 열에 매우 민감하며 가공성 및 내마모성이 우수합니다. 탄소강 자체적으로 쓰기에는 단점이 많기 때문에 열처리와 같은 후처리과정을 통해 필요한 정도의 강도와 성질을 바꿔서 사용하며, 후처리를 거쳐 생산된 탄소강재는 기계의 프레임, 부속, 공구 등의 다양한 분야에 널리 사용된다. 다만 이렇게 열처리된 탄소강도 녹에는 상당히 취약하므로, 탄소강으로 만들어진 물건을 가지고 있다면 녹 관리에 특히 신경을 써줄 필요가 있다. 대부분의 탄소강 제품은 이런 특성 때문에 겉에 녹 방지용 코팅을 씌우곤 한다. 추가로 크로뮴 같은 특정 성분들을 섞으면 스테인리스강 같은 특수강이 되며, 내부식성 등의 추가적인 강점들도 얻을 수 있지만 그만큼 비싸지기 때문에 대량생산하는 제품들에는 여전히 탄소강이 널리 쓰인다.

특수강

특수강은 탄소 함량이 높은 고탄소강과 탄소 외에 합금 원소를 첨가하여 하천의 특성을 개선한 강철의 한 종류이다. 일반적으로 널리 사용되는 특수강은 니켈강과 크롬강이라고 하지만 용도에 따라 구조용, 내식성, 공구 및 기타 특수한 용도로 사용할 수 있다. 탄소를 내열 합금 또는 영구 자석 합금과 같이 불순물로 취급하는 것은 원래 강이 아니지만, 철을 기반으로 할 때 특수 강철에도 포함되어 있다. 합금 원소는 오스테나이트의 입자조정, 변태 속도 변화, 소성 가공성의 개량, 황 등의 해로운 원소 제거, 기계적 물리적 화학적 성질 개선, 결정입도의 성장 방지, 내식성과 내마멸성의 증대, 단접 및 용접이 용이, 담금질 성의 향상 등 매우 많은 역할을 한다.

구조용 특수강

구조용 특수강은 기계 부품 및 구조물에 사용되는 특수강으로 기계적 성질, 단조성, 피 절삭성, 용접성과 같이 가공성이 좋아야 한다. 구조용 특수강에는 강인강, 표면경화용강, 공구용 특수강이 있다.

강인강

특수강 중에서 구조용 목적에 사용되는 것은 인장 강도, 탄성 한도, 연신율, 충격치, 피로 한도 등의 기계적 성질이 우수하고 가공성, 내식성 등이 좋아야 한다. 구조용 재료 중에서 강인강은 질량 효과와 강인성을 개선할 목적으로 특수 원소를 첨가하여 구조용 탄소강의 성질을 개량한 것으로, 담금질 후 뜨임하여 강철에 최고의 기계적 성질을 갖도록 한 강철이다. 강인강에는 니켈 크롬강, 니켈 크롬 몰리브덴강, 크롬강, 크롬 몰리브덴강이 있다. 니켈 크롬강의 용도는 광범위하며 강도를 요하는 봉, 판재, 관, 선 및 각종 단조품 또는 주물로 사용되는 외에 축, 캠, 기어, 피스톤 핀 등에 사용된다. 니켈에 의해서 페라이트가 강화되어 담듬질하지 않은 상태에서의 점성과 강도를 증가시킨다. 또 크롬은 페라이트중에 비교적 많이 선택되며 강 중의 탄소와 결합해 탄화물을 형성한다. 탄화물은 철강보다도 내마모성이 우수한 것이 특징이다. 니켈 크롬 몰리브덴강은 니켈 크롬강에 1% 이하의 몰리브덴을 첨가해 만든 특수강으로, 강인성이 증가될 뿐만 아니라 담금질성이 향상되어 질량 효과를 감소시키고 뜨임취성이 방지되며 내열성이 증가하는 특징을 가진다. 몰리브덴은 고온에서 점성이 좋으므로 단련 및 압연이 쉽고 스케일의 분리가 잘 되므로 표면이 매끈해진다. 니켈 크롬강과 비슷한 용도로 사용된다. 크롬강은 탄소강에 크롬이 첨가해 만든 특수강으로 경화능, 강도 및 내마모성이 향상된다. 또한 크롬은 강력한 페라이트 안정화 원소이고 일반적으로 템퍼링 후 템퍼링 취성을 방지하기 위해 수냉하는 것이 특징이다. 크롬강은 롤러, 볼트, 너트, 캠축 등에 사용되며 크롬강은 단독으로 사용하는 것보다 니켈이나 몰리브덴을 첨가하면 더욱 우수한 성질을 갖을 수 있다. 크롬 몰리브덴강은 니켈 크롬강의 니켈을 절약하기 위하여 개발된 특수강으로 가장 우수한 기계적 성질을 가지고 있다. 크롬강에 소량의 몰리브덴을 첨가하면 인장 강도 및 충격 저항 등이 큰 퍼얼라이트 강이 얻어지므로 니켈 크롬강의 대용강으로 사용된다. 몰리브덴이 1% 이하에서는 크롬보다 임계 냉각속도가 빠르나 고온에 있어서 강도 저하가 적고 과열되어도 결정립이 조대하게 되지 않아 내열성이 있다. 크롬 몰리브덴강은 주로 각종 축류, 기어, 볼트, 암, 레버 등에 사용된다.

같이 보기

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