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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 순철, 1.7wt% 초과일 경우 선철 또는 주철이라 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. 강철은 선철을 재정련하여 탄소 함량을 0.035wt%~1.7wt% 수준으로 낮춘 것으로 충격에 강하고, 질기며, 늘어나는 성질이 있어 자동차, 조선, 기계, 건축, 가전제품, 공업용 소재 등 산업 현장에서 가장 많이 사용된다. 강철은 탄소강과 특수강으로 나눌 수 있는데, 강에 다른 금속 원소가 많이 포함되지 않고 주로 탄소만 함유된 것을 탄소강 또는 보통강이라 하고, 니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 몰리브덴 등의 특수한 금속 원소가 포함된 강을 특수강 또는 합금강이라 한다.[1] 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.[2]
특징
인간 생활에 활용되는 유용성 측면에서 강철의 주요한 특성으로는 인장강도, 경도, 소성가공성, 인성, 용접성, 자성, 내식성, 전도성, 광택 등을 꼽을 수 있다.
우수한 인장강도
지구상에는 여러 가지 금속이 존재하고 있으나 그 중에서 철강이 가장 많이 사용되는데, 그 이유는 철강재가 경제성이 우수하고 강도 측면에서 매우 유용해 활용성이 높기 때문이다. 탄소는 철강을 제조하는 과정에서 필수적으로 들어가는 성분으로 강력한 강도 증가 역할뿐 아니라 합금원소로서 경제적인 이점이 커 강철 생산에 가장 흔하게 활용되고 있는 중요한 합금 원소이다. 강철의 합금 성분을 탄소와 더불어 변화시키고 다양한 가공 및 열처리 기술을 적용하면 300MPa에서 5,000MPa의 강도 범위에서 다양한 종류의 강철을 생산할 수 있다. 예컨대, 탄소함량이 0.8% 내외인 타이어코드강의 인장강도는 5,000MPa 정도까지 초고강도화할 수 있다. 또 탄소함량을 수십ppm 정도로 낮추면 알루미늄과 비슷한 정도로 낮은 강도를 갖는다. 강철은 구조용 재료로 각종 구조물과 산업 인프라에 널리 사용되고 있다. 구조용 재료로서 철의 가장 강력한 경쟁소재는 알루미늄이라고 할 수 있는데, 알루미늄의 경우 인장강도 범위가 300~600MPa 정도로 강철에 비해서 매우 협소하기 때문에 사용범위가 한정될 수밖에 없다. 반면 강철은 인장강도 범위가 타 금속에 비해 넓은데, 그 이유는 강철의 소성변형을 어렵게 하는데에 있다. 소성변형은 상온에서 주로 내부에 존재하는 전위의 이동에 의해 일어나는데, 전위의 이동을 방해하게끔 미세조직을 제어하면 강도를 향상시킬 수 있다. 널리 사용되는 강화 방법은 고용강화, 석출강화, 결정립미세화, 가공경화 그리고 변태강화 등 5가지가 많이 활용된다. 강철의 경우 이와 같은 강화기구를 모두 다 활용할 수 있는데, 이 때문에 강도 제어 범위가 타 금속에 비해 넓다. 특히 강도 향상에 큰 영향력을 가진 변태강화는 철강재에 주로 활용될 수 있는 유용한 강화 방안인데, 대부분의 철강재는 다른 강화 방안과 더불어 이 방법을 적절히 활용하고 있기 때문에 강도 제어 범위가 넓다.
변형이 용이
철강 제품을 여러 용도로 사용하기 위해서는 공장에서 나온 판재나 선재에 소성변형을 가해 다양한 모양으로 가공을 해야 한다. 이러한 소성변형을 용이하게 하려면 높은 연성 및 가단성과 같은 소성가공성이 필요하다. 철강소재가 기계, 건축을 비롯해 다양한 산업현장에서 널리 사용되는 것은 철이라는 소재 자체의 가격이 상대적으로 싸고 강도가 높아서이기도 하지만 특유의 뛰어난 소성가공성 덕분에 철을 다양한 분야에, 다양한 형상으로, 그리고 다양한 목적으로 인간의 생활에 유용하게 적용할 수 있기 때문이다. 연성과 가단성은 소성가공성에 해당하며, 일반적으로 상호 비례 관계에 있어, 연성이 우수하면 가단성도 우수하다. 소성가공성이 높다는 것은 응력이 가해졌을 때 그 재료가 파단이 되지 않고 늘어나는 양이 크다는 것을 의미한다.
용접이 용이
철의 용접성이 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티타늄 등 비철금속에 비해 우수한 또 다른 이유는 철의 물리적 특성이 용접에 유리하다는 것이다. 철 및 비철재료의 용접성 평가를 위한 물리적 특성 비교표는 각 원소의 열전도도, 열팽창계수, 탄성계수 및 비열을 비교해 보여주고 있는데, 철의 열전도도와 열팽창계수는 다른 비철금속보다 적으며, 탄성계수는 다른 금속에 비해 크다. 그리고 비열은 알루미늄이 가장 크며 마그네슘, 강철, 구리 순으로 낮아진다. 이러한 철의 특성 때문에 철의 용접성은 다른 실용금속보다 우수한 것이다. 열전도도가 작으면 적은 열량으로 온도를 확보할 수 있어서 가열의 효율성이 증가하며 열영향부가 작아지는 장점이 있다. 열팽창계수가 작으면 용접 후 냉각 시 잔류응력이 작아지기 때문에 용접에 유리하다고 할 수 있다. 그리고 탄성계수가 크면 온도 변화에 따른 응력의 생성이 적기 때문에 잔류응력 역시 적어질 것으로 예측된다. 알루미늄과 마그네슘의 경우는 비열이 높아 가열 시 열 공급이 더 필요한 단점이 있으며, 또 응고 시 수축률이 높고 산화물의 용융온도가 산화철보다 높아 기공 발생이나 용착 불량이 일어나기 쉬운 단점도 있다.[3]
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.[4] 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. 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.[5]
저탄소강
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.
중탄소강
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.
고탄소강
고탄소강이란 탄소함유량이 0.5~1.25wt%C인 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.[6]
초고탄소강
초고탄소강은 1.25~2.0wt%C 범위의 탄소를 보유하고 있는 강을 말한다. 이 유형의 탄소강은 매우 부서지기 때문에 냉간 가공이 불가능하다. 초고탄소강은 블레이드, 절삭 공구 및 대형 부품과 같이 극도의 경도가 필요한 부품을 만드는 데 사용된다. 열에 매우 민감하며 가공성 및 내마모성이 우수하다.[7]
특수강
특수강은 탄소 함량이 높은 고탄소강과 탄소 외에 특수한 합금 원소를 첨가하여 하천의 특성을 개선한 강철의 한 종류이다. 특수한 일반적으로 널리 사용되는 특수강은 니켈강과 크롬강이라고 하지만 용도에 따라 구조용, 특수목적용, 공구용 용도 등으로 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. 특수한 성질을 부여하기 위하여 사용하는 특수한 합금 원소로는 니켈, 망간, 크로뮴, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 구리, 규소, 코발트, 티타늄 등이 있다.
각 원소가 특수강에 미치는 영향 원소 영향 니켈 강인성, 내식성, 내산성 증가, 담금질성 증대, 페라이트조직 안정화. 망간 적은 양일 때 니켈과 같다. 함유량 증가 시 내마멸성이 커지고 황에 의하여 일어나는 취성 방지. 크로뮴 경도, 강도, 내식성, 내열성, 내마멸성 증대. 텅스텐 적은 양일 때 크로뮴과 같은 영향, 탄화물을 만들기 쉬움, 경도 커짐, 내마멸성 커짐, 고온에서 경도와 강도가 커짐 몰리브덴 텅스텐과 거의 같지만 효과가 2배, 담금질 깊이가 큼, 크리프 저항, 내식성 커짐, 뜨임 위성 방지. 바나듐 몰리브덴과 비슷함, 경화성은 몰리브덴보다 더 큼, 단독으로 사용하지 않고 크롬 또는 크롬-텅스텐과 함께 사용해야 효과 발생. 구리 석출 경화를 일으키기 쉽고, 내산화성을 나타낸다. 규소 적은 양은 다소 경도와 인장강도를 증가, 함유량이 많아지면 내식성과 내열성 증가, 전자기적 성질 개선. 코발트 고용 경도와 고온 인장강도를 증가, 단독 사용하지 않음. 티타늄 규소나 바나듐과 비슷, 부식에 대한 저항을 증가시켜 탄화물을 만들기 쉬움.
구조용 특수강
구조용 특수강은 기계 부품 및 구조물에 사용되는 특수강으로 기계적 성질, 단조성, 피 절삭성, 용접성과 같이 가공성이 좋아야 한다. 구조용 특수강에는 강인강, 표면경화용강, 특수목적용 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.[8]
표면경화용강
표면경화용강은 기계 부품 중에 표면은 경도가 높아서 마모나 피로에 잘 견디고 중심부는 강인하여 충격에 의해서 파손되기 어려운 특성이 요구됨에 따라 개발된 특수강이다. 표면경화용강은 침탄용강, 질화용강, 쾌삭강, 스프링강이 있다. 침탄용강은 보통 저탄소강이 사용되나 우수한 성능이 요구될 대에는 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 등을 함유하는 특수강이 쓰인다. 기계 가공을 하고 침탄 작업 후 1차, 2차 담금질을하고 200도 이하의 온도에서 뜨인다. 질화용강은 탄소강이 질화에 의한 표면경화가 잘 되지 않으므로 알루미늄, 크롬, 몰리브덴 등을 함유한 특수강이 사용된다. 크롬과 몰리브덴은 재료의 기계적 성질을 좋게하고 알루미늄은 질화층의 경도가 증가하는 특징이 있다. 쾌삭강은 생산성을 높이고 가공 재료의 피 절삭성, 제품의 정밀도 및 절삭 공구의 수명을 향상하기 위해 황, 납, 인, 망간을 첨가하여 개선한 특수강이다. 스프링강은 탄성한도가 높아 주로 스프링을 만들며 탄성한도, 피로한도, 크리프 저항, 인성 및 진동이 심한 하중, 반복 하중 등에 잘 견디는 것이 특징이다.[9]
특수목적용 특수강
스테인리스강
스테인리스강은 녹이 슬지 않는 강철·스테인리스강은 취사용구를 비롯, 일상용품에 널리 쓰이는 금속이다. 대표적인 것은 18%의 크롬, 8%의 니켈이 들어 있는 것으로서 18－8 스테인리스강이라고 불린다. 18－8 스테인리스강이 녹슬지 않는 까닭은 물이나 공기에 닿기만 하면 곧 크롬산화물의 치밀한 피막이 생겨서 내부를 보호하기 때문이다. 그러므로 산화성이 강한 질산 등에 대해서는 매우 강하지만, 환원성인 염산 등에 대해서는 피막이 파괴되어 쉽게 침식당한다. 스테인리스강에는 크롬만을 넣고 니켈은 들어 있지 않은 크롬계 스테인리스강이란 것이 있다. 이것은 내식성에 있어서는 18－8 스테인리스강에 약간 떨어지나, 비싼 니켈 없이도 제조할 수 있기 때문에 생산가격이 싸다. 첨가되는 크롬의 양은 13% 또는 18%이며, 탄소가 적은 것은 보통의 철과 같은 페라이트 조직으로 되어 있어 강자성을 띤다. 탄소의 양이 많은 것은 담금질이 가능하며, 열처리에 의해서 마텐자이트 조직으로 변한다. 칼날이 달린 도구 등에 쓰이는 스테인리스강은 이 타입의 것으로서, 가정용품 이외에도 공업적 용도가 넓다.
내열강
내열강은 터빈 날개나 제트엔진과 같이 고온에서 사용되는 재료로 고온에서 강도와 내산화성이 있는 것이 특징이다. 보통의 강철처럼 고온으로 가열되면 산화가 진행되어 녹이 슬기 시작하면 곤란하기 때문에, 고온에서도 산화하지 않는 것이어야 한다. 점에서 기본이 되는 합금은 스테인리스강과 비슷한 것이며, 여기에 고온에서 강도를 높이기 위해서 코발트, 텅스텐, 몰리브덴 등이 첨가한다. 예컨대 화력발전소의 증기 터빈의 익재에는 13%의 크롬강에 몰리브덴, 바나듐, 붕소 등을 약간 더하여 강도를 높인 내열강이 쓰이고 있다.
공구강
공구강은 기계공장에서 선반이라든가 밀링, 프레이즈반 따위의 공작기계가 어렵지 않게 강철을 깎고 또는 구멍을 뚫기 위해 사용되는 특수강이다. 공구라고는 하더라도 부억칼이나 목공도구의 톱이나 끌 또는 가위 등과 같은 것은 고탄소강이나 담금질한 것으로 충분하다. 하지만 금속을 절삭하는 경우는 절삭 속도가 빨라지면 날끝에 상당한 고온이 생기므로, 열에 강하고 심한 마모에도 견디는 특성이 있는 공구강이 사용된다. 이러한 요구에 맞는 대표적인 것이 고속도강 또는 하이스라고 불리는 특수강이다. 고속도강은 10 ~ 20%의 텅스텐에 약 5%의 크롬 또는 몰리브덴, 1%의 바나듐이 들어 있으며, 이 밖에 고급품에는 코발트가 들어 있다. 고속도강은 열에 강하고 단단하며 닳지 않으므로 바이트, 드릴 등 절삭용 공구로서 기계공장에서는 절대로 필요한 것이 되고 있다.[10]
강철의 미세조직
펄라이트
펄라이트(pearlite)는 페라이트와 시멘타이트가 층상 조직을 이루면서 형성되는 미세조직을 말한다. 대체로 탄소함량 0.025 ~ 0.8 wt% 까지 페라이트 중심에서 펄라이트가 증가하고(아공석강) 0.8 ~ 2 wt% 까지 펄라이트 중심에 시멘타이트가 증가하는 모습(과공석강)을 보인다.
베이나이트
베이나이트(bainite)는 페라이트를 항온변태곡선의 노즈 이하 마르텐사이트 변태시작점 이상의 온도까지 급랭 후 일정 시간 항온유지하면 나타나는 조직이다. 마르텐사이트는 강철을 물에 담궈 식히면 되지만 베이나이트는 200~400도 정도의 온도까지는 빠르게 냉각시키고 그 이후로는 변태가 완료될 때까지 온도를 일정하게 유지해야 하므로 보통 녹는점이 200도 이상인 염을 녹인 염욕에 담궈서 만든다. 낮은 온도에서 강철을 변태시키기 때문에 구성원자들이 확산에 필요한 충분한 에너지를 가지지 못하여 펄라이트에 비하여 훨씬 조밀한 침상구조를 갖는다. 펄라이트와 비교했을 때 더 강한 강도를 가지고있다.
스피로이다이트
스피로이다이트(spheroidite)는 펄라이트나 베이나이트를 적당한 온도에서 오랜 시간 동안 열처리[를 하면 얻어지는 미세조직이다. 이름대로 강 속의 탄소들이 구형으로 박혀있는 모습을 가지고 있으며 고온에 둠으로써 철강내부의 응력이 감소하여 펄라이트와 베이나이트에 비하여 연성이 좋은 것이 특징이다.
마르텐사이트
마르텐사이트(martensite)는 매우 뜨겁게 달군 강철을 급냉하면 분자들이 원래 자기 위치를 찾을 시간도 없이 상이 변해 천천히 식힐 때와는 다른 체심정방정계 구조의 조직이 된다. 그 상태 중 하나인 마르텐사이트는 철강 중에서 최고의 강도를 가지지만 연성이 적고 잘 깨지는 편이며, 연성이 너무 작아 가공이 어려우므로 주로 열처리을 하여 가공성을 높여서 사용한다. 마르텐사이트는 분자들이 일정 간격으로 거리를 두게 되므로 부피가 4.4%가량 늘어난다.
잔류 오스테나이트
잔류 오스테나이트(retained austenite) 변태는 온도에 의존적이고 일부 함금계를 제외하고 시간에 의존적이지 않기 때문에 마르텐사이트 변태가 시작하는 Ms온도와 마르텐사이트 변태가 종료되는 Mf온도가 중요하다. 상온은 일반적으로 Mf 온도보다 높기 때문에 급랭 시 오스테나이트가 마르텐사이트로 모두 변태하지 못하고 잔류하는데, 이를 잔류 오스테나이트라고 칭한다.
소르바이트
소르바이트(sorbite)는 마르텐사이트화 된 강재를 500~600도 정도의 고온으로 뜨임처리 했을 때 나타나는 조직이다. 미디움 펄라이트(medium pearlite)라고도 하며 탄화물이 성장하면서 구상화하여 현미경으로 관찰했을 때 미세한 점들이 무수히 나 있는 조직을 볼 수 있다. 구상 시멘타이트 조직이 나타나는 또다른 미세조직인 스피로이다이트와는 미세조직 적으로 다르며, 기계적 특성도 다르다. 소르바이트는 강인성이 좋아 구조용으로 많이 사용된다.
트루스타이트
트루스타이트(troostite) 마르텐사이트화 된 강재를 300~350도 정도로 뜨임처리 했을 때 나타나는 조직이다. 미세 펄라이트(fine pearlite)라고도 하며, 뜨임처리 중 생성되는 탄화물이 모상 중에 고용하면서 새로운 Fe3C 조직이 석출되면서 만들어지는 조직이다. 경도는 마르텐사이트와 베이나이트 보다 낮지만 일반적인 펄라이트에 비해 높다. 부식이 쉽게 되는 것으로 알려져있다.
제강
제강은 철강을 제조하는 것을 말한다. 용광로에서 나온 선철에는 4% 가량의 탄소와 규소, 인, 망간 등의 불순물이 들어 있으며 이 선철은 단단하지만 부서지기 쉬워 주조용으로 쓰인다. 강철로 만들기 위해서는 선철 속의 탄소를 줄이고 불순물을 제거해야 하는데, 용광로에서는 코크스에 의한 환원이 지나쳐서 철 속에는 탄소가 너무 많이 섞여 들어있어서 도리어 산화 과정을 통해 탄소를 줄이고 불순물인 규소나 인 따위도 산화시켜 제거하여야 한다. 이를 제강이라고 부르는데, 대표적인 제강 방법으로는 평로를 이용하는 경우와 전로를 이용하는 경우의 두 가지가 있다.
평로제강
평로에 고철, 석회석, 선철 등을 넣고, 축열실에서 예열된 공기와 가스 또는 중유를 뿜어 넣어 고온 화염의 방사열로 녹이며 가스의 방향을 보통 10분 간격으로 좌우로 번갈아 바꿈으로써 열이 효과적으로 전달되게 한다. 산소는 노 속의 열풍으로부터도 공급되지만 산화를 촉진시키기 위해서 다시 약간의 철광석을 넣는다. 이 과정을 거치면 탄소는 일산화탄소로서 제거되고 망간, 인, 규소도 각각 산화물로 되어 슬래그에 흡수된다. 이와 같은 공정으로 4∼5시간 동안 정련한 다음 이번에는 남아 있는 여분의 산소를 없애기 위하여 약간의 철－실리콘의 합금이나 알루미늄을 탈산제로서 첨가하여 거푸집에 부으면 응고하여 잉곳으로 제작된다.
전로제강
전로제강은 1855년에 베서머(Bessemer)가 발명한 방법으로 베서머 법이라고도 한다. 이는 속에 공기를 뿜어 넣어서 선철 속의 불순물을 10∼15분 동안에 산화 정련하는 방법으로, 평로법에 앞서서 강철을 대량생산하는 길을 열어놓은 유명한 제강방법이다. 이 방법은 1877년에 토머스에 의해서 불순물인 인을 제거할 수 있도록 개량되어, 유럽에서는 한때 널리 이용되었으나, 같은 무렵에 발전하기 시작한 평로에 비해서 강철의 품질이 약간 떨어진다는 결점 때문에 세계적으로는 평로방법이 제강의 주류가되었고 전로는 발전하지 못했다. 그러다가 베서머의 전로 발명 후 90년이 지난 1946년에 노의 형태는 비슷하지만 밑으로부터가 아니라 용선의 위로부터 순수한 산소를 고압·고속으로 분사하여 정련하는 산소분사식 전로가 발명되었다. 이 방법을 처음으로 고안하여 사용한 곳이 오스트리아의 린츠 공장과 도나비츠 공장인 데서 유래하여 LD전로라고도 부른다. LD전로는 주둥이가 큰 병과 같은 모양으로 되어 있는데, 이 노를 수평으로 기울여서 용선을 넣고 석회와 고철 부스러기를 첨가한 다음 바로 세운다. 여기에 산소관을 넣어 고속으로 산소를 불어 넣게 되면 선철 속의 불순물은 급속도로 산화되고 탄소도 줄어들어 40분 정도면 정련이 끝난다. 순수한 산소를 사용하는 이 LD전로는 평로보다도 질이 더 좋은 강철이 생산되고, 평로에 비해서 생산 능률도 훨씬 향상시킬 수가 있었기 때문에 1950년대부터는 세계적으로 제강 방법의 새 주류를 이루게 되었다. [11]
제강과정
자재준비
철판을 만들려면 우선 철을 제조할 수 있는 광물인 철광석이 필요하다. 철광석에도 적철광, 자철광, 갈철광 등 다양한 종류가 따르는데 평균 약 60%의 철분을 함유하고 있다. 철광석은 바로 용광로로 투입되는 것이 아니라 소결 공정을 거치는데, 이를 통해 철광석의 들쭉날쭉한 성분을 균일화하고, 용광로에 넣기 좋은 크기로 만든다. 이렇게 정돈된 철광석을 '소결광'이라고 한다. 소결광 이외에도 일부는 광산에서 채굴할 때부터 넣기 좋은 크기로 생산된 정립광과 극미분의 철광석을 동글동글하게 소성 시켜 만든 펠릿까지 총 3가지 원료를 용광로에서 함께 사용한다. 석회석 등 부원료도 소량 들어간다. 원료를 녹여 철 성분을 얻는데 열을 제공하는 역할은 코크스와 미분탄이 하게 된다. 코크스는 석탄을 1,000도 내외로 가열하여 만드는 고체 원료이다. 이는 용광로 안에서 원료를 녹이는 열원의 역할을 함과 동시에 철광석 중의 산소을 분리느하는 환원제의 역할을 한다. 미분탄은 석탄을 0.125mm 이하의 크기로 파쇄한 연료로 코크스 대비 원가가 저렴해서 경제적인 조업에 도움을 준다. 코크스가 연소되며 원료를 녹일 열을 만들어낼 수 있도록 약 1,200도의 바람, 즉 열풍을 용광로 안으로 불어 넣으면 층층이 쌓인 원료가 부분적으로 최대 2,300도에 달하는 뜨거운 용광로로 만들어진다. 이 과정에서 쇳물, 슬래그 부생가스들이 복합적으로 발생해 섞여있다가, 가스는 용광로의 위쪽으로 올라가고 쇳물과 슬래그는 바닥으로 떨어지게 된다. 가스는 집진기에서 먼지가 제거된 후에 다시 동력원으로 변환되고, 슬래그와 쇳물은 분리 되어 각각 수재 처리 시설과 제강공정으로 넘겨진다. 원료가 투입되어 쇳물로 배출되기까지는 약 6시간 30분이 걸린다.[12]
제선공정
제선공정은 쇳물을 생산하는 기초 공정이다. 철광석과 원료탄 유연탄을 약 높이 100m의 고로에 넣은 뒤 1,200도 정도의 뜨거운 바람을 불어 넣으면 원료탄이 타면서 나오는 열에 의해 철광석이 녹아 쇳물이 된다. 다시 말해 원료탄이 연소되며 발생하는 일산화탄소가 철광석과 환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산되는 것이다. 즉, 원료탄은 철광석을 녹이는 열원으로서의 역할과 동시에 산화철 상태인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 한다. 고로에 장입된 철광석이 쇳물로 나오기 까지는 5~6시간 정도가 소요되고 이때 쇳물의 온도는 1500도까지 올라간다. 이 쇳물에는 철성분 외에도 탄소나 유황등 불순물이 함유돼 있다. 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전 처리하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선공정이라 한다.
고로
고로는 문자 그대로 높이 우뚝 솟은 고대한 노를 말하여 제철소의 상징이다. 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있는 것이 특징이다. 노의 높이는 40~50m 정도이며, 부속설비까지 포함하면 100m를 넘으며 고로는 그 자체가 거대한 설비와 방대한 원료를 소비하므로 원료를 받아들이기 위한 항만설비나 하역설비 등도 완비되어 있지 않으면 안된다.
제강공정
제강공정은 쇳물에서 불순물을 제거해 강철로 만드는 공정이다. 고로에서 생산된 쇳물은 탄소 함유량이 많고 인, 유황과 같은 불순물이 포함되어 있어 부스러지기 쉽다. 이러한 쇳물을 용선이라고 하는데 강인한 강으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 과정이 필요한데, 전체적인 제강공정은 용선예비처리, 전로제강, 2차 정련이라는 세 가지 과정으로 구분할 수 있다. 먼저 용선예비처리는 쇳물에 포함된 불순물 인과 유황 성분을 제거하는 공정을 거친 후 전로제강공정은 전로에 쇳물을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순물을 없애는 공정으로서 철강의 기본적인 품질을 결정하는 공정이다. 마지막으로 2차정련은 최종제품의 성분이나 재질 등 내부품질 요구조건에 맞게 제어하는 공정이다.
연주공정
연주공정은 액체상태의 강철이 고체가 되는 공정이다. 아직 액체 상태인 용강인 주형에 주입되고 연속 주조기를 통과하면서 냉각, 응고돼 연속적으로 슬래브나 블룸, 빌릿 등의 중간 소재로 만들어진다. 이 과정에서 블룸은 다시 강편 압연기를 거쳐 빌릿으로 변하며 선재 압연기를 통해 선재로 가공된다. 또한 슬래브는 후판압연기를 거쳐 후판으로 생산되거나 열간압연기로 들어가 열연강판 등으로 만들어지게 된다.
압연공정
압연공정은 강철을 강판이나 선재로 만드는 공정이다. 압연이란 연속주조 공정에서 생산된 슬래브, 블룸, 빌릿 등을 회전하는 여러개의 롤 사이에 통과 시켜 연속적인 힘을 가함으로써 늘리거나 얇게 만들거나 강력한 프레스 기계로 누르거나 용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만드는 과정이다. 이 세가지 방법으로 만들어진 제품을 모두 강재라 하며, 그 중 압연강재의 생산량이 압도적으로 많기 때문에 일반적으로 강재라 하면 압연강재를 지칭하는 경우가 많다. 이 외에도 압출, 인발등의 가공방법도 있다.
압연
강괴 또는 강편과 같은 소재를 회전하는 2개의 롤 사이에 끼우고 롤의 간격을 점차 좁히면서 연속적인 힘을 가하여 늘리거나 얇게 성형하는 소성가공이다. 마치 밀가루 반죽을 방망이로 미는 것과 같은 원리이며 이 방법으로 만들어진 제품을 압연강재라 한다. 단조, 압출, 인발 등의 가공에 비해 비교적 단순한 형상의 제품을 능률적으로 만들 수 있는 매우 우수한 방법이다. 크게 열간압연과 냉간압연의 두 가지 방법으로 나뉜다.
열간압연
열간압연기를 통해 생산되는 것은 열연코일과 이를 절판한 열연강판으로 구성된다. 열연공장에서 생산되는 열연코일의 일부는 완제품으로 판매되거나 냉연, 전기장판의 중간소재로 사용되어 고부가가치 제품으로 재가공된다. 강도가 높고 용접성, 가공성, 내식성 등이 뛰어나 산업 전반에서 다양하게 활용된다. 일반구조용강과 용접구조용강이 생산되며 철구조물, 교량, 선박, 차량제작에 사용된다.
냉간압연
냉간압연을 통해 제작된 냉연강판은 표면이 미려하고 가공성이 우수한 소재로 냉장고, 세탁기 등 가정용품에서부터 산업기기, 각종 건자재 및 자동차에 이르기까지 다양한 용도로 사용되며 산업구조의 고도화에 따라 현대 사회의 필수 소재로 각광받고 있다. 일반적인 용도에 사용되는 강재로서 냉장고 도어, 드럼, 가구제작에 쓰이고 자동차용으로는 오일 필터에 사용된다.
단조
강괴를 강력한 프레스 기계로 누르거나 또는 해머로 때려서 원하는 형상으로 만드는 것으로 그 제품을 단조품 또는 자유 단조품이라 하며 재질이 치밀하고 단단하다. 단조의 목적은 형을 만드는 것, 성장한 결정입자를 파괴해서 인성을 부여하는 것으로 재료의 낭비를 없애고 양질의 기계적 성질을 만들어 내기 위한 것이다.
주조
용강을 각종 주형에 주입하여 원하는 형상으로 만든 제품을 주강품이라고 하며, 압연으로 제조할 수 없는 복잡한 형상의 기계부품과 같은 것을 만드는데 적합하다. 그러나 제품의 기계적 성질이나 신뢰성 면에서 다소 뒤 떨어진다.[13]
전망
각주
- ↑ 이종민, 〈철의 종류〉, 《포스코경영연구원》, 2009-09-21
- ↑ 〈강철〉, 《나무위키》
- ↑ 김종대 기자, 〈권오준 박사의 "철을 보니 세상이 보인다"-⑥〉, 《페로타임즈》, 2020-07-16
- ↑ kmozzart, 〈탄소강(carbon steel)〉, 《다음블로그》, 2020-07-16
- ↑ 〈탄소강〉, 《나무위키》
- ↑ 고컴고캣, 〈탄소강이란? 탄소함량에 따른 분류와 용도 한눈에 알아보기!!〉, 《티스토리》, 2020-05-21
- ↑ 〈탄소강이란?〉, 《네틴백》
- ↑ 모나므흐김경희, 〈구조용특수강〉, 《네이버블로그》, 2011-04-27
- ↑ 판다푸,〈챕터 4. 특수강(합금강)〉, 《티스토리》, 2020-04-02
- ↑ 〈특수강〉, 《위키백과》
- ↑ 〈제강〉, 《위키백과》
- ↑ BON엘이비, 〈철의 생산공정(제선-제강-연주-압연)〉, 《네이버블로그》, 2020-02-21
- ↑ ㉾℡®㉾℡® ㉾℡®㉾℡®, 〈철강제조 공정 종류 (제선, 제강, 주조, 압연)〉, 《티스토리》, 2021-05-02
참고자료
같이 보기
