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. 대표적으로 자동차 부품, 기어, 축, 커넥팅로드, 철로 등에 사용되며 저탄소강보다 높은 강도가 요구되는 상황에서 사용된다. 고탄소강이란 탄소함유량이 0.5wt%C 이상인 강을 말한다. 탄소강중 제일 높은 경도와 내마모성을 가지고 있는 것이 특징이며 낮은 인성과 성형서, 가공성을 갖는다. 대표적으로 처로, 스프링 및 공구강, 망치 등의 높은 강도, 경도, 내마모성이 요구되는 제품에 주로 사용된다. 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.

같이 보기

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