탄소강

탄소강 배관

탄소강(炭素鋼, carbon steel)은 철과 탄소의 합금으로 0.05∼2.1%의 탄소를 함유한 강을 말한다. 용도에 따라 적당한 탄소량의 것을 선택하여 사용한다.

규소·망가니즈·인·황을 불순물로 함유하고 있지만, 철과 탄소의 합금 중에서 열처리가 가능한 0.05∼2.1%의 탄소를 함유한 것을 말한다. 상태도(狀態圖)에 표시한 바와 같이 탄소량 0.9%인 곳을 경계로 해서 조직이 변하여 이것보다 탄소가 적으면 페라이트라고 하는 소량의 탄소가 들어 있는 비교적 연한 철의 상(相)이 있는데 이 사이를 페라이트와 시멘타이트 Fe₃C가 쪽 매널 세공과 같이 잘게 혼합된 상(펄라이트)이 메우고 있다. 탄소량이 증가할수록 이 펄라이트의 비율이 증가하여 0.9% 탄소에서 전부 펄라이트가 된다. 이것보다 고탄소측에서는 시멘타이트 사이를 펄라이트가 메운 조직으로 되어, 탄소량이 많을수록 시멘타이트가 증가하여 1.5%에서 약 10%가 된다. 이 때문에 0.9%까지는 탄소가 증가하는 데 따라 단단해진다.

개요

탄소강은 강철의 한 종류로 철기문명이 시작되면서부터 지금까지도 사용되고 있는 가장 오래된 금속 재료 중 하나다. 탄소 함유량이 0.03% 이하인 순수한 철을 순철이라 부르며, 잘 찌그러지고 강도가 약하다. 그래서 이 순철에 탄소를 넣어 철의 강도를 높인 합금. 여기에 추가로 크롬 같은 특정 성분들을 섞으면 스테인리스강 같은 특수강(또는 합금강)이 되며, 내부식성 등의 추가적인 강점들도 얻을 수 있지만 그만큼 비싸지기 때문에 대량생산하는 제품들에는 여전히 탄소강이 널리 쓰인다.

탄소함유량 0.02wt%C 이상(아공석강)부터 6.67wt%C(시멘타이트조직) 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 나누며, 대체적으로 가장 기본적으로 널리 쓰이는 금속재료이다.

탄소강 자체적으로는 단독으로 쓰기에 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.

이렇게 놓고 보면 스테인리스강보다 나을 게 없어 보이지만, 탄소강은 유연성, 즉 인성이 강하기 때문에 스테인리스강으로 만들면 스스로의 경도를 견디지 못하고 깨질 구조의 물건들을 만드는데 주로 사용된다.

또한 탄소강 칼날이 스테인리스 칼날보다 절삭력이 더 좋은 것처럼 느껴지는 측면도 있다. 한국에서도 주부들이 식칼에 대해 말할 때 흔히 "요즘 식칼보다 옛날 무쇠칼이 더 잘 들더라"라는 말이 나오는데, 이 무쇠칼이 바로 탄소강이다.

스칸디나비아지역의 바이킹들이 칼에 맹수들의 영혼을 집어넣는다는 주술적인 의미로 검의 표면을 열처리할때 뼛가루를 같이 넣었다는 가설이 있는데 이 뼛가루 때문에 최초의 탄소강이 만들어졌다는 가설이 있다. 다만 이 가설의 출처는 Iron age myth and Materiality라는 제목의 2011년 출판된 책 하나뿐이라 신빙성은 없다. 다만 뼛가루가 아닌 불타남은 석탄이나 재를 이용했을 가능성은 높다고 한다.

탄소함량에 따른 탄소강의 분류

분류	저탄소강	중탄소강	고탄소강
특징	저탄소강이란 탄소함량이 0.02 ~ 0.25%인 강을 말한다. 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.	중탄소강이란 탄소함량이 0.25~0.6%C인 강을 말하며 적당한 강도와 적당한 연성을 가지고 있는 강재로써 열처리로 강화가 가능하다.	고탄소강이란 탄소함량이 0.6~1.4%C인 강을 말한다. 탄소강중 제일 높은 경도와 내마모성을가지고 있는 것이 특징이며 낮은 인성과 성형성,가공성을 갖는다.
제품	볼트, 너트, 박판, 후판, 관재 등의 큰 강도가 요구하지 않는 기계부품에 사용된다.	자동차부품, 기어, 축, 커넥팅로드, 철로 등에 사용되며 저탄소강보다 높은 강도가 요구되는 상황에서 사용된다.	철로, 스프링.공구강, 망치 등의 높은 강도,경도, 내마모성이 요구되는 제품에 주로 사용된다.

스테인리스강과 대비되는 의미로서의 탄소강

한편 도검업계 등에서는 조금 다른 의미로 '스테인리스강이 아닌 나머지 모든 강재'를 탄소강이라 부르기도 한다. 이 경우 나이오븀, 바나듐, 텅스텐 등이 들어간 합금강이라도 어쨌든 크롬 함량이 12%를 넘지 않아 녹슬 우려가 있으면 탄소강으로 분류된다. 당연히 엄밀한 과학적 분류는 아니며 일종의 업계의 관행에 가깝다.

참고자료

• 〈탄소강〉, 《두산백과》
• 〈탄소강〉, 《나무위키》
• 〈탄소강이란? 탄소함량에 따른 분류와 용도 한눈에 알아보기!!〉, 《티스토리》, 2020-05-21

같이 보기

• 탄소
• 철
• 스테인리스강

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