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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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목차
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.[1]
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.[2] 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.[3] 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.[4] 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]
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, 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. 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.[6]
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.[7]
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.[8]
제조공정
전망
각주
참고자료
같이 보기
