강 (소재)
강(鋼, steel)이란 기본적으로 철(Fe)과 2.0%이하의 탄소(C)와의 합금을 말하는 것으로 강철이라고도 한다. 현재 공업 및 토목건축용 재료로서 가장 널리 사용되고 있는 금속재료이다. 모든 금속재료의 생산량 중에서 강이 차지하고 있는 비율은 대략 80% 정도이다. 이와 같이 강이 널리 사용되는 이유는 염가로써 여러가지 성질을 다양하게 변화시킬 수 있고, 또 우수한 강도(强度, strength)와 함께 소성가공이 용이하므로 원하는 형상의 제품으로 제조하기가 쉽기 때문이다.
강의 5원소
C(탄소), Si(규소), Mn(망간), P(인), S(유황)
- 특히, 탄소(C)는, 철과 강을 구분짓는 주요 화학원소 임
- - 여기서, P(인),S(유황)은 강의 성질에 유익하지 않아, 0.05% 정도 이하로 규격화하기도 함
강의 구분
- 탄소강 (Plain Carbon Steel) : 철과 탄소의 합금 (탄소 함량 : 2.0 wt% 이하)
- - 저 탄소강 (low carbon steel)
- . (탄소 함량 : 0.25 wt% 미만)
- . 例) 대부분의 강판 판재 (후판 6 ㎜ 이상, 중판 1~6 ㎜, 박판 1 ㎜ 이하)
.. 강판(Steel Plate) : 강괴(鋼塊)를 성형 압연한 판재를 말함
- - 중 탄소강 (medium carbon steel)
- . (탄소 함량 : 0.25~0.6 wt% )
- - 고 탄소강 (high carbon steel)
- . (탄소 함량 : 0.60~1.4 wt% )
- 일반적으로,
- . 철,탄소 이외에 잔류되는 미량의 다른 원소와 약간의 망간 만을 함유 함
- . 탄소량이 적으면, 건축구조용,기계부품,기차,선박,자동차,교량 등 일반 구조용에 쓰이고,
- . 탄소량이 많으면, 스프링강,공구강,단강품 등의 재료에 쓰임
- . 경화성은, 저 탄소강에서 낮고, 중/고 탄소강일수록 높아짐
- . 탄소강의 용도 분류
- .. 냉간 압연 강판
- .. 열간 압연 강판
- .. 일반 구조용 압연 강재
- .. 기계 구조용 탄소강
- .. 탄소 공구강 등
- 합금강 (Alloy Steel) : 철 이외 합금 원소를, 약 10% ~ 최대 50%까지 함유
- - 저 합금강 (low alloy steel)
- . 합금 원소의 총량이 10% 이하 (통상적인 탄소강을 일컬음)
- - 고 합금강 (high alloy steel)
- . 합금 원소의 총량이 10% 이상
- - 스테인리스 강 (stainless steel) (크롬 함량 : 11 wt% 이상)
- . 내부식성, 고 강도 및 연성, 고 크롬 및 저 니켈 함유 등 (1900년대 초 개발)
- 미세구조 상에 의해, 마젠자이트,페라이트,오스테나이트 등으로 분류됨
- 기타 구분
- - 용도 구분 : 보통강(Plain Steel), 특수강(Special Steel)
- - 제조상 구분 : 림드강(Rimmed Steel), 킬드강(Killed Steel)
- - 주강(Cast Steel, 鑄鋼) : 주물용 강 또는 주조한 강
- . 원하는 형태로 주조하여 제작되는 강
강의 열처리
자동차의 차체에 사용되는 강판은 연성이 우수하여야만 하는 반면에 절삭공구에 사용되는 강은 충분히 경화되어 내마모성이 커야만 한다. 또한 자동차의 축이나 대형선박의 프로펠러 축 등은 강도와 인성(靭性, toughness)을 겸비하여야 한다. 그리고 면도날도 극히 경도가 우수해야만 한다.
이와 같이 매우 연한 강판에서부터 극히 경한 공구강에 이르기까지 여러 가지 다양한 용도에 적합한 성질을 갖추어 주는 것은 주어진 강의 적절한 열처리에 의해서 주로 이루어지고 있다. 일반적으로 강에 열처리를 실시하는 이유는 다음 사항 중 어느 한가지 목적을 달성하기 위함이다.
- ① 냉간가공에 의하여 발생된 응력을 제거한다거나 또는 불균일 냉각에 의한 응력을 제거하기 위한 것이다.
- ② 열간가공된 강의 결정립조직을 미세화시키기 위한 것이다.
- ③ 바람직한 결정립조직을 유지하기 위한 것이다.
- ④ 경도를 감소시키고 연성을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑤ 경도를 증가시켜서 내마모성을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑥ 사용중 충격에 견딜 수 있도록 인성을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑦ 피삭성을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑧ 공구강의 절삭능력을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑨ 전기적 성질을 향상시키기 위한 것이다.
- ⑩ 강의 자기적 성질을 개선하기 위한 것이다.
강의 용도가 다양하고 그 사용량도 큰 이유는 첫째, 탄소량에 따라서 기계적 성질이 현저하게 변화된다는 것이다. 아래 표는 순철(0%C), 0.2%C강 및 0.8%C강을 서냉시킨 후의 항복강도를 나타낸 것으로서, 탄소량이 0%에서 0.8%로 증가함에 따라 항복강도가 4배 이상 증 가하고 있는 것을 보여주고 있다.
탄소량에 따른 항복강도의 변화 탄소량(wt%) 항복강도(psi) 연신율(%) 0.0%(순철) 0.2%
0.8%
15,000 32,000
65,000
62 35
14
이와 같이 서냉시켰을 때 탄소량이 증가함에 따라서 강도가 높아지는 이유는 시멘타이트(cementite : Fe3C)라고 불리우는 철탄화물의 양이 증가되기 때문이다. 즉 이 탄화물은 매우 硬하기 때문에 강 속에 존재하게 되면 강도 및 경도를 향상시키게 된다.
강이 널리 사용되는 또 하나의 이유는 열처리에 의해서 그 기계적성질을 매우 다양하게 변화시킬 수 있다는 것이다. 즉 다른 금속재료에 비해서 열처리효과가 매우 현저하기 때문에 그 응용범위가 확장되고 있는 것이다. 표는은 Fe-0.8%C강을 900℃로부터 냉각시킬 떄 냉각속도에 따른 항복강도의 변화를 나타낸 것으로 냉각속도가 증가됨에 따라 항복강도가 급격하게 증가된다는 사실을 알 수 있다. 즉 이 3개의 시료는 동일한 탄소량을 함유할지라도 열처리시 냉각방법에 따라 서 기계적성질이 변화하고 있다. 이와같이 냉각속도에 따라 강도가 증가되는 이유는 강의 내부조직이 변화되기 때문인데, 실제로 모든 금속재료의 성질(특히 기계적성질)은 그 금속의 내부구조에 거의 직접적으로 의존하고 있다. 우리는 이 내부구조를 흔히 미세조직(微細組織, microstructure)이라고 부른다.
한편 탄소강의 경우 동일한 탄소량에서도 열처리방법에 따라서 경도가 현저하게 달라진다는 것을 나타내고 있다. 따라서 탄소량과 열처리의 조합으로서 필요한 경도 및 강도를 용이하게 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
결국 열처리를 한마디로 요약하면 「필요한 성질을 얻기 위하여 금속내부의 미세조직을 변화시키는 가열 및 냉각조작」이라고 말할 수 있다. 역으로 말하면 미세조직의 변화를 수반하지 않는 가열 및 냉각과정은 기계적성질의 변화를 거의 나타내지 않으므로 열처리라고 말하기는 어렵다는 것이다.
강의 강도와 탄소
강을 분류할 때 탄소량에 따라서 저탄소강, 중탄소강 및 고탄소강으로 분류하였지만 다음과 같이 분류하는 방법도 있다.
- 극연강 ------------ 0.2%C 이하
- 연 강 ------------ 0.2∼0.3%C
- 반경강 ------------ 0.3∼0.5%C
- 경 강 ------------ 0.5∼0.8%C
- 최경강 ------------ 0.8∼1.5%C
탄소가 철중에서 화합하면 시멘타이트(Fe3C)라고 하는 탄화물이 형성되는데, 이 시멘타이트는 비커스 경도 HV=1100정도로 매우 硬한 화합물이다. 더구나 1%의 탄소는 15%의 Fe3C를 형성하므로 이것이 탄소가 강을 硬하게 하는 이유이다.
강의 퀜칭경도는 탄소량이 증가함에 따라 커지지만 이것은 0.6%C까지만 해당되는 것이고, 이 이상 탄소량이 증가해도 퀜칭경도는 증가되지 않는다. 그림 1.2는 이것을 나타낸 것으로서, 약 0.6%C까지는 탄소량에 따라 퀜칭경도가 증가되지만 그 이상 탄소량이 증가하여도 HRC 65 이상으로는 되지 않는다.
합금원소 첨가에 따른 강의 성질 변화
강(鋼)중에는 제강(製鋼)과정에서 강의 제성질을 향상시키기 위해 고의로 첨가한 합금원소도 있지만, 이 이외에 선철(銑鐵), scrap 등의 원료로부터 혼입되는 미량의 잔류원소도 존재하는데, 이러한 잔류원소들이 강의 성질에 미치는 영향도 무시할 수 없다. 이러한 잔류원소들 중에서 Cu, Ni,Co, Sb, As, W, Mo, Sn 등은 제강시에 거의 제거할 수 없는 원소로서 강에 치환형으로 고용해있고, 강의 성질을 변화시키기 위해서는 비교적 다량첨가가 필요하다. 또한 C, H, N 등의 원소들은 제강시 일부 제거할 수 있는 원소들로서, 강에 침입형으로 고용해서 미량존재로도 강의 성질에 큰 영향을 미친다. 따라서 강에 함유된 여러가지 원소들이 강의 제성질에 미치는 영향을 요약하여 서술하였다.
- (1) 탄소(C)
탄소는 강의 강도를 향상시키는데에 가장 효과적이고 중요한 원소로서, 오스테나이트에 고용하여 퀜칭 열처리시 마르텐사이트 조직을 형성시키게 한다. 탄소량의 증가와 함께 퀜칭경도를 향상시키지만 퀜칭시 변형유발가능성을 크게 한다. Fe, Cr, Mo, V 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성하므로써 강도 및 경도를 향상시킨다.
- (2)망간(Mn)
탄소강에는 보통 0.35∼1.0% 정도의 Mn이 함유되어 있다. 이 Mn의 일부는 강 속에 고용되며, 나머지는 강 속에 함유되어 있는 S와 결합하여 비금속개재물(nonmetallic inclusion)인 MnS를 결정립내에 형성하는데, 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시에 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 이 MnS의 형성으로써 강 속의 S의 양이 감소되므로 결정립계에 형성되는 취약하고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.
한편 Mn에 의해서 펄라이트가 미세해지고, 페라이트를 고용강화시키므로써 탄소강의 항복강도를 향상시킨다. 또 퀜칭시 경화깊이를 증가시키지만, 많은 양이 함유되어 있을 때에는 퀜칭균열이나 변형을 유발시킨다. 그리고 Mn은 강에 점성을 부여하므로 1.0∼1.5%Mn이 첨가된 강을 강인강(强靭鋼)이라고 부르며, 특히 1.3%C, 13%Mn이 함유된 오스테나이트강을 Hadfield鋼이라고 부르며 옛날로부터 유명한 강이다. 단 Mn은 강의 내산성(耐酸性) 및 내산화성(耐酸化性)을 저해하는 원소이다.
- (3) 황(S)
강 속에 함유되어 있는 S는 보통 Mn과 결합하여 MnS 개재물을 형성한다. 그러나 강 중의 Mn양이 충분치 못할 때에는 Fe와 결합하여 FeS를 형성하기도 하는데, 일반적으로 이 FeS는 결정립계에 그물모양으로 석출되어 있다. 이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기때문에 열간 및 냉간가공시에 균열을 일으킬 수 있다. 따라서 해로운 FeS 개재물의 형성을 피하기 위해서는 Mn:S의 비를 보통 5:1로 하고 있다.
일반적으로 Mn, Zn, Ti, Mo 등의 원소와 결합하여 강의 피삭성을 개선시킨다.
- (4) 인(P)
P는 강 속에 균일하게 분포되어 있으면 별문제가 없으나, 보통 Fe3P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림처리를 하여도 균질화되지 않고 단조, 압연 등의 가공을 하면 길게 늘어난다. 충격저항을 저하시키고, 템퍼링취성을 촉진하며, 또 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키는 원소로 취급되나, 일반적으로는 불순물로서 간주된다.
- (5) 규소(Si)
강 속의 Si는 선철과 탈산제에서 잔류되는 것으로, SiO2 와 같은 화합물을 형성하지 않는한 페라이트 속에 고용되므로 탄소강의 기계적성질에는 큰 영향을 미치지 않는다. 또한 P는 강한 탈산제이고, 4.5% 첨가량까지는 강도를 향상시키지만 2% 이상 첨가시에는 인성을 저하시키고 소성가공성을 해치므로 첨가량에 한계가 있다. 한편 템퍼링시 연화저항성을 증대시키는 효과도 있다.
- (6) 질소(N)
강 중에 잔류하는 질소량은 용해원료, 용해방법에 따라서 현저하게 변화된다. 일반적으로 질소는 극히 미량 존재로도 강의 기계적성질에 큰 영향을 미치는데 인장강도, 항복강도를 증가시키고, 연신율을 저하시킨다. 특히 충격치의 감소 및 천이온도의 상승은 현저하다. 질소는 탄소와 동일하게 침입형원소이고, 강중에서 확산속도가 빠르며, 또한 페라이트에 대해서 최대 약 0.1%(580℃)로부터 0.003%정도(상온)까지 연속적으로 용해도변화를 나타내는 등 다른 잔류원소와는 틀리는 큰 특징이 있다. 이때문에 강은 각종의 취성이나 시효경화성을 나타낸다. 퀜칭시에 일어나는 퀜칭시효(quench aging), 냉간가공에 의한 변형시효(strain aging), 그리고 200∼300℃에서의 청열취성에 의해서 강의 인장강도, 항복강도는 증가하고 충격치는 저하해서 강의 취화를 일으킨다. 특히 극연강 박판의 deep drawing 가공시에 표면에 주름이 발생하는 현상은 주로 질소의 변형 시효에 의한 것이다. 이것을 안정화시키기 위해서는 질소와 친화력이 큰 Al, Ti, Zr, V, B 등을 첨가하므로써 이들의 취화현상을 방지한다. 또 질소는 다른 합금원소와 결합하여 질화물을 형성하므로 강의 여러성질에 영향을 미친다. AlN이 강중에 미세하게 석출되어 있으면 오스테나이트의 결정립이 미세하게 되어 세립강(細粒鋼)의 제조가 가능하고, 이외에 Ti, Zr, V, Nb 등도 질화물을 형성하여 결정립을 미세하게 만든다. 그러나 AlN도 다량 존재하면 고온인성을 크게 해치고, 특히 단조시에는 오스테나이트 입계에 AlN이 석출하여 입계취성을 일으킨다. 또한 AlN의 석출에 의해 고온크리프강도도 저하된다.
- (7) 수소(H)
수소는 원자반경이 극히 작으므로 Fe격자중에 N, C 등과 동일하게 침입형으로 고용되어 있고, 강중에서는 다른 원소에 비해서 확산속도가 매우 빠르므로 강속을 자유로이 이동할 수 있다. 또 수소는 백점(白点), 헤어 크랙(hair crack), 선상 조직(線狀組織) 및 용접시 비드 균열 등 여러가지 결함의 원인으로 된다. 이러한 결함의 방지 또는 제거를 위하여 최근에는 진공용해 또는 진공처리에 의해 탈수소를 행하고 있으므로 제강과정에서 생긴 수소에 의한 결함은 감소되고 있다.
- (8) 산소(O)
산소는 거의 Fe에 고용되지 않기때문에 강중에서는 주로 비금속개재물로서 존재하며, 이들중 SiO2, Al2O3, Cr2O3, TiO2 등은 Fe에 대해서 고용도를 갖지 않지만 FeO, MnO 등은 고온에서 약간 고용한다. 특히 이들 비금속개재물은 강의 기계적성질, 피로특성 등을 저하시킨다. 순도가 높은 Fe-O 합금에서는 산소함유량의 증가와 함께 충격천이온도는 현저하게 상승하지만, 순철에 소량의 C, Mn 등이 존재하면 그 영향은 거의 사라진다. 산소는 다량으로 함유되어 있으면 강의 침탄시 이상조직의 원인으로 됨과 동시에 경화능을 저하시키고, 가열에 의한 오스테나이트 결정립의 성장을 촉진시킨다.
- (9) 구리(Cu)
Cu는 광석 등으로부터 쉽게 혼입되므로 강에는 보통 0.1∼0.3% 정도 함유되어 있다. Cu는 상온에서 페라이트에 0.35%까지 고용하여 고용강화효과를 나타내므로 강도 및 경도를 약간 증가시키지만 연신율은 저하시킨다. Cu를 함유한 강에서는 열간가공성이 문제로 되는데, 특히 0.5%이상 함유되어 있을 때에는 적열취성(赤熱脆性, red brittleness)의 원인으로 된다. 이것은 고온가열시에 Fe보다 Cu의 산화속도가 작으므로 강표면에 편재하여 열간가공중에 강재 내부로 침투하기 때문이지만, Ni이나 Mo의 첨가로서 이 현상을 현저히 개선할 수 있다. 또한 Cu는 비교적 소량 함유되어 있어도 대기 및 해수중에서 강의 내식성을 현저하게 향상시킨다. Cu와 P가 공존할 경우 내 식성향상에 더욱 효과적이다.
한편 0.4%Cu 이상 첨가시에는 Cu의 미세석출에 의한 석출경화효과도 나타나므로, 실제로 스테인리스강에서는 Cu를 4%정도 첨가석출시켜서 강력 스테인리스강도 만들고 있다.
- (10) 알루미늄(Al)
Al은 강탈산제로서 유효하나 첨가량이 많으면 강을 취약하게 함으로 탈산, 탈질용으로서는 0.1%이하로 첨가하는 것이 보통이다. 질화물인 AlN은 미세석출하여 강의 결정립미세화에 효과적이므로 이것을 이용해서 극미세 결정립을 갖는 강인강을 제조할 수 있다. 또한 고온산화방지 및 내유화성(耐硫化性)에 극히 효과적이다.
As는 제선제강과정에서 제거하는 것이 거의 불가능하고, 또 강재의 재질향상을 위해서 As를 인위적으로 첨가하는 경우는 거의 없다고 보아도 좋다. 즉 As는 0.2%정도 이상에서는 충격치를 현저하게 저하시키고, 충격천이온도를 상승시킴과 함께 강의 열간가공성을 해치고 적열취성을 일으킨다. 그러나 이러한 악영향은 보통강에 함유되어 있는 정도의 As량에서는 거의 문제시 되지 않는다고 보아도 좋다.
- (12) 붕소(B)
미량 첨가(0.0005∼0.003%)로서 경화능을 현저히 증가시킨다. 과잉 첨가되면 Fe3B를 형성하여 적열취성을 일으킨다.
- (13) 코발트(Co)
대부분의 합금원소는 소량첨가로써 강의 경화능을 향상시키지만 Co는 예외로서 그 반대의 경향을 나타내고, 또 고가이므로 일반적인 강에는 사용하지 않고 자석, 고급절삭공구, 내열재료 등에 첨가해서 성질을 개선하는데에 사용하고 있다. 특히 강의 고온강도를 개선하는데에 효과적이다.
- (14) 크롬(Cr)
13%까지 첨가로서 오스테나이트 영역을 확장시킨다. 염가이고, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다. 10%이상 첨가하면 스테인리스강으로 되고, 내산화성을 향상시키고 내유화성을 개선하므로 구조용강, 공구강, 스테인리스강 및 내열강의 거의 전부에 함유되어 있는 가장 중요하고 보편적인 합금원소이다. 단 Cr첨가량이 많게 되면 σ상이라고 하는 비자성의 취약한 상이 나타난다. Cr은 또한 저온취성과 수소취성을 방지하는 효과가 있지만 템퍼링취성은 조장한다.
- (15) 몰리브덴(Mo)
Mo은 0.1∼0.3%정도의 첨가로서 Ni의 10배까지 경화능을 향상시키는 효과가 있으므로 템퍼링 취성을 방지하여 템퍼링취화저항성을 부여한다. 또한 탄화물을 형성하므로 고급절삭공구의 합금원소로도 우수한 효과를 나타내며, 결정립조대화온도를 상승시킨다. 경화능에 관해서는 Mo 단독보다는 Cr과 병용하면 더욱 효과적이다. 값이 비싸다.
- (16) 니켈(Ni)
Ni은 강의 조직을 미세화시키고, 오스테나이트나 페라이트에도 고용이 잘되므로 기지를 강화시킨다. 또 Cr이나 Mo과의 공존하면 우수한 경화능을 나타내어 대형강재의 열처리를 용이하게 한다. Ni은 오스테나이트 안정화원소이므로 Cr과의 조합으로 오스테나이트계 스테인리스강, 내열강을 형성한다. 강의 저온인성을 현저히 개선시키며 용접성, 가단성(可鍛性)을 해치지 않는다. 또한 Ni은 C나 N의 확산을 느리게 하므로 내열강의 열화(劣化)를 방지하고, 팽창률, 강성률, 도자율(導磁率) 등의 점에서도 특징이 있다. 즉 Fe-36%Ni강은 상온부근에서의 열팽창계수가 0에 가까우므로 전자재료(電磁材料) 및 특수재료로서의 용도가 넓다. 따라서 Ni은 Cr과 함께 가장 중요하고도 보편적인 합금원소이다.
- (17) 티타늄(Ti)
Ti은 O, N, C, S 및 H 등 어느 원소와도 강한 친화력을 나타내고, 특히 탈산, 탈질(脫窒) 및 탈유(脫硫)에 흔히 사용된다. 탄화물형성능도 Cr보다 강하고, 결정립을 미세화시키기때문에 스테인리스강이나 절삭공구강의 개량에 이용된다. 또한 타금속원소와도 화합물을 형성하여 석출경화효과가 현저하므로 석출경화형 스테인리스강이나 영구자석 등에 이용된다.
- (18) 주석(Sn)
Sn은 scrap으로부터 혼입되어 제강과정에서는 거의 제거되지 못하는 원소로서, 페라이트에는 약 8%까지 고용한다. 일반적으로 Sn은 강의 인장강도, 항복강도를 증가시키고, 연신율, 충격치를 감소시키는 등 P의 영향과 유사한 점이 많지만 P만큼 현저하지는 않다. 그러나 Sn은 열간가공시의 적열취성, 템퍼링취성, 저온취성 등의 원인으로 되고, 내식성에 약간의 이점이 있기는 하지만 일반적으로 강에는 유해한 원소이다.
- (19) 셀레늄(Se)
Mn 등과 화합물을 만들어 피삭성을 향상시킨다. 유황보다 훨씬 고가이며 용강(熔鋼)의 유동성을 좋게 한다.
- (20) 칼슘(Ca)
강력한 탈산제이다. 용강중에서 기화하여 폭발하기 쉬우므로 Ca-Si, Ca-Si-Mn 등의 상태로 첨가하여 비금속개재물의 상태 및 분포의 조정을 행한다.
- (21) 니오븀(Nb)
강력한 결정립 미세화원소로서 결정립 조대화온도를 상승시킨다. 경화능을 저하시키며, 템퍼링취성을 감소시킨다.
- (22) 텔루륨(Te)
강의 피삭성을 증대시키며, 열간가공성을 해친다.
- (23) 납(Pb)
강의 피삭성을 향상시킨다.
참고자료
같이 보기
