탄소강

3. 분류

탄소강은 탄소 함량에 따라 다음과 같이 분류된다.

• '''저탄소강''': 탄소 함유량(질량 퍼센트 농도)이 0.25% 이하^[28](0.05%~0.15%^[2])인 탄소강이다. 일반 탄소강이라고도 한다.^[2] 연성과 전성이 우수하고, 자동차 부품, 파이프, 건축 및 식품 캔^[8] 등에 사용된다.
• '''중탄소강''': 탄소 함유량이 0.25% - 0.6%^[28](약 0.3~0.5%^[2])인 탄소강이다. 연성과 강도의 균형이 우수하고 내마모성이 좋다. 대형 부품, 단조 및 자동차 부품^[12][13] 등에 사용된다.
• '''고탄소강''': 탄소 함유량이 0.6% 이상^[28](약 0.6%에서 1.0%^[2])인 탄소강이다. 강도가 매우 높아 스프링, 날붙이, 고강도 와이어^[14] 등에 사용된다.
• '''초고탄소강''': 탄소 함유량이 약 1.25~2.0%^[2]인 탄소강이다. 매우 높은 경도로 열처리할 수 있으며, 칼, 축, 펀치와 같은 특수 목적^[2]에 사용된다.

탄소강 분류 방법은 미국 AISI/SAE 표준을 기반으로 한다. DIN(독일), GB(중국), BS/EN(영국), AFNOR(프랑스), UNI(이탈리아), SS(스웨덴), UNE(스페인), JIS(일본), ASTM 표준 등 다른 국제 표준도 있다.

4. 특성

탄소강은 탄소 함량에 따라 그 특성이 달라지며, 열처리 방법을 통해서도 성질을 변화시킬 수 있다.

탄소강은 포함된 탄소량이 많아질수록 인장 강도와 경도가 증가하지만, 연성과 전성은 감소한다. 또한, 절삭성과 연삭성은 나빠진다.^[27]

탄소강은 풀림, 균질화, 담금질, 뜨임과 같은 열처리를 통해 성질을 크게 변화시킬 수 있다.^[27] 예를 들어, 표면 경도는 침탄으로 증가시킬 수 있다.^[3]

일반적으로 탄소강은 다음과 같은 특성을 가진다.

• '''기계적 성질:''' 탄소 함량 및 열처리 방법에 따라 강도, 경도, 인성 등이 달라진다. 저탄소강은 연성과 전성이 우수하지만, 인장 강도는 낮다. 고탄소강은 강도가 매우 높지만, 연성과 용접성이 낮다.
• '''내식성:''' 습도가 높거나 염분이 많은 환경에서 녹과 부식에 취약하다. 따라서 페인트, 바니시 등으로 코팅하여 부식을 방지하거나, 크롬을 함유한 스테인리스강 합금으로 만들어 내식성을 높이기도 한다.
• '''기타 특성:''' 크롬, 니켈, 몰리브덴 등을 첨가하여 내식성, 내산화성, 고온 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 또한 재활용이 용이하고 에너지 소비량이 적어 생산 효율이 높다.

5. 열처리

탄소강은 열처리를 통해 기계적 성질을 개선할 수 있다. 열처리는 연성, 경도, 항복강도, 충격 저항성 등을 변화시키지만, 전기 및 열 전도성은 크게 변하지 않는다. 대부분의 강화 기술과 마찬가지로 영률(탄성)은 영향을 받지 않는다. 열처리는 강도와 연성을 서로 교환하는 방식으로 작용한다.

철은 오스테나이트 상태에서 탄소에 대한 용해도가 더 높기 때문에, 대부분의 열처리는 강을 오스테나이트 상태가 될 때까지 가열하는 것으로 시작한다. 이후 냉각 속도에 따라 탄소가 오스테나이트에서 확산되어 탄화철(세멘타이트)을 형성하고 페라이트를 남기거나, 탄소를 철 내부에 가두어 마르텐사이트를 형성한다. 강이 공석점 온도(약 727°C)를 통과하는 속도는 탄소 확산 속도에 영향을 미친다.

다음은 탄소강의 주요 열처리 방법이다.

• 구상화: 탄소강을 약 700°C에서 30시간 이상 가열하면 세멘타이트 막대 또는 구체 형태의 구조가 생성된다. 고탄소강을 연화시키고 성형성을 높이는 데 사용되며, 가장 부드럽고 연성이 좋은 형태이다.^[15]
• '''완전 어닐링''': 저탄소강은 오스테나이트 온도(A₃)보다 약 30°C에서 50°C 높은 온도로, 고탄소강은 공석점 온도(A₁)보다 높은 온도로 가열한 후, 시간당 약 20°C의 속도로 천천히 냉각한다. 조대한 펄라이트 구조가 생성된다. 부드럽고 연성이 있으며 내부 응력이 없어 성형에 유리하다.^[16]
• 공정 어닐링: 0.3% C 미만의 냉간 가공된 탄소강의 응력을 완화하기 위해 550°C에서 650°C에서 1시간 동안 가열한다.
• 등온 어닐링: 저탄소강을 상부 임계 온도 이상으로 가열하여 일정 시간 유지한 후 하부 임계 온도 이하로 낮추고 다시 유지한 다음 상온으로 냉각한다. 온도 기울기를 제거한다.
• 정규화: 탄소강을 약 550°C에서 1시간 동안 가열하여 오스테나이트로 변환시킨 후 공랭(분당 약 38°C)시킨다. 미세한 펄라이트 구조와 균일한 구조가 생성되며, 어닐링된 강보다 강도와 경도가 높다.^[18]
• '''담금질''': 0.4 wt% C 이상의 탄소강을 정규화 온도로 가열한 후 물, 브라인, 또는 오일에서 급냉시켜 마르텐사이트 구조를 생성한다. 매우 단단하지만 취성이 있어 실제 사용에는 부적합하며, 표면에 응력 균열이 발생할 수 있다. 정규화된 강보다 약 3배 더 단단하다.^[19]
• '''마르템퍼링(마르켄칭)''': "마르텐사이트 개시 온도" 바로 위의 온도에서 용융 염욕에서 초기 담금질 후 적용되는 등온 열처리이다. 잔류 응력을 완화하고 일부 베이나이트를 형성할 수 있다. 연성과 경도를 조절하고, 내부 응력과 응력 균열을 줄이며, 충격 저항성을 높인다.^[20]
• '''템퍼링''': 담금질된 강을 공석점 온도 이하로 재가열한 후 냉각한다. 아주 소량의 구상체가 형성되어 연성이 회복되지만 경도는 감소한다. 최종 특성은 템퍼링 온도와 시간에 따라 결정된다.^[21]
• '''오스템퍼링''': 담금질을 중단하고 강을 205°C에서 540°C 사이의 온도에서 용융 염욕에 유지한 후 냉각한다. 베이나이트라는 바늘 모양의 미세 구조를 생성하여 강도, 연성, 충격 저항성을 높이고 왜곡을 줄인다. 몇 장의 강판에만 사용 가능하며 특수 염욕이 필요하다.^[22]

6. 표면 경화

표면 경화는 강철 부품의 외부만을 경화시켜 단단하고 내마모성이 뛰어난 표면(케이스)을 만들지만, 내부는 질기고 연성이 있는 상태로 유지하는 공정이다. 탄소강은 경화능이 매우 낮기 때문에 두꺼운 단면 전체를 경화시킬 수 없다. 합금강은 경화능이 더 우수하여 전체 경화가 가능하며 표면 경화가 필요하지 않다. 탄소강의 이러한 특성은 표면에 우수한 내마모성을 부여하면서 코어는 유연하고 충격 흡수력이 좋게 만드는 데 유리하다.^[1]

7. 단조 온도

참조

_[1] 서적 Design of structural steelwork https://books.google[...] Taylor & Francis
_[2] 웹사이트 Classification of Carbon and Low-Alloy Steels http://www.totalmate[...] Key to Metals 2023-04-29
_[3] 웹사이트 Low-carbon steel https://www.efunda.c[...] 2023-04-29
_[4] 웹사이트 Density of Steel https://hypertextboo[...] 2009-04-23
_[5] 웹사이트 Modulus of Elasticity, Strength Properties of Metals – Iron and Steel https://www.engineer[...] 2009-04-23
_[6] 웹사이트 1020 Steel https://steel-bar.co[...] 2022-05-21
_[7] harvnb
_[8] 웹사이트 What Are the Different Types of Steel? https://metalexponen[...] 2020-08-18
_[9] 웹사이트 MSDS, carbon steel http://www.ameristee[...] Gerdau AmeriSteel
_[10] 웹사이트 Introduction to Carbon Steel Types, Properties, Uses and Applications https://www.material[...] 2022-08-18
_[11] 웹사이트 Vitz Metals: Steel Supplier & Metal Supply Company | 972-838-4455 https://vitzmetals.c[...]
_[12] 논문 Ultrasonic detection of spall damage induced by low-velocity repeated impact
_[13] 웹사이트 Medium-carbon steel https://www.efunda.c[...] 2023-04-29
_[14] 웹사이트 High-carbon steel https://www.efunda.c[...] 2023-04-29
_[15] harvnb
_[16] 논문 Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels 2014-10
_[17] harvnb
_[18] harvnb
_[19] harvnb
_[20] harvnb
_[21] harvnb
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_[23] 서적 Materials Handbook https://archive.org/[...] McGraw-Hill
_[24] 웹사이트 炭素鋼とは 大辞林 第三版の解説 https://kotobank.jp/[...] 朝日新聞社、VOYAGE GROUP 2014-10-03
_[25] 서적 機械材料入門 理工学社
_[26] 서적 大学基礎　機械材料 実教出版
_[27] 서적 機械材料入門 理工学社
_[28] 서적 機械工学辞典 丸善
_[29] 서적 機械工作法Ⅰ 共立出版
_[30] 서적 図解入門　よくわかる最新熱処理技術の基本と仕組み 秀和システム
_[31] 서적 機械工学辞典 丸善
_[32] 서적 機械工学辞典 丸善
_[33] 서적 大学基礎　機械材料 実教出版
_[34] 서적 機械材料入門 理工学社