탄소와 탄소강[carbon steel]

탄소(Carbon) 와 탄소강[carbon steel]

지표는 식물로 덮여 있고 동물이 생식하고 있다. 인류는 나무나 석탄, 석유, 천연가스를 연료로 하고 있다. 이들은 대부분이 탄소의 화합물인 유기물로서 그 종류는 300만 이상으로 알려지고 있다. 그러나 지각에 존재하는 탄소의 존재비율은 약 0.032%이다.

자연에 존재하는 탄소에는 다이아몬드와 흑연 및 무정형탄소의 세 동소체가 있다.

다이아몬드는 4개의 공유결합으로 탄소원자끼리 정사면체 모서리를 향해 3차원적으로 결합하고 있고, 자연계에 존재하는 물질 중에는 가장 단단하다.

그래서 암석 등의 절삭에 쓰이고 있다. 다이아몬드는 빛을 세게 굴절하고 다양한 빛으로 분해하여 아름답게 빛나므로 고대부터 장신구에 사용되어 왔다.

다이아몬드는 지하에 깊은 곳에서 고온․고압 하에 생성하고, 마그마의 상승과 함께 지표로 올라간 것으로, 그 암석이 풍화침식되어 생긴 표사광상(漂砂鑛床)에서 채취된다. 인공적으로도 만들 수 있다. 니켈을 촉매에 사용하고1400℃에서 5GPa의 고압 하에서 생성한다.

다이아몬드는 열전도율이 높고 전기절연성이 크기 때문에 단결정*은 대규모 집적회로의 기반에 사용할 수 있다. 그래서 메탄과 수소의 혼합가스를 이용한 고주파플라스마CVD나 열CVD에 의한 단결정 다이아몬드 박막의 형성이 시도되고 있다.

흑연은 탄소원자가 2중결합을 하나씩 걸러 평면상에 결합하고, 평면층 상호의 사이는 약한 분자간력으로 결합하고 있는 결정이다. 따라서 면내에는 도전율과 열전도율이 크고 열팽창계수는 작으나, 면에 수직방향은 이와 반대라는 큰 이방성을 나타낸다.

밀도도 다이아몬드의 3.52g/cm3에 대해, 흑연은 2.26g/cm3으로 작다. 이 성질 때문에 모터브러시나 팬더그래프용 접동재료나 고체감마제에 쓰인다. 또 도전성이 좋으므로 전기로의 전극봉에, 고온일수록 강도가 증가하므로 핫프레스의 형재에 쓰인다.

그리고 금속용해용 도가니 또는 연필의 심에 쓰인다. 흑연은 우라늄의 분열로 생성하는 중성자를 흡수하지 않고 감속하므로 원자로의 감속재로서 중요한 재료이다.

흑연의 층간에는 산소나 플루오르, 알칼리금속이 들어있는 층간화합물을 만들 수 있으므로 알칼리흡수재로 이용하거나, 플루오르흑연은 감마재로서 봉지재, 전지용 재료에 사용된다. 레이온이나 폴리아크릴로니트릴(PAN), 석유피치의 섬유를 탄화하면 다양한 흑연섬유가 가능하다.

지름 7～15μm, 밀도 1.5～1.7g/cm3으로 비강도와 비탄성률이 크다. 이것을 듀랄루민이나 에폭시수지와 혼합하여 복합재료를 만들어 자동차나 항공기의 경량화에 공헌하고 있다.

주석이나 석탄 또는 목탄은 무정형탄소이다. 양초에서 발생하는 주석에서 석묵이 만들어진다. 이 주석 중에 축구공 모양의 탄소원자가 60개 결합한 프라렌으로 불리우는 분자가 포함되고 있다. 0.7nm 정도의 크기이다. 1970년에 이 존재가 예상되고 있고 1985년에 발견되었다.

탄소의 새로운 형태와 함께 초전도성, 광전특성 등 기능성재료로 기대되어 현재 연구가 진행되고 있다. 이 밖에 나노사이즈의 튜브 모양인 것도 발견되고 있다.

석탄의 성분은 탄소가 약95%로 나머지는 탄소와 수소의 화합물이나 유황, 소성 후에 생성하는 회분이다. 제철에서 철광석을 환원하기 위해 석탄을 사용하면 유황분이 용철에 들어가 강에 나쁜 영향을 끼친다.

여기서 석탄을 찜구이(건류)하고 휘발성의 유기물이나 유황을 제거한 코크스를 제철에 이용한다. 코크스는 용융하면 단단해져 강도가 증가한다. 목탄은 식목을 건류하여 만든다. 목탄은 다공질이므로 대단히 큰 표면적을 가지고 있고 다양한 가스를 흡수한다.

실온에서의 공기는 목탄체적의 200배, 염소나 유독가스는 그 이상 흡수되므로 방독마스크의 필터에 쓰인다. 페놀계나 푸란계의 수지를 고온에서 탄화하면 결정화되지 않고 유리카본이 된다. 기밀성이 있어 표면이 매우 단단하고 다양한 형상이나 작은 제품을 만들 수 있다.

매우 단단하여 연마재에 쓰이고, 또 소결이 곤란하므로 금속을 첨가하여 서멧으로 고강도재료에 쓰인다. 탄화실리콘은 반도체적 성질이 있어 히터로 쓰이는 것 외에 고온용 반도체나 대규모 집적회로의 기반으로 강구되고 있다.

탄소강[carbon steel]

탄소를 제외하고 원소의 양(量)이 합금강으로 규정되고 있는 양 이하의 강.

탄소의 양은 약 2mass% 이하로서 그 이상의 탄소를 함유하는 것은 주철이 된다.

탄소강에 들어있는 탄소 이외의 원소에는 제강반응에 필요한 탈산제인 Al, Si, Ca, 용광로나 전로 벽의 내화물 또는 원료나 연료에서 혼입하는 P, S 등의 불순물원소가 있다.

망가니즈(Mn)의 첨가는 탈산제로서의 작용도 있으나 황(S)와 결합하여 MnS가 되고, 녹는점이 낮은 FeS를 생성하기 어려워 FeS의 용융에 의한 열간압연시의 균열(적열취성)을 억제하기 위해 필요하다.

탄소강의 성질은 합금원소를 특히 첨가하고 있지 않으므로 탄소 또는 탄소와 Mn으로 정해진다.

탄소량이 0.25mass% 이하인 것을 저탄소강, 0.6mass% 이상의 것을 고탄소강, 그 중간의 것을 중탄소강으로 분류하는 경우도 있다.

또 탄소량이 약 0.02mass% 이하인 것을 극저탄소강이라고 부르기도 한다. 또 일반적으로 탄소량이 많아지면 강은 경도를 증가시키나 경도에 의해 극연강, 연강, 경강 등으로 분류하는 경우도 있다.

기계구조용탄소강, 탄소공구강, 피아노선재 등 탄소강의 일부인 것은 합금강과 합하여 특수강으로 분류된다. 

산업 현장에서 일반적으로 사용되는 기계재료의 종류와 기호 및 용도와 특징에 관하여 정리하였다. 산업 현장에서는 아직까지 일본 JIS규격이 그대로 사용되는 사례가 많아 간혹 동일한 재료인데도 기호 표기가 달라서 KS규격과 혼동을 일으키는 경우가 있으니 주의하기 바란다.

아래는 대표적인 기계재료의 KS규격 기호와 JIS규격 기호를 비교하여 나타낸 것이므로참고하기 바라며 KS에서는 철강과 비철로 구분하고 세부적으로 규격화해서 규정하고 있다.

 

자주 사용하는 철강 재료 기호 KS & JIS 규격

재료의 종류	KS 기호	JIS 기호	용도	특징
일반 구조용 압연 강재	SS 400	SS 400 (구 SS 41)	일반 기계 부품	가공성 및 용접성이 양호
기계 구조용 탄소강 강재	SM 45C	S 45C	스프로켓, 평기어 풀리 등 일반 기계 부품	열처리 가능 인장강도 58kgf/㎟
	SM 50C	S 50C		열처리 가능 인장강도 66kgf/㎟
연마봉강 (냉간 인발)	SS 400D	SS 400D	원형,육각지주 일반 기계 부품	정밀도 및 표면조도 양호, 소재 상태로 또는 약간의 절삭가공으로 사용 가능
탄소공구강 강재	STC 95 (구:STC 4)	SK 4	드릴, 바이트, 줄, 펀치, 정 등	비교적 열처리가 간단하며 값이 싸다.
	STC 85 (구:STC 5)	SK 5
합금공구강 강재	STS 3	SKS 3	열처리 부품 위치결정 핀 지그용 부시	열처리에 의한 변형이 탄소공구강보다 매우 적다.
크롬몰리브덴 강재	SCM 435	SCM 435	강도가 필요한 일반 기계 부품, 지그용 핀이나 고정 나사, 볼스크류 등	가공성 양호 기계 가공시간 단축 내마모성 우수 기계가공 후 연마 후 우수한 경면 효과
	SCM 415	SCM 415
	SCM 420	SCM 420
유황 및 유황복합 쾌삭강 강재	SUM 21	SUM 21	일반 기계 부품 (쾌삭용 강재)	피삭성 향상을 위해 탄소강에 유황을 첨가한 쾌삭강
	SUM 22L	SUM 22L		유황 이외에 납도 첨가된 쾌삭강
	SUM 24L	SUM 24L
고탄소 크롬 베어링강 강재	STB 2	SUJ 2	구름베어링 LM SHAFT 맞춤핀 캠 팔로워 등	베어링 강
냉간압연강 강재	SCP	SPCC	커버, 케이스 등	상온에 가까운 온도에서 압연 제조 치수 정밀도가 양호하고 절곡, 프레스, 절단 가공성 및 용접성이 양호
열간압연강 강재	SHP	SPHC	일반 기계 구조용 부품	일반적인 사용 두께는 6mm 이하