철과 강, 탄소강의 특성 및 용도

철과 강

오늘은 철과 강에 대해서 알아보기로 한다. 그 중에서도 제조산업계에서 가장 많이 사용하는 탄소강에 대해 살펴보도록 하자. 탄소강( carbon steel)은 철과 탄소의 합금으로 탄소 함유량이 0.02%~2.14%까지의 철강재료를 가르킨다. 탄소 함유량이 0.02% 미만인 것을 순철, 0.02~2.14%까지를 강철, 2.14~6.7%까지를 주철로 분류하고 있다. 탄소강재라고 하면 보통 SS재, S-C재, SPC재, SK재가 많이 쓰인다.

 

1. 탄소강의 특성 및 용도

현재 사용되는 대부분의 철은 탄소강이며, 일반적으로 우리가 알고 있는 강이란 철(Fe)과 탄소(C)로 구성된 합금으로서 탄소함유량이 약 1.7% 이하인 것을 말한다. 일정한 인장강도를 필요로 하는 기계구조용 부품에는 담금질을 한 후 비교적 높은 온도로 뜨임을 해서, 담금질로 인해 생긴 마르텐사이트 조직을 트루스타이트 또는 소르바이트 조직으로 만드는 열처리(조질처리)를 한다. 일반적으로 표준 상태에 있어 탄소강은 페라이트와 시멘타이트와의 혼합체로 볼 수 있는데, 물리적 성질은 양자의 성질을 반반씩 지니고 있으며, 기계적 성질 또한 반반씩 지니고 있으며, 기계적 성질은 거의 탄소함유량과 비례한다. 인장강도, 경도 등은 탄소함유량과 함께 증가하고 신장률은 반대로 감소한다. 탄소강은 연강, 기계구조용 탄소강, 탄소 공구강, 스프링강 등으로 분류한다. 탄소강에서 탄소의 증가에 따라서 0.8%C 까지는 페라이트 감소, 펄라이트 증가, 연율 감소, 강도, 경도 증가하고, 0.8~2.0%C까지는 펄라이트 감소, 시멘타이트 증가, 연율 및 강도 감소, 경도는 직선적으로 증가한다. 탄소강의 주요 5대 원소는 C, Mn, Si, P, S로 연강은 0.1~0.3%C, 반경강은 0.3~0.5%C, 경강은 0.5~0.8%C 이다.

 

1-1 탄소강의 기계적 성질

탄소강의 표준 상태에서 탄소량이 많을수록 경도, 강도가 증가하며 인성, 충격값이 감소되고 가공변형이 어렵고 냉간 가공이 안된다. 즉 탄소의 증가에 따라서 0.8%C 까지는 페라이트 감소, 펄라이트 증가, 연율 감소, 강도 및 경도는 증가한다. 0.8~2.0%C 까지는 펄라이트 감소, 시멘타이트 증가로 연율, 강도 감소, 경도는 직선적으로 증가한다.

 

(1) 조직학적인 강(Steel)의 분류

1) 순철 : 0.025% C 이하(은값과 비슷)

2) 강 : 아공석강(0.025~0.8%C), 공석강(0.8%C), 과공석강(0.8~2.0%C)

3) 주철 : 아공정주철(2.0~4.3%C), 공정주철(4.3%C), 과공정주철(4.3~6.67%C)

① 아공석강에서 C% 증가와 더불어 강도, 경도, 항복점이 증가된다.

② 과공석강에서 시멘타이트가 망상으로 나타나므로 강도 감소, 경도가 증가한다.

③ 공석강에서 강도는 최대가 되고 연율, 단면 수축률은 감소한다.

④ 탄성계수, 항복점은 온도 상승에 따라 감소된다.

⑤ 인장강도는 200～300℃까지 상승하여 최대가 되고 충격값은 최소이다.

⑥ 실온보다 저하하면 강도, 경도, 항복점, 탄성계수, 피로 한도가 증가되고 연율, 단면 수축을 충격값이 감소된다.

※강도와 경도는 100℃ 부근에서 상온보다 약간 낮아지고 200～300℃에서 상온보다 증가하다가 그 이상은 감소한다.

 

1-2 탄소강의 물리적·화학적 성질

강 중에 함유되어 있는 탄소량에 의해서 물리적 성질이 변화하는데 비중, 열팽창율, 열전도율 및 온도계수는 탄소량이 증가할수록 감소하고, 비열, 전기저항 등은 증가한다.

 

탄소강의 물리적 성질

융점 (℃)	비중	비열 [kJ/(kg·K)]	전기저항 ( Ωcm)	전기저항 온도계수	열전도율	팽창계수	보자력 (A/m)
1528 ~1425	7.876~ 7.789	0.474~ 0.519	10.0~ 19.0	0.0056~ 0.0042	37.0~ 60.0	0.000012~ 0.0000108	0.5~0.6

① 탄소량의 증가에 따라 감소하는 성질：비중, 열전도율, 열팽창계수

② 탄소량의 증가에 따라 증가하는 성질：전기저항, 비열, 항자력

③ 탄소강의 내식성은 탄소가 증가할수록 감소한다.

④ 알카리에는 강하나 산에는 약하다.

⑤ Fe3C는 고용체보다 부식되지 않으나 페라이트와 공존하면 페라이트 부식을 촉진한다.

⑥ 담금질한 강은 풀림, 불림한 강보다 내식성이 크다.

 

1-3 탄소강의 온도에 따른 성질

취 성	재 료	온 도	특 성
저온메짐	철강	상온 이하	상온 20℃에 있는 금속은 –60~-80℃의 저온으로급격히 낮추면 충격치가 거의 0에 가깝다. 이를 저온취성이라 하며 이 때 온도를 천이온도, 전이온도, 전이점이라 한다. 경도와 인장강도는 증가하나 연신율, 충격값이 감소한다.
상온메짐	P가 많은 강	상온	P는 Fe3P로 결정입자를 조대화시키고 경도, 인장강도를 증가시키나 연신율을 감소시키며 특히, 상온에서 충격값이 감소되며 냉간 가공시 균열이 생긴다.
청열메짐	강철	200～300℃	탄소강을 가열하면 200~300℃에서 강은 강도 및 경도가 최대로 되고, 연율과 단면수축율은 최소가 되는데 이 때 산화물 피막의 색이 푸른색(선반가공의 칩)이며 충격치가 약하므로 청열취성이란 명칭이 붙은 것. 상온보다 연신율은 저하하고 강도가 높아진다. 시효경화에 의함.
뜨임메짐	Ni-Cr강, Cr강, Mn강	500℃～650℃	담금질한 뒤 뜨임하면 충격값이 극히 감소하다. 0.3% Mo를 첨가하거나 소량의 V, W 등을 첨가하여 뜨임메짐을 방지한다.
적열(고온) 메짐	S가 많은 강	900℃	S는 FeS로 존재, 가열하면 용해되어 강의 결정사이의 응집력을 파괴하고 고온에서 단조, 압연시 균열이 생긴다. Mn을 첨가하면 MnS이 제거되어 S이 고온 메짐을 방지한다.

1-4 탄소강에 함유된 주요 원소의 영향

철에 함유되어 있는 탄소(C)는 소량만으로도 그 성질에 큰 영향을 미친다. 기계구조용 탄소강은 제조 과정에서 각종 원소가 첨가되어 탄소강 중에 존재하게 되는데 5대 원소(C, Si, Mn, P, S)는 대부분 포함되며, 이 외에 Cu, Ni, Cr, Al 등이나 O2, N2, H2 등의 가스와 비금속 개재물들이 포함되어 탄소강의 기계적 성질에 많은 영향을 미치고 있다. 강의 성질의 조정은 주로 탄소량에 의해 실시하는데 탄소량이 증가됨에 따라 경도, 강도가 증가하여 연신율, 단면수축율이 감소하며 만약 탄소량이 같다고 하더라도 적당한 온도로 가열하여 냉각 속도나 방법 등을 달리하면 그 성질이 변호한다. 일반적으로 강의 강도를 나타내는 경우 인장강도로 나타내는데 C의 %가 증가할수록 인장강도는 증가하고, 경도는 강도에 비례하여 증가한다. 역으로 인장력을 가하여 절단되었을 때의 늘어난 길이와 원래 길이와의 비를 신율이라 하고, 이 신율(%)은 감소한다.

 

(1) 탄소(C) : 탄소강에서 탄소의 증가에 따라 0.8% C까지는 페라이트 감소, 펄라이트 증가, 연율 감소, 강도 및 경도가 증가하고 0.8~2.0% C까지는 펄라이트 감소, 시멘타이트 증가, 연율 및 강도 감소, 경도는 직선적으로 증가

① 화합탄소：재질이 단단하고 메지며 절삭이 어렵다.

② 흑연탄소：재질이 연하고 약하며 절삭이 쉽다.

③ 강 중에 함유된 탄소는 전부 화합탄소이다.

 

(2) 망간(Mn) : 보통 탄소강 중에 Mn은 0.20~0.80% 정도 함유하며 Mn의 일부는 철에 고용하지만 나머지는 유황(S)과 화합해서 MnS를 만들고 탈산을 돕는다. 적당량의 Mn은 강의 점성을 증가시키고 고온가공을 용이하게 한다. 또한 경화의 깊이를 지배하는 성질인 경화능의 증가, 연율이나 단면 수축율을 감소시키지 않고 강도 및 경도, 인성의 증가, 탈황 작용을 해서 절삭성 개선, 탈산 작용을 해서 유동성을 개선한다. Mn강은 탄소강보다 경화능이 크고 Mn이 1% 이상이면 수축관(shrinkage pipe)이 생긴다.

① 선철 제강시 탈산, 탈황제로 첨가되며 강 중에 0.2～1.0% 정도 함유된다.

② S의 해(적열메짐)를 막아주며 절삭성을 개선하나 1% 이상 첨가시 주물이 수축된다.

③ 경화능, 강도, 경도, 점성, 유동성 증가, 고온에서 결정 성장을 억제한다.

※Mn이 Ferrite 중에 고용되면 다음과 같은 특징이 있다.

∙강의 변태점을 낮추고 담금질의 냉각속도를 느리게 하므로 담금질 효과가 증가된다.

∙고온에서 결정의 성장이 감소된다.

∙강도, 경도 증가, 연성 감소, 점성 증가, 고온 가공이 용이하며 절삭성이 개선된다.

 

(3) 규소(Si) : Fe에 Si를 첨가시키면 용융온도저하

① 0.3~0.5% 정도 함유하며 유동성, 주조성이 양호하다.

② 단접성, 냉간가공성을 해치고 충격저항과 연신율이 감소된다.

③ 결정립을 조대화해서 소성변형이 어렵게 되고, 저탄소강에서는 단접·냉간가공성을 곤란하게 한다.(Si의 용융점이 Fe보다 낮아 먼저 녹기 때문이다)

④ 강의 인장강도, 경도, 탄성한도 증가

⑤ 연율, 단면 수축율, 충격값은 감소

 

(4) 인(P) : 적은 것이 오히려 양질의 강

① 0.025% 이하 함유하며 편석, 상온취성의 원인이 되며 Fe3P의 화합물을 만든다.

② 연율, 충격값이 감소하며 강도, 경도 증가

③ 유동성을 가장 좋게 개선, 주물의 표면을 거칠게 한다.

④ 상온 가공시 취성(상온취성)이 일어나서 깨지기 쉽다.

 

(5) 유황(S)

① 0.017% 이하 함유(보통강에선 0.03% 이하 요구)

② 강의 유동성, 주조성을 불량하게 하고 기포(SO2)를 만든다.

③ 강도, 연율, 충격값이 감소되며 FeS는 융점(1193℃)이 낮으며 고온에서 약하고 가공시 파괴(취성)원인이 된다.(적열취성)

④ 강 중에 S이 FeS나 MnS로 존재하고 Mn과 화합하여 절삭성이 개선된다.

 

(6) 구리(Cu)

① 0.3% 이상이 철 중에 용입해서 강의 인장강도, 탄성한도를 증가시키고 내식성을 개선한다.

② 구리의 용융점은 강보다도 낮으므로 적열메짐의 원인이 되고, 냉간가공성·단접성을 해롭게하지만 0.3% 이하에서는 별로 해롭지않다.

 

(7) 수소(H2)

제강 중에 산소(O2)·질소(N2)·수소(H2)·탄산가스(CO2)가 남아 강 중에 포함된다. 질소는 페라이트 중에 용입되어 석출경화하고 산소는 페라이트 중에 용입되는 외에 FeO·MnO·SiO2로 존재한다. FeO는 적열메짐의 원인이 되고 수소는 강의 내부에 헤어크랙이라고 하는 모발 정도의 미세한 내부 균열을 일으키거나 백점이라고 하는 균열의 원인이 된다.

① 헤어 크랙(Hair Crack)이 생기고 강을 여리게 하며 산과 알카리에 약하다.

② 헤어 크랙을 일으키기 쉬운 금속으로 Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mo강이 있다.

※백점(White spot 또는 Flakes)：수소의 압력이나 열응력, 변태응력 등에 의해 생긴균열이다.

※헤어 크랙(Hair Crack)：강재의 다듬질면에서의 미세한 균열이 생기며 크기는 모발정도, 검출방법은 매크로 애칭이 있다.

 

1-5. 탄소강의 용도와 가공 성질

(1) 탄소강의 용도

① 탄소량이 적은 것：건축, 기계, 선박, 차량, 교량 등의 구조물

② 탄소량이 많은 것：스프링 재료, 공구강

강의 C%	용 도
C＝0.05～0.3% C＝0.3～0.45% C＝0.45～0.65% C＝0.65～1.2%	∙가공성을 요구하는 경우 ∙가공성과 동시에 강인성을 요구하는 경우 ∙강인성과 동시에 내마모성을 요구하는 경우 ∙내마모성과 동시에 경도를 요구하는 경우

각종 강의 기계적 성질과 용도
종 별	성 분(%)				용 도
	인장강도(kg/mm2)	항복점(kg/mm2)	연신율(%)	강도(%)
특 별 극 연 강 극 연 강 연 강 반 연 강 반 경 강 경 강 최 경 강	32～36 36～42 38～48 44～55 50～60 58～70 65～100	18～28 20～29 22～30 24～36 30～40 34～56 35～37	80～40 30～40 24～36 22～32 17～30 14～26 11～20	95～100 80～120 100～130 120～145 140～170 160～200 186～235	전신선 용접관 조선용판 건축조선용판 볼트축 실린더 외륜축

 

스틸바

(2) 탄소강의 가공 성질 및 종류

1) 탄소강의 가공 성질

냉간 가공된 금속재료는 결정의 내부 변형과 입자의 미세화로 인해 결정입자가 변형되어 가공 경화를 일으켜 강도나 경도가 증가되지만 강인성은 줄어든다. 따라서 냉간가공을 계속하려면 작업 도중에 자주 풀림을 하여 가공경화를 없애고 전성, 연성을 회복시켜야 한다.

 

2) 재결정(Recrystallization)

가공 경화한 재료를 어떤 온도 이상에서 일정 시간 가열하면, 가공 경화의 영향이 해소되고 새로운 결정립의 집합이 일어나는 현상

 

3) 고온 가공(열간가공, Hot working)

재결정 온도 이상에서 단조, 압연, 인발, 압출 등을 행하며, 강에서 재결정 온도 이상이라 함은 (오스테나이트)구역을 말하며 연화도 성장도 빠르게 진행된다. 고온 가공 시작 온도는 1050~1200℃에서 시작하며 850~900℃에서 완료한다. 이 완료하는 온도를 마무리 온도(Finishing Temperature)라 한다. 너무 높으면 입자기 조대해지고, 가공량은 많으나 단점으로 치수 정밀도가 떨어진다.

 

4) 상온 가공(냉간가공, Cold working)

재결정 온도 이하 즉 A1 점 이하에서 가공하는 것을 상온 가공이라 하며 고온 가공에 비해 치수 정밀도가 높다.

 

5) 탄소강의 구분

일반 구조용 압연강 강재는 건축물, 교량, 선박, 철도, 차량 등에 사용되고 일반 구조용의 강재에는 강판, 평강, 형강, 봉강 등이 있다. 기계 구조용 탄소강 강재는 일반 구조용의 강보다 고급을 사용한다. 칠드강괴에서 단조, 압연하여 만드는데 이 중 제탄소의 것은 노멀라이징을 하고 또 많은 것을 담금질, 뜨임 등의 열처리를 해서 사용한다. 질량효과가 크기 때문에 굵은 것은 합금강을 사용하는 것이 좋다. 이것은 강괴를 사용하여 압연으로 가공하며 열처리없이 보통 사용한다.

 

(가) 저탄소강 (低炭素鋼), SM10C~SM25C)

이 범위의 탄소강은 열처리 효과를 기대할 수 없으므로 비교적 강도를 필요로 하지 않는 것에 사용되며 인성이 있으며 용접도 용이하므로 일반기계구조부품에 널리 사용된다.

(나) 중탄소강 (中炭素鋼), SM28C~SM48C)

이 범위의 탄소강은 냉간 가공성, 용접성은 약간 나쁘게 되지만 담금질, 뜨임에 의하여 강인성이 증대되므로 비교적 중요한 기계구조부품에 사용된다. 그 중 특히 SM40C~SM58C의 것은 고주파 담금질에 의해 표면을 경화시켜 피로 강도가 높고, 또 마모에 강한 기계 부품에 사용가능하므로 용도가 광범위하며 실제로 사용량도 가장 많다.

※ SM45C (기계구고조용탄소강강재)

기계구조용탄소강 강재 중에서 SM45C는 일본 JIS 규격에서는 S45C로 나타낸다. 일반적인 기계의 부품에 사용하는 가장 대중적인 재료로 철과 탄소의 합금이다. 정식 명칭은 기계 구조용 탄소강 강재로 SM45C에서 숫자 45는 탄소함량 약 0.45%를 의미한다.

탄소의 함유량이 많으면 많을수록 강도(항복응력↑)가 높은 반면에 인성, 내충격성이 떨어지는 경향이 있다. 따라서 열처리에 의해 가공이 용이하도록 하거나 인성을 제어할 수가 있는 것이다.

강재를 열처리를 통해 경도를 향상시키기 위해서는 어느 정도의 탄소량이 필요하고, 기계구조용 탄소강에서는 탄소의 함유량이 SM30C 이상이면 열처리에 따른 효과를 얻을 수 있다. 따라서 SM45C는 열처리 효과를 얻을 수 있는 소재이며 열처리 후 항복응력은 490MPa 이상이다.

일반 철강재와 같이 내식성이 낮으므로 노이 슬기 쉬운 소재로 미려한 외관을 유지한다거나 부식을 방지하기 위해서는 녹 방지를 위한 도장(페인팅)이나 별도의 표면처리를 실시할 필요가 있다.

SM45C는 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 소재로 강판, 환봉, 각강, 육각강, 선재 등 용도에 따른 여러가지 형상으로 유통되고 있고 속이 빈 파이프 형태의 재료는 별도의 규격인 기계구조용 탄소강관으로 분류되어 있다.

 

(다) 고탄소강(高炭素鋼 SM50C~SM58C)

이 탄소강은 열처리 효과가 크고 담금질성이 양호하나 인성(靭性)이 부족하므로 표면의 경도를 필요로 하는 기계품에 사용되며 비교적 용도가 한정되어 있다.

 

기계 구조용 탄소 강재 KS D 3752

기호	화학 성분 (%)
	C	Si	Mn	P	S
SM 10C	0.08~0.13	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 12C	0.10~0.15	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 15C	0.13~0.18	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 17C	0.15~0.20	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 20C	0.18~0.23	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 22C	0.20~0.25	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 25C	0.22~0.28	0.15~0.35	0.30~0.60	0.030 이하	0.035 이하
SM 28C	0.25~0.31	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 30C	0.27~0.33	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 33C	0.30~0.36	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 35C	0.32~0.38	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 38C	0.35~0.41	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 40C	0.37~0.43	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 43C	0.40~0.46	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 45C	0.42~0.48	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 48C	0.45~0.51	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 50C	0.47~0.53	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 53C	0.50~0.56	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 55C	0.52~0.58	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 58C	0.55~0.61	0.15~0.35	0.60~0.90	0.030 이하	0.035 이하
SM 9CK	0.07~0.12	0.10~0.35	0.30~0.60	0.025 이하	0.025 이하
SM 15CK	0.13~0.18	0.15~0.35	0.30~0.60	0.025 이하	0.025 이하
SM 20CK	0.18~0.23	0.15~0.35	0.30~0.60	0.025 이하	0.025 이하

SM9CK, SM15CK 및 SM20CK의 3종류는 침탄용으로 사용한다.

SS400 소재와의 비교

SS400

 자주 사용하는 탄소강 중에서 SS400(구 SS41)이라는 소재는 일반구조용압연강재로 SS400은 인장강도가 400MPa 이상인 것과 화학성분 중 불순물로 분류되는 P(인)과 S(황)의 상한값이 정해져 있을 뿐이다. SS400은 SM45C보다 저렴하지만 경도의 규정이 없는 등 기계부품으로서 설계상 고려해야 할 특성이 약간은 불분명한 소재라는 단점도 있으며 열처리에 의한 경도 향상은 기대할 수 없는 소재이다.

열처리에 의해 경돠 및 강도의 향상이 불가능한 것은 아니지만 보통 열처리하지 않은 상태에서 많이 사용하는 소재이다. 일본어로 [나마, 生]라는 표현을 쓴다. 

 

SM45C는 절삭가공, 연삭, 단조, 열처리 등 다양한 가공이 가능하다. 일반적인 소재 상태에서는 가공하기 쉬운 재료로 선반이나 밀링머신에서의 절삭가공, 절단, 샤링 가공이 가능하다.

열처리한 후에도 초경합금이나 CBN 인서트를 사용한 절삭가공이 가능하므로 연삭숫돌을 사용한 그라인딩(연삭)을 대체하는 가공방법으로 검토할 수 있다.

 

설계자의 설계에 따라 SM45C의 소재 가격이 저렴한 반면에 재료비에 비해서 가공비가 올라가는 경향이 있으므로 가공비를 절감할 설계나 가공방법의 선정이 필요하다.

배관용 탄소강관 SGP