탄소강 (炭素鋼)과 강인강 (强靭鋼)의 개요

탄소강 (炭素鋼)과 강인강 (强靭鋼)의 개요

1. 탄소강 (炭素鋼)

탄소강은 철(Fe, Ferite)과 탄소(C, Carbon)의 합금입니다. 탄소강은 Carbon steel로 영어로 번역된다. 보다 자세하게 설명하면 탄소강은 탄소 함유량이 약 2% 정도 이하인 경우가 된다. 

그 이상의 탄소량을 포함하는 경우에는 주철(Cast iron)이라고 불린다. 탄소강의 탄소 함유량에 의해 강도나 담금질성이 크게 좌우된다. 

탄소 함유량이 많을수록, 일반적으로 강도는 강해지고, 담금질했을 경우 경도도 높아지게 된니다. 

기계설계를 하는데 있어서 많이 사용되고 잘 알려진 탄소강은 일반 구조용 압연 강재, 이른바 「SS재」라고 불리는 것이다. 

예를 들어, SS400은 "400"이라는 숫자를 표시하는데 숫자 400은 400MPa 이상의 인장 강도를 가진 강재라고 KS나 JIS에 규정되어 있다. 

이와 같이 탄소강은 인장강도 등의 기계적 성질에 의해 분류되는 경우도 있다. 그리고 이것뿐만이 아니라, 탄소의 함유량에 따라, 「저탄소강」, 「중탄소강」, 「고탄소강」으로 분류되는 것과 조직에 의한 분류, 「림드강」이나 「킬드강」 등 강의 제조방법에 따른 분류, 열처리에 의한 분류 등 다양한 분류와 방법이 있다.

기계구조용 탄소강은 SM45C가 많이 사용된다.

 

가) 저탄소강 (低炭素鋼), SM10C~SM25C)

이 범위의 탄소강은 열처리효과를 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 되나 담금질, 뜨임에 의하여 강인성이 증대되므로 비교적 중요한 기계구조부품에 사용된다.

그중 특히 SM40C~SM58C의 것은 고주파담금질에 의해 표면 경화시켜 피로 강도가 높고, 또 마모에 강한 기계 부품에 사용가능하므로 용도가 광범위 하며 실제로 사용량도 많다.

 

다) 고탄소강(高炭素鋼 SM50C~SM58C)

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

 

2. 강인강 (强靭鋼)

강인강은 퀜칭, 템퍼링을 하여 강도와 인성을 향상시켜 사용하는 강철

 

기계구조용 탄소강에서는 기계적 성질이 우수하고 열처리에 의해 그 성질을 변화시키는 것이 가능하나, 그 위에 구조용강으로서 탄소강의 기본성분에 Mn, Cr, Ni, Mo등의 합금원소를 첨가하여 구조용강의 기계적 성질을 개량한 것을 일반적으로 구조용 합금강이라 하며 그 중에서 0.25~0.50%C 정도의 중탄소 합금강이 강인강으로 불리어진다.

 

강인강은 전술한 바와 같이 함금원소를 가하여 질량효과 (質量效果, Mass effect)와 강인성의 개선을 꾀한 것으로 강인강으로서의 강종을 선택 하는 데에는 질량효과를 고려하여 경화능 곡선(硬化能 曲線, Hardenability band), 이상임계직경(理想臨界直径)을 검토하고 부품단면의 담금질조직, 경도를 조사하여 그 부품에 걸리는 응력의 분포에 대응한 충분한 강인성을 가진 강종을 선택해야 한다.

강인강은 축(軸, Shaft), 기어(齒車, Gear), 볼트(Bolt), 너트(Nut) 등 기타 강인한 성질(강인성)을 필요로 하는 기계부품에 가장 널리 사용된다.

 

(1) Cr강, 크로뮴강

중탄소강에 1%전후의 Cr을 첨가한 것인데 풀림상태에서는 기계적 성질에는 별 차이가 없으나 담금질에 의하여 개선시키는 것이 가능하다. 인장강도 등을 증가시키나 연신율(延伸率)이 떨어지지 않는 특성을 가지며 반복되는 하중(荷重)에 견디는 저항력이 있다.

JIS에는 SCr 2,3,4,5의 4종류가 있으며 이들은 서로 C함량만이 다를 뿐이다.

 

(2) Cr-Mo강, 크로뮴-몰리브데넘강

SCM1~5가 있다. 강인강에는 Ni-Cr강이 최고로 중요하나 Cr강에 소량의 Mo를 첨가하면 우수한 성질이 얻어지기 때문에 이 강종은 값이 비싼 Ni를 절약하기 위하여 Ni-Cr강의 대용강으로 사용된다.

기계적 성질, 담금질성, 질량효과 등이 Ni-Cr강과 대동소이(大同小異) 하다.

일본에서는 이 강종의 사용이 제일 많으며 치차(Gear)류, 소형축(Shaft), 볼트(Bolt)류 등에 사용된다.

 

(3) Ni-Cr 강, 니켈-크로뮴강

Ni를 첨가하면 강도를 증가시키고 더욱이 인성을 저하시키지 않기 때문에 Ni은 우수한 합금원소로 간주된다.

Cr에 의한 담금질성은 Cr량이 1% 이상으로 되면 현저히 작용효과가 완만하게 되므로 Ni을 첨가함으로써 더욱 담금질성이 개선되며, 또한 그 강인성을 증가시키는 등 담금질 경화성이 개선된다. 일반적으로 대형 단조용 강재로 적합하다.

그러나 가공에 있어서는 백점(白店:수소 Gas의 영향에 의한 강재 내부의 Crack)등의 미세한 균열(龜裂, Crack) 이 생기기 쉽고 그밖에 열처리가 적합하지 않으면 뜨임취성(燒戾脆性)을 일으키므로 주의해야 한다.

SNC 1,2,3이 있으며 구분은 주로 Ni량에 의한다.

 

(4) Ni-Cr-Mo 강, 니켈-크로뮴-몰리브데넘강

Ni-Cr 강은 뜨임취성에 민감하며 큰 질량의 것은 내부까지 급냉하는 것이 곤란하므로 Mo을 0.3%정도 첨가하여 뜨임취성을 방지하고 동시에 담금질성을 향상시킨다.

용도로서는 대형기어(大型齒車, Gear), 축(Shaft)등에 쓰이고 있다. 이 강종에는 SNCM 1,2,5~9까지 7종이 있는데 Ni-Cr량을 변화시킨 것이며 SNCM5가 Ni-Cr-Mo을 가장 많이 함유하고 있다.

 

(5) Mn강(망가니즈강), Mn-Cr강(망가니즈-크로뮴강)

SMn1~3, SMnC3이 있으며 Mn 강은 탄소강중 Mn을 높인 것으로 탄소강의 질량효과를 개선시킨 것이다. Cr, Ni을 사용하지 않으므로 값이 싸다. SMnC3은 SMn3에 Cr을 첨가한 것이다.

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