특수강 [special steel], 합금강

특수강[special steel]

특수강은 그 이름 그대로 특수한 성질을 갖는 강을 말한다. 주로 일본과 유럽에서 채용되고 있는 구분으로 보통강 이외의 강을 말하고 합금강도 포함된다. 니켈, 크롬, 알루미늄을 함유하고 있는 강으로 특수강을 압연한 강재는 주로 공구류나 기계부품 또는 가정용 식기 등에 이용한다.

단, 합금이 아니라도 특별한 품질이 보증되고 있는 강도 특수강에 포한된다.

주요한 것으로 구조용특수강(Ni강, Ni-Cr강, Cr강, W강, Mn강), 특수용도용특수강(합금강이 대부분), 공구용특수강(W강, Cr강, W-Cr강)의 3종이 있다.

 

특별히 정련되어 합금 원소를 첨가한 고급강으로 보통강에 대한 명칭. 종래 기술에서는 용광로(고로)로부터 얻어지는 선철 (약 4.5%의 탄소 를 포함)을 전로 또는 평로 중에서 함유 탄소를 산화 제거하여 얻어진 연강(약 0.2%의 탄소를 포함)이 보통강이며 특수강은 다시 전기로 등에서 정련을 꼼꼼히 실시하여 특별한 목적을 얻기 위해 합금 원소가 첨가되었다. 따라서 기계구조용 탄소강이나 탄소 공구강과 같이 합금 원소를 특히 첨가하지 않는 기계 부재 혹은 공구용 강을 특수강에 포함하고 있었지만, 제2차 세계대전 후에 제강 기술이 진보하여 특수 강철이라는 명칭도 거의 사용되지 않게 되었다.

 

아래에서는 합금 원소를 첨가한 강, 즉 합금강 에 대하여 설명한다.

강철은 담금질하면 매우 경화하고, 템퍼링하면 인성이 생긴다. 두꺼운 것만큼 급랭을 할 수 없게 되기 때문에, 서냉하여, 크롬 , 망간 , 규소, 니켈, 몰리브덴 , 붕소 등을 첨가한다. 붕소는 0.002% 정도의 첨가로 현저하게 담금질성을 높인다. 몰리브덴은 약 0.2%, 다른 합금 원소는 1% 전후 첨가한다. 0.2% 정도의 탄소를 포함하는 강에 이들 원소를 첨가한 강은 고장력강( 하이텐 high tensile strength steel) 또는 저합금 고장력강이라고 부르며, 건축구조물에 사용된다. 0.2∼0.5% 탄소강에 상기의 합금 원소를 첨가한 것은 기계 구조용 저합금강이지만, 이 강종은 단점으로 용접이 곤란하기 때문에, 기계 가공에 의해 형상을 정돈하고 나서 열처리되어, 기어나 축 등 강인성을 무엇보다도 필요로 하는 부품의 재료로 사용된다. 

 

경도와 내마성을 우선 요구되는 공구강에는, 0.5% 이상의 탄소를 포함하는 강에 상기의 합금 원소를 첨가하면, 담금질성이 증가할 뿐만 아니라, 텅스텐 카바이드 나 탄화 몰리브덴 등 매우 단단한 탄화물이 형성되어 공구로서의 특성 이 한층 향상된다. 또한, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등을 첨가한 합금강은 고온으로 가열해도 용이하게 연화되지 않는다. 이 특성을 이용한 것이 열간 공구강이나 내열강이다. 고속강은 텅스텐 약 18%(혹은 그 일부를 몰리브덴으로 치환), 크롬 4%, 바나듐 1% 외에 코발트를 포함한 고합금강으로 고속 절삭을 해도 예리함이 떨어지지 않는 드릴 , 바이트 등이 만들어진다. 내식성이나 내산화성을 주기 위해서는 크롬의 첨가가 매우 유효하고, 12% 이상 30% 이하의 크롬을 첨가한 강을 스테인리스강이라고 하며, 내식, 내열 합금으로서 사용한다. 이 철분을 니켈이나 코발트로 치환하고, 고온 강도를 주기 위해 다량의 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 알루미늄 등을 첨가한 초내열 합금을 초합금이라고 하며, 가스 터빈이나 제트 엔진의 제조에 사용한다.

통상, 강철은 0.03% 전후의 황(S)이나 인(P) 등의 불순물을 포함한다. 이들은 모두 재질을 품질을 떨어뜨리고, 고급 합금강일수록 좋지 않은 악영향이 나타나므로, 합금 원소의 첨가 전에 이들 불순물 함유량을 낮추어야 한다. 특히 액화 천연 가스 저장 탱크와 같이 저온에서 사용되는 재료에는 인을 낮추고 니켈을 첨가한 저온용 강이 사용된다.

 

특수강은 강 중에서 보통강에 외에 고급 탄소강 과 합금강 의 총칭 . 보통강은 높은 품질이 요구되지 않는 용도에 이용하기 때문에, 강재 의 성분 편석 (장소에 의한 성분 농도의 차이 )이나 비금속 개재물, 그 밖의 결함도 어느 정도는 허용되고, 또 압연이나 단련한 채 별도로 열처리하지 않고 사용된다. 이에 비해 기계구조용강, 스프링강 , 베어링강 , 공구강 , 스테인리스강 , 내열강 등 용도면에서 높은 품질이 요구되는 강에서는 합금 원소의 종류 및 첨가량을 조정하는 것 이외에, 편석이나 비금속 개재물, 기포 , 백점, 불순물 등의 각종 결함을 최대한 적게 하도록 충분히 관리하여 제조되고, 또한 담금질 템퍼링 등의 열처리로 강의 성능을 잘 발휘할 수 있도록 하는 데 사용된다. 따라서 탄소강 중에서도 기계구조용, 혹은 공구용 등의 고급강은 특수강에 포함시키는 것이 보통이다.

 

보통강 이외의 철을 주성분으로 하는 합금을 모두 특수강이라고 한다. 보통강에서는 주성분인 철 중에 소량의 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)의 5개의 원소가 포함되어 있으며, 이들의 성분량이 규제되고 있다. 이 중 강 재질을 지배하고 있는 것은 탄소이며, 다른 4개의 원소는 광석으로부터의 제선제강의 과정에서 필연적으로 혼입하는 불순물이다. 탄소가 주 역할을 한다는 의미에서 보통강을 탄소강이라고도 하지만, 특수강의 경우는 일반적으로는 합금강이라 불린다.

 

주요 특수강

특수강은 구조용강, 공구강, 기타 특수용강의 3가지로 크게 분류한다.

구조용 강

토목, 건축, 교량, 선박, 차량, 기계, 기기 그 외 각종 구조물의 구성 부품으로서 주로 강도를 유지하는 목적으로 사용되는 강.

 

공구강

절삭 공구, 금속이나 플라스틱을 성형하는 금형에 사용되는 강.

스테인리스 스틸

표면에 부동태 피막이라고 하는 매우 얇은 보호 피막을 형성하는 기능을 가지며, 녹에 강하고, 아름다운 상태를 유지하는 강. 주로 철에 11% 이상의 크롬을 함유하는 합금강.

내열강

고온 또는 고온 고압의 환경하에서 사용되며, 적당한 강도와 내산화성을 가지는 각종 합금강.

초합금

고온에서 고강도를 나타내는 내열 재료. 강의 내식성과 내열성을 개선하기 위해 합금 원소를 다량으로 첨가한 합금. 슈퍼 알로이라고도 불린다.

스프링강

자동차나 차량용의 판 스프링이나 시계용 태엽 등 각종 스프링에 사용되는 강.

베어링 강

베어링(bearing)의 레이스, 볼, 롤러 등의 부분에 사용되는 강.

쾌삭강

피삭성(깎기 쉬움)을 높인 강. 절삭 가공의 효율화, 부품의 마무리 정밀도가 요구되는 경우에 사용된다.

특수강의 열처리

강이 본래 가지고 있는 특성을 최대한으로 끌어내기 위해서 강을 적당한 온도로 가열한 후 적당한 속도로 냉각하는 처리를 “열처리”라고 부르고, 그 목적에 따라서 여러가지 방법이 있다.

어닐링(풀림, 야끼나마시)

적절한 온도 (700 ~ 900 ℃)로 가열하고 노에서 천천히 냉각한다. 결정·조직을 조정하고, 또한 내부 변형(스트레인)을 제거하고 연화시킨다.

불림(노멀라이징, 야끼나라시)

적당한 온도(850~950℃)로 가열하고, 대기 중에서 방냉하는 것. 조직을 미세화한다.

담금질(퀜칭, 야끼이레)

적절한 온도(850-950℃)로 가열하고 오일 또는 물로 급랭한다. 단단하고 강도를 증가시킨다.

템퍼링(뜨임, 야끼모도시)

담금질에 이어 적당한 온도(예를 들면 강인강에서는 500~750℃)로 재가열 후 냉각하는 것. 담금질시 불안정한 조직을 안정화시키고 인성을 증가시킨다.

침탄

강의 표면에 탄소(C)를 침투시켜 부품의 표면에 탄소 농도가 높은 층을 형성하고 나서, 급속 냉각(담금질)함으로써 내마모성, 내피로성, 경도를 향상시킨다.

질화

강의 표면에 질소를 흡수시킴으로써 질화 화합물을 생성하여 표면층의 경도를 향상시킨다.