표준 강철: 성분, 특성 및 용도

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강철은 용융 상태에서 응고 직후 일정 온도 범위에서 가단성을 갖는 철-탄소 합금의 대가족을 통칭하는 용어입니다.

제강의 주원료는 철광석, 석탄, 석회석입니다. 이들은 고로에서 '선철(pig iron)'로 변환되며, 다량의 탄소, 망간, 황, 인, 규소를 함유합니다. 선철은 단단하고 부서지기 쉬워 직접 단조 가공하기 부적합합니다. 제강은 선철과 철/강 스크랩을 정련하여 용융물에서 유해 원소를 제거하고 원하는 원소를 정량 첨가하는 과정입니다. 주요 반응은 탄소가 산소와 결합해 기체를 생성하는 것입니다. 용융 산소가 주조 전이나 도중 제거되지 않으면 응고 중에도 기체가 지속 발생합니다. 탈산 원소 첨가로 강하게 탈산하면 기체 발생이 없어 금형 속에서 고요히 굳으며, 이를 '킬드(killed)강'이라 합니다. 탈산 정도가 낮아질수록 '반킬드(semikilled)', '캡드(capped)', '림드(rimmed)'강으로 불리며, 탈산 정도는 강철 특성에 영향을 줍니다. 산소 외에 용강에는 수소와 질소도 용해되어 있으며, 중요 용도에는 특수 탈산 공정이나 진공 처리로 기체량을 제어합니다.

일반 강종 탄소 함량은 0.0x%~약 1% 범위입니다. 모든 강철은 망간(탈산제 역할, 열간 가공 용이), 규소, 인, 황을 미량이라도 항상 함유합니다. 기타 원소는 의도치 않은 잔류물로 남거나, 강철 특성 변경을 위해 의도적으로 첨가된 합금 원소로 존재합니다.

강철은 형상 주조하거나, 주조 잉곳/스트랜드를 재가열해 압연, 단조, 압출 등 열간 가공으로 단조 공장 형상(wrought mill shape)으로 만듭니다. 단조 강철은 가장 널리 쓰이는 공학 소재로, 다양한 형태, 마감, 강도, 사용 온도 범위를 제공합니다. 제품 설계에 이만큼 다재다능한 소재는 없습니다.

표준 강철 분류

단조 강철은 화학 성분, 탈산법, 마감 방법, 제품 형태 등 공통 특성에 따라 체계적으로 그룹화할 수 있습니다. 화학 성분이 표준 단조 강철의 식별 및 지정 기준으로 가장 많이 쓰입니다. 탄소가 주요 경화·강화 원소이나, 단일 원소가 강철 특성을 지배하지는 않습니다. 여러 원소의 복합 효과가 열처리 반응, 경도, 강도, 미세조직, 내식성, 성형성에 영향을 줍니다. 표준 강철은 크게 탄소강, 합금강, 스테인리스강 세 그룹으로 나눕니다.

탄소강(Carbon Steels)

망간 1.65%(최대), 규소 0.60%(최대), 구리 0.60%(최대) 이하로 제한되고, 탈산제와 지정 시 붕소 외에 다른 합금 원소를 의도적으로 첨가하지 않으면 탄소강으로 인정됩니다(잔류물로 존재 가능). 이러한 우발 원소가 특수 용도에 해로우면 최대 허용치를 지정할 수 있습니다. 대부분의 합금강과 달리 탄소강은 최종 열처리 없이 주로 사용되나, 어닐링, 노말라이징, 침탄, 퀜칭&템퍼링으로 가공성이나 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 킬드, 반킬드, 캡드, 림드강일 수 있으며 필요시 탈산법을 지정합니다.

합금강(Alloy Steels)

합금강은 탄소강의 원소 함량 한도를 초과하는 강종뿐 아니라, 탄소강에 쓰이는 원소와 다른 원소를 특정 범위 또는 최소량으로 첨가해 기계적 특성, 가공 특성 등 강철 속성을 향상시킨 강종도 포함합니다. 이 정의상 합금강은 탄소강 외 모든 강을 포괄하나, 관례상 크롬 3.99% 초과 강은 '특수 유형' 합금강으로 분류해 스테인리스강과 많은 공구강을 포함합니다.

기술적 의미에서 합금강은 적당한 양의 합금 원소(약 1~4%)를 함유하고 일반적으로 열처리로 특정 기계적 특성을 발현하는 강종을 지칭합니다. 합금강은 항상 킬드강이며, 중요 용도에는 특수 탈산/용해 공정(진공 포함)을 지정할 수 있습니다. 합금강은 열적·기계적 조작에 더 민감해 제조 전반에 추가 주의가 필요합니다.

스테인리스강(Stainless Steels)

스테인리스강은 고합금강으로, 다량의 크롬 덕분에 탄소강 및 통상 저합금강보다 월등한 내식성을 가집니다. 다른 원소도 내식성을 높이나 그 효과는 제한적입니다.

스테인리스강은 일반적으로 10% 이상 크롬을 함유하며, 니켈 유무와 상관없습니다. 미국에서는 관례상 4% 크롬 강도 스테인리스강에 포함시켜 '스테인리스 및 내열강' 군을 형성하며, 일부는 매우 높은 강도와 산화 저항성을 가집니다. 그러나 30% 초과 크롬 또는 50% 미만 철 강종은 드뭅니다.

가장 넓은 의미에서 표준 스테인리스강은 조직에 따라 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 세 그룹으로 나눕니다. 각 그룹에는 범용 기본 합금 조성이 하나씩 있으며, 다른 모든 조성은 기본 합금에서 특정 성분 변화를 통해 매우 특정한 특성을 얻도록 파생되었습니다.

오스테나이트계는 어닐링 상태에서 비자성이나 냉간 가공 후 약자성을 띨 수 있습니다. 냉간 가공으로만 경화 가능(열처리 경화 불가)하며, 넓은 온도 범위에서 우수한 내식/내열성과 양호한 기계적 특성을 겸비합니다. 오스테나이트계는 크롬-니켈계와 덜 쓰이는 크롬-망간-저니켈계로 세분됩니다. 크롬-니켈계 기본 조성은 18-8(Cr-Ni)로 널리 알려진 범용 오스테나이트 등급입니다. 이 등급을 기반으로 20종 이상 변형이 있으며, 특징은: 크롬/니켈 비율 조정으로 성형성 변경, 탄소 저감으로 입계부식 방지, 니오븀/티타늄 첨가로 조직 안정화, 몰리브덴 첨가 또는 크롬/니켈 증대로 내식/산화 저항성 향상 등입니다.

표준 페라이트계는 항상 자성을 띠며 크롬을 함유하나 니켈은 없습니다. 냉간 가공으로 어느 정도 경화 가능하나 열처리 경화는 안 되며, 내식/내열성에 적당한 기계적 특성과 장식성을 겸비합니다. 페라이트계는 일반적으로 오스테나이트계보다 좁은 부식 조건에 제한됩니다. 기본 페라이트 등급은 17% 크롬 함유. 이 계열에는 프리머시닝 변형과 스케일 저항 향상을 위한 고크롬 등급도 있습니다. 또한 12% 크롬강(마르텐사이트계 기본 조성)에 알루미늄/티타늄 등을 첨가해 경화를 억제한 강종도 이 그룹에 속합니다.

표준 마르텐사이트계는 자성을 띠며 퀜칭&템퍼링으로 경화 가능합니다. 크롬을 함유하며 두 예외를 제외하고 니켈은 없습니다. 기본 마르텐사이트 등급은 보통 12% 크롬 함유. 마르텐사이트 계열에는 10종 이상 표준 조성이 있으며, 일부는 가공성 향상용, 일부는 니켈 소량 첨가로 기계적 특성이나 열처리 반응 개선용, 일부는 공구강 수준으로 탄소를 대폭 높여 모든 스테인리스강 중 최고 경도 구현용입니다. 마르텐사이트계는 대기, 담수, 증기, 약산 등 온화한 환경에서 우수하나, 심한 부식 용액에는 내성이 없습니다.

금속 및 합금 번호 체계

여러 산업 협회, 전문 학회, 표준화 기구, 민간 기업이 자사용으로 금속/합금 번호 체계를 개발했습니다. 금속/합금 식별용 수치 코드가 반드시 사양(기술적·상업적 요구사항 명세)과 연관된 것은 아닙니다. 사용 중인 번호 체계로는 AISI, SAE, ASTM, ANSI, 미국 강주조 협회, ASME, AWS, 알루미늄 협회, 구리 개발 협회, 미 국방부(군규격), 회계청(연방규격) 등이 있습니다.

통합 번호 체계(UNS)는 ASTM과 SAE 공동 노력으로 개발되어, 상업적 지위를 가진 금속/합금의 다양한 번호 체계를 상호 연계하는 수단을 제공합니다. 동일 소재에 여러 번호가 쓰이거나, 같은 번호가 전혀 다른 소재에 부여되는 혼란을 방지합니다. UNS 번호는 사양이 아니며, 상세 사양이 별도 제공되는 금속/합금의 식별 번호입니다. UNS 번호는 표 1에 나와 있으며, 문자 접두사 + 5자리 숫자로 구성됩니다. 문자가 금속 군을 암시하는 경우도 있습니다(A=알루미늄, C=구리 등). 가능하면 기존 체계의 번호 체계를 그대로 가져와 식별을 용이하게 합니다. 예: AISI 1020강의 UNS 번호는 G10200. 일반 AISI-SAE 번호에 대응하는 UNS 번호는 표 2에 정리되어 있습니다.

요약

본 문서는 표준 강철의 주요 유형을 설명했습니다. 소재 특성에 대한 더 자세한 내용은 Industrial Press에서 출간한 Machinery's Handbook 30판(아마존 구매 가능)을 참조하세요.

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