강철의 9가지 핵심 특성: 정의, 특징, 실용적 용도

강철이란?

다른 형태의 철과 달리 강철은 강도와 내파손성을 향상시키기 위해 탄소와 혼합된 철로 만들어집니다. 또한 많은 다른 원소가 존재하거나 첨가될 수 있습니다. 강철의 기본 금속으로서 철은 매우 중요한 역할을 합니다.

강철의 강도와 저렴한 비용은 건물, 인프라, 도구, 선박, 열차, 자동차, 기계, 가전제품, 무기, 로켓에 이르기까지 우수한 소재가 되게 합니다. 강철 생산은 수천 년 전 블룸로로에서 시작되었지만, 17세기 용광로의 도입으로 도가니 강철이 만들어지면서 산업적 사용이 시작되었습니다.

강철의 기계적 특성은 가장 마모가 심하고 마모 집약적인 응용 분야에서 오래 지속되고 효율적으로 작동할지, 아니면 자주 또는 치명적으로 고장날지 결정합니다. 강철에는 많은 유형이 있으며 각 유형마다 성능에 영향을 미치는 고유한 특성이 있습니다.

내마모성 강철 등급을 올바르게 선택할 때 이러한 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 시작해 보겠습니다.

참고: 기계 측정에 적용되는 정의 및 용어

다음은 강철의 중요한 특성들입니다:

1. 가공성
2. 용접성
3. 경화성
4. 작업성(벤딩 또는 성형)
5. 내마모성
6. 내식성

#1 가공성

독특한 설계를 위해 절단하거나 소재를 제거하는 경우, 강철의 가공성 특성이 소재 선택에 중요한 역할을 해야 합니다. 가공성은 소재가 경화될 때 공구 수명을 단축하고 부품 비용을 증가시키는 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

일반적으로 강철의 탄소 함량은 가공성에 큰 영향을 미칩니다. 고탄소 강철 소재는 더 강하고 절삭 공구를 부식시키는 카바이드를 포함할 수 있어 가공이 훨씬 어렵습니다.

반면 저탄소 강철은 부드러움 때문에 문제가 됩니다. 저탄소 강철은 절삭 공구에 달라붙어 축적된 절삭날을 형성하여 공구 수명을 단축시킵니다. 따라서 탄소 함량이 약 0.20% 정도로 적당한 강철이 가장 좋은 가공성을 가집니다.

#2 용접성

용접성은 강철이 제조 및 가공에 얼마나 쉽게 사용될 수 있는지를 설명하는 특성입니다. 이름에서 알 수 있듯, 소재의 용접성은 용접 능력을 의미합니다. 용접성이 낮은 소재는 용접부의 국부적 응력과 가열로 인해 균열이 생기기 쉽습니다.

소재의 용접성은 소재의 경도와 반비례합니다. 결과적으로 경화성 소재는 용접 공정 중에 경화되어 취성과 균열을 초래하는 경향이 있습니다.

강철 용접성에는 수소 유도 냉간 균열, 층상 찢김, 스폿 용접 박리 등 여러 파괴 모드를 측정할 수 있습니다. 이 중 가장 두드러지는 것은 수소 유도 냉간 균열입니다.

#3 경화성

강철의 경화성 측면에서, 열처리 후 열에 노출되었을 때 소재가 얼마나 경화될지를 측정하는 척도입니다. 이는 시편의 압입 및 긁힘 저항을 고려하는 경도와 혼동해서는 안 됩니다.

용접에 필수적인 특성으로, 용접성과 반비례합니다. 즉 경화성이 증가하면 용접성이 감소하고 그 반대도 마찬가지입니다. 고경도 강철은 설계 단계에서 지정된 경도 수준을 가질 수 있습니다.

공구 및 표면 내구성이 요구되는 용도의 표준입니다. 경도와 연성이 반비례하므로 경도를 조절하여 소재의 특성을 맞춤화할 수 있습니다.

참고: 용접 공정 유형: 장단점 [PDF]

#4 작업성(벤딩 또는 성형)

작업성은 특정 금속 가공 공정에서 소재가 변형될 수 있는 능력입니다. 이는 소재가 얼마나 쉽게 구부려지거나 성형될 수 있는지에 영향을 미칩니다. 자동차 패널부터 거대한 압연 강관까지 시트 금속이나 강판을 다양한 모양으로 성형하는 데 일반적으로 사용됩니다.

금속의 경도와 연성은 작업성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 고탄소 강철은 연성이 낮아 고연성을 가진 저탄소 강철보다 작업성이 떨어집니다. 금속을 가열하여 작업성을 높일 수도 있는데, 이를 열간 가공이라고 합니다.

금속을 가열하면 연성이 증가하고 항복 응력이 감소하여 작업성이 향상됩니다. 냉간 성형 시 일반적으로 균열이 발생하는 고강도 금속에 사용할 수 있습니다.

#5 내마모성

절삭날이나 스탬핑 다이를 만들 때 강철의 내마모성 특성이 공구가 고장 나기 전까지 얼마나 오래 사용될 수 있는지를 결정합니다. 마모, 침식, 부착, 피로, 캐비테이션과 같은 기계적 작용에 의한 소재 손실을 저항하는 능력을 의미합니다.

다이아몬드와 사파이어 소재는 예외적으로 높은 내마모성을 가져 보석이나 까다로운 절삭 공구에 이상적입니다. 소재의 내마모성은 표면 경도에 크게 영향을 받습니다. 줄의 높은 표면 경도는 낮은 경도의 다른 금속을 마모시키면서 자체는 크게 마모되지 않게 합니다.

#6 내식성

내식성은 산화 또는 기타 화학 반응으로 인한 손상을 소재가 얼마나 잘 견디는지를 설명합니다. 금속마다 내식성 수준이 다릅니다. 비, 물, 습기 또는 금속 표면을 산화시킬 수 있는 모든 것에 노출된 금속은 부식 손상에 취약합니다.

스테인리스강 또는 아연도금강, 티타늄, 알루미늄, 내후성 강철을 사용하면 부식을 쉽게 제어할 수 있으며, 페인트 같은 실란트 층을 유지할 수도 있습니다. 이 금속들은 내식성이 높지만 부식 방지는 아닙니다.

금속이 진공에 노출되면 충분한 시간 후 녹이 발생합니다. 따라서 중요한 부품에는 부식 방지 유지보수와 모니터링이 필요합니다. 유지보수 권장 사항을 결정하기 위해 부식률을 계산해야 합니다.

참고: 10가지 다양한 부식 유형과 사례

강철의 특성

강철의 주요 특성은 다음과 같습니다:

1. 경도
2. 인성
3. 항복 강도
4. 인장 강도
5. 연성
6. 내구성
7. 전연성
8. 자성
9. 열전도율

#1 경도

이미지: fractory.com

경도는 소재의 마찰과 마모를 견디는 능력으로, 내구성을 측정하는 척도입니다. 긁힘 저항, 마모 저항, 압입 또는 성형 저항, 국소 소성 변형 저항을 나타낼 수 있어 가장 불명확하게 정의된 소재 특성입니다.

#2 인성

인성은 강철의 특성으로, 파손이나 파괴 없이 에너지를 흡수하는 능력으로 정의됩니다. 간단히 말해, 응력을 받을 때 소재의 파단 저항입니다. 강도와 유연성에 크게 의존합니다.

소재의 인성은 보통 피트·파운드/제곱인치 또는 줄/제곱센티미터로 측정됩니다. 강철은 정적 하중에서 만족스러운 인성을 가질 수 있지만 동적 하중이나 충격에서는 실패할 수 있습니다. 심하게 변형되어도 파손되지 않는 소재는 인성이 매우 높지만 경도는 낮다고 볼 수 있습니다.

#3 항복 강도

항복 강도는 소재의 변형(구부러짐 또는 뒤틀림)을 시작하는 데 필요한 힘의 척도입니다. 간단히 말해, 물체의 모양과 구조가 변하기 전에 가해지는 최대 힘입니다. 항복 강도는 요구 사항에 따라 건설용 적합한 소재를 선택하는 데 도움이 되는 중요한 지표입니다.

참고: 단조란? 유형, 작업 및 장점

#4 인장 강도

이미지: azom.com

인장 강도는 소재를 파괴하는 데 필요한 힘의 척도입니다. 강철의 인장 강도는 거의 매우 높아 균열이나 파손에 상대적으로 강하며, 이는 구조물 건설에 중요한 특성입니다. 구조용 강철의 일반적인 인장 강도는 400메가파스칼(MPa), 탄소강의 일반적인 인장 강도는 841MPa입니다.

#5 연성

이미지: thoughtco.com

강철의 가치 있는 기계적 특성 중 하나는 연성으로, 가해진 힘의 영향으로 모양이 변하면서도 균열이 생기지 않는 능력입니다. 이는 강철의 가장 중요한 기계적 특성 중 하나입니다.

다양한 모양과 구조로 성형할 수 있게 하는 특성을 연성이라고 합니다. 이를 통해 얇은 와이어나 큰 자동차 부품 및 패널로 활용할 수 있습니다.

#6 내구성

이미지: blog.dahlstromrollform.com

금속의 내구성은 장기간에 걸쳐 마모, 압력, 손상을 견디는 능력을 의미합니다. 강철 또한 매우 내구성이 높은 금속 유형입니다. 강철은 강하고 연성이 있어 우발적 손상에 매우 강합니다.

강철은 특정 조합으로 철과 탄소로 구성된 화합 금속이므로 대부분의 성분에 대해 매우 강건하여, 강풍, 잦은 폭풍, 열악한 조건을 겪는 해안 지역과 도시에 이상적입니다.

참고: 기어 절삭 유형: 장단점

#7 전연성

이미지: hevvypumps.com

금속이 전연성이 있다는 것은 얇거나 두꺼운 시트로 두들기거나 짜거나 구부려도 부서지지 않음을 의미하며, 전연성이라는 물리적 특성을 가짐을 나타냅니다. 간단히 말해, 압력 하에서 변형되어 다른 모양을 취하는 금속의 특성입니다.

#8 자성

이미지: monnigindustry.com

강철은 자성 소재이지만, 어떤 유형의 강철을 말하는지에 따라 다릅니다. 예를 들어 강철 병의 경우 병을 구성하는 성분이 철과 같은 강자성체로 자석에 잘 끌립니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬과 니켈의 높은 농도로 인해 자성을 띠지 않습니다.

#9 열전도율

이미지: stainless-structurals.com

열전도율은 열 에너지가 소재를 통해 전달되는 속도입니다. 보통 와트/미터·켈빈(W/(m·K))로 측정됩니다. 열전도율이 높은 소재는 낮은 소재보다 열을 더 빠르고 효율적으로 전달할 수 있습니다.

탄소강의 전도율은 알루미늄에 비해 매우 낮습니다. 보통 켈빈당 미터당 약 45와트입니다. 실온에서 전기 전도도는 약 600만 지멘스/미터입니다. 이는 강철의 전도도를 결정하는 첫 번째 물리적 특성입니다.

마무리

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