본문내용
1. 탄소강의 이해
1.1. 탄소강의 정의와 특성
철에 0.02∼2.11%의 탄소(C)를 함유한 Fe-C계 합금을 탄소강이라 한다. 그러나 제선, 제강과정에서 혼입되는 Si, Mn, P, S 등이 포함되며 이 경우에도 탄소함유량이 강의 성질에 크게 영향을 주게 되므로 탄소강이라 부르고 있다. 탄소강의 성질은 함유된 성분, 열처리 또는 가공방법에 따라 다르나, 표준 상태에서는 주로 탄소의 함유량에 따라 기계적 성질이 달라지게 된다. 또, 철강의 성질은 탄소 함유량과 냉각속도 등에 따라 생성된 조직에 의해 현저하게 달라진다. 따라서 강의 성질은 기계적 시험 외에 금속의 조직을 관찰하면 탄소에 의한 조직의 변화에 따른 재료의 성질 등을 알아낼 수 있다. 또한, 탄소강의 조성과 성질을 알아보기 위해서는 Fe-C계의 상태도를 이해하면 매우 편리하다.
1.2. Fe-C계 상태도
1.2.1. 상태도의 기본적인 의미
상태도란 여러 가지 조성의 합금을 용융상태로부터 응고되어 상온에 이르기까지 상태의 변화를 나타낸 그림이다. 즉, 합금의 성분비율과 온도에 따른 상태를 나타내는 그림으로, 횡축에는 조성(%),종축에는 온도(℃)로 표시하고 있다. 여기서 횡축의 조성, 즉 성분비율을 나타내는 데에는 중량비율(wt%)이 보통 사용되지만 경우에 따라서는 원자비율(at%)로 나타낼 때도 있다.
1.2.2. Fe-Fe3C 상태도와 상
순철은 910℃이하에서는 체심입방격자이고, 910℃ 이상 1390℃까지는 면심입방격자를 가지고 있다. 여기에 탄소원자가 함유되면 두 가지의 변화가 나타난다. 즉 변태온도가 낮아지고 변태가 단일온도에서 일어나는 것이 아니라 어느 온도범위에 걸쳐서 일어나게 된다. 이러한 내용이 Fe-Fe3C 상태도에 잘 나타나 있다. 엄격하게 말해서 시멘타이트(Fe3C)로 불리는 금속간화합물은 평형상이 아니기 때문에 이 상태도는 엄밀하게 말하면 평형상태도가 아니다. 어떤 조건 하에서 시멘타이트는 더욱 안정한 상인 철과 흑연으로 분해될 수 있다. 그러나 Fe3C는 한번 형성되기만 하며 실질적으로 매우 안정하므로 평형상으로 간주된다. 이러한 이유로 인해서 Fe-Fe3C 상태도는 준안정 상태도이다.
상(相, phase)이라는 것은 물리적, 화학적 그리고 결정학적으로 균일한 부분을 말하는 것으로, 이것은 뚜렷한 계면에 의해서 합금의 다른 부분과 구분된다. Fe-Fe3C 상태도에 나타나는 고상의 종류에는 4가지가 있다. 즉, α페라이트(ferrite), 오스테나이트(austenite), 시멘타이트 및 δ 페라이트등이다.
α페라이트는 α철에 탄소가 함유되어 있는 고용체로, BCC 결정구조를 가지고 있다. 상태도에서 나타내듯이 α 페라이트의 최대 탄소고용도는 723℃에서 0.02%이므로 페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적은 것을 알 수 있다. 또한 α 페라이트의 탄소고용도는 온도가 내려감에 따라서 감소하여 0℃에서 약 0.008%정도이다. 탄소원자는 철원자에 비해서 비교적 원자크기가 작으므로 철의 결정격자내의 침입형자리(interstitial site)에 위치한다. 침입형자리의 크기가 작아 탄소원자의 크기가 이 자리보다 상대적으로 크기 때문에 격자변형을 일으키게 되어 α 페라이트의 탄소고용도를 적게 한다.
오스테나이트는 γ철에 탄소가 고용되어 있는 고용체로, FCC 결정구조를 가지고 있다. 탄소고용도는 1148℃에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라서 감소하여 723℃에서 0.8%로 된다. 따라서 탄소고용도는 α 페라이트보다 매우 크다. 오스테나이트 내 탄소도 침입형자리에 위치하는데, FCC의 8면체 틈자리의 크기가 BCC의 4면체 틈자리보다 크기 때문에 변형정도가 α 페라이트보다 작다. 이것이 오스테나이트의 탄소고용도가 α 페라이트보다 크게 되는 중요한 이유이다.
시멘타이트(Fe3C)는 철탄화물로, 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 결정구조는 단위격자당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정이고, 매우 연하고 취약한 성질을 가지고 있다.
δ페라이트는 δ철의 탄소고용체로, α 페라이트와 마찬가지로 BCC 결정구조를 가지지만 격자상수가 다르다. δ페라이트내의 최대 탄소고용도는 1495℃에서 0.09%이다.
1.3. 탄소강의 변태
1.3.1. 공석강, 아공석강, 과공석강
0.8%C를 함유하는 조성의 탄소강은 727℃ 이하로 냉각시 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 공석반응을 일으키므로 공석강(共析鋼, eutectoid steel)이라고 한다. 이 반응이 일어나는 온도를 A1선이라고 부른다. 또한 공석반응에 의한 변태를 공석변태, 펄라이트 변태, 또는 A1변태라고 부른다.
한편 0.8%C 이하의 탄소강을 아공석강(亞共析鋼, hypo-eutectoid steel)이라고 하는데, 공업적으로 생산되는 대부분의 강은 아공석강이다. 순철이 γ철로 변태 하는 온도는 910℃(Ａc3점)이지만 아공석강이 γ오스테나이트 단상으로 변태 하는 온도는 GS선 이상이므로 이 GS선을 A3선이라고 한다.
0.8%C 이상의 탄소강을 과공석강(過共析鋼, hyper-eutectoid steel)이라고 부르는데, 과공석강에서는 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트로 변태 하므로 이 SE선을 Acm선이라고 부른다. 과공석강의 탄소함유량은 0.8∼2.0%C 범위이지만 공업적으로 생산되는 과공석강은 대부분이 0.8∼1.2%C 범위의 탄소량을 가지고 있다. 탄소량이 1.2% 이상이면 강의 성질이 매우 취약해지므로 거의 사용되지 않고 있다.
1.3.2. 탄소강의 표준 조직
탄소강의 표준 조직은 탄소 함유량과 냉각 속도 등에 따라 달라진다. 특히 철에 탄소가 0.1% 이상 함유되어 있으면 페라이트 이외에 펄라이트(pearlite)가 뚜렷이 나타나며, 이 펄라이트가 차지하는 면적은 탄소 함유량의 증가에 따라 증대한다. 노멀라이징(normalizing) 상태에서는 0.4% 전후에서 약 절반, 0.77%에서는 전부 펄라이트가 된다. 이와 같이 펄라이트가 많아짐에 따라 경도, 인장강도는 증가하고, 반대로 신율, 충격치 등은 감소한다. 펄라이트의 부분은 검게 부식되기 쉽고 고배율로 보면 층상으로 보인다. 아공석강(C 0.77% 이하)을 오스테나이트(austenite) 상태에서 서냉하면 A3 변태점에서 초석페라이트가 나타나고 A1 점에서 나머지의 오스테나이트가 펄라이트로 공석변태하여 펄라이트와 페라이트의 혼합 조직이 된다. 냉각을 어느 정도 빨리(공냉)하면, 오스테나이트가 과냉되어 변태점이 저하하기 때문에 노멀라이징 조직은 로냉조직 보다도 다소 페라이트 양이 적다. 반면 탄소함유량이 0.77% 이상의 과공석강은 풀림(annealing) 과정에서 시멘타이트가 오스테나이트의 입계에 망상으로 석출하고, 오스테나이트 기지는 펄라이트로 변태한다. 따라서 이 조직에서는 백색 망상 시멘타이트와 펄라이트가 관찰된다. 즉, 탄소강의 표준 조직은 페라이트와 펄라이트, 시멘타이트 등의 혼합 조직으로 구성되며, 이들의 상대적인 양은 탄소함량과 열처리 조건에 따라 달라진다고 볼 수 있다.
1.4. 탄소강의 종류와 용도
1.4.1. 저탄소강
저탄소강은 탄소 함량이 0.10∼0.25%인 강을 말한다. 이 부류의 강은 열처리가 불가능한 0.06∼0.10% C 저탄소강에 비하여 강도와 경도는 증가되고 냉간성형성은 감소한다. 그러나 이러한 강은 강도를 증가시키기 위하여 퀘칭 및 템퍼링을 할 수는 있지만 일반적으로 경제적인 방법은 아니다. 열처리하기 위해서는 이 강을 침탄 하거나 표면경화 시키는 방법이 있다. 침탄용으로는 단면이 엷을 때는 AISI 1022 및 1024 강을 사용한다. 이러한 저탄소강은 강도가 낮고 연하여 가공하기가 쉬워 철판, 철근, 철사 등에 쓰인다. 저탄소강은 극연강과 연강으로 다시 나눌 수 있다. 극연강(C=0.02∼0.12%)은 순철(pure iron)에 가깝고 대단히 연하므로 가공에 적합하며, ingot로부터 얇은 판으로 압연하여 양은, 압연 철판 가구, 함석 철관 통조림, 드럼(drum)통, 자동차의 외곽 강판 등에 사용된다. 연강(C=0.12∼0.20 %)은 구조용 연강과 탄소표면경화강으로 나눌 수 있다. 구조용 연강은 전로 또는 염기성 평로에서 만들어 제련과 가공이 쉽고, 상당한 강도와 연성이 있으므로 철골, 건축, 철도, 조선, 토목, 교량 등의 구조물에 많이 사용된다. 탄소표면경화강은 표면 경화용에 사용되는 연강으로 0.08∼0.18%C, 0.35% 이하의 Si, 0.6% 이하의 Mn, 0.04% 이하의 P 및 S를 함유하고 있다. 이 강은 연하고 연성이 있지만, 그대로는 경화하지 않으므로 경도가 낮다. 이 강은 표면에 침탄한 다음 담금질하여 사용한다. 또한 강관에도 저탄소강이 사용되는데, 수도 및 가스관, 보일러관, 굴착용 유정관, 지하 매설용 전선 보호관, 가스 송수관, 하수도관, 항공기, 선박용관 등에 쓰인다. 따라서 저탄소강은 강도가 낮...
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