[Material] 탄소강의 특징 및 각 성분

탄소강의 특징 및 각 성분

 

1. 특징

1) 탄소강은 Fe 와 C 의 합금이며 추가로 소량의 Si, Mn, P, S 및 Cu 등의 원소를 약간씩 함유한 보통강이다.

2) Si 와 Mn은 인위적으로 그 양을 증감시키고, Cu 및 P 는 내식성을 증가시키기 위하여 특별히 첨가하는 경우를 제외하고는 S 와 함께 불순물로 취급한다.

 

3) 탄소강의 조직은 Annealing, Normalizing, Tempering 등의 열처리 및 인장, 압축, 냉간압연, 인발 등의 냉간가공에 의하여 상당히 변화하는 특징이 있다.

4) 특히 열처리로 인한 조직변화가 현저하고 이에 따라 기계적 성질도 크게 변화하게 된다. 그 정도는 탄소량이 많을수록 심해지고 이에 수반하여 용접성도 저하하게 된다.

 

 

2. 성분

1) Carbon (탄소, C)

- 탄소강의 주 성분으로 강도에 관계되며 주로 0.15 - 0.8 % 의 탄소강이 주로 사용된다.

- Carbon 함량이 증가할수록 인장 강도는 증가하나 연성, 용접성, 인성, 충격치 및 가공성 등 모든 금속적인 특성들은 저하하게 되어 용도에 따라 어느 정도의 제한치를 두는 것이 일반적이다.

 

2) Manganese (망간, Mn)

- Mn 은 탄소강에 있어 중요한 원소이며 S의 해를 제거하는 기능 외에 강도와 인성을 증가시키는 작용을 한다.

- 보통강(As rolled 강 또는 Normalized 강)에서는 0.25 - 0.8 % 까지 포함하며 Quenched-Tempered 강에서는 강도 증가를 위하여 1.6 % 까지 첨가하기도 한다.

- 그러나 Mn > 0.8 % 이상이 되면 용접시 crack 발생 가능성이 증대하고 Mn > 1.5 % 이상이 되면 연성을 감소시킨다.

- 탄소강 내에서 Mn 은 S 와 결합하여 용접시 hot shortness(고온 취성)과 inter-granular corrosion cracking(입자간 cracking) 현상 발생을 감소시키는 역할을 한다. 좋은 용접성을 얻기 위하여는 Mn / S > 10 이 되게 한다.

 

3) Sulfur (황, S)

- S 는 불순물로써 존재하며 철과 화합하여 FeS(유화철)이 되고 또한 망간과 화합하여 MnS(유화망간)을 만들게 된다.

- 이 FeS 는 융점이 낮은(약 988 ℃) 共晶을 만들어 응고중에 austenite 입계에 모여 열간가공성을 해치게 되는데 이는 곧 적열취성(hot shortness)의 원인이 되며 용접성, 충격강도 및 연성을 감소시키게 된다.

- 그러나 S 는 철보다 망간과 화합하기 쉬우므로 망간이 적절량 이상 있으면 유화철을 만들지 않고 불용성의 유화망간이 되어 부상해서 슬래그 중으로 제거되거나 또는 조직내에 분산한 불순물이 되어 적열취성을 방지할 수 있다.

- 일반적으로 망간량은 S 의 3-8 배로 하는 것이 바람직하며 대부분의 강에서는 S 함유량을 0.05 % 이하로 제한하고 있다.

 

4) Silicon (규소, Si)

- 0.2 % 의 Si 는 ferrite 중에 완전하게 고용시킬 수 있으며 0.2 - 0.6 % 정도의 범위에서는 강의 연성을 거의 감소시킴이 없이 탄성한도와 인장강도를 증가시키는 잇점이 있으나 S 의 편석을 촉진시킨다.

- Si 는 제조중에 함유 산소 가스를 제거하는 탈산작용이 있어 킬드강 제조시 탈산제로 첨가되기도 하며 결정입도를 조대화 하는 특성이 있어 저온용 보다는 고온 service 용도의 탈산제로 주로 사용된다.

 

5) Phosphorous (인, P)

- 불순물로써 존재하며 소량의 P 는 ferrite 중에 고용하여 강도와 경도를 증가시키나 다량으로 함유되면 강도는 증가하나 연성과 인성이 감소하고 취성, 담금균열이 커지고 냉간 가공성이 나빠지게 된다.

- 보통의 강에서는 P 는 0.05 % 이하로 제한한다.