Steel 에 각종 원소가 미치는 영향 (탄소, 규소, 망간, 인 등)

 

 

Steel 에 각종 원소가 미치는 영향

(Effect of chemical elements in steel)

 

 

  

    

// 용어설명

 

- 강도(Strength) : 단단한 정도의 통칭 (인장강도, 압축강도, 굽힙강도, 비틀림강도 등)

- 경도(Hardness) : 딱딱한 정도

- 인장강도(Tensile Strength) : 잡아 당기는 힘에 대한 질긴 정도

- 강인성(Toughness) : 파괴(Failure)에 대한 질긴 정도

- 취성(Brittleness) : 영구 변형 하지 않고 파괴(Failure) 되는 성질

- 경화(Hardening) : 강도가 증가하는 현상

- 내식성(Corrosion Resistance) : 부식에 저항하는 성질

- 내마모성(Anti-wear, Wear Resistance) : 마모(닳음) 되지 않음

 

 

 

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일단 강은 기본적으로 철(Fe)과 탄소(C)의 합금이다.

 

 

 

 

철 속에 탄소가 0.04~2.1wt% 들어 있어야 강이라 부를 수 있다.

이보다 탄소가 많은 것은 주철이고, 적은 것은 공업상 철이라 부른다.

 

탄소는 강의 강화제 역할 을 하는데,

탄소가 많을 수록 단단하기 때문에 그 비에 따라 강을 구분하여 부르기도 한다.

 

 

*보통강

0.2% 이하	극연강
0.2~0.3%	연강
0.3~0.8	반경강
0.5~0.8	경강
0.8~1.5	최경강

 

*Common Steel

 

비율적으로 보면 전체에서 아주 적은 양을 차지하는 탄소(강 內 최대 2.1%)는 그 자체로는 목탄과 같은 것이므로 단단하지 않지만, 철과 화합하여 Cementite(탄화물)을 결성하는 순간 강도가 올라간다.

Cementite 는 Quenching 한 강과 같은 경도를 가진다.

 

Cementite 는 '3Fe + C' 이므로 1% 탄소로 15배 뻥튀기 되는 개념 이다.

때문에 극히 적은 양의 탄소 차이 안에서도 강도의 차이가 상당하다.

 

 

탄소는 기계적 성질만 변화 시키지 않는다.

조직에도 미묘한 영향을 미친다.

 

순철의 조직인 Ferrite 가 Cementite 가 되는데,

이 Cementite 가 Fe 와 사이 좋게 Pearlite 라는 조직이 된다.

 

함유량을 높일 수록 Pearlite 조직이 많아지는데,

0.8% 가 되면 전부 Pearlite 가 된다.

 

즉 0.8% 기준으로,

  - 미만 : Ferrite + Pearlite (아공석강)

  - 0.8% : Pearlite (공석강)

  - 초과 : Pearlite + Cementite (과공석강)

로 조직 및 구분된다.

 

 

 

 

물리적인 성질에도 영향을 미친다.

 

탄소 함유량이 올라감에 따라,

  - 용융온도 : 낮아짐

  - 비중 : 작아짐

  - 열팽창계수 : 작아짐

  - 열전도도 : 작아짐

  - 전기저항 : 커짐

로 변화된다.

 

 

강에는 탄소(C) 外 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 유황(S) 등이 들어갈 수 있으며, 특수강의 경우 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브텐(Mo), 바나듐(V) 등이 함유되는 경우로 많아 가장 기본인 탄소의 역할은 필히 이해하고 있어야 한다.

 

 

 

 

 

 

// BASIC

 

*규소(Silicon, Si)

- 강도 및 경도를 높이는 원소

- Si 1%에 대해 인장강도 10 kg/mm2 증가됨

- 탄소(C) 효과의 약 1/10 정도

 

 

*망간(Manganese, Mn)

- 강도 및 경도 향상

- 가격대비 효율 Good

- 강인성 효과 또한 있어 고장력강에 대략 1.2~1.5% 첨가

- 1.65% 이상 첨가되면 합금강

 

 

*인(Phosphorus, P)

- 유해원소

- 저온에서 취약하게 함 (청열취성)

- 편석 현상(집단결합) 이 유발함으로 함유량은 극히 소량

 

 

*황(Sulfar, S)

- 유해원소

- 강을 가열했을 때 취약하게 함 (적열취성)

- 인(P)과 마찮가지로 가능한한 적게 첨가

 

 

 

// SPECIAL

 

*크롬(Crominum, Cr)

- 마모에 강하고 방청성이 뛰어하게 함

- 경화능 Up

- 침탄을 촉진시키는 유능한 원소

- 대략 베어링 등에 1%, 스테인리스 등에 13% 정도 함유

 

 

*몰리브덴(Molybdenum, Mo)

- 경화능 향상에 최고봉

- 고온 가열시 결정립의 조대화를 방지

- 고온인장강도 증대

- 스테인리스 내식성 향상

 

 

*니켈(Nickel, Ni)

- 내충격성 증가 (질김 Up)

- 특히 저온 충격에 강해짐

- 내식성 향상

- 최근 비싸서 안쓰고 대신 크롬(Cr) 이나 몰리브덴(Mo) 을 사용

 

 

*바나듐(Vanadium, V)

- 결정립을 미세화 (강인성 Up)

- 내마모성 향상 (강도높은 탄화물 형성)

- 절삭공구에 많이 사용

 

 

*텅스텐(Tungsten, W)

- 고온에 연화되지 않게 함

- 내마모성 향상

- 몰리브덴(Mo) 1% 효과 = 텅스텐(W) 2% 효과

 

 

*티타늄(Titanium, Ti)

- 스테인리스 내식성 향상

- 경화능을 나쁘게 하기때문에 많이 첨가 불가