마천루의 골격부터 자동차 엔진, 주방의 날카로운 칼날까지, 우리 일상생활의 많은 필수품들이 탄소강이라는 공통된 기원을 가지고 있습니다. 겉보기에는 평범해 보이는 이 금속은 다양한 특성과 광범위한 적용을 통해 현대 사회에 깊은 영향을 미칩니다. 하지만 탄소강에 대해 얼마나 잘 알고 있을까요? 그 종류, 특징, 용도, 그리고 특정 요구 사항에 맞는 적절한 유형을 선택하는 방법은 무엇일까요? 이 기사에서는 탄소강의 매혹적인 세계를 탐구합니다.
비합금강이라고도 알려진 탄소강은 중량 기준으로 0.05%에서 2.1% 사이의 탄소를 함유한 강철을 말합니다. 이 다재다능한 재료는 건설, 제조 및 엔지니어링 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 합금강과 달리 탄소강은 주로 철과 탄소로 구성되며, 다른 원소의 양은 엄격하게 제한됩니다. 미국 철강 협회(AISI)는 특정 조성 요구 사항을 가진 탄소강을 다음과 같이 정의합니다.
탄소 함량은 탄소강의 기계적 특성을 결정하는 주요 요인입니다. 탄소 비율이 증가함에 따라 재료의 경도와 강도도 증가하며, 이는 열처리를 통해 더욱 향상될 수 있습니다. 그러나 이러한 이득은 연성 및 용접성의 감소라는 대가를 치르게 됩니다. 따라서 재료 선택 시 이러한 상반된 특성을 신중하게 고려해야 합니다.
탄소 함량은 또한 강철의 융점에 영향을 미칩니다. 일반적으로 탄소 농도가 높을수록 융점이 낮아지며, 이는 용접 및 열처리 과정에서 중요한 요소입니다.
탄소강은 다양한 용도에 맞게 탄소 함량을 기준으로 일반적으로 분류됩니다.
탄소 함량이 0.05%에서 0.30%인 저탄소강은 저렴한 가격과 뛰어난 성형성으로 인해 가장 널리 사용되는 강철 유형입니다. 우수한 연성과 가공성을 제공하지만 강도는 비교적 낮습니다. 일반적인 용도로는 자동차 부품, 배관, 건축 구조물 및 식품 용기가 있습니다.
고강도 저합금강(HSLA): 이 변형은 저탄소강에 소량의 합금 원소(크롬, 몰리브덴, 실리콘, 망간, 니켈 또는 바나듐)를 첨가하여 강도, 내마모성 및 인장 강도를 향상시키는 동시에 인, 황과 같은 불순물을 엄격하게 제어합니다. 주목할 만한 예로는 41xx 시리즈(4140, 4145 강), 4340 강, 300M 강, EN25 및 EN26 강이 있습니다.
탄소 함량이 0.3%에서 0.6%인 중탄소강은 연성과 강도의 균형을 이루면서 우수한 내마모성을 제공합니다. 대형 기계 부품, 단조품 및 자동차 부품에 자주 사용됩니다.
탄소 함량이 0.6%에서 1.0%인 고탄소강은 뛰어난 강도를 제공하지만 연성과 용접성은 제한적입니다. 일반적인 용도로는 스프링, 절삭 공구 및 고강도 와이어가 있습니다.
탄소 함량이 1.25%에서 2.0%인 초고탄소강은 급냉을 통해 극도의 경도를 얻을 수 있습니다. 프리미엄 절삭 공구, 차축 및 펀치와 같은 특수 용도로 사용됩니다. 탄소 함량이 2.5%를 초과하는 강철은 일반적으로 분말 야금 제조 기술이 필요합니다.
유럽 EN 10020 표준은 비합금강을 두 가지 범주로 나눕니다.
이러한 일반적인 구조용 강철은 비교적 넓은 허용 오차 범위 내에서 보장된 특성을 특징으로 합니다. S235, S275 및 S355와 같은 표준 구조용 강철은 EN 10025에 정의되어 있습니다.
더 높은 순도와 정밀한 화학적 조성 제어가 특징인 이 강철은 일관되고 특정 특성을 요구하는 용도에 맞게 설계되었습니다. 이는 종종 급냉 및 템퍼링과 같은 열처리를 통해 달성됩니다. 예로는 기계 부품 또는 기어용 강철이 있습니다.
정보에 입각한 재료 선택을 위해서는 탄소강의 특성에 대한 철저한 이해가 필요합니다.
탄소강의 다재다능함과 경제적 이점은 산업 전반에 걸쳐 광범위한 사용을 보장합니다.
열처리는 탄소강의 기계적 특성을 수정하여 강도, 경도, 연성 및 충격 저항을 극적으로 향상시키는 강력한 방법입니다. 특히 열처리는 전기 및 열 전도성에 최소한의 영향을 미칩니다. 대부분의 강철 강화 기술과 마찬가지로 열처리는 일반적으로 연성과 강도를 교환하며, Young's 계수(탄성)는 변경되지 않습니다.
표준 열처리 공정에는 다음이 포함됩니다.
일반적인 탄소강 열처리 방법:
약 700°C(1300°F)에서 30시간 이상 가열하여 구형 탄화물을 생성하여 가소성 및 인성을 향상시킵니다. 특히 성형성이 향상되어야 하는 고탄소강에 유용합니다.
아공정강을 상부 임계 온도보다 30-50°C 높게 또는 과공정강을 변태 온도 이상으로 가열한 후 서서히 냉각하여 조대 펄라이트를 생성합니다. 내부 응력을 제거하는 동시에 가소성 및 인성을 향상시킵니다.
냉간 가공된 탄소강을 550-650°C(1000-1200°F)로 가열하여 내부 응력을 완화합니다. 탄소 함량이 0.3% 미만인 강철에 적합합니다.
아공정강을 상부 임계 온도 이상으로 가열하고, 하부 임계 온도 이하로 급속 냉각한 다음 최종 냉각 전에 유지합니다. 온도 구배를 제거합니다.
오스테나이트 상으로 가열한 후 공기 냉각합니다. 결정립 구조를 개선하는 동시에 강도와 균일성을 향상시킵니다.
노멀라이징 온도에서 임계 온도 이하로 급속 냉각(물, 염수 또는 오일 사용)하여 인성을 희생하면서 극도의 경도를 위해 마르텐사이트를 생성합니다.
마르텐사이트 시작 온도 바로 위로 급냉하고, 온도 평형을 위해 유지한 다음 제어된 냉각을 통해 응력과 균열 위험을 줄이는 동시에 충격 인성을 향상시킵니다.
급냉된 강철을 변태 온도 이하로 재가열하여 경도를 줄이는 동시에 연성과 인성을 높입니다. 온도 및 시간 변화를 통해 정밀한 특성 제어가 가능합니다.
베이나이트 변태 범위(205-540°C)로 급냉한 후 제어된 냉각을 통해 고강도, 고연성 베이나이트 강철을 생성하여 뛰어난 충격 저항성을 제공합니다. 특수 염욕이 필요한 제한된 강철 등급에 적용할 수 있습니다.
표면만 경화하여 내마모성 쉘을 생성하는 동시에 코어 인성을 유지합니다. 탄소강의 제한된 경화성에 특히 적합합니다. 합금강은 우수한 경화성으로 인해 전체 경화가 가능합니다.
단조 온도는 탄소강의 품질과 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 다음 표는 다양한 강철 유형에 대한 단조 매개변수를 나타냅니다.
| 강철 유형 | 최대 단조 온도(°F) | 최대 단조 온도(°C) | 연소 온도(°F) | 연소 온도(°C) |
|---|---|---|---|---|
| 1.5% 탄소 | 1,920 | 1,049 | 2,080 | 1,140 |
| 1.1% 탄소 | 1,980 | 1,082 | 2,140 | 1,171 |
| 0.9% 탄소 | 2,050 | 1,121 | 2,230 | 1,221 |
| 0.5% 탄소 | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,349 |
| 0.2% 탄소 | 2,410 | 1,321 | 2,680 | 1,471 |
| 3.0% 니켈 강 | 2,280 | 1,249 | 2,500 | 1,371 |
| 3.0% 니켈-크롬 강 | 2,280 | 1,249 | 2,500 | 1,371 |
| 5.0% 니켈(표면 경화) 강 | 2,320 | 1,271 | 2,640 | 1,449 |
| 크롬-바나듐 강 | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,349 |
| 고속도강 | 2,370 | 1,299 | 2,520 | 1,385 |
| 스테인리스강 | 2,340 | 1,282 | 2,520 | 1,385 |
| 오스테나이트 크롬-니켈 강 | 2,370 | 1,299 | 2,590 | 1,420 |
| 실리콘-망간 스프링 강 | 2,280 | 1,249 | 2,460 | 1,350 |
기술 발전은 탄소강의 용도를 계속 확장하고 있습니다. 고강도 변형은 자동차 경량화 전략에 크게 기여하여 연료 소비와 배출량을 줄입니다. 동시에 재활용 이니셔티브는 탄소강의 지속 가능성 프로파일을 향상시킵니다.
탄소강의 종류, 특성, 용도 및 가공 기술에 대한 포괄적인 이해를 통해 산업은 진화하는 기술적 요구 사항을 충족하기 위해 재료 선택을 최적화할 수 있습니다.
담당자: Ms. Jessie Liu
전화 번호: +86 18537319978
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