안녕하십니까,
오늘은 탄소강에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
탄소강은 철과 탄소의 합금으로, 산업 전반에서 널리 사용되는 가장 기본적인 금속 재료 중 하나입니다. 탄소의 함유량에 따라 강도, 경도, 연성 등 다양한 물리적 성질이 변화하기 때문에, 탄소강은 건설, 자동차, 기계 부품 등 다양한 분야에서 필수적인 재료로 자리 잡고 있습니다. 이제 탄소강의 종류, 미세조직에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
1. 탄소강
철은 크게 탄소강과 주철로 나눌 수 있습니다. 주철은 탄소 함유량이 2.14wt% 이상인 철합금으로, 높은 탄소 함유로 인해 강도가 낮고 취약하지만, 일반적인 강에 비해 용융온도가 낮아 주조에 많이 사용됩니다. 한편, 고합금강은 철 외에도 크롬 등 다양한 원소가 포함된 합금으로, 이를 합금강이라고 부릅니다. 탄소강은 저합금에 해당하며, 탄소 함량이 0.02~2.11wt% 이고 소량의 규소, 망간, 인 등을 포함합니다. 아래는 탄소강의 종류와 특징에 대해 정리해 보았습니다.
| 탄소함유량 | 특징 | |
| 저탄소강 | 0.13~0.25wt% | - 페라이트와 펄라이트 구조 - 비교적연하고 약하지만 우수한 연성과 인성 - 가공성과 용접성이 좋음 |
| 중탄소강 | 0.25~0.60 wt% | - 열처리로 기계적 성질 개선 가능 - 기어, 크랭크축 등 고강도와 내마모성, 인성이 요구되는 분야에 사용 |
| 고탄소강 | 0.60~1.4 wt% | - 크롬, 바나듐, 텅스텐 등의 합금 원소가 탄소와 결합하여 내마모성이 높음 - 높은 내마모성 요구하는 공구강 등에 사용 |
2. Fe-C 평형상태도
Fe-C 평형상태도는 철과 탄소로 이루어진 합금의 온도와 조성에 따른 상태 변화를 나타내는 도표입니다. 합금이 용융상태에서 응고하여 상온에 도달할 때까지 겪는 변화를 시각적으로 보여줍니다.
· A점 : 순철의 응고점 (1538±3℃)
· AB선 : δ-고용체의 액상선 (Fe-C용액에서 δ-고용체가 정출하기 시작하는 온도선)
· AH선 : δ-고용체의 고상선 (0.1%C 이하의 강에서 δ-고용체의 정출 완료)
· BC선 : γ-고용체의 액상선 (γ-고용체가 정출하기 시작하는 온도선)
· H점 : δ-고용체의 탄소에 대한 최대의 용해도를 나타내는 점 (0.10%C)
· HJB선 : 포정선 (0.1~0.5%C, 1490℃, δ-고용체[H]+용액[B] ↔ γ-고용체[J])
· JE선 : γ-고용체에 대한 고상선 (γ-고용체의 정출완료 온도선)
· N점 : 순철의 A4변태점(1400℃), δ-Fe ↔ γ-Fe
· HN선 : δ-고용체가 γ-고용체로 변하기 시작하는 온도선
· JN선 : δ-고용체로부터 γ-고용체의 석출완료선
· C점 : 공정점(4.3%C, 1130℃), 액체 ↔ γ고용체 + Fe3C (용액으로부터 γ-고용체와 Fe3C가 동시에 정출하는 점)
· CD선 : Fe3C의 액상선 (용액으로부터 Fe3C가 정출하기 시작하는 온도선)
· E점 : 강과 주철의 한계점 (2.0%C , 1130℃)
· ECF선 : 공정선, 2.0 ~6.68%C, 1130℃
· ES선 : Fe3C의 초석선으로 Acm선이라고 함 (γ-고용체에서 Fe3C가 석출하기 시작하는 온도선)
· MO선 : 강의 자기변태선(A2변태점, 768℃)
· G점 : 순철의 A3변태점, 910℃, γ-Fe ↔ α-Fe
· GP선 : 0.025%C 이하에서 γ-고용체에서 α-고용체의 석출완료선
· GS선 : α-고용체의 초석선 (강의 A3 변태선으로 γ-고용체에서 α-고용체가 석출하기 시작)
· S점 : 공석점(0.85%C, 723℃), pearlite ↔ α-고용체 + Fe3C (γ-고용체에서 α-고용체와 Fe3C가 동시에 Pearlite로 석출)
· P점 : α-고용체 중 탄소를 최대로 고용하는 온도점 (0.025%C)
· PSK선 : A1변태선 (공석선)
· PQ선 : α-고용체의 탄소 용해한도 곡선 (상온에서 0.008%C)
탄소강은 탄소 함유량에 따라 아공석강, 공석강 그리고 과공석강으로 나눌 수 있습니다. Fe-C 평형상태도에서 공석점(0.76%C)를 기준으로 나뉘며, 각 구분에 따라 기계적 성질과 조직변화가 다릅니다.
| 아공석강 |
|
| 공석강 |
|
| 과공석 |
|
3. TTT곡선
탄소강의 조직에 대해 알아보기 위해서 우선 항온변태곡선(TTT, Time Temperature Transformation곡선)에 대해 알아보겠습니다. TTT곡선은 A1 변태온도 이상의 오스테나이트 상태에서 특정 온도로 급랭한 후, 그 온도에서 시간이 지남에 따라 상변태가 일어나는 과정을 나타낸 곡선입니다.
왼쪽 곡선은 오스테나이트가 다른 상으로 변태를 시작하는 변태개시선을 나타내며, 오른쪽 곡선은 변태가 종료되는 변태종료선을 나타냅니다. 곡선의 중간 부분, 특히 550°C 부근에서 곡선이 왼쪽으로 돌출된 부분을 노즈(Nose)라고 부르며, 이 지점에서는 변태가 가장 빠르게 진행됩니다.
오스테나이트가 노즈 온도 위에서 항온 변태될 경우 펄라이트(그래프상 P)가 형성됩니다. 반면, 노즈 온도 아래에서 항온 변태가 일어나면 베이나이트가 형성됩니다.
만약 오스테나이트를 노즈에 닿지 않을 정도로 빠르게 냉각하여 Ms점(Martensite Start Temperature)에 도달하면, 오스테나이트는 변태할 시간이 없어 마르텐사이트가 형성됩니다.
4. 탄소강의 조직
1) 오스테나이트 (Austenite, γ-Fe)
- A1 변태점(723°C) 이상의 고온에서 형성되는 안정된 조직입니다.
- FCC(면심입방 구조)를 가지고 있어 변형이 쉽고 냉각 시 탄소 함량과 온도에 따라 다른 조직으로 변태 됩니다.
2) 페라이트 (Ferrite, α-Fe)
- BCC(체심입방 구조)를 가집니다.
- 연성이 좋고, 자기적 특성이 있습니다.
3) 펄라이트 (Pearlite)
- 0.8% 탄소를 포함한 공석강에서 723°C에서 냉각될 때 생성되는 조직입니다.
- 페라이트와 시멘타이트(Fe₃C)가 층상 구조를 이루며, 중간 정도의 경도와 강도를 가집니다.
4) 시멘타이트 (Cementite, Fe₃C)
- 철(Fe)과 탄소(C)가 결합한 금속간화합물로, 6.67%의 탄소를 포함하고 있습니다.
- 단단하지만 취성이 강해 쉽게 부서질 수 있는 특성을 가집니다.
5) 마르텐사이트 (Martensite)
- 탄소강을 급속 냉각(퀜칭)했을 때 생성되는 조직입니다.
- 매우 단단하고 경한 조직이지만, 인성은 적습니다.
- 체심정방 구조(BCT)를 가지며, 변형이 거의 일어나지 않습니다.
6) 베이나이트 (Bainite)
- 펄라이트와 마르텐사이트 사이의 중간 냉각 속도에서 형성되는 조직입니다.
- 400~550°C 사이의 온도에서 항온 변태가 일어나며, 냉각 속도가 너무 빠르지 않으면 베이나이트가 형성됩니다.
- 베이나이트는 페라이트와 시멘타이트로 구성되지만, 펄라이트보다 미세한 구조를 가지고 있어 더 높은 강도와 경도를 가집니다.
- 두 가지 종류의 베이나이트가 있으며, 상부 베이나이트(높은 온도에서 형성)와 하부 베이나이트(낮은 온도에서 형성)로 구분됩니다.
[참고문헌]
William D. Callister, David G. Reth wisch. 재료과학과 공학(제8판). 박인규, 이재갑, 김용석, 김형준 역. 시그마프레스
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