합금강(Alloy Steel)이란?
합금강(Alloy Steel)은 탄소강의 성질을 개량하기 위해 특수한 원소를 첨가한 강철입니다. 합금강은 주로 철, 탄소, 망간, 실리콘, 니켈, 티타늄, 구리, 크롬 등으로 구성됩니다.
합금강은 기계적 특성을 향상시키기 위해 중량 기준으로 1.0 %에서 50 % 사이의 다양한 원소와 합금된 강철입니다. 합금강은 저 합금강과 고 합금강의 두 그룹으로 나뉩니다.
합금강은 첨가된 원소와 적절한 가공 기술에 따라 고강도, 고 인성, 내마모성, 내식성, 저온 저항성, 고온 저항성, 비자 성 특성 등과 같은 특수 특성을 얻을 수 있습니다.
합금강의 종류
강인강(강인성 강, QT강)
강인강(强靭鋼)은 강인성을 필요로 하는 기계 부품에 널리 사용되는 소재입니다. 강인강은 기계구조용 합금으로, Quenching된 강이 Tempering으로 이어져 QT강이라고도 합니다. 강인강은 축, 기어, 볼트, 너트 등 기타 강인성을 필요로 하는 기계 부품에 널리 사용됩니다.
인성이 높다는 말은, 재료가 흡수할 수 있는 에너지의 양이 높다는 말과 같습니다.
강인강은 다양한 재료에 대한 절단력을 향상시키는 견고한 컷소날에도 사용됩니다. 특히 두꺼운 금속과 단단한 표면은 절단하기가 어렵습니다.
1. 니켈강(Ni강)
니켈강은 니켈을 함유한 강철로, 니켈의 함유량에 따라 강종이 나뉩니다.
니켈강은 내식성이 우수하고, 극저온에서도 강도와 충격 인성이 우수합니다. 니켈강은 LNG 저장탱크 제작에 가장 많이 사용되는 강종으로, 영하 163도의 극저온에서도 연료탱크가 깨지지 않는 강도와 충격 인성을 가지고 있습니다.
니켈강은 니켈의 함유량에 따라 강종이 나뉩니다:
- 9% 니켈강: LNG 저장탱크 제작에 가장 많이 사용되는 강종으로, 영하 163도의 극저온에서도 연료탱크가 깨지지 않는 강도와 충격 인성을 가지고 있습니다.
- 5% 니켈강: 극저온 저장, 운반용 압력 용기용 강재에 합금 되는 원소입니다.
- 하이니켈강: 니켈을 72% 이상 함유하고 있어 내식성이 가장 우수한 재료입니다.
2. 크롬강(Cr강)
크롬강(chrome steel)은 중탄소강에 크롬(Cr)을 첨가한 구조용 합금강입니다. 크롬의 함유량에 따라 1% 정도인 것에서부터 16% 이상인 고크롬강까지 있습니다.
크롬강은 내열성과 내식성을 높여주며, 값비싼 니켈이 들어 있지 않기 때문에 널리 구조용으로 쓰이고 있습니다. 크롬이 2% 이하인 저크롬강은 담금질하면 강도가 매우 커지므로 공구나 날붙이로 쓰입니다. 크롬이 12% 이상인 고크롬강은 스테인리스강이라고도 하며, 은백색의 광택이 있습니다.
크롬강은 AISI 52100, En31, SUJ2, 100Cr6, 100C6, DIN 5401와 같은 스테인리스가 아닌 강의 계열 가운데 하나로, 도구, 가정 기구 등에 사용됩니다.
3. 니켈크롬강(Ni-Cr강)
니켈크롬강은 니켈과 크롬이 포함된 합금강으로, 인성과 열처리 후 재료의 물성의 개선이 좋습니다. 니켈크롬강은 내식성과 내열성이 좋습니다.
니켈크롬합금은 1100 ℃ ~ 1250 ℃ (2010 ° F ~ 2280 ° F ) 에서 사용하기 위해 와이어와 스트립의 형태로 되어 있습니다. 니켈크롬합금 열선 NCH-W1(Ni 80 Cr 20)은 1200℃(선경 2.0 이상) 사용 가능하며, 내열성 및 내식성 우수, 전기 저항 및 열적 안정성, 부서지거나 깨지지 않음, 우수한 작업성, 고온강도 등의 특징이 있습니다.
4. 크롬몰리강(Cr-Mo강)
크롬 몰리브덴강은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 기타 합금 원소가 포함된 강으로, 고온 강도 한계와 크리프 한계를 크게 증가시키고 내수소 부식성이 우수합니다.
크롬은 강이 보다 높은 내식성을 가지게 하며, 몰리브데넘은 최대 530°C의 온도를 견딜 수 있는 내 크리프 강입니다.
크롬 몰리브덴강은 주로 기계 구조용으로 사용되며, 단조, 절삭 등의 가공과 열처리를 다시 하여 사용됩니다.
크롬 몰리브덴강은 가격이 저렴하지만, 피로성 및 충격성이 우수하지 않아 주로 큰 부하를 받지 않는 기어류에 많이 쓰입니다.
5. 니켈크롬몰리강(Ni-Cr-Mo강)
니켈크롬몰리브덴강은 니켈크롬강에 몰리브덴을 첨가하여 열처리 방법을 개선한 강철입니다. 몰리브덴은 강에서 고온 강도와 크리프 강도를 높여주는 역할을 합니다. 니켈크롬몰리브덴강은 값비싼 니켈이 들어 있지 않기 때문에 널리 쓰이고 있습니다.
니켈크롬몰리브덴강의 밀도, 인장강도, 항복강도, 브리넬 경도, 열팽창률은 각각 7.85, 1172 Mpa, 1103 Mpa, 341 HB, 12.3 ㎛입니다.
니켈크롬몰리브덴강 단강품은 봉, 축, 크랭크, 피니언, 기어, 플랜지, 링, 휠, 디스크 등 일반용으로 사용됩니다.
6. 망간강(Mn강)
망간강은 철에 10~30%의 망간을 첨가해 만든 합금강입니다. 망간강은 고강도, 내마모성, 극저온인성, 비자성 등 다양한 성능을 특화시킨 혁신적인 철강 소재입니다.
망간강은 고인성으로 연성이 풍부하고 내충격성 및 내마모성이 뛰어납니다. 하지만 열전도율이 낮고 가공 경화성이 현저히 높습니다. 공업 재료로서 뛰어난 특성들은 절삭가공의 피삭성에서 보면 문제가 많습니다. 공구 마모가 발달하기 쉽고, 절삭날의 칩핑이나 결손도 발생하기 쉽습니다.
망간강은 자동차 산업에서 보호 링을 만드는 데 자주 사용됩니다. 이 강종의 밀도는 약 7.87~7.98g/cm3입니다. 탄소와 망간 함량이 높기 때문에 강철의 열전도율이 낮습니다.
저망간강(듀콜강)
저망간강은 철에 탄소 외에 망간을 함유한 합금강으로, 망간 비율에 따라 구분됩니다. 망간 비율에 따라 저망간강(1-3%), 중망간강, 고망간강(10% 이상)으로 구분됩니다.
저망간강은 인장강도가 높고(45∼88kg.㎟), 연신율은 13∼34%입니다. 조직은 펄라이트입니다.
고망간강에서의 Mn은 내마모성 향상의 주요 원소이고, 저망간강에서는 강재의 기계적 성질을 향상시킵니다.
고망간강(하드필드강)
고망간강은 철에 10~30%의 망간을 첨가해 만든 합금강입니다. 포스코가 2013년 세계 최초로 개발한 신소재로, 고강도, 내마모성, 극저온인성, 비자성(非磁性) 등 다양한 성능을 특화 시킨 혁신적인 철강 소재입니다.
고망간강은 2022년 국제해사기구로부터 액화천연가스(LNG) 등 극저온화물의 운송용 소재로 인정받았습니다. 극저온용 고망간은 -196℃의 극저온에서도 견딜 수 있는 강재로 LNG(액화천연가스) 저장 및 이송에 적합합니다.
고망간강은 니켈강 등과 비교할 때 약 70~80% 수준의 가격으로 경쟁력을 갖추고 있습니다.
7. 고장력강(High Tensile Steel)
고장력강(High Tensile Steel)은 보통강보다 인장 강도가 강한 강을 말합니다. 고장력강은 0.2% 정도의 탄소를 함유한 탄소강에 규소, 망간, 니켈, 크롬, 구리 등을 첨가하여 성능을 향상시킨 강입니다. 하이텐이라고도 합니다.
고장력강은 인장 강도가 50kg/㎟ 이상인 강을 의미합니다. 일반적으로 340MPa~790MPa의 것이 고장력 강판으로 정의되어 있습니다.
고장력 강판은 동일한 두께에서 보다 더 강도가 높은 강판으로서 인장강도가 40~50kg/mm² 이상입니다. 충돌 안전구조를 사용하는 차체에는 일부에 100kg/mm² 이상의 초고장력 강판(Ultra High Strength Steel)도 사용됩니다.
초고장력강은 연질의 조직에 경질조직을 첨가해 강도를 높인 것입니다. 쉽게 다양한 철 성분 중 최고 수준으로 높은 강도를 갖는다고 생각하면 됩니다. 초고장력 강판의 공식 국제 규격은 없습니다.
8. 크롬망간실리콘강(Cr-Mn-Si강)
크롬망간실리콘강은 망간, 실리콘, 크롬을 포함하는 강입니다. 실리콘은 철의 경도와 강도를 높이기 위해 페라이트와 오스테나이트에 용해될 수 있습니다. 실리콘, 망간, 니켈은 강을 강화하는 역할을 합니다.
실리콘은 다양한 오스테나이트계 스테인리스강에 약 2% 첨가하면 고온 비피피 특성을 향상시킬 수 있습니다.
표면경화강
표면경화강은 철강 표면에 극히 견고한 경화층을 만드는 강재를 말합니다. 표면경화강은 표면의 내마모성과 내피로성을 높이지만, 강재 내부의 인성을 유지시킵니다.
표면경화강은 표면경화법을 통해 제작됩니다. 표면경화법에는 강 표면의 화학성분을 변화시켜 경화하는 화학적 표면경화법과 강 표면의 화학성분을 변화시키지 않고 담금질만으로 경화하는 물리적 표면경화법이 있습니다.
표면경화법의 종류에는 다음이 있습니다:
- 화학적 표면경화법
- 물리적 표면경화법
- 담금질
- 차등 열처리
- 화염 경화
표면경화강의 황화물은 절삭 공구의 마모에 의한 공구 형상 변화를 억제하고, 소위 공구 수명을 연장시키는 효과를 발현합니다. 특히, 기어와 같은 정밀 형상의 경우, 절삭 공구 수명이 짧으면, 안정되게 치형 형상을 성형할 수 없습니다.
1. 침탄강(Carburization Steel)
침탄강은 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 만든 후, 이를 Quenching 처리하여 표면을 경하게 하는 방법에 사용되는 강을 말합니다. 침탄강은 보통 탄소 함유량이 0.15~0.18%인 저탄소강과 크롬이나 몰리브덴이 첨가된 합금강입니다.
침탄강은 고체, 액체 또는 가스 침탄에 의해 제조되며, 가스 침탄이 널리 사용됩니다. 침탄강으로 사용되는 것에 C강, Cr강, Cr-Mo강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강 등이 KS/JIS에 규정되어 있습니다.
침탄강은 인성, 인장강도, 충격강도 등의 기계적 성질이 우수하고 조직 특성이 향상되었습니다.
2. 질화강(Nitriding Steel)
질화강은 표면이 경화된 강철을 말합니다. 질화강은 내마모성이 우수하고, 열처리 변형이 적으며, 내열성과 피로강도가 크고 내식성이 좋습니다. 또한 침탄강에 비해 경도가 높고 변형이 적습니다.
질화강은 이론적으로 모든 철과 강철 재료에 적용할 수 있지만, 질화 처리에 적합하고 만족스러운 결과를 얻을 수 있는 강만을 사용합니다. 질화 열처리는 500~600℃ 온도에서 실시하는 것이 바람직하며, 질화 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우 질화 반응속도가 느려질 수 있습니다.
질화강의 종류로는 Al-Cr-Mo 계 SACM645, Nitralloy 135 등이 있습니다.
스프링강
스프링강은 탄성한계, 피로한도, 내마모성이 높은 스프링을 제조하는 데 사용되는 특수강입니다. 장기간의 반복 응력 하에서도 안정적인 탄성 특성을 유지합니다.
스프링강은 탄소계, 실리콘 망간계, 망간 크롬계, 크롬 바나듐계 등의 강철로 구성되어 있습니다.
일반적으로 “스프링강”이라고 하면, SUS304 및 SUS301소재를 말하며, 특히 경도가 높은 자재를 말합니다.
스프링강은 한국산업표준KS에 따르면 규격번호:KS D 3551, 명칭:특수마대강입니다.
합금강 마무리
오늘은 합금강의 종류와 특징에 대해 알아보았습니다.
합금강은 철에 다른 원소를 첨가하여 강도, 내식성, 인성 등 기계적 특성을 향상시킨 강재입니다. 대표적인 종류로는 탄소강, 망간강, 크로뮴강, 니켈강, 스테인레스강 등이 있습니다.
이들은 첨가 원소의 종류와 함량에 따라 각기 다른 특성을 가지고 있습니다. 탄소강은 탄소 함량에 따라 강도와 인성이 달라지며, 망간강과 크로뮴강은 강도와 내열성이 좋습니다. 니켈강은 내식성과 인성이 우수하고, 스테인레스강은 뛰어난 내식성을 지닙니다.
종합하면, 합금강은 철에 다양한 원소를 첨가하여 기계적 특성을 향상시킨 재료로서, 첨가 원소의 종류와 함량에 따라 광범위한 용도의 제품에 사용할 수 있는 재료입니다. 앞으로도 새로운 합금 개발을 통해 더 나은 특성을 가진 합금강이 개발될 것으로 기대합니다.