오늘은 Fe3C 탄소강의 상태도를 분석하고 이해하는 시간을 갖도록 하겠습니다.
Fe3C 상태도(Phase diagram)의 분석
탄소 함량에 따른 분류
아공석강
아공석강(亞共析鋼)은 탄소강 중 탄소 함유량이 0.8% 이하인 강을 말합니다. 아공석강은 공업적으로 생산되는 대부분의 강입니다.
아공석강은 상온에서 0.008%~0.76%의 탄소 함유량을 가지고 있습니다. 아공석강일 경우에는 페라이트가 초석으로 흰색을 띠고 나머지 층상조직이 펄라이트입니다.
탄소강은 용도에 따라 적당한 탄소량의 것을 선택하여 사용합니다. 탄소강은 아공석강, 공석강, 과공석강이 있는데 0.85C이하는 아공석강이고 0.85C일 때 공석강, 0.85C이상일 때 과공석강이라고 합니다.
공석강
공석강(共析鋼)은 0.86%의 탄소를 함유한 탄소강으로, 풀림 상태에서 공석조직만을 가지고 있는 강을 말합니다. 공석강은 727℃ 이하로 냉각되면 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 공석반응을 일으키는 강으로, 이 반응이 일어나는 온도를 A1선이라고 부릅니다.
공석강은 탄소량이 공석조직보다 많은 강을 과공석강, 적은 강을 아공석강이라고 합니다. 아공석강은 상온에서 0.008%~0.76%, 과공석강은 상온에서 0.78%~2.01%의 탄소 함유량을 가지고 있습니다.
과공석강
과공석강은 탄소강의 한 종류로, 탄소 함유량이 0.8~2.0%C 범위에 속합니다. 공업적으로 생산되는 과공석강은 대부분 0.8~1.2%C 범위의 탄소량을 가지고 있습니다.
탄소강은 철과 탄소의 합금으로, 0.05~2.1%의 탄소를 함유한 강을 말합니다. 탄소량에 따라 아공석강, 공석강, 과공석강으로 나뉩니다. 탄소량이 공석조직보다 많은 강을 과공석강, 적은 강을 아공석강이라 합니다.
과공석강은 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트로 변태하므로 이 SE선을 Acm선이라고 부릅니다.
Fe3C 상태도 형성 조직
초석 페라이트
초석 페라이트는 철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도에서 형성되는 페라이트를 말합니다. 아공석강(0.8%C 이하의 탄소강)을 냉각시키면 오스테나이트에서 초석 페라이트가 석출됩니다.
초석 페라이트와 구별하기 위해 펄라이트를 구성하고 있는 페라이트를 공석 페라이트(eutectoid ferrite)라고 부릅니다.
펄라이트
펄라이트는 탄소강에서 발견되는 금속 조직으로, 페라이트와 세멘타이트의 교대 층으로 구성되어 있습니다. 펄라이트는 매우 강인한 조직으로, 인장 강도가 35 kgf/㎟, 연신율 40%, 브리넬 경도(HB) 80 정도로 매우 연한 조직입니다.
초석 시멘타이트
초석 시멘타이트는 침탄 시 생성되는 탄화물입니다. 초석 시멘타이트는 철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도에서 형성되며, 펄라이트(α철+Fe₃C) 구역과 함께 존재합니다.
초석 시멘타이트는 망상 구조를 띄고 있습니다. 콘크리트 보강용 과공석강 선재를 제조할 때, 열간가공 및 냉각조건을 제어하면 초석 시멘타이트의 생성과 성장을 억제할 수 있습니다.
공석, 공정, 포정점
공석반응은 하나의 고상이 한 온도에서 다른 2개의 고상으로 바뀌는 현상을 말합니다. 공정반응은 두 개의 고상이 냉각될 때 또 다른 하나의 고상으로 바뀌는 반응을 말합니다. 포정반응은 하나의 고상과 하나의 액상이 다른 하나의 고상으로 바뀌는 현상을 말합니다.
포정반응은 불변반응이고, 따라서 포정점 또한 불변점이 됩니다. 포정점은 0.17%C, 1495°C입니다.
마무리
오늘은 탄소강 Fe3C 상태도(Phase diagram)에 대해 알아보았습니다.
상태도는 온도에 따른 Fe3C의 구성 성분과 미세조직의 변화를 보여줍니다. 온도가 낮을 때는 세멘타이트 조직을 가지며, 온도가 높아짐에 따라 오스테나이트로 상변화합니다.
최대 용해도는 6.67wt%C로 720°C에서 나타납니다. 이 온도 이상에서는 1차 세멘타이트와 오스테나이트가 공존하는 2상 영역이 됩니다.
결론적으로 탄소강의 미세조직과 기계적 성질은 온도에 따른 Fe3C의 상태 변화에 크게 영향을 받습니다.