탄소강

Carbon steel
강철
Разливка жидкого чугуна.jpg
단계
미세 구조
반
기타 철기 재료

탄소강은 탄소함유량이 약 0.05~2.1%인 강철이다.AISI(American Iron and Steel Institute)의 탄소강 정의는 다음과 같습니다.

  • 크롬, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 니켈, 니오브, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄 또는 원하는 합금 효과를 얻기 위해 첨가해야 할 다른 원소에 대해 최소 함량이 명시되지 않았거나 요구되지 않는다.
  • 구리에 대한 지정 최소값이 0.40%를 초과하지 않아야 한다.
  • 또는 망간 1.65 퍼센트, 규소 0.60 퍼센트, 구리 0.60 [1]퍼센트 중 하나에 대해 지정된 최대 함량이 명시된 백분율을 초과하지 않아야 한다.

탄소강이라는 용어는 스테인리스강이 아닌 강철과 관련하여 사용될 수도 있다. 이 용도에서 탄소강은 합금강을 포함할 수 있다.고탄소강은 밀링 머신, 절삭 공구(예: 끌), 고강도 와이어 등 다양한 용도로 사용됩니다.이러한 응용 프로그램에는 훨씬 더 미세한 미세 구조가 필요하며, 이로 인해 인성이 향상됩니다.

카본강은 칼날이 더 잘 유지되도록 많은 양의 탄소로 인해 나이프 제조에 널리 사용되는 금속입니다.이 유형의 강철을 최대한 활용하려면 강철을 적절히 열처리하는 것이 매우 중요합니다.그렇지 않으면 칼이 부서지기 쉬우거나 날이 너무 부드러워질 수 있습니다.

탄소 함량이 증가함에 따라 강철은 열처리를 통해 단단해지고 강해질 수 있지만 연성은 감소합니다.열처리에 관계없이 탄소함유량이 높을수록 용접성이 저하됩니다.탄소강의 경우 탄소 함량이 높을수록 녹는점이 낮아집니다.[2]

유형

참고 항목: SAE 강철 등급

연강 또는 저탄소강

연강(소량의 탄소, 강성, 강성, 강성이 있지만 쉽게 강화되지 않는 강철)은 가격이 비교적 저렴하면서도 많은 용도에 적합한 재료 특성을 제공하기 때문에 현재 가장 일반적인 강철 형태입니다.연강에는 약 0.05–0.30%의[1] 탄소가 함유되어 있어 가단성과 연성이 있습니다.연강은 상대적으로 인장 강도가 낮지만 가격이 저렴하고 쉽게 형성됩니다.침탄에 의해 [3]표면 경도를 높일 수 있다.

굴곡을 최소화하기 위해 큰 단면을 사용하는 경우 항복에 의한 파손은 위험이 없으므로 저탄소강은 예를 들어 구조강과 같은 최선의 선택이다.연강의 밀도는 약 7.85g/cm3(7850kg/m3 또는 0.284lb/in3)[4]이며 영률은 200GPa(29,000ksi)[5]입니다.

저탄소강은 재료에 두 개의 항복점이 있는 항복점 런아웃을 표시합니다.첫 번째 항복점(또는 상한 항복점)이 두 번째 항복점보다 높고 상한 항복점 이후 수율이 급격히 떨어집니다.저탄소강은 상부 항복점과 하부 항복점 사이의 특정 지점에만 응력을 받으면 표면에 뤼더 [6]밴드가 발생한다.저탄소강은 다른 강철에 비해 탄소 함량이 적고 냉간성형이 용이하여 [7]취급이 용이합니다.저탄소강의 일반적인 용도는 자동차 부품, 파이프, 구조 및 식품 [8]캔입니다.

고장력강

고장력강은 저탄소 또는 중탄소 범위의 [citation needed]하단부에 있는 강철로 강도, 마모 특성 또는 특정 인장 강도를 증가시키기 위해 합금 성분을 추가로 사용합니다.이러한 합금 성분에는 크롬, 몰리브덴, 실리콘, 망간, 니켈, 바나듐 등이 있습니다.인, 유황 등의 불순물은 최대 허용 함량이 제한된다.

고탄소강

열처리를 성공적으로 수행할 수 있는 탄소강의 탄소 함량은 중량 기준 0.30~1.70%입니다.다양한 다른 원소의 미량 불순물은 생성되는 강철의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.특히 미량의 유황은 강철을 붉은색 단색으로 만듭니다. 즉, 작업 온도에서 부서지기 쉽고 부서지기 쉽습니다.A36 등급과 같은 저합금 탄소강은 약 0.05%의 유황을 함유하고 있으며 1,426–1,538°C(2,599–2,800°F)[9]에서 녹습니다.망간은 저탄소강의 경화성을 개선하기 위해 종종 첨가된다.이러한 추가 성분으로 인해 재료는 일부 정의에 따라 저합금 강철로 변하지만, AISI의 탄소강 정의에 따르면 중량 기준 망간은 최대 1.65%까지 허용됩니다.

AISI 분류

참고 항목: SAE 강철 등급

탄소강은 탄소 [1]함량에 따라 4가지 등급으로 나뉩니다.

저탄소강

0.05~0.25%의 탄소(표준 탄소강) 함량.[1]

중탄소강

약 0.3~0.5%의 탄소 함유량.[1]연성과 강도를 균형 있게 조정하고 내마모성이 우수하며, 대형 부품,[10][11] 단조 및 자동차 부품에 사용됩니다.

고탄소강

약 0.6~1.0%의 탄소 함유량.[1]매우 튼튼하며 스프링, 날붙이, 고강도 [12]와이어에 사용됩니다.

초고탄소강

약 1.25~2.0%의 탄소 함유량.[1]매우 단단하게 담금질할 수 있는 강철입니다.(비공업용) 칼, 도끼, 펀치 등 특수한 용도로 사용.탄소 함량이 2.5% 이상인 대부분의 강철은 분말 야금을 사용하여 제조됩니다.

열처리

특정 유형의 열처리에 대한 온도 및 탄소 범위를 보여주는 철-탄소 위상도입니다.
주요 기사:열처리

탄소강의 열처리의 목적은 강철의 기계적 특성, 즉 일반적으로 연성, 경도, 항복 강도 또는 내충격성을 변경하는 것입니다.전기 및 열전도율은 약간만 변경된다는 점에 유의하십시오.대부분의 강철 강화 기술과 마찬가지로 Young의 계수(탄성)는 영향을 받지 않습니다.강철 연성의 모든 처리는 강도를 높이기 위해 거래되며, 그 반대도 마찬가지입니다.철은 오스테나이트 단계에서 탄소에 대한 용해도가 높기 때문에 구상화 및 공정 아닐링을 제외한 모든 열처리는 오스테나이트 단계가 존재할 수 있는 온도로 강철을 가열하는 것으로 시작됩니다.그런 다음 강철을 중간에서 낮은 속도로 급랭(열 배출)하여 탄소가 오스테나이트(시멘트)를 형성하고 페라이트를 남기거나 높은 속도로 철 안에 탄소를 가두어 마르텐사이트를 형성합니다.강철이 공정상 온도(약 727°C)를 통해 냉각되는 속도는 탄소가 오스테나이트에서 확산되어 시멘트석을 형성하는 속도에 영향을 미칩니다.일반적으로 빠르게 냉각하면 탄화 철이 미세하게 분산되어 미세한 입자 형태의 펄라이트가 생성되며 천천히 냉각하면 더 거친 펄라이트가 생성됩니다.하이에우텍토이드강(0.77wt%C 미만)을 냉각하면 α-페라이트(거의 순수한 철)를 사이에 둔 탄화철층의 층상진피 구조가 된다.초페레텍토이드강(0.77wt%C 이상)인 경우, 구조물은 입자 경계에 작은 입자(펄라이트 라멜라보다 큰)의 시멘트 알갱이가 형성된 풀 펄라이트이다.공정강(0.77% 탄소)은 입자 전체에 퍼라이트 구조를 가지며 경계에는 시멘타이트가 없습니다.성분의 상대적 양은 레버 규칙을 사용하여 확인할 수 있습니다.다음은 가능한 열 처리 유형 목록입니다.

구상화
탄소강을 약 700°C로 30시간 이상 가열할 때 스페로이드이트가 형성됩니다.스피로이드라이트는 낮은 온도에서 형성될 수 있지만 확산 제어 과정이기 때문에 필요한 시간이 급격히 증가합니다.그 결과, 1차 구조(페라이트 또는 펄라이트, 공정의 어느 쪽에 있느냐에 따라 달라짐) 내에 시멘트 구 또는 막대 구조가 형성됩니다.목적은 고탄소강을 부드럽게 하고 성형성을 높이는 것입니다.이것은 강철의 가장 부드럽고 연성이 [13]높은 형태입니다.
풀 어닐링
탄소강은 Ac3 또는 Acm의 약 400°C까지 1시간 동안 가열됩니다. 이렇게 하면 모든 페라이트가 오스테나이트로 변환됩니다(단, 탄소 함량이 유텍토이드보다 클 경우 시멘트 성분이 여전히 존재할 수 있음).그런 다음 강철을 시간당 20°C(36°F) 범위에서 천천히 냉각해야 합니다.보통 용광로 냉각 방식이며, 강철이 내부에 남아 있는 상태에서 용광로가 꺼집니다.이것은 펄라이트의 "밴드"가 [14]두껍다는 것을 의미하는 거친 펄라이트 구조를 낳는다.완전 아닐강은 내부 응력이 없는 부드럽고 연성이며, 비용 효율적인 성형에 종종 필요합니다.구상강만이 더 부드럽고 [15]연성이 높습니다.
프로세스 어닐링
0.3%C 미만의 냉간가공 탄소강에서 응력을 완화하기 위해 사용되는 공정입니다.강철은 보통 550 – 650°C로 1시간 동안 가열되지만 때로는 온도가 700°C까지 상승하기도 합니다.오른쪽 이미지는[clarification needed] 프로세스 어닐링 영역을 보여줍니다.
등온 어닐링
차아공정강은 임계 상한 온도 이상으로 가열되는 공정입니다.이 온도는 일정 시간 유지되었다가 임계 하한 온도 이하로 낮아졌다가 다시 유지됩니다.그런 다음 상온으로 냉각됩니다.이 방법은 온도 구배를 제거합니다.
정규화
탄소강은 Ac3 또는 Acm보다 약 550°C 높게 1시간 동안 가열됩니다. 그러면 강철이 오스테나이트로 완전히 변환됩니다.그런 다음 강철을 공랭합니다. 이는 분당 약 38°C(100°F)의 냉각 속도입니다.이것은 미세한 펄라이트 구조와 보다 균일한 구조를 낳는다.정규화된 강철은 아닐 강철보다 강도가 높고 상대적으로 강도와 [16]경도가 높습니다.
담금질
탄소강은 최소 0.4 중량 % C로 정상 온도까지 가열된 후 물, 소금물 또는 기름에서 임계 온도까지 빠르게 냉각(급랭)됩니다.임계 온도는 탄소 함량에 따라 달라지지만 일반적으로 탄소 함량이 증가할수록 낮아집니다.그 결과 마텐사이트 구조가 됩니다.이는 변형된 체심입방정형(BCC) 결정 구조에서 초포화 탄소 함량을 가진 강철의 한 형태로, 내부 응력이 큰 체심 사방정형(BCT)이라고 불립니다.따라서 급랭된 강철은 매우 단단하지만 부서지기 쉬우며, 일반적으로 실용적인 용도로 사용하기에는 너무 부서지기 쉽습니다.이러한 내부 응력으로 인해 표면에 응력 균열이 발생할 수 있습니다.담금질된 강철은 정규화된 [17]강철보다 약 3배 더 단단합니다(탄소량이 더 많은 4개).
마템퍼링(마치)
마르템퍼링은 사실 담금질 절차가 아니기 때문에 마르켄칭이라는 용어입니다.이는 "마텐사이트 시작 온도" 바로 위의 온도에서 초기 담금질 후(일반적으로 용융 염탕에서) 적용되는 등온 열 처리의 한 형태입니다.이 온도에서는 재료 내의 잔류응력이 완화되어 다른 것으로의 변환시간이 없었던 유지된 오스테나이트로부터 일부 베이나이트가 형성될 수 있다.산업에서는 재료의 연성과 경도를 제어하는 데 사용되는 공정입니다.후크가 길어지면 연성이 강도의 손실이 최소화되면서 증가합니다. 강철은 부품의 내부 및 외부 온도가 같아질 때까지 이 용액에 유지됩니다.그런 다음 강철은 온도 구배를 최소화하기 위해 적당한 속도로 냉각됩니다.이 공정은 내부 응력과 응력 균열을 줄일 뿐만 아니라 [18]내충격성도 높입니다.
템퍼링
최종 특성은 온도와 시간에 따라 정확하게 결정될 수 있기 때문에 이는 가장 일반적인 열처리입니다.템퍼링에는 재냉각된 강철을 공정체 온도보다 낮은 온도로 가열하고 냉각하는 작업이 포함됩니다.온도가 상승하면 극소량의 스피로이드사이트가 형성되어 연성은 회복되지만 경도는 감소합니다.실제 온도와 시간은 [19]성분별로 신중하게 선택됩니다.
오스템퍼링
오스템퍼링 프로세스는 담금질이 중단되고 강철이 205°C에서 540°C 사이의 온도에서 용융 염조에 유지된 다음 적당한 속도로 냉각된다는 점을 제외하면 마템퍼링과 동일합니다.결과적으로 발생하는 강철인 베이나이트는 강철에서 (마텐사이트보다 적지만) 높은 강도, 높은 연성, 높은 충격 저항성 및 적은 왜곡을 가진 침상 미세 구조를 생성합니다.오스템퍼링의 단점은 몇 장의 강철판에만 사용할 수 있고 특수 [20]염탕이 필요하다는 것입니다.

케이스 강화

주요 기사:케이스 강화

케이스 경화 공정은 강철 부품의 외부만 경화시켜 단단하고 마모에 강한 피부(케이스)를 만들지만 견고하고 연성 있는 내장을 유지합니다.탄소강은 경화성이 뛰어나지 않기 때문에 두꺼운 부분 전체에 걸쳐 경화되지 않습니다.합금강은 경화성이 우수하여 스루 경화가 가능하며 케이스 경화가 필요하지 않습니다.탄소강의 이러한 특성은 표면에 양호한 마모 특성을 제공하지만 코어가 유연하고 충격 흡수성을 유지하므로 유익할 수 있습니다.

강철 단조 온도

[21]

스틸 타입 최대 단조 온도 연소 온도
(°F) (°C) (°F) (°C)
1.5% 탄소 1920 1049 2080 1140
1.1% 탄소 1980 1082 2140 1171
0.9% 탄소 2050 1121 2230 1221
0.5% 탄소 2280 1249 2460 1349
0.2% 탄소 2410 1321 2680 1471
3.0% 니켈강 2280 1249 2500 1371
3.0% 니켈-나트륨강 2280 1249 2500 1371
5.0% 니켈(케이스 용접)강 2320 1271 2640 1449
크롬 바나듐강 2280 1249 2460 1349
고속강 2370 1299 2520 1385
스테인리스강 2340 1282 2520 1385
오스테나이트 크롬-니켈강 2370 1299 2590 1420
실리코망간스프링강 2280 1249 2460 1350

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g "탄소강 및 저합금강 분류"
  2. ^ Knowles, Peter Reginald (1987), Design of structural steelwork (2nd ed.), Taylor & Francis, p. 1, ISBN 978-0-903384-59-9.
  3. ^ 저탄소강 엔지니어링 기초 페이지
  4. ^ 를 클릭합니다Elert, Glenn, Density of Steel, retrieved 23 April 2009.
  5. ^ 를 클릭합니다Modulus of Elasticity, Strength Properties of Metals – Iron and Steel, retrieved 23 April 2009.
  6. ^ 드가모, 페이지 377
  7. ^ "Low-carbon steels". efunda. Retrieved 25 May 2012.
  8. ^ "What Are the Different Types of Steel? Metal Exponents Blog". Metal Exponents. 18 August 2020. Retrieved 29 January 2021.
  9. ^ "MSDS, carbon steel" (PDF). Gerdau AmeriSteel. Archived from the original on 18 October 2006.{{cite web}}: CS1 유지보수: 부적합한 URL(링크)
  10. ^ Nishimura, Naoya; Murase, Katsuhiko; Ito, Toshihiro; Watanabe, Takeru; Nowak, Roman (2012). "Ultrasonic detection of spall damage induced by low-velocity repeated impact". Central European Journal of Engineering. 2 (4): 650–655. Bibcode:2012CEJE....2..650N. doi:10.2478/s13531-012-0013-5.open access
  11. ^ 중탄소강 엔지니어링 기초 페이지
  12. ^ 고탄소강 엔지니어링 기초 페이지
  13. ^ 스미스, 페이지 388
  14. ^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (October 2014). "Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels". Metall Mater Trans A. 46: 123–133. Bibcode:2015MMTA...46..123A. doi:10.1007/s11661-014-2600-y. S2CID 136871961.
  15. ^ 스미스, 페이지 386
  16. ^ 스미스, 386–387페이지
  17. ^ 스미스, 373–377페이지
  18. ^ 스미스, 389–390페이지
  19. ^ 스미스, 387–388페이지
  20. ^ 스미스, 391페이지
  21. ^ Brady, George S.; Clauser, Henry R.; Vaccari A., John (1997). Materials Handbook (14th ed.). New York, NY: McGraw-Hill. ISBN 0-07-007084-9.

참고 문헌

Wikimedia Commons에는 탄소강 관련 미디어가 있습니다.
  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Oberg, E.; et al. (1996), Machinery's Handbook (25th ed.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
  • Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.