철의 성질과 특성

1. 철의 성질

순수한 철은 질김과 가단성이 풍부한 금속이다.

연하여 압연(壓延)이 잘 되기 때문에 얇은 종이보다 더 얇은 판으로도 만들 수도 있다.

철의 용융점은 1,538℃이며, 비등점은 3,000℃보다 약간 낮다.

자연에는 철의 동위원소가 8종류 있으며, 그 중 원자량 56의 것이 가장 많이(91.64%) 존재한다.

철원자의 최외각 궤도에는 전자다 2개 존재하며 밖에서 두 번째 궤도에는 전자가 14개 존재한다.

그러나 이 14개 전자중 1개가 궤도를 이탈하여 화학반응에 참여함으로써 철은 화학적으로 2가

또는 3가로 행세한다.

고순도의 철은 금(Au)과 같이 공기중에서 산화되지 않는다.

그러나 너무 연하여 강도가 없기 때문에 일반적으로 제찰(製鐵)이라고 하는 모든 철강제품은

사실상 강(鋼) 또는 주철(鑄鐵), 즉 철과 탄소의 합금으로 되어 있다.

철은 소위 카멜레온 금속중 하나이다. 즉, 온도에 의하여 결정형이 달라진다.

고순도 철을 천천히 가열하여 어느 정도 온도에 도달하면 열이 계속 가해져도 더 이상의 온도로

상승하지 않는 기묘한 현상이 나타난다.

2. 철의 강도를 결정하는 탄소

고순도의 철은 연하기 때문에 기계나 건축물의 구조재로 사용하기에는 부적합하다.

여기에 강도를 주기 위해 탄소(C)를 첨가한다.

즉, 목탄, 코크스 등은 철을 단단한 강이나 주철로 변환시킨다.

결국 철강의 성질은 0.01~0.7% 정도 함유되어 있는 탄소(C)의 양에 따라 크게 좌우되는데 탄소의 함유량이 적을수록 연하고 늘어나기 쉬우며 탄소량이 증가할수록 경도와 강도는 증가하지만 탄성력과 신장률은 감소하는 경향을 나타내고 있다.

주철과 대부분의 강은 철과 탄소의 합금이다.

철(Fe)에 0.05~0.3%의 탄소가 함유된 것을 보통강이라고 부른다.

이중에서도 비교적 탄소량이 적은 강은 기계의 구조부분이나 축(軸)에 사용되며,

탄소량이 많은 것은 레일 등에 사용된다.

탄소량 0.7~1.3%의 것은 공구강이라고 하며, 금속가공용의 공구가 이것으로 만들어진다.

공구강은 담금질 열처리가 잘 되기 때문에 쉽게 단단해 진다.

탄소량이 2%이상인 것은 강(降)이라 하지 않고 주철이라고 부른다.

주철에도 여러 종류가 있으나 탄소의 대부분이 흑연의 형태로 포함된 것을 회(색)주철이라 하고

탄소가 철의 화합물(시멘타이트, Fe3C)의 형태로 포함된 것을 백주철이라 한다.

회주철은 대단히 연하며 가공이 쉬우나 백주철은 단단하며 여린 성질을 갖고 있다.

주철의 용도는 매우 다양하다 기계의 받침부분, 엔진 몸체, 수도관 등 많은 것이 주철로

만들어진다. 비교적 저온에서 용해되며 주조가 용이하여 공원의 울타리나 조각에도 사용된다.

3. 강의 성질에 미치는 합금원소

함금원소중에는 강의 성질을 개선시키기 위해 인위적으로 첨가시키는 것도 있지만

미량 잔류량으로도 강의 성질을 해치는 것도 있다.

강에 함유된 여러 가지 주요 원소들이 강에 미치는 여향을 살펴보면 다음과 같다.

탄소(C)  

강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다.

오스테나이트에 고용되어 담금질시 마르텐사이트조직을 형성시킨다.

탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질시 변향 가능성을 크게 만든다.

철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성, 강도와 경도를 향상시킨다.

망간(Mn)  

강중에는 보통 0.35~1.0%가 함유되어 있다.

그중 일부는 강속에 고용되어 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를

형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시 가공방향으로 길게 연신된다.

그러나 MnS의 형성으로 강속에 있는 황성분이 감소하면서 결정립이 취약해지고

저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.

강의 내산성과 내산화성을 저해하지만 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화시킴으로써

항복강도를 향상시킨다.

담금질시 경화깊이를 증가시키지만 다량 함유시에는 담금질균열이나 변형을 유발시킨다.

또한 강에 점성을 부여하기 때문에 1.0~1,5%의 망간이 첨가된 강을 강인강(强靭鋼)이라고 부른다.

특히 1.3% 탄소와 13% 망간이 함유된 오스테나이트강을 헤드필드(Headfield)강이라고 부른다.

황(S)  

보통 망간, 아연, 티타늄, 몰리브덴 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며

망간과 결함하여 MnS개재물을 형성한다. 강중에 망간의 양이 충분하지 못할 경우 철과 결합하여

FeS를 형성한다.

이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간 가공시에 균열을 일으킨다.

따라서 이러한 FeS개재물 형성을 피하기 위해 망간과 황의 비는 5대 1로 하고 있다.

인(P)  

강중에 균일하게 분포되어 있으면 별 문제가 되지 않지만 보통 Fe3P의 해로운 화합물을

형성한다.

이 Fe3P는 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림처리를 해도 균질화되지 않고 단조, 압연 등

가공시 길게 늘어난다.

충격저항을 저하시키고 뜨임취성을 촉진하며 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키지만 일반적으로

강에 해로운 원소로 취급된다.

규소(Si)  

선철과 탈산제에서 잔류된 것으로 SiO2와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트

속에 고용되므로 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는다.

또한 강력한 탈산제로써 4.5%까지 첨가하면 강도가 향상되지만 2%이상 첨가시는 인성이 저하되고 소성가공성을 해치기 때문에 첨가량에 한계가 있다.

뜨임시 연화 저항성을 증대시키는 효과도 있다.

질소(N)  

극히 미량으로도 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는데

인장강고, 항복강도를 증가시키는 반면 연신율을 저하시킨다.

특히 충격치의 감소 및 천이온도의 상승이 현저하다.

질소는 침입형 원소로써 확산속도가 빠르고 페라이트에 대해 최대 0.1%에서 0.003%까지

연속적으로 용해도 변화를 나타낸다.

이 때문에 강의 각종 취성이나 시효 경화성을 나타낸다.

담금질 시효, 냉간가공에 의한 변형시효, 200~300℃에서의 청열취성에 의해

인장강도, 항복강도는 증가하고 충격치는 저하하여 강의 취하를 일으킨다.

이를 방지하기 위해 친화력이 큰 알루미늄, 티타늄, 바나듐, 붕소 등을 첨가하여 취하현상을

방지한다.

다른 원소와 결합하여 질화물을 형성하는데 AlN이 강중에 미세하게 석출되어 있으면 스테나이트 결정립이 미세하게 되어 세립강 제조가 가능하지만 다량 존재하면 고온 인성이 저하되며 , 특히 단조시 오스테나이트입계에 AlN이 석출되어 입계취성을 일으키고 고온크리프강도를 저하시킨다.

이밖에 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 니오븀 등과 질화물을 형성하여 결정립을 미세화시킨다.

수소(H)  

원자반경이 매우 작아 강중에 침입형으로 존재하며 다른 원소에 비해 확산속도가 빠르다.

백점(白点), 헤어크랙, 선상조직, 용접시 비드균열 등 여러 가지 결함의 원인이 되며

이와 같은 결함을 방지하기 위해 진공용해 또는 진공처리에 의해 탈수소를 행하고 있다.

산소(O)  

철에 거의 고용되지 않기 때문에 강중에 주로 비금속개재물로 존재한다.

이중 SiO2, Al2O3, Cr2O3, TiO2등은 철에 대해 고용도를 갖지 않지만 FeO, MnO등은

고온에서 약간 고용되며 이들 비금속개재물은 강의 기계적 성질, 피로특성 등을 저하시킨다.

강중에 산소가 다량 존재하면 침탄시 이상조직의 원인이 되며 경화능을 저하시키고

가열에 의한 오스테나이트 결정립의 성장을 촉진시킨다.