탄소강의 정의와 이해

목차

1. 철과 강

2. 탄소강

본문내용

ot Working)의 2가지 방법이 있다. 냉간가공은 재결정온도 이하의 온도에서 가공하는 것을 말하고, 열간가공은 재결정온도 이상에서 가공하는 것을 말한다.
소성가공의 목적은 단지 원하는 형상으로 형태를 변화시키는 것뿐만 아니라, 열간가공에서는 주조조직을 파괴시켜서 조직을 균질화시키는 효과를 꾀하고, 냉간가공에서는 가공경화에 의한 강도향상도 중요한 목적에 포함되어 있다.
소성가공 방법에는 압연, 단조, 압출, 인발, 프레스가공 등 여러 가지가 있으나, 소성가공의 관점에서 가장 주된 방법은 압연이므로 본 절에서는 압연에 관해서 주로 서술하고자 한다.
1) 예비압연(Primary Rolling)
제강에 의해서 얻어진 잉고트를 1370 정도로 가열한 후에 꺼내어 예비압연기로 열간압연해서 그림 5과 같은 슬라브(slab), 빌렛(billet) 또는 불룸(bloom) 등의 형태로 만드는 것이 예비압연이다. 슬라브 형태로 예비압연 된 잉고트는 강판을 만들기 위해서 재차 압연되고, 사각형의 불룸 형태로 예비압연 된 잉고트는 빔(beam), 앵글(angle) 및 레일(rail)을 만들기 위해서 재차 압연되고, 빌렛 형태로 예비압연 된 잉고트는 강선, 강봉 및 강관 등을 만들기 위해서 사용된다.
그러나 연속주조(連續鑄造 ; Continuous Casting)를 하면 슬라브, 빌렛, 및 불룸 등의 형태로 직접 주조되기 때문에 예비압연 과정이 필요치 않게 된다.
그림 5 예비압연 후 강재의 전형적인 단면모양
2) 열간가공
열간압연된 강판을 만들기 위해서는 슬라브를 1315 정도로 재가열한 후, 일련의 열간압연기를 거쳐서 25cm에서 2.5mm정도로 두께를 감소시킨다. 자동차용 강판에 주로 사용되는 저탄소강을 압연할 때에는 AlN이 고용될 수 있을 정도의 온도로 재가열하여야 한다. 슬라브의 온도도 각 압연공정마다 고압의 물을 분사시켜서 표면의 산화피막을 제거시킬 수 있을 정도로 충분히 높게 유지해야 하는데, 만약 산화피막이 제거되지 않으면 최종 압연강판의 표면상태가 나빠지게 된다.
열간압연은 재결정온도 이상에서 행함으로써 결정립의 형태와 크기가 변화된다. 그림 6은 열간압연에 의해서 결정립의 변화되는 예를 도식적으로 보여주는 것이다.
그림 6 열간압연중의 강의 미세조직 변화
압연기의 좌측 (a)부분은 오스테나이트 상태로 가열된 슬라브이다. 이 부분은 아직 압연되지 않았으므로 조대한 결정립의 형상을 나타내고 있다. 압연기 사이로 밀려들어감에 따라서 결정립들은 압착되어 압연방향으로 늘어나게 되고, 압연기를 빠져 나오면서 재결정에 의해서 새로운 결정립이 형성된다. 이때 온도가 너무 높으면 결정립이 성장하여 조대화 됨으로 열간가공 온도가 너무 높으면 안된다. 특히 열간가공 시 재결정온도 이하로 냉각될 때에 미세한 결정립을 얻기 위해서는 재결정온도보다 약간 높은 온도에서 마무리 가공을 해야만 한다. 따라서 최종압연온도(Rolling Finishing Temperature)는 강의 최종조직과 직접적으로 연관되므로 가능하면 높지 않은 온도에서 마무리압연을 해야만 한다. 강의 열간압연 시에 나타나는 효과는 다음과 같다.
① 주조된 잉고트의 조대한 주상정 조직이 파괴된다.
② 주조 시에 일어나는 수지상정 편석을 제거시켜서 균질화를 이룰 수 있다.
③ 특히 림드강에 존재하는 기포(blow hole)나 기공(porosity)들이 압착되어 제거된다.
④ 비금속 개재물들이 깨지고 압연방향으로 늘어나게 되어 압연제품의 성질에 방향성을 주게 된다. 일반적으로 압연방향으로의 강도가 증가된다.
⑤ 최종압연온도가 재결정온도에 근접되면 결정립 미세화를 이룰 수 있다.
그림 7은 0.2%C를 가지는 고장력 저합금강(HSLA ; High Strength Low Alloy Steel)의 열간압연된 조직을 보여주고 있다. 흰 부분이 페라이트이고 검은 부분이 펄라이트이다.
그림 7. HLSA의 열간압연조직
3) 산세(Pickling)
열간압연 후에 냉간압연하여 두께를 감소시킬 때에는 열간압연 공정에서 형성된 산화피막을 제거시키기 위해서 산으로 세척해야만 한다. 이 공정은 보통 연속적으로 수행되며, 82 정도의 염산이나 황산 속에 담가서 산화피막을 제거시키는 것이다.
4) 냉간가공
강을 재결정온도 이하(주로 A1변태온도 이하)에서 가공하면 강도와 경도가 대단히 증가되고 연신율은 감소하게 된다. 이와 같이 냉간가공을 함으로써 강도 및 경도가 증가되는 현상을 가공경화(加工硬化 ; Work Hardening), 또는 변형경화(變形硬化 ; Strain Hardening)라고 하며, 저탄소강에서의 강도향상을 위한 중요한 방법이다.
따라서 강을 냉간가공 하면 경화됨으로서 계속적인 가공이 곤란하게 되어서 가공도중에 풀림처리를 해주어야만 하기 때문에 매우 비경제적이지만, 열간가공 후에 최종적으로 냉간가공에 의해서 강도를 증가시켜야 한다든지, 또는 깨끗한 표면상태를 얻어야만 할 때에는 냉간가공이 효과적이다.
강을 냉간가공하면 조직이 섬유상으로 늘어나게 되고, 전술한 바와 같이 인장강도, 항복점, 경도 등은 증가되지만 연신율, 단면수축율은 감소되므로 성질이 취약하게 된다. 따라서 가공도중에 풀림처리를 하여 연화시켜야 한다. 그림 8은 저탄소강(0.1%C)을 냉간가공했을 때 가공도에 따라서 기계적 성질이 변화되는 것을 보여주는 것이고, 그림 9는 이 강을 90%의 가공도로 냉간압연한 후에 550 에서 풀림처리 했을 때 시간에 따라 재결정이 진행되는 것을 보여주고 있다.
이와 같이 강을 냉간가공 한 후에 풀림처리 할 때 재결정이 일어나서 연화된다. 그림 10은 풀림온도에 따른 인장강도와 연신율의 변화를 나타낸 것으로서, 이 그림에서 보면 강의 재결정은 500 정도에서 시작된다는 것을 알 수 있다. 한편 풀림온도는 600 를 넘어서면 안되는데, 그 이유는 600 이상에서 결정립이 성장되기 때문이다.
그림 8. 가공도에 따른 기계적 성질의 변화
그림 9. 저탄소강(0.1%C)을 냉간가공 한 후 550 에서 풀림처리 할 때의 조직변화
(a) 106초(10% 재결정), (b) 7분(40% 재결정), (c) 14.5분(80% 재결정)
그림 10. 재결정온도

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탄소강,   페라이트,   오스테나이트,   물리적,   기계적,   탄소