탄소강이란 도대체 어떤 소재일까요? 이 기사에서는 탄소강의 특징과 대표적인 탄소강인 SS400과 S45C 및 S50C에 대해 설명합니다.
목차
가공이 쉽고 입수하기 쉽다. 일반적으로 사용되는 탄소강이란?
금속재료에 대해 이야기해 나가는데 우선 강철에 대해 알아야 합니다. 여기에서는 탄소강의 정의나, 종류, 탄소강의 특징에 대해 해설해 갑니다.
탄소강의 특징
탄소강이란, 강철의 일종으로 합금강(특수강)이 아닌 것을 말합니다.
탄소강의 특징을 해설하기 전에 먼저 강철의 정의에 대해 정리해 봅시다.
강철은 철을 기반으로 한 합금의 일종입니다. 철은 순철인 채로는 취약하고 녹슬기 쉽고, 공업 제품으로서는 사용할 수 없습니다. 거기서 철에는 탄소 「C」외, 망간이나 인 등을 배합해, 합금 상태로 사용하고 있습니다. “강”은 이 중 탄소의 양이 약 0.02%~2.14%인 것을 말합니다.
탄소량이 2.1%보다 많은 것은 「주철」이라고 불리고, 탄소의 함유량이 약 2.1%~6.67% 정도인 것이 주철로서 취급됩니다. 더 이상 탄소량이 늘어나면 다시 부서지기 쉽기에 공업 용도로 사용되지 않습니다.
JIS에서는 탄소량 0.02% 미만의 철을 「순철」, 탄소량이 0.02%~2.14%인 것을 「강철」, 그 이상의 주철을 「철」이라고 표기하고 있습니다. “철”과 “주철”의 정의에 주의가 필요합니다.
철에 함유되는 탄소량과 일반적인 명칭, JIS의 호칭은 아래 표와 같습니다.
| 이름 | 철 | 강철 | 주철 |
|---|---|---|---|
| 탄소 함량 | 0.02% 미만 | 0.02%~2.14% | 2.1%~6.67% |
| JIS 호칭 | 순철 | 강철 | 철 |
철은 포함되는 탄소의 양이 많아지면 딱딱해져 갑니다만, 한편으로는 보다 취약해져 갑니다. 힘을 받더라도 변형하기 어려워지는 한편, 충격적인 힘이 가해지거나, 허용 범위를 넘는 힘이 걸리거나 했을 때에, 부서지는 것 같은 파손을 해 버리기 쉬워집니다. 그 때문에 기계나 구조물의 재료에는, 경도와 강도의 양쪽을 겸비하고 있는 것이 요구되는 것입니다.
강철은 철이 딱딱함과 힘을 모두 겸비하기에 충분한 양의 탄소를 포함합니다.
또한 강철에 망간이나 크롬, 티타늄 등을 더해 다양한 특징을 갖게 한 것을 합금강이나 특수강이라고합니다.
녹슬기 어려운 성질의 강이나 열에 강한 성질의 강 등 목적에 맞추어 다양한 특징을 가진 특수강이 개발되고 있습니다.
강철 중 합금강이나 특수강에 해당하지 않는 것을 탄소강이라고 합니다. 즉 탄소강이란, 특수한 첨가물이나 가공을 실시하지 않은 그대로의 강철이라고 합니다. 탄소강은 철 “Fe”와 탄소 “C” 이외의 원소의 양이 기본값 이하로 정해져 있으며, 예를 들어 크롬이라면 0.3% 이하, 티타늄이라면 0.05% 이하로 되어 있습니다.
탄소강에도 다양한 종류가 있으며, 포함되는 탄소의 양과 사용목적, 강도 등에 따라 다음과 같이 분류되고 있습니다.
| 탄소 함량 | ～0.1% | 0.1%~0.25% | 0.25%~0.3% | 0.3%~0.6% | 0.6%~2.14% |
|---|---|---|---|---|---|
| 분류 | 저탄소강 | 중탄소강 | 고탄소강 | ||
| JIS 호칭 | SPC 재 냉간 압연 강판 |
SS재 일반 구조용 압연 강재 |
− | SK재 탄소공구강강재 |
|
| SC재 기계구조용 탄소강강재 |
|||||
탄소강은 함유하는 탄소의 양에 따라 분류되며 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 나뉩니다.
탄소 함유량이 0.02%~0.25%인 것을 저탄소강, 0.25%~0.6%인 것을 중탄소강, 0.6%~2.14%인 것을 고탄소강이라고 합니다.
강철은 탄소를 많이 포함하는 쪽이 단단한 소재가 되기 때문에, 저탄소강은 낮은 온도에서 변형시키는 냉간 압연으로 만들어지는 강판, 고탄소강은 경도가 요구되는 공구 등에 사용됩니다.
가장 널리 사용되는 강철. SS400이란?
SS400은 어떤 성격을 가진 재료입니까? 여기에서는 SS400의 특징과 용도에 대해 설명합니다.
특징
SS400은 일반 구조용 압연 강재라고 불리는 SS재(Structural Steel)의 일종입니다.
SS재는 이름과 같이 일반적인 구조물의 재료로서 압연으로 만들어진 강으로, SS재의 이름은 ‘SS’의 기호와 뒤에 오는 3자리 숫자로 표시됩니다. 예전에는 SS41로 표기되었습니다. 3자리의 숫자는 재료의 인장강도를 나타내고 있으며, SS400이면 인장강도가 400N/mm2 이상의 구조용강이라는 의미가 됩니다. SS재에는 SS400 이외에도 SS300이나 SS490 외에 SS540등의 종류가 있습니다만, 그 중에서도 가장 널리 사용되고 있는 것이 SS400입니다.
SS400은 다른 금속 재료에 비해 저렴하고 입수하기 쉬운 것이 특징입니다.
용접이나 절삭 등의 가공이 하기 쉽다는 특징도 있습니다. 또 판재의 상태에서의 유통도 많아, 판금 가공이나 레이저 컷등도 실시할 수 있습니다. 그러나 담금질은 할 수 없습니다. 또한 녹슬기 쉬운 소재이므로 도금이나 검은 염색 등의 방청 처리가 필요합니다.
용도
SS400은 다리나 배 등의 구조재에 사용되는 것 외에 대형의 기계나 차량 등, 기계 분야로부터 건축 분야까지 폭넓게 사용되고 있습니다. 철이나 강철로 무언가를 만들려고 할 때, 설계자가 가장 먼저 떠오르는 재료라고 해도 과언이 아닙니다. SS400은 넓고 일반적으로 사용되는 소재입니다.
SS400의 장점과 단점
가장 널리 사용되는 강재 SS400이지만 어떤 장점과 단점이 있습니까?
장점
- 저렴하고 입수하기 쉬운
- 용접하기 쉬운
- 판금이나 절삭 등의 가공에도 적합하다
- 다용도가 매우 높음
널리 유통되고 있는 범용 소재이므로, 다른 금속 소재에 비해 가격이 싸게 입수하기 쉬운 소재입니다. 스테인레스 등에 비하면 부드럽기 때문에 절삭이나 판금 등의 가공도 쉽고 다양한 용도로 이용할 수 있습니다. 탄소량이 낮고 열에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에 용접에도 적합합니다. 그러나 판 두께가 25mm 이상이 되는 등, 두꺼운 소재를 용접하고 싶은 경우에는 SS400이 아니라 SM재 등의 용접용 재료를 사용하는 것이 좋을 것입니다.
단점
- 담금질을 할 수 없다
- 철강재료 중에서 부드러운
- 녹슬기 쉽기 때문에 도금이나 도장 등의 부식 대책이 필요
SS400은 매우 일반적인 재료이기 때문에 철강 재료로 특별히 강한 재료가 아닙니다. 보다 강한 재료가 필요한 경우 등은 다른 재료도 검토할 필요가 있습니다. 또 탄소량이 낮게 담금질도 할 수 없기 때문에, 표면만의 경도를 얻는 것 같은 가공도 할 수 없습니다. 또 녹슬기 쉬운 소재이기에, 도금이나 도장, 흑피(산화 피막)로의 보호가 필요합니다.
SS400에서 자주 사용되는 표면 처리
SS400은 녹슬기 쉽기 때문에, 니켈 도금이나 크롬 도금 등의 표면 처리를 실시하는 케이스가 많습니다. 교량 등, 우리의 생활로 보는 SS재는, 도금 처리한 것을 한층 더 도장하고 있는 경우가 대부분입니다. 또 물이 닿지 않는 장소 등, 그다지 높은 내부식성이 요구되지 않는 경우에는, 흑피(산화 피막) 처리된 것을 사용하는 경우도 있습니다. 건설 공사 현장의 출입구나 지면 위에 깔려 있는 검은색 강재가 흑피 처리된 SS400입니다.
SS400에서 자주 사용되는 표면 처리 목록
- 사삼산화철 피막(흑염색): 약품을 이용하여 철의 표면을 산화시켜 사산화삼철(Fe3O4)의 피막으로 덮습니다. 부식을 방지합니다.
- 무전해 니켈 도금: 화학적 환원 작용에 의해 니켈린 도금을 실시합니다. 열처리와 함께 실시하면 표면의 경도를 높이고 내마모성을 향상시킵니다.
- 경질 크롬 도금: 장식 크롬 도금보다 두꺼운 크롬 도금입니다. 내마모성과 접동성이 향상됩니다.
- 3가 크로메이트: 도금의 품질 향상을 위해, 도금의 후처리로서 행해지는 처리입니다. 주로 전기 아연 도금에 사용됩니다.
S45C는 SS400과 함께 자주 사용되는 재료
S45C도 기계 재료로 매우 많이 사용되는 소재입니다. 여기에서는 S45C의 성질에 대해 설명합니다.
특징
S45C는 기계 구조용 탄소강강재라고 불리는 SC재(Steel Carbon)의 일종입니다.
SC재는 「SC」의 기호와 그 뒤에 오는 2자리의 숫자로 종류가 표기됩니다. 숫자 부분은 재료의 탄소 함량을 의미하며, S45C이면 0.45%의 탄소가 포함되어 있을 것입니다. 이전에는 S450C라고 표기되어 있었으므로, 낡은 도면 등에서는 S450C라고 하는 기재를 찾을 수 있을지도 모릅니다.
S45C는 SS400과 함께 매우 자주 사용되는 재료입니다. 또한 SC 재료 중에서 가장 인기있는 소재로 알려져 있습니다. 그 때문에 비교적 저렴하고 입수하기 쉽고, 다양한 장소에 사용되고 있습니다.
담금질 등의 열처리에 의해 내마모성이나 경도 등을 컨트롤 할 수 있기 때문에 기어와 같은 내구성을 요구하는 기계 부품에 특히 많이 사용됩니다. 한편으로 녹슬기 쉽기 때문에, 기름의 도포나 도장 등의 방청 처리가 필요하게 됩니다.
용도
S45C는 기계 부품, 특히 기계 내부의 부품에 많이 사용됩니다.
예를 들어 자동차 엔진 주변 부품 및 기어 외에도 도르래 및 브래킷과 같은 표준 기계 부품에도 사용됩니다. 철계 재료로 무언가를 만들려고 했을 경우, 강도를 그다지 필요로 하지 않는 경우에는 SS400, 강도나 내구성이 필요한 경우에는 S45C가 우선 최초의 재료의 후보에 오른다고 해도 과언에서는 없습니다. 그 정도까지 일반적인 기계 부품 재료로 사용되는 재료입니다.
S45C의 장점과 단점
S45C에는 어떤 장점과 단점이 있습니까? 순서대로 해설해 갑니다.
장점
- 열처리에 의해 강도를 부여하는
- 절삭가공은 열처리 전이면 하기 쉽다
- 범용성이 높음
널리 유통되고 있는 범용 소재이므로, 다른 금속 소재에 비해 가격이 싸게 입수하기 쉬운 소재입니다. 담금질 전이라면, 절삭 가공도 하기 쉽기 때문에, 기어 등을 만들 때에는 절삭 가공 후에 열처리를 실시하는 것이 일반적입니다. 한편, 연삭 가공에 대해서는, 절삭 가공 후에 열처리를 행하고, 그 후에 치수 조정 등을 위해 연삭을 실시하는 것이 일반적입니다.
단점
- 용접에 적합하지 않음
- 판금에는 많이 사용되지 않습니다.
- 녹슬기 쉽기 때문에 표면 처리 등이 필요
S45C는 열처리에 적합 소재입니다. 즉 열에 의해 성질을 바꾸기 쉽기에, 반대로 열을 사용하는 용접에는 그다지 적합하지 않습니다.
S45C에서 자주 사용되는 표면 처리
표면 처리의 선택 방법은 SS400과 같습니다.
S45C는 탄소강이기 때문에, 담금질이나 템퍼링 외에, 불림, 풀무 등, 일반적인 열처리가 많이 행해집니다. 한편 합금강 정도에는 담금질성이 높지 않기 때문에, 너무 깊게까지 담금질을 할 수 없습니다. 기어 등과 같이 표면의 내구성이 강하게 요구되는 경우에는 고주파 담금질을 하는 경우도 많습니다.
S50C는 S45C보다 단단한 재료
S45C와 나란히 비교하기 쉬운 재료에 S50C가 있습니다. S50C란 어떤 소재일까요?
특징
S50C는 S45C와 같은 기계 구조용 탄소강 강재, SC재의 일종입니다.
S50C에는 0.50% 탄소가 포함되어 있습니다. 앞서 언급했듯이 철은 탄소의 양이 많을수록 딱딱해지는 성질을 가지고 있습니다. 그 때문에 S50C는 S45C보다 딱딱해집니다만, 그 만큼, 약간 부서지게 되어 버립니다. 또한 재료의 비용도 SS400이나 S45C에 비하면 높아집니다.
S50C도 S45C와 마찬가지로 기계 부품 등에 많이 사용되는 재료입니다. 그러나 S50C는 SC재 중에서도 탄소량이 많은 소재로 분류됩니다. 경도와 인장 강도뿐만 아니라 내마모성 등도 S45C보다 높아지므로 더 높은 강도가 요구되는 부품 등에 사용됩니다.
S50C도 열처리가 가능합니다. 또한 내부식성이 낮기 때문에 방청 처리가 필요합니다.
S50C보다 탄소량이 많은 SC재로서 S55C를 들 수 있습니다. S55C는 S50C보다 더욱 단단하고 내마모성 등이 뛰어난 소재입니다. S50C와의 구분은, 소재의 강도 외, 유통하고 있는 재료 형상등에 의해 행해집니다.
S50C의 장점과 단점, 자주 사용되는 표면 처리는 S45C 및 C55C와 동일합니다.
용도
S50C는 기계 부품 중에서도 비교적 강도가 필요한 부품에 많이 사용됩니다.
예를 들어 샤프트나 볼트 너트와 같은 강한 힘이 걸리기 쉬운 부품이나 금형과 같이 내구성이 요구되는 장치에 사용되고 있습니다.
SS400 및 S45C 및 S50C의 기계적, 물리적 특성
여기에서는 지금까지 해설해 온 SS400과 S45C 및 S50C의 스펙에 대해 정리해 갑니다. 설계 등의 경우에는 이러한 수치에 주목하여 계산을 진행합니다.
기계적 성질
SS400과 S45C 및 S50C의 기계적 성질은 JIS에 의해 아래 표와 같이 정해져 있습니다.
※기재의 수치는 대표치이며, 보증치가 아닙니다.
| 종류 | 재질 기호 | 열처리(℃) | 기계적 성질의 대표값 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 인장 강도 (N/mm2) |
내력 (N/mm2) |
신장 | 경도 | ||||
| 구조용 강 | SS400 | − | 400~510 | 215 이상 | 21% 이상 | − | |
| 탄소강 | S45C | 표준화? | 810~860 공냉 |
570 이상 | 345 이상 | 20이상 | 167~229HBW |
| 어닐링 | 약 800 노냉 |
− | − | − | 137~170HBW | ||
| 담금질 | 810~860 수냉 |
690 이상 | 490 이상 | 17이상 | 201~269HBW | ||
| 템퍼링 | 550~650 급냉 |
||||||
| S50C | 표준화? | 810~860 공냉 |
610 이상 | 365 이상 | 18% 이상 | 179~235HBW | |
| 어닐링 | 약 800 노냉 |
− | − | − | 143~187HBW | ||
| 담금질 | 810~860 수냉 |
740 이상 | 540 이상 | 15% 이상 | 212~277HBW | ||
| 템퍼링 | 550~650 급냉 |
||||||
물리적 특성
SS400과 S45C 및 S50C의 물리적 특성은 JIS에 의해 아래 표와 같이 정해져 있습니다. S45C와 S50C의 물리적 특성에는 큰 차이가 없습니다.
※기재의 수치는 대표치이며, 보증치가 아닙니다.
SS400의 물리적 특성
| 물리적 특성 | 세로 탄성계수(영률) [GPa] | 횡탄성 계수 [GPa] | 포아송비(상온) | 조밀도[g/cm3] | 비중 | 융점[℃] | 열전도율[W/(m·K)] | 열팽창계수[10-6/K] | 고유 저항 [10-8Ω·m] | 비열[J/(kg·K)] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 물성치 | 205~206 | 79~82 | 0.27～0.29 | 7.84~7.86 | 7.84~7.86 | 1660~1770 | 44~60 | 10.7~11.6 | 13.3~19.7 | 0.474~0.494 |
S50C의 물리적 특성
| 융점 | 조밀도 (g/cm³) |
영률 (세로 탄성 계수) |
강성률 (횡탄성 계수) |
포아송 비율 | 선팽창률 (ppm/K) |
정압비열 (J/kg・K) |
열전도율 (W/m·K) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GPa | GPa | ||||||
| 약 1,660~1,680℃ | 7.84 | 205 | 82 | 0.25 | 11.7 | 489~494 | 44 |
SS400 및 S45C 및 S50C의 표준 치수
탄소강으로 많이 유통하고 있는 소재의 선택 방법은 이쪽을 봐 주세요.
이번 기사에서 소개해 온 재료의 표준 치수는 아래와 같습니다.
| 종류 | 재료 기호 | 모양 | 단위 | 표준 치수 |
|---|---|---|---|---|
| 일반 구조용 압연 강재 |
SS400 | 평강 | t | 6,9,12,13,14,16,19,22,25,28,30,32,35,38,40, 45,50,55,60,65,70,75,80,85,90, 95,100,105 |
| 각강 | □ | 9,13,16,19,22,25,32,38,44,50,65,75,90,100 | ||
| 미가키봉강 (냉간인발) |
SS400D | 평강 | t | 2, 3, 4, 4.5, 5, 5.5, 6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,24,25, 28,30,32,34, 35,36,38,40,42,44,45,50,55,60,65,70,75,80, 85,90,100,110,120,130 |
| 육각강 | 대변 H | 3,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,17,19,21,22,23, 24,26,27,29,30,32,35,36,38, 41,46,50,54, 55,58,60,63,65,67,70,71,75,77,80,85,90,95, 100,115 |
||
| 둥근 막대 | D | 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30,31,32, 33,34,35,36,37,38,40,42,43,44,45,46,48,50, 55,60,65,70,75, 80,85,90,95,100,105,110, 115,120,130,140,150,160,170,180,190,200 |
||
| 기계 구조용 탄소강 강재 |
S45C-D (미가키) |
둥근 막대 | D | 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 6,7,8,9, 9.5, 10,11, 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24, 25,26,27,28,29,30,32,33,34,35,36,38,40, 42,44,45,46,48,50,55,60,65,70,75, 80,85, 90,95,100,105,110,115,120,125,130 |
| S45C | 평강 | t | 3, 4.5, 5,6,8,9,10,12,16,19,22,25,30,32,38,50 | |
| S50C | 평강 | t | 6, 9.5, 12.7, 13,16,19,22,25,27,32,38, 45,50,55,65,75,85,95,105,115,125,135, 145,155,(165),(175) (205) |
|
| 각강 | □ | 12.7, 13,16,19,25,28,32,38,44,50,55, 65,75,90,100,110,120,130,155 |
그러나 이 표준 치수는 JIS에 의해 정해져 있는 것으로, 실제의 유통 상황을 나타내는 것은 아닙니다. 또한 유통 상황은 시사 상황에 따라 변동합니다. 그러므로 재료의 형상과 치수에 대해서는 재료 메이커의 브로셔 등에서 확인해 주십시오.
마무리하며
SS400과 S45C는 기계 및 구조용 재료로 가장 많이 사용되는 재료로, S50C도 그 다음에 많이 사용되는 재료입니다. “금속으로 부품이나 기계를 만들려고 생각했을 때, 최초로 후보에 거는 것은 SS400과 S45C”라고 말할 정도입니다. 재료의 기본적인 성질을 배우고 설계에 활용합시다.
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