합금강의 정의, 특징 및 가공시의 주의점까지 해설

합금강은 탄소강에서 얻을 수 없는 우수한 특성을 가진 재료로 널리 사용되고 있습니다. 한편, 합금강이라고 해도 종류는 다방면에 걸치기 때문에, 「강점이나 주의해야 할 점을 모른다」라고 고민하시는 분도 있을 것입니다.

이번 내용에서는 「합금강이란 무엇인가」라는 기초부터 특성, 종류, 용도, 가공이나 선정 시의 주의점까지를 알기 쉽게 해설합니다.

합금강의 정의

정의와 탄소강과의 차이

합금강이란, 철과 탄소를 주성분으로 하는 강에, 크롬이나 니켈 등의 합금 원소를 첨가한 「특수강」입니다. 철과 탄소 및 불가피한 불순물로만 구성된 탄소강(보통 강)과는 다릅니다.

탄소강은 저렴하고 가공하기 쉬운 한편, 강도나 내식성, 내열성에는 한계가 있습니다. 합금강은 탄소강의 성능을 보완하고 더욱 향상시키기 위해 개발되었습니다. 예를 들면, 합금강인 스테인리스강은 크롬의 첨가에 의해 탄소강에는 없는 우수한 내식성을 획득하고 있습니다.

이와 같이 합금강은 탄소강을 기반으로 하여 특정 용도에 맞게 성능을 맞춤화한 고기능 재료로 정의할 수 있습니다.

합금 원소의 종류와 역할

합금강의 다양한 특성을 결정하는 것은 첨가되는 「합금원소」의 종류와 양입니다. 주요 원소와 주요 효과는 다음과 같습니다.

이처럼 각 원소가 가진 효과를 단독 또는 복합적으로 이용하면 특정 성능을 겨냥해 끌어낼 수 있습니다.

합금강의 분류(저합금강·고합금강)

합금강은, 첨가되는 합금 원소의 총량에 의해서, 주로 「저합금강」과 「고합금강」으로 대별됩니다. 재료의 성능 수준과 비용을 대략적으로 파악하기 위한 중요한 지표입니다. 합금 원소의 양이 늘어날수록 성능은 향상되는 경향이 있는 반면 동시에 재료 비용도 상승하기 때문입니다.

일반적으로 합금 원소의 총량이 5% 미만인 것을 저합금강이라고 부릅니다. 한편, 합금 원소가 10%를 넘는 고합금강의 대표적인 예는 스테인레스강이나 공구강으로, 매우 높은 내식성이나 경도와 같은 특수한 성능을 발휘합니다.

따라서 설계 시에는 요구 성능과 비용의 균형을 고려하여 어떤 분류의 합금강이 최적인지를 파악하는 것이 중요합니다.

합금강의 종류

한 입에 합금강이라고 해도 그 종류는 용도에 따라 다양합니다. 여기에서는 대표적인 합금강의 종류별 특징과 용도를 설명합니다.

스테인레스 스틸

스테인레스강은 우수한 내식성을 특징으로 하는 고합금강입니다. 주성분으로 10.5% 이상 첨가된 크롬(Cr)이 강의 표면에 부동태 피막이라 불리는 얇은 보호막을 형성하여, 산소나 수분의 침투를 막고 녹 발생을 억제합니다.

주방의 싱크대나 조리기구, 의료용 메스와 주사바늘, 건축물의 외장 패널 등 녹 방지와 위생이 중시되는 환경에서 널리 사용되고 있습니다. 스테인리스강은 「녹슬기 어렵다」는 특성을 살려, 유지 보수가 거의 필요 없는 용도나 장기간 미관을 유지해야 하는 제품에 없어서는 안 될 재료입니다.

합금 공구강(고속도강 포함)

합금 공구강은 절삭 공구나 금형에 요구되는 「높은 경도와 내마모성」에 특화된 합금강입니다. 탄소공구강에 크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등을 첨가하여 열처리 후의 경도를 비약적으로 높여 고온에서도 그 경도를 유지할 수 있는 성능을 갖추고 있습니다.

프레스 금형에는 상온에서의 내마모성이 뛰어난 냉간다이스강(SKD11등)이,다이 캐스팅 금형에는 고온 강도와 인성을 양립한 열간다이스강(SKD61등)이 사용됩니다. 또한 드릴이나 엔드 밀에는 고속 절삭 시 마찰열에도 경도가 저하되지 않는 고속도강(SKH재)이 필수적입니다.

이와 같이 합금 공구강은 가혹한 가공 환경에서 공구나 금형의 수명 연장을 실현하기 위한 중심적인 재료입니다.

기계 구조용 합금강

기계 구조용 합금강은, 자동차나 산업 기계의 구조 부품에 요구되는 「높은 강도와 인성의 양립」을 목적으로 한 저합금강입니다. 탄소강에 적당량의 크롬(Cr)이나 몰리브덴(Mo)등을 첨가하여 열처리성을 향상시키고, 열처리에 의해 심부까지 균일하게 강인한 조직을 얻을 수 있도록 설계되었습니다.

자동차 크랭크샤프트와 기어, 고장력 볼트 등 고부하와 충격하중이 가해지는 중요 부품에 SCM435를 비롯한 기계구조용 합금강이 많이 사용됩니다. 탄소강에서는 강도와 인성의 균형에 한계가 있지만, 이 강재는 양자를 높은 수준에서 실현 가능합니다.

내열강

내열강은, 「고온 환경하에서의 강도와 내산화성」의 유지에 특화한 합금강입니다. 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni)과 같은 합금 원소를 비교적 많이 첨가하여 고온에서의 조직 안정화와 표면에서의 보호성이 높은 산화 피막(스케일) 형성이 특징입니다.

자동차의 엔진 배기 밸브나 제트 엔진의 터빈 부품, 화력 발전소의 보일러관 등 고온에 노출되는 가혹한 환경에서 진가를 발휘합니다. 통상의 강재가 고온에서는 현저하게 연화해, 산화 소모해 버리는 것에 비해, 내열강은 일정한 강도를 계속 유지합니다.

초경합금

초경합금은 강철이 아닙니다. 텅스텐 카바이드(WC)를 주성분으로 하여 코발트(Co) 등의 결합재를 혼합, 소결하여 만들어지는 복합재료로 합금강과는 제조방법 및 조성이 근본적으로 다릅니다.

합금 공구강을 훨씬 능가하는 내마모성과 고온 경도를 자랑합니다. 현대의 절삭 가공에서는 공구의 날 끝에 사용되는 칩의 주류 재료입니다.

다만, 매우 단단한 반면, 인성이 낮고 취약(빠지기 쉽다)하다고 하는 약점도 있습니다. 따라서 초경합금은 공구의 날 끝 등 내마모성이 가장 중요시되는 부분에 한정하여 사용되는 것이 일반적입니다.

합금강의 가공 및 설계상의 주의점

합금강은 뛰어난 성능을 가진 반면, 그 취급에는 특유의 어려움이 있습니다. 여기에서는 합금강의 장점을 최대한 끌어내어 트러블을 피하기 위한 설계 및 가공상의 포인트를 해설합니다.

용접성·피삭성의 과제

합금강은 탄소강보다 용접이나 절삭 가공이 어려운 점이 과제입니다. 강도나 경도를 높이기 위해 첨가된 크롬이나 몰리브덴 등의 합금 원소가 용접 시에는 열영향에 의한 경화나 깨짐을, 절삭 시에는 공구의 마모를 촉진하기 때문입니다.

기계구조용 합금강인 SCM440 등은 적절한 예열·후열을 하지 않고 용접하면 냉각 과정에서 용접부가 경화돼 저온 균열을 일으킬 위험이 높아집니다. 또한 스테인스강은 열전도율이 낮아 끈기가 있기 때문에 절삭 시 칼끝에 열이 모이기 쉽고 가공 경화도 함께 이루어 공구 수명을 줄입니다.

합금강을 가공할 때는 재질에 맞는 용접 시공 관리와 적절한 공구 및 절삭 조건의 선정이 필수적입니다.

열처리와 강도의 관계

합금강의 뛰어난 강도나 인성은 적절한 열처리를 해야만 발휘되기 때문에 설계 단계부터 열처리를 전제로 한 계획이 필수적입니다. 대부분의 합금강은 열처리 상태에서는 성능을 완전히 발휘하지 않으며, 열처리와 같이 조직을 변화시켜 목적의 기계적 성질을 얻기 때문입니다.

그러나 열처리는 부품의 치수 변화나 변형을 수반하기 때문에 정밀한 부품에서는 열처리 후에 마무리 연삭 가공이 필요합니다. 또, 필요 이상으로 딱딱하게 하면 인성이 저하해, 오히려 약해질 위험도 있습니다.

설계자는 요구하는 강도뿐만 아니라 열처리에 의한 치수 변화나 가공 공정, 인성과의 밸런스까지를 종합적으로 고려하여 최적의 재료와 열처리 사양을 결정해야 합니다.

비용·조달면의 고려점

합금강을 선정할 때는 재료 자체의 가격뿐만 아니라 시장에서의 입수성이나 조달 리드타임과 같은 「조달 리스크」도 평가해야 합니다. 고성능 합금강일수록 크롬이나 니켈과 같은 고가의 희귀 원소를 많이 포함하기 때문에 재료 비용은 탄소강을 크게 웃돕니다.

게다가 특수한 용도의 합금강은 유통량이 적고, 메이커에의 주문 생산이 되기 때문에, 수개월 단위의 긴 납기가 필요하게 되는 일도 드물지 않습니다.

고성능을 추구하는 너무 과도한 품질로 높은 비용 재료를 선택하거나 납기 지연의 리스크를 안지 않도록 요구 성능과 비용, 안정적 공급의 균형을 파악하는 것이 중요합니다.

합금강과 다른 재료의 비교

합금강은 뛰어난 특성을 가지지만, 모든 용도에서 최적의 재료라고는 할 수 없습니다. 다음은 대표적인 재료와 합금강을 비교한 표입니다.

여기에서는 대표적인 재료와 합금강의 비교에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.

탄소강 vs 합금강

양자의 차이는 「성능의 범용성인가, 특화성인가」에 집약됩니다. 탄소강이 비용과 가공성이 뛰어난 범용 재료인 반면 합금강은 특정 성능을 추구한 고성능 재료입니다.

탄소강은 철과 탄소를 주성분으로 하는 심플한 구성으로 저렴하게 제조할 수 있는 반면 합금강은 니켈과 크롬 같은 고가의 원소를 첨가해 강도와 내열성, 내식성 등 특정 성질을 의도적으로 높이고 있습니다.

예를 들면, 일반적인 기계의 프레임이나 커버에는 저렴한 탄소강이 사용되지만, 자동차의 엔진처럼 고강도와 인성이 동시에 요구되는 부품에는, 합금강(크롬 몰리브덴강 등)이 빠뜨릴 수 없습니다.

비용을 억제하고자 하는 일반적인 용도에는 탄소강을, 가혹한 조건 하에서 특수한 성능이 요구되는 경우에는 합금강을, 라고 하는 구분이 기본이 됩니다.

알루미늄 vs 합금강

알루미늄과 합금강의 판단 기준은 「경량성」과 「절대적인 강도·내열성」의 트레이드 오프입니다. 알루미늄의 가장 큰 특징은 밀도가 철의 약 1/3이라는 압도적인 가벼움에 있어 제품의 경량화를 실현합니다.

그러나 강도나 강성, 내열성에서는 고성능 합금강에 미치지 못합니다. 예를 들어, 항공기의 기체 패널이나 자동차의 차체 등, 경량화가 연비나 운동 성능에 직결되는 용도에서는 알루미늄이 적극적으로 채용됩니다. 반면 엔진 크랭크샤프트나 고압 용기 등 극한의 강도나 고온 환경에서 신뢰성이 요구되는 부품에는 합금강이 여전히 필수입니다.

따라서 「경량성」을 최우선으로 한다면 알루미늄, 「강도나 내열성」이 최우선이라면 합금강이라는 명확한 기준으로의 선정이 중요합니다.

티타늄 vs 합금강

티타늄과 합금강은 「비강도(가벼움과 강도의 균형)」 「내식성」 그리고 「비용」의 3가지로 비교됩니다. 티타늄의 가장 큰 매력은 강철의 약 60% 중량으로 동등 이상의 강도를 발휘하는 뛰어난 비강도와 해수 중에서도 거의 녹슬지 않는 걸출한 내식성입니다.

그러나 반면에 재료도 가공도 매우 비싸다는 제약이 있습니다. 예를 들어 항공우주 분야의 엔진 부품이나 의료용 임플란트 등 비용보다 성능과 신뢰성이 최우선되는 특수한 용도로는 티타늄이 선정됩니다.

한편, 자동차나 산업기계와 같은, 높은 성능과 동시에 엄격한 코스트 관리가 요구되는 많은 분야에서는, 합금강이 현실적이고 최적의 선택 사항입니다.

따라서 티타늄은 궁극적인 성능을 요구하는 특수 용도용 재료이며, 범용적인 고성능 재료로는 합금강이 중심적인 역할을 담당하고 있습니다.

정리

합금강은 철과 탄소에 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 원소를 의도적으로 첨가해 특정 성능을 향상시킨 고기능 재료입니다. 스테인레스강이나 기계 구조용강, 공구강 등 종류는 다방면에 걸쳐, 자동차의 엔진 부품으로부터 금형까지, 각 산업에서 불가결한 역할을 담당하고 있습니다. 단, 탄소강보다 비싸고 가공도 어려워지기 때문에 열처리를 전제로 한 설계나 다른 재료와의 비교 검토가 재료 선정의 열쇠입니다.