탄소는 일반 철과 강철을 분리하는 단일 원소이며, 존재하는 양은 일반적으로 0.05% 및 2.0중량% , 하중, 열 및 단조 망치 하에서 강철 조각이 어떻게 작동하는지에 대한 거의 모든 것을 결정합니다. 탄소 비율을 높이면 금속의 경도와 인장 강도는 높아지지만 연성과 용접성은 감소합니다. 높이를 낮추면 강철은 부드럽고 성형 가능하며 용접하기 쉬운 상태로 유지되지만 합금 원소의 도움 없이는 단단한 모서리나 높은 강도를 유지할 수 없습니다. 모든 공장 인증서, 모든 단조 도면, 1045 또는 4140과 같은 모든 등급 지정은 이 하나의 비율로 거슬러 올라갑니다.
탄소가 강철 내부에서 실제로 어떤 역할을 하는지
철 자체는 부드럽고 상대적으로 약한 금속입니다. 제련 중에 탄소 원자가 도입되면 결정 격자의 철 원자 사이에 머물며 페라이트라는 고용체와 함께 시멘타이트(탄화철, Fe3C)라는 화합물을 형성합니다. 이 두 미세조직 사이, 그리고 나중에 열처리 후 펄라이트, 마르텐사이트, 베이나이트 사이의 균형이 강철에 기계적 특성을 부여합니다.
이를 설명하는 유용한 방법: 페라이트는 구조의 부드럽고 자성이 있으며 쉽게 구부러지는 부분인 반면, 시멘타이트는 단단하고 부서지기 쉽습니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 더 많은 시멘타이트가 형성되고 강철의 경도는 상당히 예측 가능한 곡선으로 증가합니다. 야금학자들은 20세기 초부터 이 관계를 추적해 왔으며 이는 오늘날 모든 야금학 교실에서 사용되는 철-탄소 상태도의 기초로 남아 있습니다.
탄소 함량이 퍼센트 단위로 측정되는 이유
탄소의 효과가 너무 강하기 때문에 차이는 매우 작습니다. 0.10% 강철의 분류와 적합한 용도를 변경합니다. 1020 강철(0.20% 탄소)은 기술적으로는 일반 탄소강이지만 1095 강철(0.95% 탄소)과는 전혀 다릅니다. 이것이 바로 철강 생산업체가 공장 테스트 보고서에서 가장 가까운 정수로 반올림하는 대신 탄소 함량을 1/100%까지 보고하는 이유입니다.
백분율에 따른 탄소강 분류
일반 탄소강은 탄소 함량을 기준으로 4가지 광범위한 제품군으로 분류됩니다. 각 제품군에는 고유한 일반적인 용도 세트가 있으며, 단조 업체에서는 완성된 부품에 필요한 강도, 인성 및 기계 가공성의 균형을 기준으로 제품군을 선택합니다.
SAE/AISI 등급 번호로 정의된 일반 탄소강 분류 범위입니다. | 분류 | 탄소 함량 | 일반적인 등급 | 일반적인 사용 |
| 저탄소(연강) | 0.05% - 0.30% | 1006, 1018, 1020 | 구조 형상, 시트, 와이어 |
| 중간탄소 | 0.31% - 0.60% | 1035, 1045, 1050 | 샤프트, 기어, 단조 크랭크샤프트 |
| 고탄소 | 0.61% - 1.00% | 1065, 1080, 1095 | 스프링, 절삭 공구, 블레이드 |
| 초고탄소 | 1.01% - 2.00% | 특수공구강 | 플레이트, 다이, 펀치를 착용하십시오. |
대략 위 2.0% 탄소 , 재료는 더 이상 강철로 분류되지 않습니다. 그것은 훨씬 더 부서지기 쉽고 단조나 압연보다는 주조에 의해 성형되는 주철이 됩니다.
탄소 함량이 기계적 성질을 어떻게 변화시키는가
탄소와 기계적 성능 사이의 관계는 재료 공학에서 가장 일관된 추세 중 하나입니다. 탄소 비율이 증가함에 따라 네 가지 특성이 예측 가능한 방향으로 이동합니다.
- 경도 상승 - 미세 구조에 더 많은 시멘타이트가 압입 및 마모에 저항합니다.
- 인장강도 상승 — 탄소를 추가하면 강철이 파손되기 전에 더 많은 하중을 견딜 수 있습니다.
- 연성이 떨어지다 — 강철은 균열이 발생하기 전에 덜 구부러지고 늘어나므로 냉간 성형이 더 어려워집니다.
- 용접성이 저하됨 - 예열하고 주의 깊게 제어하지 않는 한, 고탄소강은 열 영향부에서 균열이 발생하기 쉽습니다.
이것이 바로 강도와 부서지지 않고 충격을 흡수하는 능력이 모두 필요한 단조 자동차 액슬 샤프트가 일반적으로 실험실 테스트에서 더 강하지만 도로 충격에 너무 취약한 고탄소강에 도달하는 대신 1045와 같은 중간 탄소 등급을 사용하는 이유입니다.
탄소 함량과 강철 단조 프로세스
강철 단조는 해머, 프레스 또는 롤을 사용하여 가열된 강철을 금형이나 원하는 형태로 만드는 압축 소성 변형을 통해 금속을 형성합니다. 탄소 함량은 첫 번째 해머 타격이 발생하기 전에 단조 공장이 내리는 거의 모든 결정을 좌우합니다.
단조 온도 창
저탄소강과 중탄소강은 일반적으로 1150°C 및 1250°C (대략 2100°F ~ 2280°F), 재료는 오스테나이트 상태에 있으며 압력 하에서 쉽게 흐릅니다. 고탄소강은 일반적으로 해당 범위의 낮은 쪽으로 단조됩니다. 높은 탄소 함량과 결합된 과도한 열은 입자 성장과 표면 탈탄을 촉진하여 완성된 부품을 약화시키기 때문입니다.
Forgers가 중간 탄소 등급을 선호하는 이유
1040, 1045, 4140과 같은 중탄소강은 실행 가능한 균형을 유지하기 때문에 단조 산업을 지배합니다. 즉, 담금질 및 템퍼링과 같은 단조 후 열처리에 잘 반응할 만큼 충분한 탄소이지만 빌렛이 다이 아래에서 갈라질 정도로 많지는 않습니다. 크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 기어, 플랜지 및 수공구와 같은 구성요소는 거의 항상 극단이 아닌 이 중간 밴드에서 단조됩니다.
곡물 흐름 및 강도 향상
단조는 강철을 성형하는 것 이상의 역할을 합니다. 부품의 윤곽을 따라 내부 입자 구조를 정렬합니다. 단조 부품은 연속적인 곡물 흐름 선을 따르는 반면, 기계 가공 또는 주조 부품은 곡물을 가로질러 절단되거나 전혀 없습니다. 업계 테스트를 통해 단조강 부품은 동일한 화학 성분을 가진 주조 부품이나 가공 부품보다 훨씬 더 높은 피로 저항성을 가질 수 있다는 사실이 반복적으로 나타났습니다. 이것이 바로 단조 탄소강이 스티어링 너클 및 크랭크샤프트와 같이 안전에 중요한 부품의 표준으로 남아 있는 이유입니다.
합금강 및 스테인레스강과 비교한 탄소강
다른 요소가 혼합되면 탄소 함량만으로는 전체 내용을 알 수 없습니다. 일반 탄소강이 합금된 사촌과 비교하여 어디에 있는지 이해하면 단조 도면에 한 계열이 다른 계열보다 필요한 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.
일반 탄소강과 합금 및 스테인리스강 제품군의 비교. | 스틸 패밀리 | 주요 추가 사항 | 주요 이점 | 절충안 |
| 일반 탄소강 | 탄소만, 미량 망간 | 비용이 저렴하고 위조가 용이함 | 내식성 없음 |
| 합금강(예: 4140) | 크롬, 몰리브덴, 니켈 | 더 깊은 경화성, 더 높은 강도 | 더 높은 재료비 |
| 스테인레스 스틸(예: 304, 17-4PH) | 크롬 10.5%, 때로는 니켈 | 내식성 | 위조가 더 어렵고 비용이 더 많이 듭니다. |
실제로 구매 엔지니어는 부품을 코팅하거나 도색하거나 실내에 보관할 때 일반 탄소강을 선택하고, 더 두꺼운 단면을 통해 내식성이나 더 높은 경화성을 요구하는 응용 분야에서는 합금 또는 스테인리스 등급을 선택합니다.
단조 부품의 탄소강 등급 선택
올바른 탄소 비율을 선택하는 것은 세 가지 질문, 즉 부품이 얼마나 강해야 하는지, 충격이나 피로를 얼마나 흡수하는지, 나중에 어떻게 가공하거나 결합할지 사이의 균형을 맞추는 것입니다.
- 부하 유형을 식별합니다. 정적 부하는 더 높은 탄소 함량을 견딜 수 있습니다. 반복되는 충격 하중은 인성이 좋은 중간 탄소를 선호합니다.
- 단조 후 작업을 확인하십시오. 부품이 다운스트림 용접되는 경우 예열 및 제어된 냉각이 공정 계획의 일부가 아닌 이상 탄소 함량을 약 0.30% 미만으로 유지하십시오.
- 열처리 경로를 확인하세요. 중탄소강과 고탄소강은 담금질 및 템퍼링 주기에 잘 반응합니다. 저탄소강은 대신 표면 경화 또는 침탄에 의존합니다.
- 경도와 가공성을 비교해 보세요. 탄소 함량이 높을수록 일반적으로 2차 가공 중 절삭 속도가 느려지고 공구 마모가 빨라집니다.
자동차 또는 농업 장비 제조업체에 공급하는 단조 공장은 종종 소수의 등급으로 표준화합니다. 1045 일반샤프트용 및 4140 더 높은 중량 대비 강도 비율이 요구되는 경우, 이러한 등급이 단조성과 완성품 성능 사이에서 최적의 위치에 있기 때문입니다.
단조 후 열처리
단조만으로는 부품의 최종 기계적 특성을 거의 얻을 수 없습니다. 탄소 함량은 이후에 어떤 열처리가 가능한지를 결정합니다.
정규화
거의 모든 탄소강 단조품은 단조 후 정규화되고 임계 온도 이상으로 가열되고 공랭되어 입자 구조를 미세화하고 단조 공정에서 남겨진 불균일한 응력을 완화합니다.
담금질 및 템퍼링
중탄소강과 고탄소강은 기름이나 물로 담금질하여 마르텐사이트를 형성한 다음, 인성을 위해 약간의 경도를 되찾기 위해 템퍼링할 수 있습니다. 탄소 비율은 달성 가능한 경도의 상한선을 설정합니다. 탄소 함량이 약 0.30% 미만인 강철은 담금질 강도에 관계없이 1060 또는 1080 등급과 동일한 담금질 경도에 도달할 수 없습니다.
저탄소 부품의 케이스 경화
단단한 마모 표면이 필요하지만 기어와 같은 단단한 코어가 필요한 저탄소강은 대신 침탄 처리됩니다. 탄소는 고온에서 외부 표면으로 확산된 다음 저탄소 코어가 연성을 유지하는 동안 해당 표면층만 단단하게 담금질됩니다.
자주 묻는 질문
강철을 도구로 사용할 수 있을 만큼 단단한 탄소 비율은 얼마입니까?
도구 응용 프로그램은 일반적으로 다음과 같이 시작됩니다. 0.60% 탄소 이 범위는 담금질을 통해 잘 경화되고 날카로운 모서리를 유지하기 때문에 약 1.0%까지 올라갑니다.
탄소가 높을수록 항상 강철이 더 강하다는 뜻인가요?
어느 정도까지만. 인장 강도와 항복 강도는 탄소 함량에 따라 증가하지만 약 0.80-0.90%를 지나면 취성이 계속 증가하는 동안 이득은 평준화됩니다. 따라서 더 많은 탄소가 모든 응용 분야에서 자동으로 더 좋아지는 것은 아닙니다.
중탄소강이 가장 일반적인 단조 재료인 이유는 무엇입니까?
가장 넓은 실용적인 창을 제공합니다. 즉, 열처리를 통해 경화하기에 충분한 탄소가 있으면서도 빌렛에 균열이 생기지 않고 단조의 압축력을 견딜 수 있을 만큼 연성이 있습니다.
저탄소강을 단조할 수 있나요?
예. 저탄소강은 연성이 높기 때문에 쉽게 단조되며 용접할 부품이나 표면 경도보다는 견고하고 충격에 강한 코어가 필요한 부품에 일반적으로 선택됩니다.
완성된 강철 부품의 탄소 함량은 어떻게 측정됩니까?
생산자는 연소 분석 또는 광학 방출 분광학을 사용하여 샘플에서 직접 탄소 비율을 측정하고 그 결과는 재료와 함께 제공되는 밀 테스트 인증서에 보고됩니다.
단조 용도에 비해 탄소 함량이 너무 높으면 어떻게 되나요?
과도한 탄소는 특히 다이 모서리와 얇은 부분에서 압축 중에 빌렛이 깨질 수 있는 지점까지 연성을 감소시킵니다. 이것이 바로 단조 공장에서 넓은 밀 공차를 허용하는 대신 탄소 함량 범위를 지정하는 이유입니다.
