가스텅스텐아크용접기능사 기타재료 — 질화강·주철 성질과 탄소강의 물리 성질

질화는 강 표면에 질소를 스며들게 해 단단한 층을 만드는 표면경화 처리다. 질화를 촉진하려면 질소와 결합해 단단한 질화물을 만드는 원소가 필요한데, 알루미늄이 그 능력이 가장 뛰어나 질화용 강에 대표적으로 첨가된다. 알루미늄을 넣은 강을 알루미늄 강이라 부르며 대표적인 질화용 강으로 꼽는다. 크롬과 몰리브덴도 질화물을 만들지만 촉진력은 알루미늄이 가장 강하고, 니켈은 질화와 거의 관계가 없다.

크롬 약 13%, 탄소 0.2% 이하인 크롬 스테인리스강은 조직에 따라 페라이트계 스테인리스강이라고도 불린다. 크롬이 표면에 보호 피막을 만들어 녹을 막지만, 그 내식성은 질산 같은 산화성 산에만 유효하다. 황산·염산 같은 비산화성 산에서는 피막이 유지되지 못해 부식된다. 니켈이 들어간 강은 니켈-크롬 스테인리스강으로 따로 분류되며 크롬 스테인리스강에는 니켈이 거의 없다.

주철은 탄소와 규소가 많을수록 조직이 가볍고 느슨해져 비중이 작아지고 용융온도도 낮아진다. 그래서 강철보다 낮은 온도에서 녹아 주조에 유리하다. 투자율은 흑연인 유리 탄소가 많을수록 커지고, 규소와 니켈을 늘리면 고유저항은 오히려 높아진다. 주철은 염산·질산 같은 산에는 부식되지만 알칼리에는 비교적 강하다.

탄소강은 탄소량 0.8%를 기준으로 조직 이름이 갈린다. 0.8% 미만인 아공석강은 페라이트와 펄라이트, 정확히 0.8%인 공석강은 펄라이트만, 0.8%를 넘는 과공석강은 펄라이트와 시멘타이트가 섞인 조직이다. 탄소가 공석점을 넘는 만큼 시멘타이트가 조직에 더해진다고 이해하면 된다.

마우러의 조직도는 가로축에 규소량, 세로축에 탄소량을 놓고 두 성분의 조합에 따라 주철이 백주철·반주철·회주철 중 어느 조직이 되는지를 구역으로 나눈 그림이다. 규소는 탄소를 흑연으로 만들어 주는 성분이라 축으로 쓰인다. 흑연량과 시멘타이트량은 조직의 결과물이고 망간은 이 조직도의 축과 관계가 없다.

탄소강은 탄소량이 늘면 단단한 시멘타이트가 늘어 기계적으로는 경도와 인장강도가 증가한다. 반면 물리적으로는 탄성률, 열전도율, 비중, 열팽창계수가 모두 감소하며 그 변화는 거의 직선적이다. 따라서 탄소가 늘 때 탄성률과 열전도율이 증가한다는 설명은 방향을 뒤집은 것이다.

주철의 성장은 고온과 실온 사이를 반복해 가열·냉각할 때 부피가 영구적으로 늘어나는 현상이다. 원인은 펄라이트 속 시멘타이트가 장시간 가열로 흑연으로 분해되며 팽창하는 것, 페라이트에 고용된 규소가 산화하며 팽창하는 것, A1 변태를 지날 때 체적 변화로 생긴 미세 균열에 산소가 침투해 내부 산화가 일어나는 것이다. 빠른 냉각으로 시멘타이트가 석출되는 것은 주철이 하얗게 굳는 백주철화 현상일 뿐 성장의 원인이 아니다.

마르텐자이트 조직의 스테인리스강 S80은 딱딱하고 강하지만 표면 보호 피막이 약해 내식성이 떨어진다. 니켈은 부동태 피막을 튼튼하게 하고 몰리브덴은 해수나 산성 환경에서의 부식에 강하게 해 내식성을 개량한다. 탄소를 늘리면 크롬과 결합한 탄화물이 생겨 내식성이 나빠지고, 아연과 주석은 강에 넣는 첨가 원소가 아니라 도금용 금속이다.

백주철은 탄소가 철과 결합한 시멘타이트, 즉 화합탄소 상태로 들어 있는 주철이다. 파단면이 희고 매우 단단하지만 잘 깨지는 취성이 있으며, 어닐링하면 가단주철의 원료가 된다. 탄소가 철과 결합하지 않고 흑연으로 자유롭게 존재하는 것은 회주철이고, 페라이트와 오스테나이트는 탄소의 존재 형태가 아니라 철의 조직이다.

불림은 A3 또는 Acm선보다 30~50℃ 높게 가열해 조직을 균일한 오스테나이트로 만든 뒤 공기 중에서 식히는 열처리다. 주조·단조·압연으로 거칠어진 결정립을 미세화하고 조직을 균일하게 해 기계적 성질을 개선한다. 풀림은 가열로 안에서 천천히 식히고, 담금질은 물이나 기름에 급랭하며, 뜨임은 담금질 후 저온에서 다시 가열하는 처리라 공랭 조건과 다르다.