가스텅스텐아크용접기능사 순철과 탄소강 — 입계부식·탄소강 5원소와 주철 성장

오스테나이트계 스테인리스강이 용접열 등으로 450~850℃에 놓이면 크롬과 탄소가 결합한 탄화물이 결정 입자의 경계에 석출된다. 그러면 입계 주변의 크롬 농도가 줄어 그 부분만 녹슬기 쉬워지는데, 이것이 입계부식이고 이렇게 예민해지는 현상을 예민화라고 한다. 방지법은 탄소를 아주 적게 해 탄화물 생성을 막는 것, 탄소를 크롬보다 먼저 붙잡는 티타늄이나 니오븀을 넣는 것, 고온으로 가열해 탄화물을 녹인 뒤 급냉하는 용체화처리다. 풀림 처리는 천천히 식히는 열처리라 식는 동안 크롬 탄화물이 다시 석출할 시간을 주어 예민화를 오히려 조장하므로 방지법이 아니다.

탄소강에 넣는 원소는 각각 맡은 효과가 다르다. 니켈은 조직을 안정화해 강인성을 높이고 내식성과 내산성을 좋게 하며 저온 충격 저항을 키운다. 18-8 스테인리스강의 '8'은 니켈 8%를 뜻한다. 망간은 탈산과 경화, 몰리브덴은 고온 강도와 담금질 경화성 향상, 코발트는 내열과 자석 재료에 쓰인다.

합금강에 넣는 특수원소는 오스테나이트 결정립을 조정하고 변태 속도를 바꾸어 경화능을 높이며 소성 가공성을 개량한다. 니켈·크롬·몰리브덴·텅스텐·바나듐이 대표적이다. 반면 황은 적열취성을 일으키는 유해 불순물이라 성능을 높이려고 첨가하는 특수원소가 아니라 제거 대상이다.

저망간 주강은 망간을 약 1~2% 넣은 주강으로, 불림 같은 열처리를 하면 펄라이트 조직이 된다. 펄라이트는 부드러운 페라이트와 단단한 시멘타이트가 층으로 겹친 조직으로 강도와 인성이 고르게 좋아 구조용 부분품이나 제지용 롤러에 알맞고, 열처리를 거치면 니켈-크롬 주강에 견줄 만한 기계적 성질을 얻는다. 망간을 10~14% 넣은 고망간강은 오스테나이트 조직이 되므로 함량으로 구별한다.

주철을 600℃ 이상으로 가열했다가 식히기를 반복하면 부피가 영구적으로 커지는데 이것이 주철의 성장이다. 원인은 시멘타이트가 흑연으로 분해되며 부피가 커지는 흑연화, 흑연 틈으로 산소가 스며들어 일어나는 내부 산화, 주철이 빨아들인 가스의 팽창, A1 변태가 반복되며 생기는 미세 균열이다. 방지하려면 흑연을 미세화하거나 편상 흑연을 구상 흑연으로 바꾸고 탄소와 규소를 줄인다. 반복 가열·냉각은 성장을 일으키는 조건 자체이므로 방지법이 될 수 없다.

탄소강의 대표 5원소는 탄소, 규소, 망간, 인, 황이다. 규소와 망간은 강에 유익하고 인과 황은 열간취성 등을 일으키는 유해 불순물이다. 규소는 선철과 탈산제에서 잔류해 보통 탄소강에 0.1~0.35% 들어 있고 인장강도·탄성한계·경도를 높이지만 용접성을 떨어뜨린다. 망간은 약 0.3~0.8% 들어가며 황의 해를 줄이는 쪽으로 작용한다. 니켈·크롬·몰리브덴은 합금강에 넣는 첨가 원소라 대표 5원소에 들지 않는다.

풀림은 강을 가열한 뒤 서서히 식혀 부드럽게 만드는 열처리다. 가공으로 생긴 잔류응력과 가공경화를 풀어 냉간 소성 가공을 쉽게 하고, 합금 원소와 불순 원소가 확산해 조직을 균일하게 만드는 것이 목적이다. 재질을 더 단단하게 경화시키는 것은 담금질의 일이므로 풀림의 목적과 거리가 멀다.