금속재료의 기초 (feat. 철의 제조과정, 강의 분류, 스테인레스강)

오늘은 금속재료에 대한 매우 간단한 기초이론에 대해 알아보고자 한다.

 

안전관리에 금속재료가 무슨 관련이 있냐고 물을 수 있지만 우리가 사용하는 대부분의 기계, 기구, 설비는 금속으로 이루어져 있고 방호장치, 보호구까지 금속재료를 사용한다. 따라서 금속이 어떻게 만들어지는지 우리가 주로 사용하는 탄소강과 스테인레스강은 어떻게 구성되어 있는지 기본적인 성질은 어떠한지 알고 있어야 적절하게 대응이 가능할 것이다.

 

1.     철의 제조

먼저 철의 제조 과정을 살펴보도록 하자. 대학시절 제철소 견학을 간 적이 있다. 뜨거운 용광로에서 쇳물이 벌겋게 만들어져 흐르던 모습과 그것이 후판이 되어 롤러 위로 이송되던 강렬한 모습을 기억한다.

지금은 다양한 기술의 발달로 그 모습이 많이 변했겠지마는 철의 제조는 매우 오랜 시간동안 다음의 방식으로 진화해왔다.

1)    철 및 강의 5대 원소

< 철의 제조과정 >

용광로에 철광석과 코크스, 석회석, 망간을 넣고 약 1200도의 열풍을 불어넣으면 용광로 내부에서는 탄소(코크스)와 산소가 반응하여 이산화탄소가 만들어지는 발열반응이 일어나게 되어 약 1600도씨 이상으로 온도가 올라가게 된다. 철의 융점은 1539도이므로 철은 용융되고 하부로 흘러나가게 되는데 이 철을 선철이라 한다. (선철의 선은 무쇠선(銑)을 써서 무쇠철이며 용철이라고도 부른다. 즉 녹은 철이다.)

자연에서의 철은 산화철 형태(Fe2O3 또는 Fe2O4)로 되어 있어 강한 열에 의해 산소가 분리되어 탄소와 결합하게 되고 이것이 Fe형태로 형성된다. 우리는 용도에 따라 이 Fe상태를 계속 유지해야 하며 그 과정에서 많은 에너지가 투입되게 되는 것이다.

2)    선철과 원소 비율

그렇다면 이 선철은 금속의 화학비율이 어떻게 될까? 투입된 재료의 상태에 따라서 다르지만 일반적으로 다음의 비율로 구성된다.

성분	비율	비고
Fe(철)	나머지	철광석에 포함
C(탄소)	4%	코크스
Si(규소)	1.5%	철광석에 포함
Mn(망간)	0.5%	추가로 투입
P(인)	0.05%	철광석에 포함
S(황)	0.05%	철광석에 포함

위 선철에서 용도에 맞게 제강을 하게 되어 우리가 일반적으로 사용하는 탄소강이 되는 것이다.

 

3)    망간 투입 이유

위 표에서 보면 알겠지만 철광석은 철을 만들기 위해 투입하는 것이고 탄소의 경우 코크스와의 발열반응을 위해 투입하는 것인데 망간은 왜 추가로 투입하는 것일까?

그 이유는 바로 황에 있다. 황은 철과 매우 친화력이 뛰어나 소량으로도 FeS라는 황화철을 생성한다. 황화철은 취성이 매우 강해 약 500도 부근에서 깨지는 현상이 발생하게 되는데 그러므로 FeS 형성을 막기 위해 망간을 투입한다.

망간은 철보다 황과 친화력이 더 좋아서 MnS를 형성하게 되어 FeS 형성을 억제하는 것이다. MnS는 취성이 없어 철 내에서 문제를 일으키지 않고 존재하게 된다.

 

2.     철의 종류 3가지

철을 분류할 때는 탄소량을 기준으로 구분한다.

용광로에서 처음 나온 철을 선철이라 하고 이 철을 제강하는데 철에 포함된 탄소의 비율대로 특성이 다음과 같이 구분된다.

구분	순철 (Pure iron)	강 (Steel)	주철 (Cast iron)
탄소 함유량	0.025% 미만	0.025%~2%	2%~6.67%
특징	무르다	사용하기 용이	너무 단단해서 취성이 높다

 

Fe에 포함될 수 있는 탄소량은 최대 6.67%이다. 나머지는 모두 탄소 덩어리로 석출된다. 이것은 Fe의 특성이라 보면된다. Fe 원자간 결합 시 최대 6.67%까지만 결합하여 결정을 이룰 수 있는 것이다.

순철은 탄소량이 0.025% 미만의 매우 적은 양을 포함하는 것을 말한다. 철은 기본적으로 무른 성질을 가지고 있다. 여기에 C가 중간에 박혀 있어 원자간 이동을 막아 경도와 강도가 올라가게 되는데 탄소량 자체가 적다보니 원자의 이동이 비교적 수월해 무른 특성이 있다.

강은 우리가 일반적으로 사용하는 것으로 탄소량이 0.025%에서 2%까지 포함하고 있다. 강은 강도와 경도가 순철보다 높고 주철보다 가공성이 좋아 우리가 일반적으로 사용하게 되는 것이다. 우리가 주로 사용하는 S40C(탄소량 0.4%)나 S80C(탄소량 0.8%)가 대표적이다.

주철은 탄소량이 2%를 초과하는 것을 뜻하고 격자 내 빈 공간이 없이 탄소가 꽉 들어차 있어서 취성이 매우 강한 특성을 보인다. 즉 외력을 받으면 원자나 전위가 이동할 틈이 없어 그대로 깨져버리는 것이다.

 

3.     강의 종류 2가지

그렇다면 우리가 주로 사용하는 강은 어떻게 구분할 수 있을까?

구분	탄소강	합금강(특수강)
구성 원소	Fe + 5대원소	탄소강 + 합금원소
분류	-      저탄소강 : 0.025~0.3%C -      중탄소강 : 0.3~0.6%C -      고탄소강 : 0.6~2%C	-      저합금강 : 5% 미만 -      고합금강 : 5% 이상
비고	5대원소 : C, Si, Mn, P, S	합금원소 : Cr, Ni, Mo, Nb, Ti 등

 

강은 탄소강과 합금강(혹은 특수강)으로 분류할 수 있으며 대표적인 합금강은 스테인레스강이다.

 

4.     스테인레스강

< 스테인레스강의 산화피막 >

 

스테인레스강은 Stain과 Less가 합쳐진 단어이다. Stain은 ‘녹’이란 뜻이고 less는 ‘적은’이라는 뜻이므로 녹이 적게 생성되는 강이라는 의미로 보면 된다.

스테인레스는 크롬(Cr)이 12%이상 포함된 강을 뜻한다. 따라서 위 분류로 따지면 고합금강에 해당한다.

스테인레스는 강에 포함된 크롬이 공기중이나 물 속의 산소와 결합하여 Cr2O3라는 산화피막을 형성하게 되는데 이 산화피막은 고유전압이 매우 높아 부식이 잘 발생하지 않게 되는 것이다. (금속은 Standard potential이라는 게 있는데 이것이 높을수록 부식이 잘 발생하지 않는다. 스테인레스의 부식에 대한 내용은 다음의 글을 참고)

https://portsafety.tistory.com/21

부식의 메커니즘과 종류 (feat. 스테인레스강의 특성)

 

 

5.     강의 조직

강의 조직을 결정구조로 구분하면 2가지로 구분할 수 있다.

금속조직	원자충진율	특징
오스테나이트 (Austenite) FCC (Face Centered Cubic)	74%	가운데가 비어있는 구조지만 원자충진율이 74%로 높아 빈 공간이 없다. 따라서 수소가 침투할 구멍이 없어 수소취성이 잘 발생하지 않는다. 또한 가운데 큰 구멍으로 인해 충격을 흡수하여 내충격성이 좋다. 또한 중앙에 빈 공간으로 자력선이 끊어져 비자성임.
페라이트 (Ferrite) BCC (Body Centered Cubic)	68%	가운데 Fe원자가 차지하고 있으나 격자간 빈공간이 많아 수소취성이 잘 발생한다. 오스테나이트에 비해 내충격성은 약하지만 강도와 내마모성, 내피로성이 우수하다. 원자가 잘 연결되어 있어 강자성을 띔.

중앙에 원자가 있으면 단단하고 없으면 무른 성질이라 보면 되고 원자가 있으면 강자성, 없으면 비자성 혹은 약자성으로 보면 된다. (따라서 오스테나이트 스테인레스는 일반 탄소강보다 강도가 약하지만 충격에는 강하고 자석도 붙지 않는다.)

 

이렇게 철의 제조과정과 강의 분류, 결정구조에 대해 알아보았다. 금속재료는 내용이 워낙 방대하지만 우리가 필수적으로 알아야 할 강의 성질과 스테인레스강의 기초 그리고 부식에 대해 알아놓는다면 안전관리에 많은 도움이 될 것이다. 그리고 추가적인 내용들은 그때그때 공부를 해야 할 것이다.