강의 합금원소 영향

왜 배우는가: 강의 성질은 합금원소의 종류와 양에 따라 정해지므로, 기술사 시험에서 원소별 역할을 정확히 설명하는 능력이 필요하다. 실무에서도 용접성, 인성, 내식성을 판단할 때 성분 관리 기준이 가장 먼저 쓰인다. 이 주제는 여러 교시에 걸쳐 출제되어 왔으므로 원소별 효과와 해로운 원소의 관리 방법을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제113회 1교시 10번, 제102회 3교시 3번, 제101회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

강의 합금원소는 철(Fe)에 의도적으로 첨가하거나 제강 과정에서 잔류하여 강의 기계적 성질, 물리적 성질, 내식성을 결정하는 원소이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 원소별 역할을 이로운 작용과 해로운 작용으로 나누어 설명한다. 일반 구조용 강은 철을 주성분으로 하고 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 등을 포함하므로, 어떤 원소가 강도를 올리고 어떤 원소가 취성을 일으키는지 구분해 알아야 한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고용강화
• 탈산·탈황
• 적열취성
• 망간(Mn)
• 규소(Si)
• 인(P)
• 황(S)
• 니켈(Ni)

2. 개념 풀이

강의 합금원소란 철을 주성분으로 하는 강에서 성질을 개선할 목적으로 넣거나, 제강 과정에서 불가피하게 남아 성질에 영향을 주는 원소를 말한다. 합금원소의 작용은 크게 강도와 경도를 높이는 작용, 인성을 유지하거나 개선하는 작용, 불순물로서 취성을 일으키는 작용으로 나뉜다. 이 세 가지 구분이 탄소강과 구조용 합금강을 함께 다룰 때의 기본 틀이 된다.

합금원소가 강의 성질을 바꾸는 원리는 두 가지다. 첫째, 철 격자 안에 원소가 들어가 격자를 뒤틀면 전위의 이동이 어려워져 고용강화가 일어나고, 강도는 오르지만 연신율은 떨어진다. 둘째, 원소가 결정립계로 이동해 모이면 입계의 결합이 약해져 취성이 생긴다. 따라서 같은 원소라도 양과 존재 형태에 따라 이로운 쪽과 해로운 쪽이 갈린다.

망간(Mn)은 제강 때 탈산·탈황 원소로 첨가되며, 탄소강에는 탄소강 중 Mn 0.2~1.0% 정도 함유된다. 연신율을 크게 줄이지 않으면서 강도, 경도, 인성을 함께 높이고 담금질 효과를 키운다. 황과 결합해 MnS를 만들어 황의 해를 줄이는 것이 가장 중요한 역할이다.

규소(Si)는 선철과 탈산제에서 잔류하는 원소이며, 산화물을 만들지 않는 한 페라이트에 고용되어 강도를 높인다. 탄소강에는 보통 탄소강 중 Si 0.1~0.35% 가 함유된다. 인장강도, 탄성한계, 경도를 올리지만 연신율과 충격값을 떨어뜨리며, Si 2% 이상 인성 저하 때문에 첨가량에 상한이 있다.

인(P)은 강 속에서 Fe3P 화합물을 만들어 편석되는 해로운 원소이다. Fe3P는 극히 취약해서 풀림으로도 균질화되지 않고, 압연이나 단조 때 길게 늘어나 충격 저항을 떨어뜨린다. 또 뜨임취성을 촉진하므로 탄소강에서는 인 0.03% 이하 로 관리한다. 쾌삭강에서 피삭성을 높이려고 일부러 넣는 경우를 제외하면 일반적으로 억제 대상이다.

황(S)은 망간이 부족하면 철과 결합해 FeS를 만든다. FeS는 융점이 낮고 취약하여 결정립계에 망상으로 분포하고, 고온에서 강을 취약하게 만들어 적열취성을 일으킨다. 이를 막으려고 망간·황 비 5:1 를 기준으로 망간을 첨가해 융점이 높은 MnS를 만든다. MnS는 결정립계에 몰리지 않으므로 열간 가공 중 균열이 줄어든다.

니켈(Ni)은 강도를 높이면서도 인성을 크게 해치지 않는 원소이다. 특히 저온에서의 인성을 개선하므로 저온용 강과 두꺼운 구조용 강에 쓰인다. 오스테나이트를 안정시키고 담금질성을 높여, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)과 함께 쓰면 두께가 큰 부재의 내부까지 강도를 확보하기 쉽다. 다만 고가이므로 경제성과 균형을 맞춰 첨가한다.

3. 등장 배경과 필요성

철광석을 환원해 얻은 선철에는 탄소, 규소, 망간, 인, 황이 다량 들어 있으며, 제강 과정에서 이들을 완전히 제거하기는 어렵다. 그래서 불순물의 해로운 작용을 억제하고 필요한 성질만 남기는 성분 설계가 필요해졌다. 이 설계가 합금원소 관리의 출발점이다.

강의 황과 인은 응고와 냉각 중 결정립계로 이동해 편석되므로 조직을 약하게 만든다. 황에 의한 적열취성은 열간 가공이 본격화되면서 실제 문제로 드러났고, 망간 첨가가 그 해결책으로 자리 잡았다. 이 경험이 현재 강의 성분 상한을 두는 이유가 되었다.

구조물이 대형화되고 고강도화되면서 강도와 인성을 함께 확보해야 하는 요구가 커졌다. 탄소량만 늘리면 용접성과 인성이 나빠지므로, 규소·망간·니켈로 강도를 보충하고 인과 황은 낮게 억제하는 방향으로 발전했다. 탄소강의 기본 성질은 탄소 함량이 정하고, 합금원소는 그 위에 성질을 조정하는 수단으로 쓰인다.