중탄소강: 구성, 특성, 등급 및 용도

중탄소강봉

중탄소강은 중량 기준으로 탄소 함량이 0.30~0.60%인 합금강입니다. 탄소는 강철에 높은 강도와 ​​내구성을 부여합니다. 또한, 실리콘과 황과 같은 다른 합금 원소는 내마모성을 향상시키고 열처리 적합성을 높여 샤프트, 기어, 차축과 같은 용도는 물론 철도 부품과 같이 내구성이 뛰어나고 하중을 많이 받는 용도에 적합한 인성을 제공합니다. 

프로린테크는 다양한 중탄소 제품을 제공합니다. 강철 합금 가공 서비스 정밀 부품 및 단조 부품에 사용됩니다. 이 글에서는 중탄소강에 대해 알아야 할 모든 것을 살펴보겠습니다.

 

중탄소강이란 무엇인가요?

중탄소강에 대해 자세히 알아보기 전에, 강종 분류에 대한 확실한 이해가 중요합니다. 이를 통해 강종과 그 차이점에 대한 일반적인 혼동을 해소할 수 있습니다. 합금강 대 탄소강그림 1에서 보시는 바와 같이, 탄소강 강철은 탄소 함량에 따라 세 가지 주요 하위 분류로 further 분류됩니다. 중탄소강은 그중 중간에 위치하므로 저탄소강과 고탄소강 사이의 간극을 메우는 역할을 합니다.

강철의 분류

이는 많은 사람들이 궁금해하는 흔한 혼동입니다. 탄소강은 주로 철과 탄소로 구성되어 있으며, 소량의 다른 원소들이 불순물로 포함되어 있습니다. 반면 합금강은 크롬이나 니켈과 같은 다른 금속 원소를 의도적으로 첨가한 것입니다. 

탄소강은 구조용 강도 및 경도 향상을 위해 개발되었지만, 합금강은 내식성 및 내구성과 같은 특정 특성을 달성하도록 최적화되었습니다. 자세한 비교 정보는 여기에서 확인하세요. 합금강 대 탄소강.

중탄소강의 탄소 함량

중탄소강은 일반적으로 다음을 함유합니다. 탄소 0.30~0.60% 일반적으로 망간은 0.60~1.65% 함유되어 있습니다. 또한, 소량의 규소, 황, 인 등이 불순물로 포함될 수 있습니다. 아래 표에서 중탄소강이 탄소강 계열 내에서 양적, 질적으로 어떤 위치를 차지하는지 명확하게 확인할 수 있습니다.

탄소 함량(중량%)	강철 등급	등록
0.05 – 0.30	저탄소강	높은 연성과 성형성, 낮은 강도
0.30 – 0.60	중탄소강	적당한 연성, 성형성 및 강도
0.6 – 2.0	고 탄소강	높은 강도, 낮은 연성 및 성형성
> 2.0	주철 (강철이 아님)	높은 압축 강도와 내마모성, 낮은 연성

표 1 : 중탄소강과 다른 탄소강 및 주철의 비교

저탄소강과 고탄소강은 서로 정반대의 특성을 지닌다는 것을 알 수 있습니다. 이론은 간단합니다. 탄소 함량이 증가하면 경도와 강도가 높아지지만, 연성이 떨어지고 취성이 증가합니다. 반면 중탄소강은 그 중간 정도의 특성을 가지며, 연강보다 강도가 높으면서도 가공성과 열처리 용이성을 유지합니다. 강철과 주철에 대한 더 자세한 시각화 자료는 다음 자료를 참고하십시오. 철-탄소 상평형도.

중탄소강의 화학적 조성

중탄소강은 단일 합금이 아니라, 다양한 등급의 강종들을 통칭하는 이름입니다. 합금강 등급 목록 구성 성분이 약간씩 다를 수 있습니다. 아래 표에서 중탄소강에 가장 흔하게 존재하는 원소들의 평균 중량 백분율을 확인할 수 있습니다. 엔지니어들은 일반적으로 이러한 구성 성분을 조절하여 맞춤형 특성을 구현합니다.

요소	범위	추가하는 목적
탄소	0.30 – 0.60	강도와 경도 증가 (단, 탄소는 연성을 감소시킴)
망간	0.60 – 1.65	경화성 및 인성 향상
규소	0.15 – 0.35	페라이트에 탈산 특성을 부여하고 강도를 높이기 위해
유황	≤ 0.05	불순물 형태로 구할 수 있습니다.
인	≤ 0.04	불순물 형태로 구할 수 있습니다.
니켈, 크롬, 몰리브덴	0 – 1	주로 합금강에서 발견됩니다.

표 2: 중탄소강의 일반적인 합금 원소 조성

 

중탄소강의 열처리 반응

중탄소강의 매우 특별한 성질 중 하나는 바로 이것입니다. 열처리 반응성이 매우 우수함이러한 특성 덕분에 고객 맞춤형 요구 사항에 맞춰 재질의 특성을 변경할 수 있습니다. 저탄소강이나 고탄소강은 다음과 같은 이유로 이러한 능력이 없습니다.

• 저탄소강은 효과적인 경화에 필요한 탄소 함량이 부족합니다.
• 고탄소강은 탄소 함량이 과도하여 매우 취성이 강하고 처리 과정에서 균열이 생기기 쉽습니다.

하지만 중탄소강은 적당한 탄소 함량을 가지고 있으며, 그 결과 형성되는 미세구조는 열처리 과정에서 발생하는 상변화에 매우 유리합니다. 중탄소강은 적절한 열처리를 거치면 고탄소강에 필적하는 강도를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 경도와 내마모성도 더 우수합니다. 무엇보다 중요한 것은, 뛰어난 인성을 유지하면서 균열 발생 위험이 매우 낮다는 점입니다. 열처리 공정 변수를 제어함으로써 맞춤형 성능 요구 사항을 충족할 수도 있어, 중탄소강은 맞춤형 금속 가공에 매우 유용한 소재입니다.

 

중탄소강의 재료 특성

중탄소강의 독특한 물성은 탄소 함량뿐만 아니라 철 원자 내부에 탄소가 분포하는 방식에서도 비롯됩니다. 대부분의 철 원자 내부에 탄소 원자가 단순하게 규칙적인 패턴을 이루는 것과는 다릅니다. 

중탄소강의 미세구조

중탄소강은 상온에서 단일의 균일한 상으로 구성되어 있지 않습니다. 그 미세구조는 페라이트와 펄라이트라는 두 가지 상의 혼합물로 이루어져 있습니다. 

• 페라이트 상: 부드럽고 연성이 있는 상입니다. 페라이트는 전체 재료의 연성을 담당합니다.
• 펄라이트 상: 페라이트와 탄화철(시멘타이트)로 이루어진 층상 구조입니다. 탄소가 존재하는 곳은 탄화철뿐입니다. 펄라이트는 주로 강철의 강도와 경도에 기여합니다.

위의 설명을 통해 탄소 함량이 증가함에 따라 강도가 증가하는 이유가 명확해졌을 것입니다. 이는 또한 중탄소강이 저탄소강보다 자연적으로 강도가 높으면서도 고탄소강보다 취성이 낮은 이유를 설명해 줍니다.

열처리는 미세구조를 어떻게 변화시키는가?

열처리로

열처리를 통해 중탄소강의 내부 구조를 더욱 변형하여 맞춤형 특성을 얻을 수 있습니다. 중탄소강의 열처리 과정에서 일어나는 현상은 간단히 말해 다음과 같습니다.

• 난방 이 과정을 통해 미세구조가 단일하고 균일한 상으로 변환됩니다. 이 단계에서 탄소 원자는 갇혀 있던 상에서 방출되어 구조 내에서 재분포될 수 있습니다.
• 몸을 담그다 상기 온도에서 강철은 탄소가 완전히 용해되어 균일하게 퍼지도록 합니다. 유지 시간은 공정의 주요 제어 변수 중 하나이므로 매우 중요합니다.
• 담금질 급랭은 탄소 원자가 제대로 재배열될 충분한 시간을 주지 않고 갑자기 고정시키는 공정입니다. 이로 인해 마르텐사이트라는 다른 상이 형성됩니다. 마르텐사이트는 내부 구조가 훨씬 더 단단하고 강합니다.
• 템퍼링 마지막으로 저온 재가열 공정을 통해 과도한 취성을 줄이고, 상당한 인성을 회복하는 동시에 획득한 강도를 대부분 유지합니다.

일부 열처리 기술은 제어된 가열과 후속 냉각을 여러 단계로 진행하며, 이 과정에서 온도, 시간, 냉각 매체와 같은 공정 변수를 변경하여 특정 특성을 얻을 수 있습니다.

 

중탄소강의 기계적 특성

중탄소강은 구성 성분 덕분에 기계적 특성이 매우 균형 잡혀 있어 널리 사용되는 강종입니다. 하지만 강도와 경도를 더욱 높여야 할 경우, 열처리를 통해 연성과 인성을 유지하면서도 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

강도와 경도

중탄소강은 적당한 강도와 경도를 제공하여 일반적으로 중간 정도의 하중을 견디고 내마모성이 요구되는 부품에 적합합니다. 중탄소강(정규화 처리 또는 열간압연 상태)의 평균 강도 및 경도 값은 아래와 같습니다. 이러한 값은 강종 및 가공 방법에 따라 약간씩 달라질 수 있습니다.

• 인장 강도 : 550 – 850MPa
• 항복 강도 : 350 – 600MPa
• 브리넬 경도: 170~230 HB (최대 280~300+ HB까지 상승 가능) 열처리 시)

AISI 1045 강은 가장 널리 사용되는 중탄소강 등급입니다. 일반적으로 인장 강도는 약 635MPa이지만, 열처리를 통해 최대 900MPa까지 강도를 높일 수 있어 중탄소강 볼트 및 자동차 샤프트에 적합합니다.

연성

피아노 해머 어셈블리

탄소 함량이 증가함에 따라 연성은 감소하지만, 중탄소강은 일반적으로 사용 가능한 유연성을 유지할 수 있습니다. 파단 시 신장률 15-25% 이 값은 일반적으로 예상치 못한 하중을 받았을 때 갑자기 파손되는 대신 안전하게 변형될 수 있는 충분한 값으로 간주됩니다.

인성

중탄소강은 노멀라이징 처리 시 우수한 인성을 나타냅니다. 그러나 과도한 경화 또는 템퍼링 단계를 완전히 생략하면 충격 저항이 급격히 감소할 수 있습니다. 따라서 제어되고 적절한 열처리 사이클이 중요합니다.

 

중탄소강의 물리적 특성

중탄소강의 또 다른 큰 장점은 산업 부품 제조에 이상적인 물리적 특성을 가지고 있다는 것입니다. 강도와 예측 가능한 온도 변화가 요구되는 용도에 탁월한 선택입니다.

부동산	가치관
밀도	7.75 – 7.89g/㎤
열 전도성	45 – 54W/mK
비열 용량	0.49J/g°C
녹는 범위	1425 - 1540 ° C
자기 속성	강자성

표 3: 중탄소강의 물리적 특성

중탄소강의 등급 및 표준

중탄소강봉

중탄소강은 강도, 인성 및 가공성 측면에서 특정 요구 사항에 맞춰 설계된 다양한 표준 등급으로 제공됩니다. 이러한 등급은 탄소 함량은 비슷하지만 주로 구성, 가공 및 열처리에서 차이가 있습니다. 성능이 중요한 부품이나 맞춤 제작 부품에 적합한 등급을 선택하려면 이러한 차이점을 이해하는 것이 필수적입니다.

AISI 10xx 시리즈 (AISI 1045 강 및 기타 인기 등급)

가장 널리 사용되는 중탄소강은 AISI 10xx 시리즈에 속합니다. 이 표기법을 이해하는 것은 간단합니다. 앞의 두 자리는 강종의 등급을 나타내고, 뒤의 두 자리는 탄소 함량을 나타냅니다. 예를 들어, AISI 1045 강을 해독해 보면 다음과 같습니다.

• "10" 일반 탄소강을 의미합니다.
• "45" 0.45%의 탄소를 나타냅니다.

표 4에는 널리 사용되는 중탄소강의 몇 가지 등급이 나열되어 있습니다. 이 중 AISI 1045강은 가장 일반적인 유형으로, 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용됩니다.

필터 등급	대략적인 탄소 함량(%)	가장 일반적인 응용 프로그램
AISI 1035	0.35	일반 기계 부품(경량 샤프트, 핀)
AISI 1040	0.40	중하중 기계 부품(단조 부품, 차축)
AISI 1045	0.45	기계 구조 부품(축, 기어, 볼트)
AISI 1050	0.50	내마모성 및 고하중 기계 부품

표 4: 인기 있는 중탄소강 등급 및 그 용도

AISI 4140은 중탄소강인가요?

AISI 4140은 기술적으로 저합금강입니다. 탄소강이 아닙니다탄소 함량이 0.38~0.43%로 중탄소강 범위에 속하기 때문에 때때로 중탄소강으로 언급되기도 합니다.

하지만 AISI 4140은 크롬(0.8~1.1%)과 몰리브덴(0.15~0.25%)을 의도적으로 주요 합금 원소로 함유하고 있습니다. 이 때문에 일반 탄소강이 아닌 합금강으로 분류됩니다. AISI 4140은 우수한 경화성과 피로 저항성을 제공하며 크랭크축, 기어, 고응력 축 등에 널리 사용됩니다.

AISI 중탄소강 등급의 국제적 등가 등급

AISI 10xx 시리즈의 중탄소강은 전 세계적으로 다양한 명명법으로 통용됩니다. 표준에 따라 다른 명칭 형식을 볼 수도 있지만, 이러한 강종들은 탄소 함량과 기계적 특성 면에서 대체로 동일합니다.

AISI/SAE(미국)	탄소(%)	유럽(EN)	독일어 (DIN / EN)	일본(JIS)	중국(GB)
AISI 1035	0.35	C35 / C35E	1.0501 (Ck35)	S35C	35 #
AISI 1040	0.40	C40 / C40E	1.0511 (Ck40)	S40C	40 #
AISI 1045	0.45	C45 / C45E	1.1191 (Ck45)	S45C	45 #
AISI 1050	0.50	C50 / C50E	1.1206 (Ck50)	S50C	50 #

표 5: 다양한 표준에 따른 중탄소강의 명칭

적합한 탄소강 등급을 선택하는 방법은 무엇일까요?

적합한 중탄소강 등급을 선택하려면 엔지니어링 요구 사항을 명확하게 이해해야 합니다. 재료를 선택하려면 부품에 대한 심층적인 조사를 통해 명확한 요구 사항, 한계, 환경 조건 및 재정적 역량을 설정해야 합니다. 중탄소강을 선택할 때 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다.

• 기계적 부하 요구 사항
• 마모 및 표면 성능 요구 사항
• 단면 두께 및 경화성
• 제조 및 가공 제약 조건
• 환경 및 서비스 조건
• 비용 및 자재 가용성

최종 선택을 하기 전에 관련 전문가의 조언과 상담을 받는 것이 강력히 권장됩니다.

 

중탄소강의 응용 분야

자동차 액슬 샤프트

중탄소강의 뛰어난 특성 조합은 구조, 기계 및 자동차 산업 분야의 엔지니어들 사이에서 매우 인기가 높습니다. 이러한 이유로 중강도에서 고강도의 응력, 반복 하중 및 마모에 노출되는 부품에 널리 사용됩니다. 

샤프트 및 액슬

높은 인장 강도와 피로 저항성으로 인해 자동차 축, 차축 및 동력 전달 축에 널리 사용됩니다.

기어 및 커플링

높은 접촉 응력을 받는 기어, 피니언 및 기계식 커플링의 재료로 사용됩니다. 

단조 부품

높은 강도, 충격 저항성 및 내구성 때문에 렌치, 로드 및 망치 머리에 흔히 사용됩니다.

기계 및 기계 부품

크랭크축, 커넥팅 로드 및 회전 기계 부품과 같이 반복적인 작동 조건에서 비틀림 및 굽힘 하중이 동시에 발생하는 곳에 널리 사용됩니다.

건설 및 중장비

중탄소강 볼트, 핀, 리프팅 부품 및 구조용 연결재는 높은 하중 지지력과 기계적 마모 저항성으로 인해 매우 널리 사용됩니다.

 

중탄소강의 장점

균형 잡힌 기계적 특성

중탄소강의 우수한 특성 조합 덕분에 뛰어난 강도와 인성을 동시에 제공할 수 있습니다. 따라서 우수한 변형 저항성과 동적 하중에 대한 내성이 요구되는 하중 지지 부품에 매우 적합합니다.

열처리 반응성이 높음

이러한 특성 덕분에 가공 및 열처리 과정에서 재료의 특성을 조절할 수 있습니다. 이 특성의 가장 큰 장점은 단단하고 내마모성이 뛰어난 표면과 견고한 내부 코어를 얻을 수 있다는 것입니다. 이러한 재료는 기어, 캠, 피로 하중을 받는 부품 제작에 널리 사용됩니다.

미처리 상태에서 가공성이 우수함 

중탄소강은 열처리 전에 가공성이 우수합니다. 따라서 최종 열처리 전에 다양한 형상으로 쉽게 가공할 수 있습니다. 이는 공구 마모와 제조 비용을 크게 절감해 줍니다. 일반 기계 가공에 사용되는 강철 재료.

폭넓은 보급 및 표준화

대부분의 중탄소강은 전 세계적으로 표준화되어 있고(예: AISI 1045와 C45는 서로 다른 표준에서 동일한 등급임) 쉽게 구할 수 있기 때문에 재료 선택, 품질 관리 및 교체가 매우 간단해집니다.

비용 효율성

중탄소강은 값비싼 합금 원소를 첨가하지 않고도 우수한 기계적 성능을 제공합니다. 따라서 합금강을 사용하면 불필요한 비용과 과도한 설계가 발생하는 대량 생산 부품에 널리 사용됩니다.

 

중탄소강의 한계점

저탄소강에 ​​비해 연성이 낮음

중탄소강은 탄소 함량이 높기 때문에 성형성 및 냉간 성형이 상당히 어렵습니다.

용접성 보통

용접이 필요한 경우, 재료를 예열하고 균열을 방지하기 위해 적절한 용접 후 열처리를 적용해야 합니다.

제한된 내식성

중탄소강은 내식성이 주된 목표라면 이상적인 선택이 아닙니다. 부식성 환경에서 이 강재를 사용해야 하는 경우, 코팅이나 적절한 표면 보호 조치가 필수적입니다. 그렇지 않다면 AISI 4140과 같은 다른 강재를 고려하는 것이 좋습니다.

불완전한 열처리로 인한 취성 위험

템퍼링이 불충분하거나 템퍼링을 완전히 무시하면 경도가 지나치게 높아지고 인성이 손실되어 취성 파괴 위험이 증가할 수 있습니다.

합금강보다 경화성이 낮음 

매우 두꺼운 단면의 경우, 일반 중탄소강은 단면 전체에 걸쳐 균일한 경도를 얻지 못할 수 있습니다.

맞춤형 금속 가공 

프로린테크 당사는 맞춤형 부품 및 정밀 부품에 고품질 금속 가공 서비스를 제공합니다. 중탄소강을 비롯한 다양한 재질과 강종을 취급합니다. 

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맺음말

중탄소강은 강도와 ​​인성이 요구되고 연성은 낮아야 하는 프로젝트에 적합한 소재입니다. 예를 들어 동력 전달축이나 차축 등이 있습니다. 중탄소강에는 다양한 등급이 있으며, 일부 등급은 열처리를 통해 인성을 향상시킬 수 있습니다.