탄소강, 합금강, 스테인리스강 및 공구강: 범주가 서로 겹치는 방식

네 가지 강종 범주가 실제로 의미하는 것

조성, 분류, 용도는 서로 다른 문제이다

일반적으로 사용되는 네 가지 구분인 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강은 강을 설명하는 서로 다른 세 가지 방식을 혼합한 것이다. 조성은 어떤 원소가 어떤 양으로 존재하는지를 묻는다. 분류는 어떤 표준이 해당 재료를 어떻게 묶는지를 묻는다. 용도는 해당 강이 어떤 기능을 수행하도록 의도되었는지를 묻는다. 이 세 가지 질문은 종종 같은 방향을 가리키지만, 서로 배타적인 네 개의 계열을 만들어 내는 것은 아니다.

강은 탄소를 2% 미만 함유한 철과 탄소의 합금이다. Strong evidence

[1][1] Steel Facts. World Steel Association. World Steel Association publication, 2024.

강은 이미 합금이다. World Steel Association은 2024년에 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 정의했다. 이 정의가 해당 재료가 철과 탄소만 포함한다는 의미는 아니다. 상업용 강에는 망가니즈, 규소, 황, 인, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘, 바나듐과 같은 원소도 포함된다. 일부 원소는 의도적으로 첨가되며, 다른 원소는 제조 공정이나 원료에서 유래하여 잔류한다.

[2][2] ASM Handbook article on carbon and low-alloy steels. ASM International. ASM Handbook, 2024.

탄소 함량은 여전히 중요한 분류 기준이다. ASM International은 일반 탄소강의 탄소 함량이 대체로 약 0.10%에서 1%를 초과하는 범위에 있다고 설명한다. AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 강종 표기가 미치는 영향을 보여 준다. 마지막 두 자리는 1/100% 단위의 공칭 탄소 함량을 나타내므로, 이 강종들은 대략 0.20%, 0.40%, 0.80%의 탄소를 포함하는 것으로 이해된다. 그러나 허용 범위는 전체 규격이 결정하므로, 해당 숫자만으로 적용 표준을 대신할 수는 없다.

탄소 함량을 높이면 적절한 가공 또는 열처리 후 경도와 강도가 증가할 수 있지만, 연성이 감소하고 용접이 더 어려워지는 경우가 많다. 또한 담금질과 뜨임에 대한 강의 반응도 달라진다. 이는 화학적·야금학적 설명이지 용도를 나타내는 명칭이 아니다. AISI/SAE 1040은 일반 탄소강 강종이지만, 이 강종으로 제작된 부품은 기계, 운송 장비 또는 다른 공학적 조립체에 사용될 수 있다.

“합금강”은 가장 흔히 표현상의 혼동을 일으키는 용어이다. 일상적인 의미에서 이 표현은 합금 원소를 하나라도 포함하는 모든 강을 가리킬 수 있으며, 그렇게 되면 거의 모든 상업용 강이 포함된다. 그러나 표준 용어에서 이 말은 더 좁은 의미를 갖는다. AISC Code of Standard Practice에서 사용하는 ASTM A941의 정의는 스테인리스강과 구별하여 탄소강과 합금강을 정의한다. 탄소강은 스테인리스강이 아니면서 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하는 강이고, 합금강은 스테인리스강이 아니면서 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하는 강이다. 따라서 “합금강”은 표준상 분류이지 모든 강의 동의어가 아니다.

이 구분은 실험실에서 크로뮴, 니켈 또는 망가니즈를 검출할 수 있는지에 단순히 달려 있는 것이 아니라, 규정된 화학 조성과 분류 규칙에 따라 결정된다. 이러한 원소가 소량 포함되어도 탄소강 규격에 해당할 수 있다. 합금강 규격에서는 합금 원소의 첨가에 보다 명확한 역할을 부여하며, 경화능, 강도, 인성 또는 열처리에 대한 반응을 관리할 수 있다.

스테인리스강은 크롬을 10.5% 이상 함유한다. Strong evidence

[3][3] Steel Facts. World Steel Association. World Steel Association publication, 2024.

스테인리스강은 주로 크로뮴 함량과 내식성에 따라 식별된다. World Steel Association에 따르면 스테인리스강은 최소 10.5%의 크로뮴을 포함한다. 산소가 존재하는 환경에서 크로뮴은 산소와 반응하여 얇은 보호층을 형성하고, 이 층은 내식성을 높인다. 이 기준값은 많은 표준에서 스테인리스강을 일반 탄소강 및 합금강 분류와 구분하지만, 크로뮴 함량만으로 모든 스테인리스강 강종을 설명할 수는 없다. 니켈, 몰리브데넘, 질소, 탄소, 망가니즈 및 기타 원소는 상의 균형, 용접성, 공식 저항성, 강도, 자성 반응 및 열처리 거동에 영향을 준다. 따라서 페라이트계 스테인리스강과 오스테나이트계 스테인리스강은 모두 크로뮴 요건을 충족하면서도 거동은 크게 다를 수 있다.

네 가지 범주가 서로 분리된 상자가 아니라 겹치는 이유

이 범주들이 겹치는 이유는 서로 다른 축을 설명하기 때문이다. 어떤 강은 화학 조성과 내식성에 따라 스테인리스강으로 분류된 다음, 제품 표준, 강종 지정 및 사용 용도에 의해 추가로 식별될 수 있다. 스테인리스 강종이 절삭 공구에 선택될 수는 있지만, “스테인리스강”이라는 사실만으로 통상적인 기능적 의미의 공구강이 되는 것은 아니다. 반대로 공구강은 상당한 양의 크로뮴을 포함할 수 있지만, 스테인리스강과 관련된 조성 및 거동 요건을 충족하지 않을 수 있다.[4][4] ASM Handbook article on tool steel. ASM International. ASM Handbook, 2024.

ASM은 공구강을 그 기능에 따라 설명한다. 즉, 제조 부품으로 만들기 위해 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하는 공구를 제작하는 데 사용되는 강이다. 이는 기능에 따른 명칭이다. 공구강에는 일반적으로 경도, 고온 경도, 내마모성, 인성, 치수 안정성, 사용 중 연화에 대한 저항성을 조합한 특성이 요구된다. ASM의 2024년 설명에 따르면 현대의 많은 공구강 강종은 상당한 양의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 포함한다. 이러한 첨가 원소는 경질 탄화물을 형성하고, 경화능을 높이며, 내마모성을 향상시키거나, 고온에서 강도를 유지하게 할 수 있다.

이러한 화학 조성이 공구강이라는 용도의 의미를 없애는 것은 아니다. 크로뮴을 포함하는 공구강이 자동으로 스테인리스강이 되는 것도 아니며, 스테인리스강이 자동으로 공구강이 되는 것도 아니다. 강종의 분류는 적용되는 체계와 의도된 기술적 설명에 따라 결정된다.

탄소강과 합금강 역시 용도에 따른 범주와 겹친다. 일반 탄소강이 성형 작업에 사용될 수는 있지만, 모든 표준에서 그것이 공구강이 되는 것은 아니다. 마찬가지로 축에 사용되는 합금강도 축의 형상에 의해 정의되는 것은 아니다. 조성은 하나의 경계를 설정하고, 기능과 규격은 또 다른 경계를 설정한다.

강종 지정은 세 번째 층위를 더한다. AISI 및 SAE 체계에서는 일반 탄소강 강종에 AISI/SAE 1020, 1040, 1080과 같은 숫자 지정이 일반적으로 사용된다. 다른 번호 체계는 합금 계열을 식별하며, 스테인리스강 강종은 일반적으로 304 또는 316과 같은 AISI 지정, 제품 규격 또는 통합 번호 체계에 따라 표시된다. 이러한 표기는 확립된 강종의 정체성을 전달하지만, 그 자체로 특정 경도, 미세조직, 표면 상태 또는 사용 결과를 보장하지는 않는다. 제조 이력이 중요하다.

ASTM, AISI, SAE, ASM, AISC 용어의 역할[5][5] Scope of ASTM Committee A01. ASTM International. ASTM Committee A01 scope, 2024.[6][6] ASTM Committee A01 Fact Sheet. ASTM International. ASTM International committee fact sheet, 2016.

ASTM은 북미 지역의 강 관련 문서에서 사용되는 규격 체계의 상당 부분을 제공한다. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 담당한다. 이 위원회의 구성은 이러한 범주를 서로 고립된 상자로 취급해서는 안 되는 이유를 보여 준다. 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 냉간압연 스테인리스강, 공구강을 각각 다루는 별도의 관련 분과위원회가 존재한다.

AISI와 SAE는 강종 지정 및 역사적인 합금 명명 체계에서 특히 중요하다. 이 기관들의 숫자 표기는 공인된 화학 조성 계열을 간략히 나타내는 것이지, 모든 특성에 대한 보편적인 진술이 아니다. ASM International은 조성, 미세조직, 가공 및 용도의 연관성을 설명하는 기술 참고 자료를 제공하며, 단순히 또 하나의 네 가지 범주 분류 체계를 제시하는 기관이 아니다.

AISC는 구조용 강재 실무에서 이러한 용어를 적용한다. AISC Code of Standard Practice의 용어집은 ASTM A941을 바탕으로 하며, 그 정의 안에서 스테인리스강을 제외하는 통제된 의미의 “탄소강”과 “합금강”을 제시한다. 따라서 실무적으로는 먼저 해당 질문이 화학 조성, 표준 분류, 강종 지정 또는 용도에 관한 것인지 물어보면 된다. 그래야만 “탄소”, “합금”, “스테인리스” 또는 “공구”라는 표현으로 강을 정확하게 설명할 수 있다.

철–탄소 합금으로서의 강

2% 미만 탄소 정의

세계철강협회(World Steel Association)는 강을 탄소를 2% 미만 함유한 철과 탄소의 합금으로 정의한다(2024). 이러한 화학적 경계는 강을 논의하는 기초이지만, 강이 어떻게 분류되고 어떤 거동을 보이는지를 완전히 설명하지는 않는다. 하나의 강종은 이 한계 이하의 탄소와 함께 망가니즈, 규소, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘, 바나듐, 텅스텐, 나이오븀, 붕소 또는 기타 원소를 함유할 수 있다. 각각의 첨가 원소의 양과 목적은 탄소 함량만큼 중요할 수 있다.

이 경계는 또한 “탄소강”, “합금강”, “스테인리스강”, “공구강”을 서로 배타적인 네 가지 화학적 계열로 취급해서는 안 되는 이유를 설명한다. 야금학적으로 모든 강은 철이 탄소 및 일반적으로 다른 원소와 결합한 합금이다. 그러나 표준 용어에서 “합금강”은 “탄소강”과 구별되는 범주를 가리킬 수 있다. 이러한 범주는 정의, 제외 조건, 의도된 기능 및 제품에 적용되는 표준에 따라 달라진다.

ASTM A941 용어를 바탕으로 한 AISC Code of Standard Practice 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 또한 합금강을 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 병행하여 정의한다. 따라서 어떤 재료가 “합금강”이라는 일상적인 표현은 단순히 합금 원소가 존재한다는 사실 이상의 의미를 가질 수 있다. 조성은 하나의 문제이고, 적용 가능한 분류는 또 다른 문제이다.

스테인리스강은 이러한 차이를 명확하게 보여 준다. Worldsteel은 스테인리스강을 크로뮴을 최소 10.5% 함유한 강으로 규정하며, 크로뮴이 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성한다고 설명한다(2024). 이 임계값은 공인된 스테인리스강 범주를 설정하지만, 크로뮴 함량만으로 모든 스테인리스강종을 설명할 수는 없다. 탄소, 니켈, 몰리브데넘, 질소, 망가니즈, 타이타늄, 나이오븀 및 재료의 가공 이력은 상 분율, 부식 거동, 강도, 용접성 및 열처리 가능성에 영향을 미친다.

공구강은 주로 기능을 중심으로 구성된다. ASM은 공구강을 절삭, 성형 또는 그 밖의 방법으로 재료를 제조 부품으로 가공하기 위한 공구 제작에 사용되는 강으로 설명한다. 현대의 많은 공구강종은 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 함유한다(ASM International, 2024). 따라서 일부 공구강은 화학적으로 합금강 및 스테인리스강과 겹치지만, 공구강이라는 명칭은 마모, 변형, 열 노출 또는 반복 접촉에 대한 저항성과 같이 해당 재료에 요구되는 사용 조건을 반영한다.

ASTM A01 위원회는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 관련 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 표준을 개발한다. Strong evidence

ASTM Committee A01은 이러한 중첩되는 명칭의 배경이 되는 표준 체계를 제공한다. 그 범위에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준이 포함된다. ASTM의 위원회 구조에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 담당하는 별도의 분과위원회가 있다. 문서가 분리되어 있다고 해서 화학 조성이 서로 분리되는 것은 아니다. 이는 강의 분류가 제품 형태, 적용 분야 및 시험 요구 사항에 따라서도 이루어진다는 점을 보여 준다.

철, 탄소 및 강의 기지

철은 주요 금속 기지를 제공하지만, “철”이 하나의 고정된 구조를 의미하는 것은 아니다. 순철은 온도에 따라 결정 구조가 변한다. 낮은 온도에서는 체심입방 배열을 갖는 페라이트 상태이며, 더 높은 온도 범위에서는 면심입방 배열을 갖는 오스테나이트 상태가 된다. 탄소는 이러한 철 격자의 간극 위치를 차지하며, 탄소의 고용도는 두 구조 사이에서 크게 달라진다.

이 작은 원자는 구조적으로 큰 결과를 초래할 수 있다. 페라이트에 고용된 탄소는 철 격자를 왜곡하고 전위의 이동을 방해한다. 전위는 그 이동을 통해 소성 변형을 가능하게 하는 결함이다. 탄소는 철 및 다른 원소와 결합하여 탄화물을 형성할 수도 있다. 냉각 과정에서 조성과 열적 경로에 따라 기지는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이러한 구성상의 혼합물로 변한다. 그 결과 형성된 미세조직이 탄소 수치 자체보다 강의 거동 대부분을 좌우한다.

일반 탄소강의 탄소 함량은 일반적으로 약 0.10%에서 1% 초과까지의 범위이다. Strong evidence

[7][7] ASM Handbook article on carbon and low-alloy steels. ASM International. ASM Handbook, 2024.

ASM International에 따르면 일반적인 탄소강의 탄소 함량은 대체로 약 0.10%에서 1% 초과까지의 범위에 있다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 대표적인 강종이다. 이러한 명칭은 AISI/SAE 체계 내에서 공칭 탄소 범위를 시사하지만, 강종 번호가 성능을 직접 보증하는 것은 아니다. 최종 거동은 규정된 화학 조성, 제품 두께, 이전 변형, 냉각 속도 및 어닐링, 노멀라이징, 담금질 또는 뜨임 처리 여부에 따라 달라진다.

경화능경화능 냉각 중 강이 일정 깊이까지 경화 조직을 형성할 수 있는 능력.

기지에는 철 원자를 격자 내에서 치환하는 원자가 치환형 합금 원소와 냉각 또는 시효 중에 형성되는 석출물도 존재할 수 있다. 망가니즈는 변태 거동과 경화능에 영향을 줄 수 있고, 크로뮴은 경화능, 탄화물 형성 및 내식성에 기여할 수 있다. 니켈은 인성과 상 안정성에 영향을 줄 수 있으며, 몰리브데넘은 경화능과 고온에서의 연화 저항성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 것은 역할이지, 한 원소와 하나의 물성 사이에 성립하는 단순한 방정식이 아니다. 동일한 첨가 원소라도 농도, 함께 존재하는 원소, 열 이력 및 미세조직에 따라 서로 다른 결과를 낳을 수 있다.

탄소 함량이 가공에 대한 거동을 변화시키는 이유

탄소는 상변태와 열처리 중 경화 가능한 재료의 양 모두에 영향을 주기 때문에 가공에 대한 강의 반응을 변화시킨다. 적합한 강을 오스테나이트 범위까지 가열한 다음 빠르게 냉각하면, 탄소는 오스테나이트가 과포화되고 변형률이 높은 구조인 마르텐사이트로 변태하는 데 기여한다. 마르텐사이트는 높은 경도를 제공할 수 있지만, 과도한 취성을 줄이고 원하는 물성의 균형을 안정화하기 위해 일반적으로 뜨임 처리가 필요하다.

일반적으로 저탄소강은 유사한 조건에서 탄소가 풍부한 마르텐사이트를 더 적게 형성하므로, 담금질에 대한 반응이 고탄소 강종과 다르다. 탄소 함량이 높으면 경화 후 얻을 수 있는 잠재적 경도가 증가할 수 있지만, 결과는 여전히 단면 크기, 냉각의 가혹도, 오스테나이트화 조건, 초기 결정립 구조 및 합금 원소의 첨가에 좌우된다. 이러한 조건을 고려하지 않고 특정 탄소 증가량에 고정된 경도 증가를 부여하는 것은 타당하지 않다.

탄소는 용접, 성형, 절삭 및 열간 가공 거동에도 영향을 준다. 일반적으로 저탄소 기지는 고탄소 기지보다 변형과 용접을 수용하기 쉽지만, 용접성은 탄소 함량만으로 결정되지 않는다. 용접 절차에서는 경화 가능한 구성상, 수소, 구속, 두께, 그리고 탄소와 합금 원소의 종합적인 영향을 고려해야 한다. 성형 작업에서는 초기 미세조직과 가공경화 거동에 따라 공칭 조성이 유사한 강종도 허용 가능한 방식으로 거동하는지가 결정될 수 있다.

따라서 가공은 작업 현장에서 조성이 갖는 의미를 바꿀 수 있다. 담금질은 마르텐사이트를 형성할 수 있고, 느린 냉각은 페라이트와 펄라이트를 생성할 수 있으며, 제어 냉각은 베이나이트를 생성할 수 있다. 뜨임은 탄화물 분포를 변화시키고 응력을 완화할 수 있다. 냉간 가공은 전위의 축적을 통해 강도를 높이는 반면, 이후의 어닐링은 회복과 재결정을 통해 연성을 회복시킬 수 있다.

탄소는 강의 정의와 거동에 필수적이지만, 완전한 분류 체계도 아니며 단독으로 성능을 예측하는 지표도 아니다. 표준 명칭은 정의된 강종 또는 제품 범주를 식별한다. 화학 조성은 무엇이 존재하는지를 설명한다. 가공은 최종 물성을 매개하는 미세조직을 형성한다. 이 세 가지 수준을 혼동하기 때문에 탄소강, 합금강, 스테인리스강 및 공구강이 서로 경쟁하는 명칭처럼 제시되는 경우가 많다. 그러나 실제로는 이 명칭들이 서로 겹칠 수 있다.

탄소강: 정의, 등급 및 한계

ASM 용어에서의 보통 탄소강

“탄소강”은 철과 탄소만으로 만든 강을 의미하지 않는다. 모든 상업용 강에는 의도적으로 첨가되었거나 제조 과정에서 잔류한 추가 원소가 소량씩 포함되어 있다. World Steel Association은 강을 탄소가 2% 미만인 철–탄소 합금으로 설명한다. 보통 탄소강(plain carbon steel)이라는 표현은 더 좁은 의미를 갖는다. 이는 특정한 합금 효과를 내기 위해 다른 합금 원소를 일정량 이상 첨가하도록 규정하지 않고, 주로 탄소 함량과 가공에 의해 의도된 특성이 결정되는 강을 가리킨다.

ASM의 탄소강 및 저합금강 분류에서는 보통 탄소강을 대략 탄소 0.10%에서 1%를 초과하는 범위까지로 다룬다. 이는 하나의 등급이나 성능 등급이 아니라 넓은 조성 범위이다. 탄소가 약 0.10%인 강과 1%를 초과하는 강은 성형, 용접, 경화 및 사용 중 거동에서 매우 다르게 나타난다. 공통된 명칭은 탄소가 주된 의도적 합금 변수라는 점을 의미할 뿐, 동일한 강도, 경도, 인성 또는 열처리 응답을 보장하지 않는다.

보통 탄소강에도 망가니즈, 규소, 황, 인 및 기타 잔류 원소나 제조 공정 관련 원소가 포함되어 있다. 예를 들어 망가니즈는 탈산을 돕고 황과 결합하기 때문에 일반적으로 존재한다. 망가니즈가 포함되어 있다고 해서 해당 등급이 자동으로 저합금강이 되는 것은 아니다. 분류에서 중요한 점은 적용되는 표준 또는 지정 체계에 따라 어떤 원소에 일정한 최소 함량이 규정되어 있고 의도적인 합금 역할이 부여되어 있는지 여부이다.

탄소는 강의 미세조직과 그 미세조직이 열처리에 반응하는 방식에 직접적인 영향을 미친다. 일반적으로 탄소 함량이 증가하면 적절한 담금질 후 더 높은 경도를 얻을 수 있는데, 이는 더 많은 탄소가 마르텐사이트에 잔류할 수 있기 때문이다. 또한 탄소 함량이 증가하면 연성과 용접성이 저하되는 경향이 있으며, 열 사이클이 제대로 제어되지 않을 때 균열에 대한 민감성이 높아질 수 있다. 이러한 영향은 단면 크기, 냉각 속도, 사전 가공 상태 및 기타 원소에 따라 달라지므로 탄소 백분율만으로 완성 부품의 특성을 예측할 수는 없다.

표준은 여기에 또 다른 층위를 더한다. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금을 다루는 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 문서를 관리한다. 이러한 작업은 화학 조성에 관한 명칭을 완전한 재료 규격으로 오인해서는 안 되는 이유를 보여준다. 제품 표준은 화학적 한계, 인장 요구사항, 열처리, 치수, 시험 및 납품 상태를 동시에 규정할 수 있다.

AISI/SAE 1020, 1040 및 1080

AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 ASM이 제시하는 대표적인 보통 탄소강 등급이다. 네 자리 지정 번호는 대략적인 공칭 탄소 함량을 나타내지만, 전체 화학 조성 및 제품 규격을 대신하지는 않는다.

명목 탄소 함량(%)

AISI/SAE 지정 체계에서 앞의 두 자리는 넓은 강 종류를 나타낸다. 이 세 가지 예에서 “10”은 크롬, 니켈 또는 몰리브데넘 합금 계열이 아니라 보통 탄소강임을 의미한다. 뒤의 두 자리는 명목상 탄소 함량을 백분율의 100분의 1 단위로 나타낸다.

• AISI/SAE 1020은 탄소 약 0.20%를 의미한다.
• AISI/SAE 1040은 탄소 약 0.40%를 의미한다.
• AISI/SAE 1080은 탄소 약 0.80%를 의미한다.

이 숫자는 실험실 분석 결과가 아니라 약식 표기이다. 1040이라는 지정은 모든 용강이 정확히 0.40%의 탄소를 포함한다는 뜻이 아니며, 황, 인, 망가니즈, 규소, 결정립 관리, 개재물 제어, 봉강 상태, 판재 상태 또는 열처리를 규정하지도 않는다. 허용되는 조성 범위는 관련 재료 표준 또는 규격에서 정한다. 따라서 특정 표준에 따라 주문, 시험 또는 인증된 제품에는 네 자리 AISI/SAE 번호만으로는 알 수 없는 요구사항이 포함될 수 있다.

1020에서 1040을 거쳐 1080으로 이어지는 변화는 탄소의 실제 영향을 보여준다. 1020 조성은 보통 탄소강 범위에서 상대적으로 탄소 함량이 낮으므로, 실제 결과는 두께와 상태에 따라 달라지지만 일반적으로 고탄소인 예들보다 성형과 용접에 더 적합하다. 1040 조성은 적절한 열처리 후 경도와 강도에 더 크게 기여하는 탄소 함량을 제공한다. 탄소가 약 0.80%인 1080은 철–탄소계의 공석 조성 영역에 가까우며, 냉각 및 가공 조건에 따라 열처리를 통해 주로 펄라이트 조직 또는 마르텐사이트 조직을 형성할 수 있다. 그러나 이 지정만으로 부품이 어닐링 상태인지, 노멀라이징 상태인지, 담금질 및 뜨임 상태인지, 또는 다른 상태로 공급되었는지는 알 수 없다.

탄소 함량은 경화능에도 영향을 미치지만, 탄소와 경화능은 동일한 용어가 아니다. 탄소는 마르텐사이트가 도달할 수 있는 경도를 결정하며, 합금 원소의 첨가와 단면 크기는 냉각 중 강이 어느 깊이까지 경화될 수 있는지에 큰 영향을 미친다. 두꺼운 1080 단면과 얇은 1080 단면은 동일한 공칭 열처리를 받더라도 두께 방향으로 서로 다른 조직을 형성할 수 있다. 등급명만으로는 이러한 차이를 설명할 수 없다.

성능에 관한 주장에도 같은 주의가 필요하다. AISI/SAE 1020, 1040 또는 1080은 조성 계열을 나타낸다. 이 표기만으로 특정한 항복강도, 충격 인성, 피로 한도, 피삭성 값 또는 부식 속도가 정해지는 것은 아니다. 이러한 결과를 판단하려면 제품 형태, 상태, 시험 방법 및 적용되는 규격을 함께 고려해야 한다.

탄소강과 저합금강의 비교

보통 탄소강과 저합금강을 구분하는 핵심은 첨가 원소의 역할과 규정된 첨가량이다. 보통 탄소강은 주된 합금 첨가 원소로서 탄소를 중심으로 구성되며, 의도적인 합금 효과를 얻기 위해 다른 원소를 일정량 이상 첨가하도록 규정하지 않는다. 저합금강은 경화능, 강도, 인성, 내마모성, 뜨임 저항성 또는 내식성을 변화시키기 위해 크롬, 니켈, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 이들의 조합을 일반적으로 의도적으로 첨가한다.

모든 보통 탄소강 등급과 모든 저합금강 등급을 구분하는 단 하나의 보편적인 백분율 경계는 존재하지 않는다. 지정 체계와 표준에 따라 조성 한계가 다르며, 강의 계열을 정의하는 방식도 서로 다르다. 따라서 ASTM A941의 용어가 중요하다. ASTM A941은 탄소강과 합금강을 표준상의 범주로 구분하지만, 야금학적 의미에서 두 강 모두 철을 기반으로 하는 합금이다. ASTM A941을 바탕으로 한 AISC Code of Standard Practice의 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의하고, 합금강을 해당 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 이러한 표준 맥락에서 “합금강”이라는 표현은 탄소강에 합금 원소가 전혀 포함되지 않는다는 뜻이 아니다.[8][8] Steel Facts. World Steel Association. World Steel Association publication, 2024.

이 때문에 일반적인 강 안내서에서 사용하는 네 가지 명칭을 서로 완전히 분리된 네 개의 상자로 취급해서는 안 된다. 스테인리스강도 화학적으로는 합금이지만, 표준에서는 별도의 범주로 취급한다. World Steel Association은 스테인리스강의 정의 기준으로 최소 10.5%의 크롬을 제시하며, 크롬은 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성한다. 공구강은 주로 기능에 따라 분류된다. 즉, 절삭, 성형 또는 그 밖의 방식으로 재료를 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강이다. 또한 많은 공구강 등급에는 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬이 포함된다. 따라서 어떤 강이 보통 탄소강인지, 표준 분류상 합금강인지, 또는 용도에 따른 설명으로서 공구강인지는 관련 화학 조성, 표준 및 사용 목적이 그러한 설명을 뒷받침할 때에만 판단할 수 있다.

탄소강에는 한계가 있다. 탄소 함량을 높이면 얻을 수 있는 경도는 향상될 수 있지만 용접성과 연성이 저하될 수 있으며, 의도적인 합금 원소의 첨가를 배제하면 경화능, 고온 안정성, 내마모성 또는 내식성이 제한될 수 있다. 지정 번호는 초기의 화학적 정보를 제공한다. 완전한 판단은 적용되는 표준과 강의 실제 상태에 달려 있다.

합금강: ‘합금’이라는 단어가 혼란을 일으키는 이유

모든 강은 합금이지만, 표준에서는 여전히 “합금강”이라는 용어를 사용한다

과학적 의미에서 강은 이미 합금이다. World Steel Association은 2024년에 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철과 탄소의 합금으로 정의했다. 철은 주성분이며, 탄소는 철 결정 구조에서 격자간 위치를 차지하여 재료의 변태 거동, 경도, 강도 및 열처리에 대한 반응을 변화시킨다. 따라서 일상적인 언어로 “일반 탄소강”이라고 부르는 강도 순수한 철은 아니다.

이로 인해 겉보기에는 모순이 생긴다. 모든 강이 합금이라면, 왜 규격과 공학 참고문헌에서는 “합금강”이라는 별도의 범주도 사용하는가?

답은 화학적 조성이 아니라 분류에 있다. 표준 용어에서 “합금강”은 일반적으로 조성이나 규격에 따라 탄소강 범주에서 제외되는 비스테인리스강의 정의된 한 부류를 가리킨다. 이는 탄소강에 합금 원소가 전혀 없다는 뜻이 아니다. 또한 합금강이 하나의 고정된 화학 조성이나 예측 가능한 단일 특성군을 가진 하나의 계열이라는 뜻도 아니다.

조성과 분류는 서로 관련되어 있지만 동일하지는 않다. 어떤 강은 잔류량 또는 규정량의 망가니즈, 규소, 구리, 니켈, 크로뮴 또는 기타 원소를 함유할 수 있지만, 모든 표준 체계에서 합금강으로 분류되는 것은 아니다. 적용되는 규격이 재료의 분류 방식을 결정한다. 제품 형태, 사용 목적, 열처리 및 적용 표준은 모두 명칭에 영향을 줄 수 있다.

스테인리스강과의 구분 역시 표준에 근거하지만, 스테인리스강에는 명확한 조성상의 토대가 있다. World Steel Association은 스테인리스강이 최소 10.5%의 크로뮴을 함유한다고 설명한다. 크로뮴은 산소와 반응하여 강 표면에 얇고 내식성이 있는 보호층을 형성한다. 이 기준은 스테인리스 범주를 정의하는 데 도움이 되지만, 크로뮴 함량만으로 모든 스테인리스 등급의 특성이 설명되는 것은 아니다. 탄소, 니켈, 몰리브데넘, 질소 및 가공 과정도 조직과 부식 거동에 영향을 준다.

비(非)스테인리스강 등급에서는 탄소 함량이 여전히 주요 변수이다. ASM International은 2024년에 일반 탄소강의 탄소 함량이 대체로 약 0.10%에서 1%를 초과하는 범위에 있다고 보고했다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 명칭 체계를 보여 주는 예이다. 앞의 두 자리는 포괄적인 강 계열을 나타내고, 뒤의 두 자리는 백분율의 100분의 1 단위로 표시한 대략적인 공칭 탄소 수준을 나타낸다. 이 숫자는 화학 조성을 설명할 뿐, 보장된 경도, 인장 강도 또는 사용 성능을 의미하지는 않는다. 제품 상태와 열처리도 여전히 중요하다.

AISC 용어집을 통해 살펴본 ASTM A941의 용어

ASTM 위원회 A01은 이러한 용어의 근간이 되는 표준 체계의 상당 부분을 담당한다. 그 범위에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준이 포함된다. ASTM은 또한 서로 다른 제품과 재료 등급을 다루도록 업무를 소위원회별로 나누고 있다. 2016년에 발표된 ASTM 위원회 A01의 자료에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강 및 공구강을 각각 다루는 별도의 그룹이 제시되어 있다.

AISC 표준 관행 규정의 용어집은 ASTM A941, 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 관한 표준 용어에서 확립된 용어를 따른다. 이 용어집에서 탄소강은 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의된다. 합금강 역시 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의된다.

이 표현이 혼란을 해결하는 핵심이다. 이 용어집은 “합금”을 과학적 의미의 넓은 개념으로 사용하지 않는다. 하나의 강 그룹을 다른 그룹과 구분하기 위해 공식적인 표준 분류를 적용하고 있는 것이다. 따라서 “탄소강”과 “합금강”은 더 넓은 강 합금의 세계 안에 존재하는 분류이며, “스테인리스강”은 자체적인 용어와 조성 요건에 근거한 또 다른 분류이다.

이 단어는 제품 표준에서도 더 좁은 목적을 위해 사용된다. ASTM 규격은 특정 제품에 대해 화학적 한계, 기계적 요건, 납품 상태, 시험 절차, 용접 관련 규정 또는 열처리 요건을 정할 수 있다. 어떤 규격에서 합금강으로 식별된 재료라고 해서 그 명칭만으로 특성을 부여해서는 안 된다. 규격, 등급, 제품 형태 및 상태를 함께 검토해야 한다.

명칭은 또 다른 오류의 가능성을 만든다. 예를 들어 AISI/SAE 4140은 크로뮴-몰리브데넘 합금강 명칭으로 인정되지만, 그 숫자 자체가 완전한 성능 설명은 아니다. 그 재료가 풀림 상태인지, 노멀라이징 상태인지, 담금질 및 뜨임 상태인지, 냉간 마무리 상태인지 또는 다른 상태로 공급되는지는 나타내지 않는다. 등급 명칭은 조성 범위나 계열을 식별할 뿐이며, 재료 인증서, 제품 규격 또는 열처리 기록을 대신하지 않는다.

공구강도 이와 유사한 방식으로 이러한 범주들과 겹친다. ASM은 공구강을 기능에 따라 설명한다. 즉, 절삭, 성형 또는 그 밖의 방법으로 재료를 제조 부품의 형태로 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강이다. 현대의 많은 공구강 등급은 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 함유한다. 이러한 강은 넓은 의미의 표준 체계에서는 합금강인 경우가 많지만, “공구강”이라는 표현은 “합금강”이라는 표현이 전달하지 못하는 사용 목적과 성능 요건을 전달한다. 스테인리스 공구강도 존재할 수 있으며, 이는 이러한 명칭들이 서로 완전히 분리된 네 개의 상자를 이루는 것이 아님을 다시 보여 준다.

일반적인 합금 원소와 그 야금학적 역할

합금 원소의 첨가는 여러 메커니즘을 통해 작용하며, 그 효과는 농도, 다른 원소와의 상호작용, 가공 과정 및 최종 미세조직에 따라 달라진다. 등급과 상태를 명시하지 않은 채 하나의 원소에 하나의 보장된 특성을 부여하는 것은 기술적으로 타당하지 않다.

탄소는 일반적인 강에서 주요 경화 원소이다. 탄소 함량이 증가하면 열처리 중 형성되는 경질상의 양이 증가하고 얻을 수 있는 경도가 높아질 수 있지만, 연성, 용접성 및 인성에도 영향을 줄 수 있다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 공칭 탄소 수준의 변화가 재료의 열처리 반응을 변화시킨다는 점을 상기시켜 주는 유용한 예이다. 등급 번호만으로 완성 부품의 특성이 결정되는 것은 아니다.

망가니즈는 강도에 기여하고 경화능, 즉 냉각 중 강이 경화 조직을 형성할 수 있는 깊이에 영향을 준다. 또한 황과 쉽게 결합하여 많은 제강 공정에서 황화철의 유해한 영향을 제어하는 데 도움을 준다. 규소는 강화에 기여할 수 있으며 일반적으로 탈산 첨가 원소로 존재한다. 그러나 어느 원소도 모든 강 제품에 걸쳐 단순한 특성을 보장하지는 않는다.

크로뮴은 경화능을 높일 수 있으며 크로뮴이 풍부한 탄화물의 형성을 촉진할 수 있다. 적절한 조성과 미세조직에서는 이러한 탄화물이 내마모성에 기여할 수 있다. 충분히 높은 수준의 크로뮴은 World Steel Association이 설명한 보호 산화 피막을 형성하게 하여 스테인리스 특성을 뒷받침한다. 따라서 동일한 원소가 일반 합금강, 공구강 및 스테인리스강에 모두 나타날 수 있지만, 각 조성에서의 효과는 서로 다르다.

몰리브데넘은 경화능을 높일 수 있으며, 특정 등급에서는 고온 사용 중 강도를 유지하는 데 도움을 줄 수 있다. 니켈은 일반적으로 인성에 기여하며 경화능과 부식 거동에도 영향을 줄 수 있다. 바나듐은 적절한 강에서 안정한 탄화물과 질화물을 형성하며, 조성과 가공 과정에 따라 결정립 미세화, 석출 강화 또는 내마모성을 뒷받침한다. 텅스텐은 많은 고속도 공구강과 열간 가공용 공구강에서 특히 중요하며, 이 경우 탄화물 형성과 고온 거동이 핵심적인 관심사이다.

이러한 첨가 원소들은 독립적으로 작용하지 않는다. 탄소, 크로뮴, 몰리브데넘 또는 바나듐의 작은 변화도 상변태, 탄화물 분포, 용접성 및 열처리 가능 범위를 변화시킬 수 있다. 따라서 올바른 질문은 단순히 “이 강은 합금화되어 있는가?”가 아니다. 모든 강은 합금화되어 있다. 중요한 질문은 다음과 같다. 어떤 표준이 이 강을 정의하는가? 어떤 원소가 규정되어 있는가? 어떤 명칭이 이를 식별하는가? 어떤 상태로 제조되었는가? 그리고 그 성능을 지배하는 미세조직은 무엇인가?

스테인리스강과 크롬 임계값

10.5% 크롬 정의

세계철강협회(World Steel Association)는 질량 기준으로 최소 10.5%의 크롬을 함유한 강을 스테인리스강으로 정의한다. 또한 2024년 철강 자료에서는 강을 일반적으로 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 정의하고 있으므로, 스테인리스강이라는 구분은 강이라는 범주를 배제하는 것이 아니다. 스테인리스강도 여전히 강이다. 크롬 임계값은 더 큰 철계 합금 집단 안에서 내식성을 형성하는 특정한 화학적 기반을 식별한다(World Steel Association, 2024).

이 임계값은 유용한 정의이지만, 완전한 성능 규격은 아니다. 크롬 함량이 10.5%인 강종은 크롬 함량이 18%, 22% 또는 25%인 강종과 정확히 같은 방식으로 거동하지 않는다. 또한 크롬 함량만으로 경도, 인장강도, 용접성, 인성, 자성 반응 또는 특정 화학적 환경에 대한 적합성을 결정할 수 없다. 이러한 특성은 전체 조성, 가공을 통해 형성된 결정구조, 열처리, 표면 상태 및 적용되는 제품 규격에 따라 달라진다.

일상적인 범주 명칭이 문제를 일으키는 지점이 바로 여기다. “스테인리스강”은 크롬을 함유하는 강의 한 계열을 의미하는 반면, UNS S30400은 일반적으로 AISI 304와 연관되며 특정 조성과 등급 체계를 식별한다. 일반적으로 AISI 316이라고 부르는 UNS S31600은 몰리브덴을 추가로 함유하며, 대체로 304보다 염화물과 관련된 국부 부식에 대한 저항성이 높다. 그러나 이 명칭 역시 모든 사용 조건에서 부식이 발생하지 않는다는 것을 보장하지는 않는다. AISI 410은 마르텐사이트계 스테인리스강으로, 열처리 반응과 경도가 오스테나이트계 304와 크게 다르다. AISI 430은 페라이트계다. 이들은 모두 스테인리스강 범주에 속하지만 서로 다른 구조와 공학적 거동을 보인다.

규격은 여기에 또 다른 층위를 더한다. ASTM 위원회 A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 개발한다. 이 위원회에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 담당하는 별도의 소위원회가 있다. 따라서 어떤 제품은 화학 조성, UNS 또는 AISI/SAE 명칭, ASTM 제품 규격 중 하나로 식별될 수도 있고, 이들 여러 기준으로 동시에 식별될 수도 있다. 조성, 분류, 명칭 및 성능은 서로 연관되어 있지만 서로 대체 가능한 개념은 아니다.

“합금강”에도 같은 주의가 적용된다. 기술적으로는 모든 강이 합금이지만, AISC 표준 시공 관행 규정의 용어집에 반영된 ASTM A941의 용어에서는 탄소강과 합금강을 스테인리스강과 구별되는 범주로 사용한다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 대표적인 일반 탄소강 등급이다. ASM에 따르면 일반 탄소강의 탄소 함량은 대체로 약 0.10%에서 1%를 넘는 범위에 이른다. 탄소 함량을 높이면 경도가 증가하고 열처리 반응이 달라질 수 있지만, 연성이 감소하고 용접이 복잡해질 수도 있다. 스테인리스강이 다른 조성 범주에 속하는 이유는 탄소 및 기타 합금 원소가 중요하지 않아서가 아니라, 크롬이 표면 화학을 변화시키기 때문이다.

부동태 보호층

크롬은 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성한다. Strong evidence

크롬은 부동태화를 통해 강을 보호한다. 크롬을 함유한 표면이 산소와 접촉하면 표면 또는 표면 가까이에 있는 크롬이 반응하여 얇고 밀착성이 높은 크롬이 풍부한 산화물층을 형성한다. 세계철강협회는 이러한 산소에 의해 진행되는 반응을 내식성 보호층의 형성으로 설명한다. 이 피막은 그 아래의 강에 비하면 매우 얇지만, 내부의 철이 풍부한 금속을 주변 환경의 상당 부분으로부터 분리한다.

이 층을 부동태라고 부르는 이유는 금속이 용해되는 속도를 크게 낮추기 때문이다. 부동태 피막은 제조 과정에서 도포되는 두꺼운 코팅이 아니며, 페인트나 도금처럼 작동하지도 않는다. 이 피막은 합금 자체에서 형성된다. 마모나 가벼운 긁힘으로 피막의 일부가 제거되더라도, 표면에 여전히 충분한 크롬이 존재하고 환경이 그러한 반응을 허용한다면 공기나 물속의 산소에 의해 노출된 크롬이 다시 부동태화될 수 있다.

부동태화는 한 번 일어나면 영구적으로 유지되는 단일 사건으로 설명해서는 안 된다. 표면은 주변 환경과 지속적인 전기화학적 교환 상태에 있다. 물, 용존 산소, pH, 온도, 염화물 농도, 퇴적물, 다른 금속과의 전기적 접촉은 모두 부동태 상태가 형성되고 안정적으로 유지되는지에 영향을 준다. 일반적인 대기 중 산소에 노출된 깨끗한 표면은 빠르게 재부동태화될 수 있다. 반면, 정체된 염화물 용액으로 채워진 틈새에서는 그렇지 않을 수 있다.

합금의 화학 조성은 부동태 피막의 품질과 안정성을 좌우한다. 크롬은 핵심 첨가 원소이지만, 니켈은 많은 오스테나이트계 강종에서 상 안정성과 인성에 영향을 주며, 몰리브덴은 일부 공식 및 틈새 부식 조건에 대한 저항성을 높인다. 질소는 강도와 국부 부식 저항성에 기여할 수 있고, 탄소는 탄화물 형성과 열처리 거동에 영향을 준다. ASM은 많은 현대 공구강 등급이 상당량의 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬을 함유한다고 설명한다. 이러한 첨가 원소는 “합금”이라는 단어만으로는 그 의미가 충분히 설명되지 않는 이유를 보여준다. 특정 원소는 강종과 가공 경로에 따라 내마모성, 경화능, 강도, 고온 거동 또는 내식성을 향상시키기 위해 첨가될 수 있다.

제조 과정은 표면과 국부적인 화학 조성을 변화시킬 수 있다. 절단, 연삭, 성형, 용접, 산세, 부동태화 처리 및 열 노출로 인해 스케일, 혼입된 철, 변색, 거칠기 또는 크롬이 고갈된 영역이 남을 수 있다. 일부 스테인리스강 등급에서는 부적절한 온도 범위에서 가열할 경우 결정립계에 크롬 탄화물이 형성된다. 그러면 인접한 금속에 부동태화에 이용 가능한 크롬이 감소할 수 있으며, 이는 예민화 및 입계 부식과 관련된 상태다. 304L 및 316L과 같은 저탄소 변형 등급은 탄소 함량을 제어하여 용접과 관련된 이러한 위험을 줄이지만, 모든 부식 위험을 제거하지는 않는다.

스테인리스가 부식에 완전히 안전하다는 뜻이 아닌 이유

“스테인리스”라는 말은 많은 조건에서 일반적인 비합금강 또는 저합금강보다 녹과 부식에 대한 저항성이 상당히 높다는 뜻이다. 부식이 불가능하다는 뜻은 아니다. 이 구별이 중요한 이유는 어떤 강종이 10.5% 크롬 정의를 충족하더라도 부식이 발생할 수 있기 때문이다.

염화물 이온이 대표적인 예다. 해수, 제설제 잔류물, 세척액 및 산업 공정 유체는 작은 영역에서 부동태 피막을 불안정하게 만들어 공식 부식을 일으킬 수 있다. 공식이 발생하면 겉보기에는 건전한 표면 아래에서 부식이 계속 진행될 수 있는 공격적인 국부 화학 환경이 형성된다. 좁은 틈, 체결부, 겹침 이음, 퇴적물 및 개스킷 접촉부에서는 틈새 내부의 산소가 외부보다 쉽게 보충되지 않기 때문에 틈새 부식이 발생할 수 있다. 응력, 인장 하중, 온도 및 잔류 오염물도 결과를 추가로 변화시킬 수 있다.

스테인리스강의 조직도 중요하다. 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 석출경화계 및 이중상 스테인리스강은 강도, 연성, 자성 거동, 용접성 또는 부식 거동의 균형이 서로 동일하지 않다. 열처리를 통해 마르텐사이트계 스테인리스강 등급은 훨씬 더 단단해질 수 있지만, 오스테나이트계 등급은 상대적으로 높은 연성을 유지하면서 냉간 가공에 대해 다르게 반응할 수 있다. 한 계열 안에서도 탄소 함량, 질소 함량, 몰리브덴 함량, 표면 마감 및 제조 이력에 따라 사용 중 거동이 달라질 수 있다.

표면 상태는 단순한 외관상의 문제가 아니다. 거친 표면은 매끄럽고 깨끗한 표면보다 수분과 오염물을 더 쉽게 보유한다. 연삭 또는 취급을 부적절하게 관리하여 탄소강 입자가 스테인리스강 표면으로 옮겨지면 그 입자가 녹슬 수 있으며, 이로 인해 스테인리스 합금 자체의 고장으로 오인될 수 있는 얼룩이 생긴다. 용접 열변색 역시 국부 내식성을 저하시킬 수 있으므로, 영향을 받은 표면을 적절히 세척하고 규정된 경우 화학적으로 부동태화해야 한다.

따라서 정확한 주장은 제한적이지만 의미가 있다. 크롬을 함유한 강은 산소가 존재하는 많은 환경에서 스스로 복구되는 부동태 피막을 유지할 수 있으며, 이로 인해 스테인리스강 특유의 내식성이 부여된다. 이러한 보호가 계속 효과적으로 유지되는지는 강종, 노출 환경, 표면 처리, 제조 이력, 온도, 오염물 및 기계적 상태에 달려 있다. 크롬은 범주를 확립하지만, 전체 성능 규격을 결정하는 것은 아니다.

공구강: 기능적·야금학적 범주

ASM의 공구강 정의

ASM은 공구강을 그 역할에 따라 정의한다. 즉, 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공 부품의 형태로 만드는 공구를 제작하는 데 사용되는 강이다. 이는 단일한 화학 조성을 규정하는 정의가 아니라 기능에 따른 정의이다. 따라서 조성, 표준상의 용어 또는 사용 조건을 고려할 때 공구강은 다른 강의 범주와 겹칠 수 있다.

이러한 구분이 중요한 이유는 대중적인 설명에서 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강을 서로 분리된 네 가지 범주로 제시하는 경우가 많기 때문이다. 그러나 이들은 서로 배타적인 네 개의 재료 계열이 아니다. “탄소강”과 “합금강”은 일반적으로 화학 조성이나 표준상의 분류를 설명한다. “스테인리스강”은 주로 최소 크롬 함량 조건과 부식 거동을 가리킨다. “공구강”은 의도된 역할을 나타낸다. 즉, 공구강은 절삭날, 금형, 펀치, 몰드, 전단 공구, 인발 공구 또는 다른 재료에 힘을 가하는 기타 장치의 일부가 되는 강이다.

더 넓은 화학적 맥락을 살펴보면 이러한 명칭이 서로 겹치는 이유를 알 수 있다. World Steel Association은 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 정의하는 한편, 스테인리스강은 최소 10.5%의 크롬을 함유한다고 설명한다. 크롬은 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성한다. 공구용으로 개발된 강은 스테인리스강의 정의를 충족할 만큼 충분한 크롬을 함유할 수 있지만, 그 명칭과 공학적 처리는 여전히 금형이나 절삭 공구로서의 용도에 중점을 둘 수 있다. 반대로 공구강은 비교적 적은 양의 합금 원소가 첨가된 탄소와 철을 주성분으로 할 수도 있다.

ASM의 일반 탄소강에 관한 설명에서는 AISI/SAE 1020, 1040, 1080을 약 0.10%의 탄소부터 1%를 초과하는 탄소까지 아우르는 일반적인 범위의 대표 강종으로 제시한다. 이 강종들은 탄소가 경도에 영향을 준다는 이유만으로 자동으로 공구강이 되는 것은 아니다. 분류는 적용되는 규격, 명칭 체계, 제품 형태 및 의도된 용도에 따라 결정된다. AISI/SAE 1080은 특정 부품에 사용하기 위해 경화할 수 있지만, 그 사실만으로 모든 1080 제품이 공구강으로 바뀌는 것은 아니다.

표준은 이러한 분리를 뒷받침한다. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 다룬다. 이 위원회 구조에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 담당하는 별도의 소위원회가 포함되어 있다. 이러한 행정적 구분이 서로 완전히 분리된 네 개의 야금학적 영역을 만드는 것은 아니다. 이는 분류가 화학 조성뿐 아니라 표준과 제품에도 연관되어 있음을 보여 준다.

가공 부품의 절삭, 성형 및 형상 가공

공구강은 공구에 가해지는 기계적·열적 요구 사항을 기준으로 선정된다. 절삭 공구는 재료를 제거하는 동안 절삭날을 유지해야 한다. 성형 금형은 판재, 봉재, 분말 또는 기타 가공 소재의 형상을 변화시키는 과정에서 압흔, 치핑, 소착 및 반복 충격에 견뎌야 한다. 몰드나 펀치는 내마모성, 고온 강도, 인성 또는 열처리 후의 엄격한 치수 제어를 요구할 수 있다.

이러한 모든 작업을 지배하는 단 하나의 특성은 없다. 매우 높은 경도는 연마 마모에 대한 저항성을 향상시킬 수 있지만, 지나치게 취성인 공구는 충격을 받을 때 균열이나 치핑이 발생할 수 있다. 인성이 높으면 파괴를 줄일 수 있지만, 더 연하거나 내마모성이 낮은 조직은 변형되거나 작업 형상을 잃을 수 있다. 열간 작업용 공구는 또 다른 요구 사항을 충족해야 한다. 반복적인 가열과 냉각에 노출되는 동안 강이 유용한 강도와 경도를 유지해야 한다. 설계상 문제는 경도, 내마모성, 인성, 내열성 및 치수 안정성 사이의 균형을 맞추는 것이다.

이러한 균형 때문에 공구강 계열에는 특성이 현저히 다른 여러 강종이 포함된다. 냉간 작업용 강은 일반적으로 가공 소재를 단조 온도까지 가열하지 않은 상태에서 수행되는 절삭, 블랭킹, 펀칭 및 성형 작업을 위해 설계된다. 열간 작업용 강종은 열 사이클과 고온 금속과의 접촉을 견뎌야 한다. 고속도강은 마찰로 공구 온도가 상승하는 상황에서도 절삭 성능을 유지하도록 조성된다. 내충격강종은 충격 하에서의 인성에 더 큰 비중을 둔다. 플라스틱 몰드용 강은 경도뿐 아니라 연마성, 내식성 또는 치수 제어를 기준으로 선정될 수 있다.

동일한 강종 명칭에도 중요한 가공상의 차이가 가려져 있을 수 있다. AISI/SAE, ASTM 및 기타 명칭 체계는 조성 범위, 제품 요구 사항 또는 강종 계열을 나타내지만, 그 자체로 하나의 미세조직이나 하나의 최종 특성 조합을 보장하지는 않는다. 예를 들어 “D2”, “A2”, “O1”, “H13”, “M2”, “T1”은 특정한 합금 균형 및 용도와 관련된 잘 알려진 공구강 강종 또는 계열을 나타낸다. 이 문자들은 공랭 경화, 유냉 경화, 열간 작업, 몰리브덴계 고속도강 또는 텅스텐계 고속도강과 같은 분류 관례를 가리킨다. 이러한 명칭은 완전한 규격이나 열처리 절차를 대신할 수 없다.

따라서 공구강은 하나의 보편적인 화학 조성만으로 식별할 수 없다. 일부 강종은 합금 함량이 비교적 낮으며 탄소와 열처리에 크게 의존한다. 다른 강종은 상당량의 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 또는 바나듐을 함유한다. 일부는 탄화물의 크기와 분포를 제어하기 위해 분말 야금 강종으로 제조된다. 최종 조직에는 템퍼드 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 합금 탄화물 및 가공 조건에 따라 기타 변태 생성물이 포함될 수 있다. 이러한 차이는 고정된 규칙에 대한 예외가 아니라 기능적 요구에서 비롯된 결과이다.

텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 망가니즈 및 크롬

ASM은 많은 현대 공구강 강종이 상당량의 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬을 함유한다고 설명한다. 이 원소들은 동일한 역할을 수행하지 않으며, 그 효과는 탄소 함량, 농도, 열 이력 및 다른 합금 원소와의 상호작용에 따라 달라진다.

텅스텐은 경질 합금 탄화물을 형성하며 연마 마모와 고온에서의 연화에 대한 저항성에 기여한다. 텅스텐은 전통적인 고속도강과 특히 관련이 깊다. 고온 사용 중 탄화물 형성 원소가 절삭날의 경도를 유지하도록 돕기 때문이다. 텅스텐이 풍부한 조성은 단조와 기계 가공이 어려울 수 있으므로, 가공 경로 자체가 해당 강종의 실용적 특성 일부가 된다.

몰리브덴 역시 2차 경화와 고온 강도를 뒷받침한다. 많은 고속도강과 열간 작업용 강에서 몰리브덴은 텅스텐과 관련된 효과를 제공하면서도 밀도, 탄화물 형성 및 경화능에서 다른 균형을 이룬다. 몰리브덴은 AISI M2와 같은 M 계열 고속도강에서 중요한 원소이다. 또한 연화 저항성과 열균열 저항성이 요구되는 H13과 같은 열간 작업용 강종에서도 중요하다.

바나듐은 매우 경질인 탄화물을 생성하여 내마모성을 크게 향상시키고 오스테나이트화 중 결정립 성장을 제어하는 데 도움을 줄 수 있다. 그러나 탄화물이 과도하게 형성되거나 분포가 불량하면 인성이 저하되고 연삭이나 연마가 어려워질 수 있다. 바나듐의 효과는 바나듐 함량 자체보다 탄화물의 크기, 형태 및 분포에 좌우된다.

망가니즈는 경화능을 높이며, 담금질 중 더 큰 단면 깊이까지 강이 마르텐사이트로 변태하도록 도울 수 있다. 또한 경화능과 관련된 열처리 반응에 영향을 주고 강도 향상에 기여할 수 있다. 일반 탄소 공구강과 저합금 공구강에서 망가니즈는 탄소를 대신하기보다는 탄소와 함께 작용하는 경우가 많다. 망가니즈의 영향은 냉각의 가혹도, 단면 크기 및 변형이나 균열 위험을 함께 고려하여 평가해야 한다.

크롬은 경화능, 내마모성 및 탄화물 형성에 기여한다. 충분히 높은 함량에서는 스테인리스 특유의 내식성에도 기여할 수 있지만, 크롬 함량만으로 모든 스테인리스 강종이나 모든 크롬 함유 공구강을 설명할 수는 없다. 크롬 함유상의 종류, 탄소 수준, 열처리, 표면 상태 및 사용 환경이 모두 중요하다. 고크롬 냉간 작업용 공구강과 내식성 스테인리스 강종은 조성상의 임계값을 공유할 수 있지만, 설계 목적은 서로 다를 수 있다.

열처리는 설계를 완성한다. 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 담금질 매체, 뜨임 일정 및 극저온 처리나 2차 경화 단계는 경도, 잔류 오스테나이트, 탄화물 석출, 인성 및 치수 변화를 변화시킨다. 수경성 탄소 공구강은 공랭 경화 냉간 작업용 강종이나 고속도강과 동일한 처리를 받지 않는다. 또한 모든 공구강이 동일한 미세조직으로 최종 처리되는 것도 아니다.

따라서 공구강은 의도된 공구 기능에 의해 규정되는 성능 범주로 이해하는 것이 가장 적절하며, 화학 조성과 표준은 이러한 기능을 달성하기 위한 수단을 제공한다. 분류, 명칭, 조성, 열처리 및 측정된 성능은 서로 연결되어 있지만, 어느 하나도 다른 요소를 대신할 수 있는 것으로 취급해서는 안 된다.

화학 조성이 미세조직으로 전환되는 과정

탄소와 철의 상의 상호작용

조성이 중요한 이유는 원자가 어떤 상을 형성할 수 있는지를 결정하고, 제조 공정이 완성된 강에 각 상이 얼마나 남아 있는지를 결정하기 때문이다. World Steel Association은 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철–탄소 합금으로 설명하지만, 이러한 경계가 철 전체에 탄소가 균일하게 분포한다는 뜻은 아니다. 탄소 원자는 철 결정 격자의 간극을 차지하며, 철의 결정 구조가 변할 때 탄소의 고용도도 급격히 변한다.

낮은 온도에서 순철은 주로 체심입방 구조의 페라이트이며, α-철이라고도 한다. 페라이트에는 소량의 탄소만 고용될 수 있다. 오스테나이트가 안정한 온도 이상에서는 철이 면심입방 구조의 γ-철로 변하며, 이 구조의 더 개방된 격자는 훨씬 많은 탄소를 수용할 수 있다. 이러한 차이는 강의 열처리에서 핵심적인 역할을 한다. 가열 중 탄소가 오스테나이트에 들어갈 수 있고, 이후 재료가 냉각될 때 탄소가 포획되거나 재분포될 수 있다.

펄라이트펄라이트 공석 조성 부근에서 오스테나이트가 변태할 때 형성되는 층상 페라이트-시멘타이트 조직.

공석 조성인 약 0.76% 탄소 부근에서는 오스테나이트가 약 727 °C에서 서냉될 때 페라이트와 시멘타이트로 변태한다. 시멘타이트는 철 탄화물인 Fe₃C이다. 이 반응으로 형성되는 페라이트와 시멘타이트의 교대 구조가 펄라이트이다. 펄라이트의 비교적 미세한 층상 간격, 펄라이트의 양, 그리고 이전 오스테나이트 결정립의 크기는 모두 강도, 연성 및 기계가공성에 영향을 준다. 저탄소강은 서냉 후 더 많은 페라이트를 함유하며, 고탄소강은 더 많은 펄라이트를 함유한다. 또한 공석 조성보다 탄소 함량이 높은 경우에는 공석 전 시멘타이트가 형성될 수도 있다.

따라서 AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭이 아니다. ASM은 이들을 대표적인 보통 탄소강 등급으로 분류하며, 각 강의 공칭 탄소 함량은 페라이트–펄라이트 변태 범위에서 서로 다른 위치에 해당한다. ASM은 또한 보통 탄소강의 탄소 함량 범위가 일반적으로 약 0.10%에서 1% 초과까지라고 보고한다. 강종 명칭은 조성 범위를 나타내는 것이지, 하나의 고정된 미세조직이나 하나의 보장된 특성 조합을 나타내는 것은 아니다.

마르텐사이트마르텐사이트 확산을 억제할 만큼 오스테나이트가 빠르게 냉각될 때 형성되는 경질의 과포화 변태 생성물.

급속 냉각은 반응 경로를 변화시킨다. 탄소로 포화된 오스테나이트를 확산이 억제될 만큼 빠르게 냉각하면, 격자는 과포화되고 변형된 철의 형태인 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 마르텐사이트는 매우 높은 경도를 가질 수 있지만, 담금질 직후의 상태에서는 상당한 내부 응력과 제한된 인성을 나타낼 수 있다. 뜨임은 오스테나이트 변태 범위보다 낮은 온도로 재가열하여 석출과 응력 완화를 제어하는 공정이다. 그 결과 생성되는 뜨임 마르텐사이트는 화학적으로 새로운 강종이 아니라, 동일한 조성에서 얻어진 다른 상태이다.

따라서 탄소 함량뿐 아니라 냉각 속도, 단면 두께, 이전 결정립의 크기 및 표면 상태도 중요하다. 화학 분석으로 강의 계열을 확인할 수는 있지만, 그 자체만으로는 재료에 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물 또는 이러한 구성상의 조합이 포함되어 있는지를 알 수 없다.

합금 원소와 변태 거동

합금 원소는 안정한 상과 변태가 일어나는 속도 모두를 변화시킨다. 망가니즈, 니켈, 크로뮴, 몰리브데넘, 규소, 바나듐, 텅스텐 및 기타 첨가 원소는 페라이트나 오스테나이트에 고용되거나, 탄화물 또는 금속간 화합물을 형성하거나, 격자 안정성을 변화시키거나, 확산에 영향을 줄 수 있다. 이러한 효과는 단순히 “합금 원소가 많을수록 강한 강이 된다”라는 규칙으로 설명되지 않고 서로 중첩되어 나타난다.

망가니즈와 니켈은 일반적으로 오스테나이트 안정화를 돕는 반면, 크로뮴, 몰리브데넘 및 텅스텐은 탄화물 형성과 변태 속도론에 큰 영향을 준다. 여러 합금 첨가 원소, 특히 망가니즈, 크로뮴 및 몰리브데넘은 경화능을 증가시킨다. 경화능은 담금질된 표면에서 더 멀리 떨어진 강재 단면까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력이다. 경화능은 경도와 동일하지 않다. 탄소는 마르텐사이트가 도달할 수 있는 경도에 큰 영향을 주는 반면, 합금 원소는 냉각 중 그러한 조직이 얼마나 깊이 형성될 수 있는지를 결정하는 경우가 많다.

소량의 첨가만으로도 변태 온도와 변태 시기를 바꿀 수 있다. 합금 원소는 펄라이트 또는 베이나이트 형성을 지연시켜, 보통 탄소강에서 가능한 것보다 느린 냉각 속도에서도 마르텐사이트가 형성되도록 할 수 있다. 바나듐, 나이오븀 및 티타늄은 결정립 성장을 억제하거나 석출 강화에 기여하는 미세 탄화물 또는 탄질화물 입자를 형성할 수 있다. 크로뮴, 몰리브데넘 및 텅스텐은 내마모성을 뒷받침하는 경질 탄화물을 형성할 수 있으며, 특히 공구강에서 그러한 효과가 크다.

따라서 공구강은 화학 조성의 범주인 동시에 용도에 따른 명칭이기도 하다. ASM은 공구강을 재료를 절삭, 성형 또는 그 밖의 방식으로 가공하여 제조 부품으로 만드는 공구의 제작에 사용되는 강으로 정의한다. 현대의 많은 공구강 등급은 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 함유한다. 공구강의 성능은 단순히 특정 원소 하나가 존재하는지에 달려 있는 것이 아니라, 기지와 탄화물 집단 사이의 상호작용에 달려 있다. 고탄소·고크로뮴 공구강과 몰리브데넘–바나듐 열간 가공용 강은 모두 공구강이라고 부를 수 있지만, 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임에 대해 서로 다르게 반응한다.

크로뮴은 왜 “스테인리스”라는 명칭이 완전한 강종 규격을 대신할 수 없는지를 보여 준다. World Steel Association은 스테인리스강이 최소 10.5%의 크로뮴을 함유하며, 크로뮴이 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성한다고 설명한다. 이 기준은 스테인리스강 범주를 규정할 뿐, 탄소 함량, 니켈 함량, 몰리브데넘 함량, 질소, 안정화 첨가 원소, 상의 균형 또는 열처리를 설명하지는 않는다. 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 이중상계 및 석출경화형 스테인리스강은 모두 이 크로뮴 기준을 충족하면서도 서로 다른 미세조직과 공학적 거동을 형성할 수 있다.

표준에서 사용하는 용어도 주의해서 이해해야 한다. AISC Code of Standard Practice 용어집에 반영된 ASTM A941의 용어 정의에 따르면, 탄소강은 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강에는 해당하지 않는 강이다. 합금강은 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강에는 해당하지 않는 강이다. 일반적인 화학적 의미에서는 모든 강이 합금이지만, 이러한 표준의 맥락에서 “합금강”은 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 범주이다. 따라서 이 용어가 문자 그대로 탄소강에는 합금 원소가 없다는 뜻은 아니다.

ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 관리한다. 탄소강 관제품, 스테인리스강 및 합금강 관제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 담당하는 별도의 분과위원회가 존재한다는 사실은 분류가 제품 형태, 적용 분야 및 표준 관리 체계도 반영한다는 점을 보여 준다. 화학 조성은 필요조건이지만, 강종 명칭의 전부는 아니다.

두 번째 분류 축으로서의 열처리

열처리는 관련된 조성의 강이 서로 다른 열적 경로를 통해 서로 다른 미세조직을 얻을 수 있기 때문에 두 번째 분류 축을 제공한다. 풀림은 확산을 촉진하여 비교적 연화된 조직을 형성한다. 노멀라이징은 오스테나이트 영역에서 공랭하여 페라이트–펄라이트 배열을 미세화하거나 재정립한다. 담금질은 확산을 억제하고 마르텐사이트 형성을 촉진한다. 이후 뜨임은 제어된 재가열을 통해 담금질 조직을 조정한다.

따라서 동일한 공칭 강종도 풀림 상태, 노멀라이징 상태, 담금질 및 뜨임 상태, 응력 제거 상태 또는 석출경화 상태로 존재할 수 있다. 이러한 상태는 경도, 항복 거동, 연성, 인성, 치수 안정성 및 기계가공성에 영향을 준다. 규격은 열처리 경로, 제품 상태 또는 기계적 시험 요구 사항을 규정할 수 있지만, 강종 번호만으로는 완전한 설명이 되지 않는다.

제조 이력은 노에서의 가열 이전부터 시작된다. 주조 편석, 단조 압하, 압연 온도, 변형 및 제조 후 냉각은 결정립 크기와 탄화물 분포에 영향을 준다. 관련된 조성으로 제조된 판재와 소형 봉재는 단면 크기에 따라 열을 방출하는 속도가 다르기 때문에 서로 다른 열 이력을 겪을 수 있다. 표면 침탄, 탈탄, 질화 또는 용접은 강재 내부와 다른 국부 미세조직을 형성할 수 있다.

이러한 이유로 “탄소강”, “합금강”, “스테인리스강” 및 “공구강”은 완전한 강종 규격을 대신하는 명칭이 아니라 분류 용어로 이해해야 한다. 기술적으로 의미 있는 설명은 해당 범주를 AISI/SAE 1040과 같은 강종 명칭, 해당되는 경우 적용 ASTM 규격, 제품 형태, 화학적 한계값, 그리고 공급 상태 또는 열처리 상태와 함께 제시한다. 그래야만 화학 조성을 실제로 존재하는 상과 연결하고, 그 상으로부터 예상되는 공학적 거동을 도출할 수 있다.

강재 등급 표기: 1020, 1040, 1080 읽기

강재 등급 표기는 완전한 재료 인증서가 아니라 간결한 식별자이다. 이 숫자는 조성 계열과 대략적인 탄소 함량을 식별하는 데 도움을 주지만, 그 자체로 제품 형태, 제조 경로, 열처리, 치수, 검사 요구사항 또는 납품 상태의 기계적 특성을 명시하지는 않는다. AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 숫자 자체는 단순해 보이지만 그 이면의 규격 세부사항은 단순하지 않다는 점에서 유용한 예이다.

AISI/SAE 방식의 숫자가 나타내는 것

널리 사용되는 네 자리 AISI/SAE 체계에서 앞의 두 자리는 주요 합금 계열을 식별하고, 뒤의 두 자리는 백분율의 100분의 1 단위로 표시한 공칭 탄소 함량을 나타낸다. 10으로 시작하는 일반 탄소강 계열에서 “10”은 해당 번호 체계상 의도적인 합금 원소 지정이 없는 탄소강임을 의미한다. 이어지는 마지막 두 자리는 대략적인 탄소 함량을 나타낸다.

• AISI/SAE 1020은 공칭 탄소 함량이 약 0.20%임을 나타낸다.
• AISI/SAE 1040은 공칭 탄소 함량이 약 0.40%임을 나타낸다.
• AISI/SAE 1080은 공칭 탄소 함량이 약 0.80%임을 나타낸다.

이들은 서로 무관한 세 가지 재료 계열이 아니다. 탄소 함량이 증가하는 범위에 걸친 대표적인 일반 탄소강 등급이다. ASM International은 일반 탄소강의 탄소 함량이 대체로 약 0.10%에서 1%를 초과하는 범위에 있다고 설명하며, AISI/SAE 1020, 1040, 1080을 대표 등급으로 제시한다. 탄소 함량이 증가하면 페라이트, 펄라이트 및 적절한 열처리 후 생성되는 경질 변태 생성물의 구성 비율과 조합이 달라진다. 그 결과 달성 가능한 경도와 강도는 높아질 수 있지만, 용접, 성형 및 일부 절삭가공 작업은 더욱 까다로워질 수 있다.

이 숫자만으로 모든 원소를 나타낼 수 있는 것은 아니다. 망가니즈, 규소, 인, 황, 잔류 원소 및 허용되는 조성 한계도 여전히 중요하다. 1040이라는 표기는 강재가 탄소를 정확히 0.40% 함유한다는 뜻이 아니며, 다른 모든 원소가 1020 또는 1080에 해당하는 원소와 동일하다는 뜻도 아니다. 적용되는 조성표가 각 원소의 범위와 한계를 정한다.

또한 이 번호 체계는 1020이 “저합금강”이고 1040과 1080은 다른 분류에 속한다는 의미도 아니다. 일반적인 표준 용어에 따르면 이 세 등급은 모두 일반 탄소강 등급이다. ASTM A941 용어는 ASTM Committee A01이 관장하는 표준 등에서 사용되며, 표준의 목적상 탄소강, 합금강 및 스테인리스강을 구분한다. 이 분류는 적용되는 정의와 화학 조성에 관한 것이고, AISI/SAE 번호는 등급 표기이다. 조성, 분류 및 등급 표기는 서로 다른 사항을 설명한다.

탄소는 야금학적 결과를 결정하는 여러 요소 중 하나일 뿐이다. 합금 원소의 첨가는 경화능, 내마모성, 인성, 강도, 산화 거동 및 부식 거동을 변화시킬 수 있다. 공구강은 네 자리 탄소강 비교만으로 모든 강종을 설명할 수 없는 이유를 보여 준다. ASM은 많은 현대 공구강 등급이 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 함유한다고 설명한다. 공구강의 등급 표기와 성능은 더 폭넓은 합금 체계와 절삭, 성형 또는 그 밖의 방식으로 제조 부품을 가공하기 위한 열처리에 의해 결정된다.

등급 표기가 보장하지 않는 것

등급 번호만으로 특정 경도, 인장강도, 항복강도, 연신율, 충격값, 표면 마무리, 결정립 크기 또는 사용 수명이 보장되지는 않는다. 이러한 특성은 공칭 화학 조성 이상의 여러 요인에 좌우된다. 열간 압연 봉강으로 공급된 AISI/SAE 1040이 냉간 인발, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임 또는 기타 관리된 처리를 거친 후 공급된 1040과 동일한 특성을 갖는 것은 아니다.

치수도 중요하다. 담금질 중 두꺼운 단면은 얇은 단면보다 더 천천히 냉각되므로, 표면에서 중심부로 갈수록 서로 다른 변태 조직이 형성될 수 있다. 따라서 동일한 공칭 등급이라도 단면 크기가 다르면 경도 분포나 기계적 시험 결과가 달라질 수 있다. 적합성을 입증하는 시험편에서 수행한 시험 결과가 대형 부품의 모든 위치를 자동으로 예측해 주는 것은 아니다.

등급 표기는 제품 형태에 대해서도 확정적인 정보를 제공하지 않는다. “1020”은 봉강 규격에서 화학 조성을 식별할 수 있지만, 판재, 튜브, 선재, 단조품 또는 용접 제품은 각자의 한계값과 시험을 규정하는 다른 ASTM 문서의 적용을 받을 수 있다. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 관리한다. 이 위원회의 조직에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 담당하는 별도의 분과위원회가 포함되어 있다. 이러한 구조는 등급 번호를 보편적인 제품 규격으로 취급해서는 안 된다는 점을 보여 준다.

등급 번호가 내식성을 확립하는 것도 아니다. AISI/SAE 1020에서 “10”은 탄소강 계열을 가리키는 것이지 크로뮴 함량을 나타내는 것이 아니다. 스테인리스강은 막연히 내식성이 있는 재료라는 명칭이 아니라 화학 조성과 표준 요구사항에 따라 정의된다. World Steel Association은 2024년에 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 설명했으며, 스테인리스강은 최소 10.5%의 크로뮴을 함유한다고 밝혔다. 크로뮴은 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성하지만, 크로뮴 함량만으로 모든 스테인리스강 등급, 기타 합금 원소, 재료 상태 또는 특정 환경에서의 내식성을 설명할 수는 없다.

등급명, 제품 규격 및 재료 상태

강재 등급 표기는 식별 정보의 한 층으로 이해해야 한다. 그다음 층은 제품 규격이다. 열간 가공 탄소강 및 합금강 봉강의 일반 요구사항을 다루는 ASTM A29/A29M과 같은 문서는 화학 조성, 허용 편차, 시험, 치수 및 납품 요구사항을 규정할 수 있다. ASTM A108은 냉간 마무리 탄소강 및 합금강 봉강을 다루며, 해당 제품 형태에 적합한 요구사항을 부과한다. 정확히 적용되는 문서는 제품의 종류와 제조 방식에 따라 달라진다.

재료 상태는 또 다른 층이다. 열간 압연, 냉간 마무리, 풀림, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 응력 제거와 같은 용어는 가공 상태 또는 납품 상태를 나타낸다. 이러한 용어를 등급 표기와 혼동하여 대체해서는 안 된다. 적용되는 제품 규격과 재료 상태가 명시되지 않은 채 “AISI/SAE 1040”이라고만 적힌 인증서는 중요한 질문에 답하지 못한다. 완전한 표기에는 등급, ASTM 규격과 등급 선택사항, 크기, 열처리 상태, 추가 요구사항 및 필수 시험이 필요할 수 있다.

이러한 구분은 도면이나 구매 규격에서 AISI/SAE 1020을 지정하면서 동시에 ASTM 제품 규격을 준수하도록 요구할 수 있는 이유를 설명한다. AISI/SAE 명칭은 의도한 화학 조성 계열을 식별하고, ASTM 문서는 제품별 요구사항을 관리한다. 그런 다음 시험 방법에 따라 인장, 경도, 화학 조성, 치수 또는 기타 결과를 측정하는 방법이 정해진다. 인증서는 이러한 요구사항을 특정 용해 또는 로트와 연결한다.

따라서 AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 강재를 처음 읽을 때 유용한 정보를 제공한다. 이 계열 표기는 일반 탄소강을 가리키며, 마지막 두 자리는 공칭 탄소 함량이 증가함을 나타낸다. 그러나 여기서 해석을 멈추면 불완전하다. 실제로 어떤 재료가 지정되었고 어떤 특성이 입증되었는지는 적용 규격, 제품 형태, 치수, 열처리 및 시험 요구사항에 따라 결정된다.

ASTM 위원회 A01과 표준 체계

ASTM 위원회 A01은 네 개의 상자식 분류 체계가 아니다. 그 범위에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 관련 철계 합금이 포함되지만, A01은 여러 종류의 문서와 제품 중심의 여러 소위원회를 통해 이를 체계화한다. 이 위원회는 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 개발한다. 이러한 문서들은 서로 다른 기술적 질문에 답하므로, 강종의 화학적 범주만으로는 완제품에 적용되는 규격을 특정할 수 없다.

이러한 구분이 중요한 이유는 “탄소강”, “합금강”, “스테인리스강”, “공구강”이 서로 다른 수준에서 사용되기 때문이다. 조성은 하나의 수준을 제공한다. 표준상 정의는 또 다른 수준을 제공한다. AISI/SAE 1040과 같은 명칭은 강종 체계를 식별하는 반면, ASTM 규격은 튜브, 판, 봉, 단조품 또는 기타 제품을 규정할 수 있다. 이후 열처리와 제조 경로가 해당 강종으로부터 얻어지는 특성에 영향을 미친다.

규격, 시험 방법, 용어 및 표준

규격은 정의된 재료 또는 제품에 대한 요구사항을 명시한다. 여기에는 화학적 한계, 기계적 요구사항, 치수, 허용 편차, 열처리 조건, 표면 요구사항, 시험 빈도, 표시 및 기타 합격 기준이 설정될 수 있다. 예를 들어 ASTM A240/A240M은 압력 용기 및 일반 용도에 사용되는 크롬강 및 크롬-니켈 스테인리스강 판, 시트 및 스트립을 다룬다. ASTM A312/A312M은 오스테나이트계 스테인리스강 이음매 없는 관, 용접관 및 고도 냉간가공 관을 다룬다. 두 규격 모두 스테인리스강과 관련되지만, 서로 다른 제품 형태를 규정하므로 요구사항도 서로 다르다.

시험 방법은 더 좁은 질문에 답한다. 즉, 어떤 특성 또는 성질을 어떻게 측정하는가에 관한 것이다. 인장 시험, 경도 시험, 화학 분석, 충격 시험 및 부식 관련 검사는 별도의 ASTM 시험 방법으로 규정된 후 제품 규격에서 참조될 수 있다. 시험 방법은 공통 절차를 마련하고, 규격은 측정 결과가 제품 요구사항을 충족하는지를 결정한다. 시험 방법은 재료 분류가 아니다.

용어 표준은 일상 언어가 기술적 범주의 의미를 무심코 바꾸지 않도록 한다. ASTM A941, 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 관한 표준 용어는 이와 관련하여 특히 중요하다. ASTM A941을 바탕으로 작성된 AISC 표준 실무 규정 용어집은 탄소강을 ASTM의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 마찬가지로 합금강을 ASTM의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다.

이러한 표현은 흔한 함정을 드러낸다. 화학적으로 보면 모든 강은 철에 탄소와 일반적으로 다른 원소가 결합된 합금이다. 그러나 ASTM의 용례에서 “합금강”은 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 범주를 가리킬 수 있다. 이 표현은 탄소강에 합금 원소가 전혀 포함되지 않는다는 뜻이 아니며, 스테인리스강이 합금 야금의 범주 밖에 있다는 뜻도 아니다.

기초적인 화학적 구분은 여전히 유용하다. World Steel Association은 2024년에 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로, 스테인리스강을 크롬을 최소 10.5% 함유한 강으로 설명했다. 크롬은 산소와 반응하여 얇고 내식성이 있는 보호층을 형성한다. 이 한계값은 스테인리스강이 별도로 취급되는 이유를 설명하지만, 크롬 함량만으로 모든 스테인리스강 강종을 설명할 수 있는 것은 아니다. 니켈, 몰리브덴, 질소, 탄소, 망간, 구리 및 기타 원소는 상 균형, 용접성, 강도, 공식 저항성 및 사용 중 거동에 영향을 미친다.

탄소 함량은 가공에 대한 반응도 변화시킨다. ASM은 2024년 탄소강 및 저합금강에 관한 설명에서 일반 탄소강의 탄소 함량을 대체로 약 0.10%에서 1% 초과까지로 제시하고, AISI/SAE 1020, 1040 및 1080을 대표적인 강종으로 식별했다. 탄소 함량이 증가하는 순서는 유용한 야금학적 경향을 보여 준다. 탄소는 경화 가능성, 변태 거동, 강도, 연성 및 열처리 반응에 영향을 미친다. 그러나 탄소 함량만으로 부품의 특성이 결정되는 것은 아니다. 단면 크기, 냉각 속도, 초기 미세조직 및 뜨임은 여전히 중요한 요인이다.

합금 원소의 첨가는 이러한 반응을 변화시킨다. 크롬은 경화능, 내마모성 및 내식성에 기여할 수 있고, 몰리브덴은 경화능과 고온 거동에 영향을 미칠 수 있으며, 니켈은 인성과 내식성을 향상시킬 수 있다. 바나듐은 경질 탄화물을 형성하고 결정립 조직을 미세화할 수 있다. 따라서 결과는 “탄소강”에서 “합금강”으로 이어지는 단순한 단계식 분류가 아니다. 하나의 강이 조성상의 정의, 제품 규격 및 열처리 조건을 동시에 충족할 수 있다.

공구강은 범주와 용도의 차이를 잘 보여 준다. ASM은 공구강을 기능에 따라 설명한다. 즉, 제조 부품으로 재료를 절삭, 성형 또는 그 밖의 방식으로 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강이다. 현대의 많은 공구강 강종은 상당량의 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 망간 또는 크롬을 함유한다. 이러한 첨가는 고온 경도, 내마모성, 인성, 치수 안정성 및 경화능의 조합을 뒷받침한다. 따라서 공구강은 화학적 의미에서 합금강인 경우가 많지만, 공구강이라는 명칭은 단순히 특정 원소의 백분율이 아니라 의도된 기능과 기술적 관리 요건을 반영한다.

탄소강, 합금강, 스테인리스강 및 공구강 소위원회

ASTM A01의 내부 구조는 네 가지 명칭을 상호 배타적인 재료군으로 취급해서는 안 되는 이유를 보여 준다. A01의 자료표에는 탄소강 관형 제품, 스테인리스강 및 합금강 관형 제품, 평판 압연 스테인리스강 및 공구강을 각각 담당하는 소위원회가 별도로 명시되어 있다. 이러한 구성은 재료와 제품 맥락을 모두 기준으로 표준 관련 업무를 나눈다.

탄소강 관형 제품에는 용접성, 성형성, 수압 시험 또는 비파괴 검사, 치수 관리 및 용도별 요구사항에 대한 고려가 필요하다. 스테인리스강 및 합금강 관형 제품에도 관련 관리가 필요하지만, 화학 조성, 열처리, 부식 거동 및 제품 적합성 검증은 상당히 다를 수 있다. 평판 압연 스테인리스강은 제조 이력과 치수, 표면, 시험 및 납품에 관한 고려사항이 또 다르다. 공구강에는 단조 또는 압연 공구 소재, 탄화물 분포, 풀림, 경화, 뜨임 및 의도된 공구 기능에 적합한 관리가 필요하다.

이러한 분리는 밀폐된 범주를 만들지 않는다. 스테인리스강 튜브와 평판 압연 스테인리스강 시트는 내식성 재료군이라는 명칭을 공유하지만, 제조 경로와 용도가 다르기 때문에 서로 다른 규격의 적용을 받는다. 크롬-몰리브덴 합금 튜브는 관형 제품 규격의 적용을 받는 동시에 합금강에 관한 보다 포괄적인 ASTM 용어 기준을 충족할 수 있다. 고속도 공구강은 합금강과 관련된 합금 원소를 함유하지만, 공구강 표준은 절삭 공구에 요구되는 특수한 성능 요건을 다룬다.

따라서 A01의 범위는 하나의 보편적 위계를 선언하는 것이 아니라 기술 용어를 체계화한다. A01의 표준을 통해 엔지니어는 요구사항을 명시하고, 시험실은 적합성이 어떻게 측정되는지를 제시하며, 제조업체는 어떤 제품 형태가 공급되는지를 밝힐 수 있다.

제품 형태가 적용 규격을 바꾸는 이유

재료 범주와 제품 규격은 서로 다른 질문에 답한다. “오스테나이트계 스테인리스강”은 야금학적 재료군과 상 구조를 설명한다. “ASTM A312/A312M 관”은 관에 대한 요구사항이 적용되는 제품을 식별한다. “AISI/SAE 1020”은 탄소강 강종 명칭을 식별한다. 그러나 이 명칭만으로 공급된 제품이 봉인지, 판인지, 튜브인지, 단조품인지 또는 다른 제품인지를 자동으로 결정할 수 없으며, 적용 가능한 ASTM 제품 규격을 대체하지도 않는다.

제품 형태는 가공 방법을 바꾼다. 판은 압연 및 제어 냉각으로 제조될 수 있고, 튜브는 용접 또는 이음매 없는 방식으로 제조된 후 치수 조정, 풀림 또는 냉간가공을 거칠 수 있다. 봉은 열간압연, 냉간 마무리, 단조 또는 연삭으로 제조될 수 있으며, 공구강 소재에는 탄화물 분포를 제어하기 위한 특수 풀림이 적용될 수 있다. 이러한 제조 경로는 서로 다른 위험과 서로 다른 검사 필요성을 만든다. 규격은 이러한 차이를 다루어야 한다.

따라서 동일한 공칭 조성을 가진 재료가 둘 이상의 제품 표준에 나타날 수 있으며, 치수, 표면 상태, 기계적 시험, 비파괴 검사, 열처리 및 허용 결함에 관한 요구사항은 달라질 수 있다. 반대로 제품 규격은 화학 조성이 동일하다는 점이 아니라, 공통된 제품 및 사용 환경 체계를 공유한다는 점을 기준으로 여러 강종을 포괄할 수 있다.

강재 명칭을 올바르게 해석하려면 네 가지 질문을 구분해야 한다. 조성은 무엇인가? 어떤 표준 정의가 적용되는가? 어떤 강종 또는 명칭이 이를 식별하는가? 공급되는 제품 형태에는 어떤 제품 규격이 적용되는가? 성능은 다섯 번째 질문이며, 조성과 함께 가공, 열처리, 형상 및 환경에 의해 결정된다. ASTM 위원회 A01은 대체로 이러한 질문들이 하나의 명칭으로 축약되지 않도록 하기 위해 존재한다.

탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강을 잘못된 동치 관계 없이 비교하기

이 네 가지 명칭은 서로 다른 질문에 답한다. 탄소강은 주로 조성 범위와 강철에서 탄소가 하는 역할을 설명한다. ASTM의 용례에서 합금강은 일반 탄소강 범주를 넘어서는 의도적인 합금 원소가 포함된 강을 가리키며, 스테인리스강과는 구별된다. 스테인리스강은 주로 크롬 함량과 그에 따른 내식성으로 정의된다. 공구강은 용도를 설명하는 명칭으로, 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하기 위한 공구 제작용 강을 뜻한다.

이 범주들은 서로 겹칠 수 있다. 공구강은 넓은 의미의 야금학적 분류로는 대개 합금강이기도 하며, 일부 스테인리스강 등급은 공구 용도로 제작된다. 따라서 이 용어들을 상호 배타적인 네 가지 계열로 취급하면 잘못된 동치 관계가 생긴다. 조성, 공식 분류, 등급 지정, 사용 기능은 서로 구분해야 한다.

조성 비교

2024년에 발표된 World Steel Association의 지침은 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 정의한다. 이 정의는 일반 탄소강, 저합금강, 스테인리스강, 공구강을 포함해 매우 광범위한 등급을 포괄한다. 탄소라는 말은 다른 원소가 존재하지 않는다는 뜻이 아니다. 이는 탄소 함량이 해당 범주의 주요 조성 기준임을 나타낸다.

탄소는 강의 상변태, 경도 잠재력, 강도, 연성, 열처리 반응을 변화시킨다. ASM International은 일반 탄소강이 대체로 약 0.10% 탄소에서 1%를 넘는 탄소 범위에 걸쳐 있다고 설명한다. AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 이러한 변화를 명확히 보여 준다. 명칭의 마지막 두 자리는 1%의 100분율로 표시한 공칭 탄소 함량을 나타내므로, 각 등급은 대략 0.20%, 0.40%, 0.80%의 탄소에 해당한다. 완전한 규격에는 망가니즈, 황, 인 및 기타 원소의 한계도 포함되므로, 이 숫자만으로 전체 화학 분석을 나타내는 것은 아니다. 그럼에도 탄소 함량은 분류의 기본 원리를 제공한다.

모든 강은 기술적으로 합금이므로 합금강은 더 복잡한 개념이다. 철에 탄소가 결합하는 것만으로도 합금이 형성된다. ASTM 용어에서는 이 표현을 더 좁은 의미로 사용한다. ASTM A941을 바탕으로 한 AISC Code of Standard Practice의 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의하고, 합금강을 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 이러한 표준 맥락에서 “합금강”은 모든 강의 동의어가 아니다. 이는 규정된 합금 원소 함량과 정의에 따라 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 범주다.

니켈, 크롬, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈, 규소와 같은 원소를 첨가하면 경화능, 강도, 인성, 내마모성, 뜨임 저항성 및 부식 거동이 달라질 수 있다. 그 효과는 농도, 원소 간 상호작용, 가공 과정, 최종 미세조직에 따라 달라진다. 예를 들어 크롬은 비교적 낮은 함량에서 경화능과 마모 거동을 개선할 수 있지만, 스테인리스강으로 분류되려면 해당 크롬 임계값에 도달하고 관련 표준의 요건을 충족해야 한다.

World Steel Association의 2024년 설명은 스테인리스강을 최소 10.5%의 크롬을 함유한 강으로 규정한다. 산소가 존재할 때 크롬은 표면에 얇고 내식성이 있는 보호층을 형성하는 데 기여한다. 이 부동태 피막이 명칭의 근거가 되지만, 크롬 함량만으로 모든 스테인리스강 등급의 특성을 설명할 수는 없다. 많은 등급에서 니켈은 조직과 저온 거동에 영향을 미치며, 몰리브데넘은 국부 부식에 대한 저항성을 높일 수 있다. 탄소 함량은 예민화와 용접성에 영향을 주고, 질소는 강도와 공식 저항성을 변화시킬 수 있다. 따라서 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 듀플렉스계, 석출경화계 스테인리스강을 크롬 함량만으로 서열화할 수는 없다.

공구강은 무엇보다도 재료가 수행해야 하는 기능에 따라 분류된다. ASM은 공구강을 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하여 제조 부품으로 만들기 위한 공구 제작에 사용되는 강으로 정의한다. 공구강의 조성은 이러한 용도에 따른다. ASM의 2024년 설명에 따르면 현대의 많은 공구강 등급은 상당한 양의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬을 함유한다. 이러한 원소는 2차 탄화물을 형성하거나, 고온 경도를 향상시키거나, 내마모성을 높이거나, 부품의 상당한 단면 전체가 경화되도록 할 수 있다.

이로 인해 범주가 직접적으로 겹친다. 고탄소·고크롬 공구강은 스테인리스강의 정의도 충족할 수 있으며, 열간 작업용 공구강은 일반적인 야금학적 용법에서 명백히 합금강이다. 어느 하나를 단순히 “탄소강”이라고 부르면 합금 원소와 의도된 사용 조건이 가려진다. 반대로 모든 합금강을 “공구강”이라고 부르는 것도 똑같이 잘못이다.

기능 비교

일반 탄소강 등급은 요구되는 특성의 균형이 탄소에 의해 제어되는 강도, 성형성, 절삭 가공성 또는 열처리 반응을 중심으로 할 때 선택되는 경우가 많다. AISI/SAE 1020, 1040, 1080은 열등한 등급에서 우수한 등급으로 이어지는 단순한 단계가 아니다. 서로 다른 탄소 함량은 서로 다른 가공 가능성과 특성의 조합을 만든다. 탄소 함량이 높으면 적절한 처리 후 더 높은 경도를 얻을 수 있지만, 연성이 낮아지고 용접이 복잡해질 수도 있다. 중요한 질문은 추상적인 의미에서 어느 등급이 더 강한가가 아니라, 부품에 어떤 미세조직과 제조 공정이 필요한가이다.

합금강은 탄소만으로는 해결할 수 없는 한계를 다룬다. 니켈, 크롬, 몰리브데넘은 경화능을 높여 원하는 경화 조직이 단면 내부 깊숙한 곳까지 형성되도록 할 수 있다. 바나듐은 결정립을 미세화하거나 단단한 탄화물을 형성할 수 있다. 망가니즈는 경화능과 강도에 기여할 수 있다. 그러나 이러한 효과가 특정 결과를 보장하는 것은 아니다. 담금질 조건, 뜨임, 단면 크기, 청정도, 이전 가공 이력이 여전히 결정적인 요소이기 때문이다. 등급 지정은 조성 체계를 나타낼 뿐, 제조 과정과 무관하게 보장되는 성능을 의미하지 않는다.

스테인리스강은 다른 기능적 문제에 대응한다. 즉, 해당 용도에 필요한 기계적 특성과 제조 특성을 유지하면서 부동태화를 통해 부식을 줄이는 것이다. “스테인리스”라고 해서 부식이 전혀 일어나지 않는다는 뜻은 아니다. 염화물, 틈새, 침전물, 산, 열 노출, 용접 이력, 표면 상태는 부동태 피막을 손상시키거나 국부적으로 우회하는 부식을 일으킬 수 있다. 마르텐사이트계 스테인리스강 등급은 내마모성이나 절삭성을 위해 경화할 수 있는 반면, 오스테나이트계 등급은 성형성과 내식성을 우선할 수 있다. 이 계열 명칭은 조성 임계값과 부식 메커니즘을 설정할 뿐, 균일한 하나의 특성 체계를 의미하지 않는다.

공구강은 절삭, 성형, 충격, 압력 또는 고온 조건에서 가공 재료와 반복적으로 접촉하는 상황을 중심으로 구성된다. 공구강의 설계에서는 절삭날 유지성, 압축 강도, 응착 마모 또는 연삭 마모에 대한 저항성, 인성, 고온 경도가 우선될 수 있다. 이러한 요구 때문에 크롬, 몰리브데넘, 텅스텐, 바나듐이 자주 사용되는 것이며, 공구강이 별개의 화학적 세계이기 때문은 아니다. 공구강의 문자 기반 계열 명칭, 열처리, 경도 상태, 작업 온도는 모두 그 기능에 영향을 미친다.

표준 및 명칭 비교

ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 관련 철계 합금에 관한 표준 체계를 제공한다. 여기에는 재료 규격, 시험 방법, 용어, 관련 요건이 포함된다. ASTM의 조직 구조는 이러한 명칭들을 하나의 순위 체계로 취급해서는 안 되는 이유도 보여 준다. 별도의 소위원회가 탄소강 관형 제품, 스테인리스강 및 합금강 관형 제품, 평판 압연 스테인리스강, 공구강을 각각 다룬다.

1020, 1040, 1080과 같은 AISI/SAE 명칭은 주로 화학 조성에 기반한 등급 식별 체계다. 이는 ASTM 제품 규격을 대체하지 않는다. 예를 들어 ASTM A36, ASTM A572, ASTM A240, ASTM A681은 서로 다른 규격 맥락에 속하며, 제품 형태, 화학 조성, 기계적 시험, 가공 또는 납품 상태에 관한 요건을 부과한다. 적용되는 문서는 공칭 등급명만큼 중요하다.

ASTM A941의 용어는 “합금”이 합금 원소를 하나라도 포함하는 모든 것을 뜻한다는 흔한 오해를 방지하는 데 도움이 된다. 표준 용어에서 탄소강과 합금강은 정의된 범주이며, 스테인리스강은 별도로 식별된다. 여기에 공구강은 화학 조성에 기반한 경계를 가로지를 수 있는 기능적 분류를 추가한다. 등급 번호, ASTM 규격, 공구강 계열 명칭은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 설명이 아니다.

따라서 올바른 비교는 여러 층위로 이루어진다. 강이 무엇을 함유하는지, 어떤 표준 범주가 그 조성을 인정하는지, 등급이 어떻게 지정되는지, 재료가 어떤 기능을 수행해야 하는지를 차례로 물어야 한다. 그래야만 하나의 분류 기준이 네 가지 질문 모두에 답하는 것처럼 가장하지 않고 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강을 비교할 수 있다.

범주가 교차하는 지점

네 가지 명칭은 서로 완전히 분리된 네 개의 구획을 의미하지 않는다. 각각 서로 다른 질문에 답한다. “탄소강”은 일반적으로 주요 합금 기반과 비교적 제한적인 첨가량을 강조한다. “스테인리스강”은 크롬 함량의 기준과 그에 따른 내식성을 나타낸다. “공구강”은 용도를 설명하는 명칭으로, 제조 부품으로 만들기 위해 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하는 데 사용되는 강을 뜻한다. “합금강”은 일상적인 대화에서는 어떤 철 기반 합금이든 의미할 수 있지만, ASTM 용어에서는 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 정의된 범주로 사용된다.

과학적 언어와 표준 언어의 차이가 혼란의 상당 부분을 초래한다. 세계철강협회는 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철과 탄소의 합금으로 설명한다. 2024년의 동일한 설명에 따르면, 스테인리스강은 적어도 10.5%의 크롬을 함유한다. 크롬은 산소와 반응하여 내식성을 뒷받침하는 얇은 보호층을 형성한다. 어느 설명도 스테인리스강에 탄소가 없다고 말하지 않으며, 넓은 화학적 의미에서 합금강이 동시에 스테인리스강일 수 없다고 말하지도 않는다.

스테인리스강은 넓은 과학적 의미에서 합금강이기도 하다

모든 스테인리스강 등급에는 철, 탄소 및 의도적으로 첨가된 합금 원소가 포함된다. 스테인리스강 분류를 규정하는 첨가 원소는 크롬이지만, 등급에 영향을 미치는 원소가 크롬만 있는 것은 아니다. 니켈은 오스테나이트를 안정화할 수 있고, 몰리브데넘은 국부 부식에 대한 저항성을 향상할 수 있으며, 질소는 강도와 오스테나이트 안정성에 영향을 줄 수 있다. 망가니즈, 규소, 구리, 나이오븀, 티타늄 및 기타 원소도 규정된 함량으로 포함될 수 있다.

따라서 크롬 함량 기준은 경계를 설정할 뿐 완전한 설명을 제공하지는 않는다. 크롬이 10.5% 함유된 강이라고 해서 구조나 성능 면에서 다른 모든 스테인리스강과 자동으로 동등한 것은 아니다. 페라이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 듀플렉스계 및 석출경화계 스테인리스강은 전체 화학 조성과 열처리를 통해 강도, 인성, 용접성, 자기적 반응 및 내식성이 서로 다른 조합으로 나타난다. 규정된 최대 함량이 낮더라도 탄소는 여전히 그 화학 조성의 일부이다.

“합금”이라는 말은 두 가지 수준에서 사용된다. 재료과학에서 스테인리스강은 철에 탄소, 크롬 및 흔히 여러 다른 원소를 결합한 것이므로 명백히 합금강이다. 그러나 ASTM 위원회 A01은 스테인리스강과 “합금강”을 구분하는 범주로 용어와 제품 표준을 제정한다. ASTM A941 용어를 사용하는 AISC 표준 시공 관행 규정집의 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 마찬가지로 합금강은 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다.

이때 “스테인리스강이 아닌”이라는 표현이 중요하다. 이는 표준상의 경계이지, 크롬을 함유한 스테인리스강이 더 이상 합금이 아니라는 주장이 아니다. ASTM A01의 체계도 이러한 구분을 뒷받침한다. 관련 분과위원회는 탄소강 관형 제품, 스테인리스강 및 합금강 관형 제품, 냉간압연 및 열간압연 스테인리스강, 그리고 공구강을 각각 다룬다. 별도의 위원회와 규격은 제조 요건, 시험, 제품 형태 및 등급 명칭을 체계화하는 데 도움을 준다. 그러나 화학적 조성을 서로 배타적인 네 가지 물질 종류로 바꾸는 것은 아니다.

명칭 체계는 또 다른 층위를 더한다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 주로 탄소 범위로 식별되는 대표적인 일반 탄소강 등급이다. 304 또는 410과 같은 스테인리스강 명칭은 서로 다른 역사적 의미와 표준상의 의미를 지니며, 숫자만으로 모든 필수 원소나 가공 조건을 나타내지는 않는다. 등급명은 분류 및 식별을 위한 수단이지, 완전한 화학 조성을 대신하는 것이 아니다.

공구강에는 크롬과 기타 주요 합금 원소가 함유될 수 있다

공구강은 기본적으로 용도에 따른 범주이다. ASM은 공구강을 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하여 제조 부품으로 만들기 위한 공구를 제작하는 데 사용되는 강으로 정의한다. 따라서 공구강은 경도, 고온 경도, 내마모성, 인성, 치수 안정성 및 열처리 반응과 관련하여 평가해야 한다. 공구강의 명칭 체계에는 수경성강, 냉간가공강, 열간가공강, 고속도강 및 내충격강과 같은 그룹이 포함된다.

이러한 그룹에는 탄소와 철을 훨씬 넘어서는 원소가 포함되는 경우가 많다. ASM에 따르면 많은 현대 공구강 등급에는 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬이 함유된다. 이러한 첨가 원소는 변태 거동과 탄화물 형성을 변화시킨다. 크롬, 몰리브데넘 및 망가니즈는 경화능을 높일 수 있고, 바나듐은 경질 탄화물을 형성하며 결정립 조직을 미세화할 수 있다. 텅스텐과 몰리브데넘은 고속도강 등급에서 고온 경도 유지에 기여한다. 결과적인 물성은 어느 하나의 원소만으로 결정되는 것이 아니라 원소 조합, 제조 공정 및 열처리에 따라 달라진다.

일부 공구강에는 스테인리스강 분류와 관련된 수준의 크롬이 함유된다. AISI D2와 같은 냉간가공 등급은 유용한 경계 사례이다. 이 강은 크롬을 다량 첨가하고 상당량의 크롬이 풍부한 탄화물을 형성하지만, 표준상 정체성은 공구강 명칭으로 규정된다. 공구강으로 분류되는 이유는 그 용도와 야금학적 설계를 반영하기 때문이다. 높은 크롬 함량이 그러한 명칭을 없애는 것은 아니며, 그 명칭만으로 오스테나이트계 스테인리스강과 관련된 내식성이 보장되는 것도 아니다.

실제 적용에서는 그 반대도 가능하다. 일부 스테인리스강 등급은 공구, 금형, 다이 또는 내마모 부품에 사용할 수 있지만, 스테인리스강이라는 명칭이 자동으로 공구강이 되게 하지는 않는다. 성능과 적용 분야는 겹칠 수 있지만 표준상의 범주는 서로 다를 수 있다. 조성, intended use, 명칭 및 실제로 얻어진 물성은 서로 구분하여 판단해야 한다.

탄소는 여러 강 계열에 걸쳐 여전히 존재한다

탄소는 탄소강에만 해당하는 성질이 아니다. 세계철강협회의 정의에 따르면, 그러한 넓은 설명에서 모든 강에는 탄소가 포함되며 총 함량은 2% 미만이다. 탄소는 냉각과 열처리 과정에서 형성되는 상의 양과 안정성에 영향을 주며, 경도, 강도, 연성, 용접성 및 마르텐사이트로 경화되는 능력에 큰 영향을 미친다.

ASM은 일반 탄소강의 탄소 함량을 대체로 약 0.10%에서 1% 초과까지로 제시한다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080 명칭은 이러한 증가 추세를 보여 준다. 등급 번호가 높아질수록 공칭 탄소 수준이 상승하지만, 정확한 규격에는 여전히 허용 범위와 기타 원소가 포함된다. 탄소 함량이 높으면 적절한 열처리 후 더 높은 경도를 얻는 데 도움이 될 수 있지만, 연성을 낮추고 용접을 복잡하게 만들 수도 있다. 따라서 숫자는 화학 조성에 대한 단서일 뿐, 사용 중 성능을 완전히 예측하는 지표는 아니다.

스테인리스강에도 탄소가 남아 있다. 탄소는 야금학적 거동에 관여하기 때문이다. 다만 용접 중 탄화물 석출을 줄이기 위해 저탄소 변형 등급을 지정하는 경우가 있다. 공구강에도 탄소가 남아 있는데, 이는 크롬, 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브데넘과 같은 첨가 원소와 함께 경도와 탄화물 형성에 필요하기 때문이다. 따라서 하나의 강은 서로 겹치는 의미에서 탄소를 함유하고, 합금화되어 있으며, 스테인리스강이고, 공구 용도를 지닐 수 있다.

유용한 질문은 “이 네 가지 중 어느 것인가?”가 아니다. “어떤 정의가 적용되고 있는가?”가 핵심이다. 화학적 설명은 원소와 함량 범위를 식별한다. ASTM 범주는 표준과 제품 요건을 체계화한다. 명칭은 등급군을 식별한다. 열처리와 가공은 최종 조직을 결정하고, 성능 시험은 재료가 실제로 어떤 거동을 보이는지 보여 준다. 이러한 층위를 서로 바꾸어 취급하면 단순하게 들리지만 설명력은 거의 없는 명칭이 만들어진다.

익숙하지 않은 강재를 식별하는 실용적인 방법

익숙하지 않은 강재의 식별은 줄, 자석 또는 육안 검사로 시작해서는 안 되며, 해당 강재의 문서부터 확인해야 합니다. 밝고 광택이 있는 표면은 스테인리스강을 시사할 수 있고, 스케일이나 어두운 열간압연 표면은 탄소강을 시사할 수 있지만, 표면 상태만으로는 내부 강종에 대해 알 수 있는 것이 거의 없습니다. 자성 역시 신뢰할 수 있는 분류 기준이 아닙니다. 많은 스테인리스강이 자성을 띠며, 일부 탄소강과 합금강은 유사한 자성 반응을 보일 수 있습니다. 경도는 재료의 상태와 시험 방법을 확인한 후에야 가능한 범위를 좁히는 데 도움이 됩니다.

신뢰할 수 있는 접근법은 강종 표시에서 표준으로, 다시 표준에서 화학 조성, 제품 형태, 상태 및 검증 시험으로 확인 범위를 넓혀 가는 것입니다.

정확한 강종 또는 규격부터 확인하기

문자, 숫자, 접미사, 개정 식별자 및 열처리 용어를 포함하여 모든 표시를 보이는 그대로 기록하십시오. “304”, “304L”, “AISI/SAE 1040”, “ASTM A36” 및 “A2 공구강”은 동일한 종류의 정보를 식별하지 않습니다. 어떤 것은 강종 표시이고, 다른 것은 탄소강 번호 체계이며, 또 다른 것은 제품 규격 또는 비공식적·국가별 표시일 수 있습니다.

AISI/SAE 1020과 같은 표시는 AISI/SAE 체계에서 일반 탄소강 강종을 식별합니다. 마지막 두 자리는 대략적인 공칭 탄소 함량을 백분율의 100분의 1 단위로 나타내지만, 이는 해당 규격과 화학 조성 한계의 적용을 받습니다. 이 두 자리만으로는 재료의 경도, 인장강도 또는 열처리 상태를 나타내지 않습니다. ASM International은 AISI/SAE 1020, 1040 및 1080을 대표적인 일반 탄소강 강종으로 제시하며, 일반 탄소강의 더 넓은 범위는 약 0.10%의 탄소부터 1%를 초과하는 탄소까지 이어집니다(ASM International, 2024).

ASTM A240/A240M과 같은 표시는 이와 다릅니다. 이는 압력용기 및 일반 용도에 사용되는 크롬강 및 크롬-니켈 스테인리스강 판, 시트 및 스트립을 다루는 규격을 식별합니다. 이 규격에는 여러 조성과 요구사항이 포함되어 있으므로, Type 304 또는 Type 316L과 같이 강종도 함께 기록해야 합니다. 마찬가지로 ASTM A29/A29M은 탄소강 및 합금강 열간가공 봉강에 관한 일반 규격이며, 강종 표시를 대신하지 않습니다.

불완전한 표시를 임의로 수정하지 마십시오. 관찰한 대로 “1040”, “A36” 또는 “stainless”라고 기록한 뒤, 각각을 아직 해결되지 않은 단서로 취급하십시오. 접두사가 누락되었는지 여부에 따라 화학 조성 표시인지 제품 규격인지가 달라질 수 있습니다.

비공식 명칭에 의존하기 전에 표준 용어 사용하기

다음으로 인증서, 도면, 부품 표시 또는 검사 기록에 명시된 적용 표준을 확인하십시오. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 표준을 다룹니다. 이 위원회의 체계에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 평판압연 스테인리스강 및 공구강을 담당하는 별도의 소위원회가 포함되어 있습니다. 이러한 조직 체계는 네 가지가 서로 완전히 분리된 화학적 계열이라는 뜻이 아니라, 표준 체계에 따른 구분을 반영합니다.

ASTM A941, Standard Terminology Relating to Steel, Stainless Steel, Related Alloys, and Ferroalloys는 규격에 carbon steel과 alloy steel이라는 용어가 등장할 때 특히 중요합니다. ASTM A941의 용어를 바탕으로 작성된 AISC Code of Standard Practice 용어집에서는 탄소강을 탄소강의 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로, 합금강을 합금강의 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의합니다. 따라서 표준 맥락에서 “alloy steel”은 단순히 “합금 원소를 포함하는 강”을 의미하지 않습니다. 모든 강은 철을 기반으로 하는 합금입니다. 이 용어는 일반적으로 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 표준상의 범주를 나타냅니다.

그러나 이러한 분류는 반드시 해당 규격과 함께 해석해야 합니다. 크롬, 니켈, 몰리브덴 또는 기타 원소가 규정된 양만큼 첨가되었다는 이유로 강을 합금강이라고 부를 수 있지만, 별도의 규격에서는 제품을 형상, 사용 조건 또는 제조 경로에 따라 분류할 수 있습니다. “Tool steel” 역시 주로 기능적 범주입니다. ASM은 공구강을 제조 부품으로 만들기 위해 재료를 절삭, 성형 또는 기타 방식으로 가공하는 공구의 제작에 사용되는 강으로 설명합니다. 많은 공구강 강종은 상당량의 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬을 포함합니다. 이 경우 합금 함량만큼이나 강종 표시와 열처리 요구사항도 중요합니다.

stainless라는 단어를 완전한 강종 설명으로 취급해서는 안 됩니다. 2024년에 발표된 World Steel Association 자료는 스테인리스강을 최소 10.5%의 크롬을 포함하는 강으로 정의합니다. 크롬은 산소와 반응하여 내식성 보호층을 형성합니다. 이 기준은 광범위한 분류를 설정할 뿐, 모든 환경에서의 내식성을 예측하는 기준은 아닙니다. 니켈, 몰리브덴, 질소, 탄소, 티타늄, 니오븀, 황, 표면 상태, 용접 이력 및 열처리는 모두 결과에 영향을 줄 수 있습니다. Type 304와 Type 316L은 모두 스테인리스강이지만, 규정된 화학 조성과 의도된 성능은 서로 대체할 수 없습니다.

화학 조성, 제품 형태 및 상태를 구분하기

표준과 강종을 확인한 후에는 세 가지 질문을 구분해야 합니다. 강재가 무엇을 포함하는지, 어떤 형태로 공급되었는지, 그리고 어떤 야금학적 상태에 있는지입니다.

화학 조성은 표준에 규정된 원소 한계와, 필요한 경우 용강분석 또는 제품분석을 통해 확인합니다. 탄소 함량은 경화 가능한 조직이 형성될 수 있는 양에 영향을 주므로 경도, 강도, 용접성 및 열처리 반응에 영향을 미칩니다. 일반 탄소강 계열에서 AISI/SAE 1020에서 1040, 1080으로 갈수록 공칭 탄소 함량이 증가한다는 것을 의미하지만, 상태가 함께 명시되지 않는 한 특정 경도를 보장하지는 않습니다. 망가니즈와 합금 원소의 첨가는 경화능을 변화시켜 단면을 더 깊게 경화할 수 있게 합니다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 니켈 및 규소는 강도, 인성, 내마모성, 뜨임 반응 및 내식성에 영향을 줄 수 있습니다.

제품 형태는 별개의 요소입니다. 화학 조성이 유사하더라도 판, 시트, 봉, 선, 관, 단조품, 주조품 및 체결품은 서로 다른 ASTM 규격의 적용을 받을 수 있습니다. 따라서 제품 표준이 없는 강종 표시만으로는 충분하지 않을 수 있습니다. 치수, 제조 경로, 허용된 가공 및 해당 형태에 특유한 요구사항을 확인하십시오.

상태는 제조 중 또는 제조 후 재료가 어떻게 가공되었는지를 나타냅니다. as-rolled, hot-finished, cold-drawn, annealed, normalized, quenched and tempered 및 solution annealed와 같은 용어는 새로운 화학적 강종이 아니라 재료의 상태를 설명합니다. 화학 조성이 동일한 두 조각이라도 상태가 다르면 경도, 강도, 치수, 잔류응력 및 미세조직이 서로 다를 수 있습니다.

마지막으로 요구되는 시험을 확인하십시오. 규격에 따라 화학 분석, 인장시험, 항복강도 측정, 연신율, 경도, 충격시험, 굽힘시험, 부식 관련 시험, 결정립 크기 검사 또는 비파괴검사가 포함될 수 있습니다. 경도 측정값은 식별을 뒷받침할 수 있지만, 표준, 화학 조성, 상태 및 필수 시험 기록을 대신할 수는 없습니다. 문서가 없는 경우에는 실험실 화학 분석에 금속조직학적 검사와 적절한 기계적 시험을 결합하는 것이 외관, 자성, 경도 또는 일반적인 명칭만으로 식별하는 것보다 훨씬 더 타당합니다.

일반적인 오해와 용어의 함정

강철의 화학적 설명을 완전한 분류로 간주하면 강철 관련 용어는 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 조성, 표준상의 범주, 강종 지정, 사용 성능은 서로 다른 질문에 답합니다. AISI/SAE 1020은 지정 체계 내의 한 강종을 나타내고, “탄소강”은 표준상의 범주를 설명하며, 탄소 함량과 열처리는 그 조직과 특성을 설명하는 데 도움을 줍니다. 그러나 이러한 명칭 가운데 어느 하나만으로 모든 용도에서의 거동을 예측할 수는 없습니다.

ASTM Committee A01은 표준 체계를 제공합니다. 이 위원회의 업무에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 기타 철계 합금에 관한 규격, 시험 방법, 용어 및 관련 문서가 포함됩니다. ASTM은 이 업무의 상당 부분을 세부 위원회로도 나누고 있으며, 여기에는 탄소강 관 제품, 스테인리스강 및 합금강 관 제품, 냉간 또는 열간 압연 평판 스테인리스강, 공구강 등이 포함됩니다. 이러한 조직 체계는 해당 용어들이 과학적으로는 서로 중첩되지만 표준 실무에서는 구별된다는 점을 보여 줍니다.

‘합금강’은 특수하거나 고합금인 재료만을 뜻하지 않는다

“모든 강은 합금강이다”라는 말은 과학적으로는 이해할 수 있지만, 표준상의 설명으로는 불완전합니다. World Steel Association은 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철과 탄소의 합금으로 정의합니다. 따라서 철과 탄소는 본질적인 합금계를 이루며, 대부분의 상용 강은 망가니즈, 규소, 황, 인과 같은 원소도 관리된 양 또는 잔류량으로 함유합니다.

표준 용어에서는 이 표현을 더 좁은 의미로 사용합니다. ASTM A941의 용어를 바탕으로 작성된 AISC Code of Standard Practice의 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의합니다. 이와 병행하여 합금강은 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의합니다. 이러한 맥락에서 “합금강”은 모든 철계 합금의 동의어가 아닙니다. 이는 해당 표준의 정의에 따라 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 범주입니다.

이러한 구별은 흔히 발생하는 오류를 방지합니다. 즉, 합금강이 희귀 원소를 다량 함유한 특수 재료를 뜻한다고 가정하는 오류입니다. 일반 탄소강도 상당히 넓은 조성 범위를 포괄합니다. ASM International은 일반 탄소강의 범위를 대략 탄소 0.10%에서 1% 초과까지로 제시하며, AISI/SAE 1020, 1040, 1080을 대표적인 강종으로 분류합니다. 지정 체계에서 해당 숫자는 공칭 탄소 수준을 가리킬 뿐, 재료 특성에 관한 완전한 규격을 의미하지는 않습니다. 예를 들어 AISI/SAE 1020은 일반 탄소강이라고 불린다는 이유만으로 과학적 의미에서 “비합금”인 것은 아닙니다.

탄소 함량은 탄소를 함유하는 상의 양과 분포, 얻을 수 있는 경도, 강도, 연성 및 열처리 반응에 영향을 줍니다. 그러나 최종 결과는 단면 크기, 냉각 속도, 이전 가공 이력 및 요구되는 규격에도 좌우됩니다. 탄소 함량이 증가한다고 해서 언제나 더 강한 강이 되는 것은 아닙니다. 탄소 함량의 증가는 용접성, 인성, 성형성 및 열처리 반응을 변화시킬 수 있으므로, 강종명은 성능의 직접적인 순위로 해석해서는 안 됩니다.

합금 원소의 첨가는 또 다른 층위를 더합니다. 망가니즈, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘, 바나듐 및 기타 원소는 경화능, 내마모성, 인성, 강도 및 내식성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 어떤 분류 체계에서는 특정 재료를 저합금강으로 설명하면서도, 합금 원소가 특별히 높은 비율로 함유되어 있지 않을 수 있습니다. 적용되는 규격이 어떤 범주가 해당하는지를 결정합니다. 화학 조성은 해당 강종이 그러한 거동을 보이는 이유를 설명하고, 표준은 그 강종의 명칭과 관리 방법을 결정합니다.

‘스테인리스’는 부식에 면역이라는 뜻이 아니다

World Steel Association은 스테인리스강을 크로뮴을 최소 10.5% 함유한 강으로 정의합니다. 이 기준은 정의를 위한 기준일 뿐, 모든 환경에서 부품에 부식이 발생하지 않는다는 보장은 아닙니다. 크로뮴은 산소와 반응하여 강 표면에 얇고 내식성 있는 보호층을 형성합니다. 이 수동태 피막이 스테인리스강 특유의 내식성의 근원이지만, 금속을 화학적으로 완전히 침범할 수 없게 만드는 장갑과 같은 피막은 아닙니다.

환경이 중요합니다. 염화물을 함유한 물, 산성 용액, 퇴적물, 틈새, 높은 온도 및 정체된 조건은 수동태를 약화시킬 수 있습니다. 모재 합금이 크로뮴 10.5% 기준을 충족하더라도 국부적인 손상으로 공식이나 틈새 부식이 발생할 수 있습니다. 제작 방법, 표면 상태, 탄소강에 의한 오염, 용접, 열 노출 및 세척 방식도 결과에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 스테인리스강은 정의상 부식이 전혀 발생하지 않는 재료가 아니라, 설계상 내식성을 갖는 재료입니다.

크로뮴 함량만으로 모든 스테인리스강종을 설명할 수도 없습니다. 스테인리스강은 결정 구조가 서로 다르며, 니켈, 몰리브데넘, 질소, 망가니즈, 구리 및 탄소와 같은 원소의 첨가량도 다릅니다. 이러한 차이는 강도, 연성, 용접성, 상 안정성 및 특정 형태의 부식에 대한 저항성에 영향을 줍니다. 크로뮴을 함유한 페라이트계 강종, 니켈을 함유한 오스테나이트계 강종, 열처리 가능한 마르텐사이트계 강종은 모두 스테인리스강의 정의를 충족할 수 있지만, 성형, 용접, 열처리 및 사용 환경에 대해서는 매우 다르게 반응할 수 있습니다.

따라서 스테인리스강 지정은 하나의 숫자로 축약할 수 없습니다. 10.5%라는 기준은 명시된 정의에 따라 스테인리스강을 다른 강 범주와 구분하지만, 모든 환경에 적용할 수 있는 보편적인 재료를 선택해 주지는 않습니다. 표준, 강종의 화학 조성, 제품 형태, 가공 이력 및 노출 조건을 함께 고려해야 합니다.

‘공구강’은 하나의 조성을 의미하지 않는다

공구강은 사용 목적과 설계된 화학 조성을 통해 이해하는 것이 가장 적절합니다. ASM International은 공구강을 재료를 절삭하거나 성형하거나 그 밖의 방식으로 가공하여 제조 부품으로 만드는 공구에 사용되는 강으로 설명합니다. 이러한 기능적 정의는 서로 매우 다른 합금계를 포괄합니다. 공구강은 특정 용도에 맞춰 경도, 강도, 인성, 내마모성, 치수 안정성 또는 고온 성능을 유용하게 조합하여 유지해야 하며, 하나의 조성이 이러한 특성을 모두 동일한 수준으로 제공할 수는 없습니다.

ASM에 따르면 현대의 많은 공구강종은 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크로뮴을 상당량 함유합니다. 이러한 원소들은 서로 다른 금속학적 기능을 수행합니다. 크로뮴, 몰리브데넘 및 망가니즈는 경화능에 영향을 줄 수 있고, 바나듐은 경질 탄화물의 형성과 내마모성에 기여할 수 있습니다. 텅스텐과 몰리브데넘은 높은 절삭 온도에서도 유용한 경도를 유지하도록 설계된 강종에서 중요한 역할을 합니다. 탄소는 경질상을 형성하도록 돕기 때문에 여전히 핵심적인 원소이지만, 인성이 충분하지 않은 상태에서 경도만 과도하게 높아지면 치핑이나 파괴가 발생할 수 있습니다.

이 명칭이 하나의 열처리 경로를 의미하는 것도 아닙니다. 냉간 가공용 공구강, 열간 가공용 강종, 고속도강 및 내충격성 강종은 서로 다른 조성과 성능 영역에 속합니다. 이들 가운데 일부는 크로뮴 기준에 따른 스테인리스강에 해당하지만, 그렇지 않은 강종도 있습니다. 일부는 표준 용어상 합금강에 해당하고, 다른 강종은 상당한 합금 원소를 함유하더라도 주로 공구강의 분류 및 지정 체계에 따라 식별됩니다.

따라서 “공구강”은 하나의 화학적 계열이 아니라 설계 목적을 나타내는 명칭입니다. 강종 지정, 제품 규격, 열처리 및 공구의 사용 목적을 함께 해석해야 합니다. 절삭 공구, 성형 금형 및 열간 가공용 인서트는 모두 공구라고 불릴 수 있지만, 각각에 사용되는 강은 서로 다른 파손 양상에 대응하도록 설계됩니다. 분류는 해당 표준이 어떤 종류의 재료로 인정하는지를 알려 줍니다. 화학 조성과 가공 공정은 그 재료가 무엇을 견딜 수 있는지를 설명합니다.

요약: 네 가지 명칭과 서로 다른 여러 분류 체계

네 가지 명칭은 “합금 원소가 가장 적은 것”에서 “가장 많은 것”까지 하나의 선상에 놓이지 않는다. 각각 서로 다른 질문에 답한다. 탄소강은 화학 조성과 표준 분류를 설명할 수 있다. 합금강은 모든 강이 기술적으로 합금임에도 불구하고 스테인리스강을 제외하는 표준 분류를 의미할 수 있다. 스테인리스강은 크롬을 함유하고 부동태화되는 계열을 가리킨다. 공구강은 주로 기능과 절삭, 성형 또는 형상 가공용 공구를 제조하는 데 수반되는 가공 요구 사항을 가리킨다.

혼동은 이러한 명칭을 서로 배타적인 것으로 취급할 때 시작된다. 어떤 강종은 표준에서 정의한 합금강 범주에 속하면서 동시에 공구 제조용으로 선정될 수 있다. 스테인리스 강종도 그 용도가 절삭 또는 성형이라면 공구강이 될 수 있다. 일반 탄소강 강종이 공구에 사용될 수는 있지만, 그렇다고 해서 ASM의 의미에서 자동으로 “공구강”이 되는 것은 아니다. 조성, 분류, 명칭 및 성능은 서로 관련되어 있지만, 서로 대체할 수 있는 개념은 아니다.

화학 조성에 관한 질문

기본적인 화학적 구분은 철과 탄소에서 시작된다. World Steel Association의 2024년 Steel Facts는 강을 탄소 함량이 2% 미만인 철-탄소 합금으로 정의한다. 탄소는 철 기지를 변화시키며 경도, 강도, 연성, 용접성 및 열처리 반응에 큰 영향을 미친다. 탄소 함량이 증가하면 일반적으로 얻을 수 있는 경화 반응도 증가하지만, 성형 및 용접과 관련된 고려 사항은 더욱 까다로워진다. 그 영향은 탄소만으로 결정되지 않는다. 냉각 속도, 단면 크기, 선행 가공 및 존재하는 다른 원소도 영향을 미친다.

ASM의 2024년 탄소강 및 저합금강 관련 내용에 따르면, 일반적인 탄소강의 탄소 함량은 대략 0.10%에서 1% 초과까지이다. AISI/SAE 1020, 1040 및 1080은 이러한 명명 방식을 보여 준다. 처음 두 자리는 10xx 일반 탄소강 계열을 나타내고, 마지막 두 자리는 통상적으로 탄소 함량의 공칭값을 백분율의 100분의 1 단위로 나타낸다. 따라서 1020, 1040 및 1080은 서로 무관한 세 가지 물질이 아니라, AISI/SAE 명칭 체계 안에서 공칭 탄소 함량이 점차 증가하는 강종을 나타낸다. 이러한 명칭만으로는 허용되는 전체 화학 조성이나 제품 상태를 완전히 알 수 없다.

“탄소강”이라고 해서 다른 원소가 전혀 존재하지 않는다는 뜻은 아니다. 망가니즈, 규소, 황, 인 및 잔류 원소가 규정된 한도 내에서 존재할 수 있다. 또한 “합금강”이 단순히 “합금 원소를 함유한 강”을 의미하는 것도 아니다. 그러한 문자 그대로의 의미라면 모든 강이 포함되기 때문이다. 표준은 이 용어에 더 좁은 기술적 의미를 부여한다.

스테인리스강은 주로 크롬에 의해 구별된다. World Steel Association은 스테인리스강이 최소 10.5%의 크롬을 함유한다고 설명한다. 산소가 존재하는 조건에서 크롬은 산소와 반응하여 표면에 얇고 내식성 있는 보호층을 형성한다. 이러한 부동태화 메커니즘은 스테인리스 특성의 화학적 기반이지만, 크롬 함량만으로 모든 스테인리스 강종을 설명할 수는 없다. 니켈, 몰리브데넘, 질소, 탄소, 망가니즈, 규소 및 기타 원소는 상 균형, 내식성, 강도, 용접성 및 열처리 반응에 영향을 미친다. 따라서 페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계 및 석출경화계 스테인리스 강종을 하나의 크롬 규칙만으로 환원할 수 없다.

공구강은 다른 화학적 양상을 보인다. ASM은 공구강을 절삭, 성형 또는 그 밖의 방식으로 재료를 제조 부품의 형태로 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 기능에 따라 설명한다. 현대의 많은 공구강 강종은 상당량의 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 망가니즈 또는 크롬을 함유한다. 이러한 첨가는 경화능, 고온 경도, 내마모성, 인성 또는 2차 경화를 뒷받침할 수 있지만, 해당 강종의 공인된 분류와 사용 목적을 고려하지 않고 단지 이러한 원소가 존재한다는 이유만으로 공구강이 되는 것은 아니다.

표준에 관한 질문

표준은 광범위한 야금학적 용어를 관리되는 범주, 화학적 한계, 기계적 요구 사항, 시험 방법, 열처리 조건 및 제품 형태로 구체화한다. ASTM Committee A01은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강 및 관련 철계 합금에 이러한 체계를 제공한다. 이 위원회의 문서는 금속을 주기율표에 따른 원소 목록만으로 분류하는 것이 아니다. 특정 규격에 명시된 요구 사항을 충족하기 위해 재료가 무엇을 만족해야 하는지를 정의한다.

ASTM A941의 용어를 바탕으로 한 AISC Code of Standard Practice 용어집은 탄소강을 ASTM A941의 탄소강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 합금강도 이와 유사하게 ASTM A941의 합금강 정의에 부합하면서 스테인리스강이 아닌 강으로 정의한다. 이 표현은 중요하다. 이러한 표준상의 용례에서 “합금강”은 모든 강이 합금이라는 화학적 사실에도 불구하고 탄소강 및 스테인리스강과 구별되는 범주이다.

ASTM A01의 조직 체계도 이 점을 뒷받침한다. 이 체계에는 탄소강 관 제품, 스테인리스 및 합금강 관 제품, 평판 압연 스테인리스강 및 공구강을 각각 다루는 별도의 관련 소위원회가 포함되어 있다. 소위원회의 담당 분야가 모든 성능 특성을 설명하는 것은 아니지만, 표준 관리에서는 제품 형태, 화학 조성, 적용 분야 및 규격의 범위를 함께 사용한다는 점을 보여 준다.

강종 명칭은 또 다른 층위를 더한다. AISI/SAE 1040은 명칭이고, ASTM A36은 제품 규격이며, 재료 인증서는 특정 용해 및 제품이 해당 규격을 충족하는지를 확인한다. 이러한 표지를 동의어로 취급해서는 안 된다. AISI/SAE 번호 체계는 일반적으로 공칭 조성을 전달하는 반면, ASTM 규격은 화학 조성, 인장 특성, 시험, 치수, 납품 상태 또는 제품 유형에 대한 요구 사항을 부과할 수 있다.

적용 및 가공에 관한 질문

기능은 화학 조성보다 공구강을 다른 명칭과 더 효과적으로 구분하는 경우가 많다. 공구강은 절삭, 성형, 충격, 마모, 압력 또는 고온 환경에서 유용한 특성을 유지해야 한다. 그 가공에는 관리된 용해, 단조 또는 분말 공정, 풀림, 경화, 뜨임 및 일부 강종의 경우 여러 차례의 뜨임 사이클이 포함될 수 있다. 중요한 질문은 강이 어떤 원소를 함유하는가뿐만 아니라, 해당 강종이 어떤 제조 작업을 견디도록 설계되었는가이다.

같은 논리는 스테인리스라는 명칭을 보편적인 성능 보증으로 해석하지 않도록 한다. 스테인리스강의 크롬이 풍부한 부동태 표면은 내식성을 뒷받침하지만, 제조, 표면 상태, 염화물 노출, 용접, 열처리 및 강종의 화학 조성이 결과에 영향을 미친다. 마르텐사이트계 스테인리스 공구강종과 오스테나이트계 스테인리스 판재 강종은 모두 크롬을 기반으로 한 스테인리스 개념을 충족하면서도 서로 다른 목적에 사용된다.

따라서 이 체계는 의도적으로 구분되어 있다. 탄소강은 철-탄소 조성과 AISI/SAE 1020, 1040 및 1080과 같은 일반 탄소강 강종을 통해 이해하고, 합금강은 표준에서 정의한 비스테인리스 합금강 범주를 통해 이해하며, 스테인리스강은 최소 10.5%의 크롬과 부동태화를 통해 이해하고, 공구강은 공구 제조 기능과 특수 합금화를 통해 이해한다. 정확한 식별을 위해서는 범주 명칭만이 아니라 적용되는 강종과 제품 규격을 확인해야 한다.

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