강재 공급 조건 및 제조 경로

강재 인도 상태가 실제로 의미하는 것

강재의 공급 상태에는 화학 조성 이상의 요소가 포함되며, 제품 형태, 제조 이력, 열처리, 표면 상태, 치수, 기계적 요구사항 및 시험을 서로 연결한다. Strong evidence

강재 인도 상태란 제품이 공급되는 상태를 표준에서 정의한 것을 의미합니다. 이는 공급업체의 비공식적인 설명이 아니며, 화학 조성의 동의어도 아닙니다. 인도 상태에는 제품 형태, 제조 이력, 열처리 상태, 표면 상태, 치수, 기계적 요구사항 및 지정된 검사 또는 시험이 연계됩니다. 이러한 세부사항에 따라 재료를 어떻게 해석해야 하는지, 그리고 적합성에 관한 주장이 실제로 무엇을 의미하는지가 결정됩니다.

용해번호와 강종 지정은 재료 정체성의 중요한 부분을 나타내지만, 공급된 제품 전체를 설명하지는 않습니다. 동일한 광범위한 강재 계열이라도 열간압연 판재, 정규화 판재, 담금질 및 뜨임 판재, 냉간 마무리 봉재 또는 단조 부품으로 공급될 수 있습니다. 이러한 제품은 주요 합금 원소를 공유할 수 있지만, 항복강도, 인성, 경도, 잔류응력, 치수 공차 및 용접성에서는 상당한 차이를 보일 수 있습니다.

인도 상태와 강종의 차이

강종은 일반적으로 조성 범위와 요구 특성의 집합을 정의합니다. 표준에 따라 허용되는 제품 형태, 두께 범위, 충격시험 온도, 탈산 방법 또는 인도 상태를 추가로 규정할 수도 있습니다. 그러나 해당 강종 지정이 표시된 모든 제품이 동일한 제조 공정을 거쳤다는 의미는 아닙니다.

EN 10025 시리즈에 따른 구조용 강재를 예로 들어 보겠습니다. BS EN 10025-3:2019는 정규화 또는 정규화 압연 상태로 공급되는 열간압연 용접성 세립 구조용 강재 제품을 다룹니다. 따라서 S355N이라는 지정은 공칭 355 MPa 항복강도 등급 이상을 전달합니다. 여기서 “N” 지정은 표준에 규정된 정규화 또는 정규화 압연 인도 상태와 연계되어 있습니다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강재라는 다른 제품 등급을 다룹니다. 이 부분에 해당하는 강종은 단순히 정규화 제품의 더 높은 강도 버전인 것처럼 해석할 수 없습니다.[1][1] Standard Specification for Steel Forgings, Carbon and Alloy, for General Industrial Use. ASTM International. ASTM A668/A668M-16, 2016.

이러한 구분은 ASTM 단조 표준에서도 동일하게 명확합니다. ASTM A668/A668M-16은 풀림, 정규화, 정규화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 정규화-담금질 및 뜨임 상태를 포함하여 인도 열처리에 따라 탄소강 및 합금강 단조품을 분류합니다. 따라서 “탄소강 단조품”만으로는 공급 상태를 충분히 설명할 수 없습니다. 단조 공정은 제품 형태와 변형 이력을 확립하고, 지정된 열처리는 기술적 상태의 또 다른 부분을 확립합니다.

ASTM A434/A434M-24는 열간가공 및 냉간 마무리된 담금질 및 뜨임 합금강 봉재를 다룹니다. 여기서 “냉간 마무리”는 제품 제조 경로와 표면 또는 치수 상태를 설명하는 반면, “담금질 및 뜨임”은 야금학적 상태를 설명합니다. 어느 용어도 합금 강종을 대신하지 않습니다. 봉재의 화학 조성이 요구되는 강종 범위에 들어가더라도, 잘못된 상태로 공급되었거나 잘못된 표면 상태를 가졌거나 요구된 기계적 시험이 수행되지 않았다면 인도 규격에 부적합할 수 있습니다.

공급 상태공급 상태 강재 제품이 공급되는 규격 정의 상태로서, 제품 형태, 열처리, 표면 상태, 치수 및 요구되는 검증을 포함한다.

제조 경로는 또 다른 층위를 추가합니다. World Steel Association은 2024년에 두 가지 주요 제강 경로로 고로-기본 산소 제강로(BF-BOF) 경로와 전기로(EAF) 경로를 제시했습니다. 이 협회의 원료 지침은 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 일관제철 경로와, 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선 및 전력을 사용하는 EAF 경로를 구분합니다. U.S. Environmental Protection Agency는 1995년에 기본 산소 공정을 고로에서 생산된 용선에 고철을 첨가하여 정련하는 공정으로 설명했으며, 전기 아크로 공정은 별도의 제강 경로로 다루었습니다.

미국재료시험협회 A434/A434M-24는 적용 대상인 담금질 및 뜨임 합금강 봉강에 대해 여러 용해 처리 경로를 허용한다. Strong evidence

[2][2] Standard Specification for Quenched and Tempered Alloy Steel Forgings for Pressure Vessel Components. ASTM International. ASTM A508/A508M-16, 2016.

이러한 용해 경로는 잔류 원소, 청정도, 개재물 분포 및 공정 관리에 영향을 미칠 수 있지만, 경로 자체가 최종 제품의 정규화, 풀림 또는 담금질 및 뜨임 여부를 정의하지는 않습니다. ASTM A434/A434M-24는 해당 봉재에 대해 표준의 요구사항을 충족하는 것을 전제로 평로, 기본 산소로 및 전기로 생산을 허용합니다. ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 담금질 및 뜨임 진공처리 탄소강 및 합금강 단조품에 대해 보다 구체적인 입장을 취합니다. 즉, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본 전기로 제조를 요구합니다. 이러한 경로 요건은 해당 제품 규격의 일부이지, 모든 담금질 및 뜨임 강재에 대한 일반적인 정의가 아닙니다.

제품 형태, 표면 상태 및 열처리 상태

제품 형태는 강재가 어떻게 성형되었는지, 그리고 어떤 결함, 응력 및 방향성이 있는 특성이 중요할 수 있는지를 좌우합니다. World Steel Association의 2024년 공정 설명에 따르면 연속주조는 용강을 슬래브, 빌릿 및 블룸으로 변환하며, 이들은 이후 판재 및 장제품으로 압연됩니다. 슬래브는 후판 또는 박판이 될 수 있고, 빌릿은 봉재 또는 선재가 될 수 있으며, 블룸은 더 무거운 형강 또는 단조용 소재가 될 수 있습니다. 이후의 압연, 인발, 기계가공 또는 단조는 형상과 기계적 응답을 변화시킵니다.

열간압연 상태로 공급되는 판재 제품은 냉간 압하 후 풀림 처리된 제품과 표면 및 치수 이력이 다릅니다. 냉간 마무리 봉재는 인발, 박리, 연삭 또는 선삭을 거쳤을 수 있으며, 이 경우 더 엄격한 치수 관리와 고유한 표면 상태를 가질 수 있습니다. 단조품은 화학 분석 결과가 유사하더라도 압연 판재와는 다른 방식으로 국부적 또는 전체적인 소성 변형을 경험합니다.

열처리는 미세조직을 변화시킵니다. 풀림은 일반적으로 경도와 잔류응력을 낮추는 동시에 연성과 기계가공성을 향상시킵니다. 정규화는 관련 변태 범위 이상의 온도로 가열한 다음 공랭하여 미세화된 페라이트-펄라이트 조직을 형성합니다. 정규화 압연은 최종 압연 패스가 규정된 측면에서 정규화 재료와 비교 가능한 상태를 형성하도록 제어된 압연 스케줄을 적용하는 것으로, 단순한 일반 열간압연 표기가 아닙니다. 담금질은 더 경한 변태 조직을 형성하고, 뜨임은 취성의 일부를 줄이며 강도와 인성을 조정합니다. 따라서 “담금질 및 뜨임”은 단순히 강도 결과를 나타내는 것이 아니라 제어된 공정 순서를 나타냅니다.[3][3] Heat-treatable steels, alloy steels and stainless steels — Part 1. International Organization for Standardization. ISO 683-1:2016, 2016.

표면 상태는 전체 열처리와 별도로 해석해야 합니다. 열간압연 재료에는 스케일이 남아 있을 수 있으며, 쇼트 블라스팅, 산세 또는 다른 탈스케일 처리로 제거될 수도 있습니다. 냉간 마무리 또는 기계가공된 표면은 강종의 화학 조성을 바꾸지 않으면서 치수 공차, 거칠기 및 표면으로 개방된 결함의 위치에 영향을 줄 수 있습니다. ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉재, 선재, 판재 제품 및 단조품에 대한 기술적 인도 요구사항을 규정하며, 정의된 열처리 및 표면 상태를 포함합니다. 이러한 구조는 “강종”이 기술적 설명의 한 요소에 불과한 이유를 보여 줍니다.

요구되는 시험이 인도 상태를 완성합니다. 인장 특성은 특정 두께와 방향에서 규정될 수 있습니다. 충격시험은 명시된 품질 등급 또는 온도에만 적용될 수 있습니다. 경도, 초음파탐상, 결정립 크기 평가, 탈탄 한계, 표면검사 및 치수 공차도 의무사항일 수 있습니다. 화학 조성만 보고하는 성적서는 이러한 추가 관리가 요구되는 인도 상태에 대한 적합성을 입증하지 못합니다.

지정이 해석을 좌우하는 이유

지정은 사용자에게 어떤 표준 규칙이 적용되는지, 어떤 상태로 주문되었는지, 그리고 어떤 비교가 유효한지를 알려 줍니다. “정규화”, “정규화 압연”, “풀림”, “냉간 마무리” 및 “담금질 및 뜨임”은 서로 바꾸어 쓸 수 있는 형용사가 아닙니다. 이들은 미세조직, 특성, 가공 한계 및 합격시험에 대해 서로 다른 전제를 적용하게 합니다.

SAE AMSH6875C는 항공우주 열처리의 관점에서도 동일한 원칙을 보여 줍니다. 이 표준은 네 가지 강재 등급에 대한 요구사항을 설정하고, 노 설비, 절차, 온도 및 시험 방법을 규정합니다. 따라서 요구되는 처리는 재료가 어느 시점에 가열되었다는 진술이 아니라 문서화된 공정 관리와 연계됩니다.

이러한 이유로 완전한 재료 설명에는 표준, 강종, 제품 형태, 치수, 인도 상태, 표면 상태 및 요구 시험이 명시되어야 합니다. “S355 강재”, “4140 봉재” 또는 “합금강 단조품”이라는 표현만으로는 재료에 관한 여러 의문이 남습니다. 표준을 준수하는 지정은 이러한 의문을 좁혀 줍니다. 이는 제품이 무엇인지, 공급 상태가 어떻게 확립되었는지, 그리고 해당 주장을 뒷받침하기 위해 어떤 증거가 함께 제시되어야 하는지를 명시합니다.

원료에서 반제품 강재까지의 제조 경로

[4][4] Steelmaking process. World Steel Association. World Steel Association technical resource, 2024.

강재 생산은 하나의 용광로 작업으로 끝나지 않습니다. 철을 함유한 재료가 철이 되고, 철이 조강이 되며, 액체 상태의 강이 압연 또는 단조를 위한 주조 형상으로 변환되는 연계된 공정 순서입니다. World Steel Association은 두 가지 주요 경로로 고로-기본 산소 제강로 경로(일반적으로 BF-BOF로 표기)와 전기로 경로(EAF 경로)를 제시합니다.[^1] 이러한 경로는 금속 장입물이 어떻게 환원되고, 용해되며, 정련되는지를 설명합니다. 그러나 이 경로만으로는 최종 인도 상태가 결정되지 않습니다.

완제품 지정에는 특정 조성, 냉각 관행, 표면 상태, 결정립 구조, 인장 강도, 충격 인성 또는 열처리가 추가로 요구될 수 있다. 예를 들어 ISO 683-1:2016은 규정된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 판재 및 단조품에 대한 기술적 납품 요구사항을 규정한다.[^2] 따라서 제조 경로는 제조 이력의 한 부분이지, 제품 표준을 대체하는 것이 아니다.

용광로 및 순산소 전로

BF-BOF 경로에서는 제선과 제강이 분리된다. 제선에서는 용광로에서 탄소가 풍부한 액상 철인 용선을 생산한다. 이어서 제강 단계에서는 순산소 전로에서 탄소를 줄이고 화학 조성을 조정한다.

용광로에는 상부에서 철광석, 제철용 코크스 및 석회석과 같은 용제가 장입된다. 철광석은 산화철을 공급한다. 코크스는 열을 제공하고 환원제 역할을 하며, 장입물이 하강하는 동안 코크스의 일산화탄소가 광석에서 산소를 제거한다. 석회석은 맥석 및 기타 불필요한 성분과 반응하여 슬래그를 형성한다. 일반적으로 열풍이라고 부르는 가열 공기는 용광로 하부 근처의 송풍구를 통해 유입된다. 생성된 용선은 슬래그 아래에 모이고, 출선되어 BOF로 이송된다.

따라서 용광로는 제선 설비이지 제강 설비가 아니다. 이러한 구분은 American Iron and Steel Institute와 U.S. Environmental Protection Agency의 설명에도 나타난다. EPA는 순산소 공정이 고철과 함께 용광로에서 생산된 용선을 정련하는 공정인 반면, 전기 아크로 공정은 별도의 제강 경로라고 명시한다.[^3] 이 표현은 중요하다. 용광로는 중간 철 제품을 생산하는 반면 BOF는 조강을 생산하기 때문이다.

BOF에서는 수냉식 랜스를 통해 고순도 산소를 용선에 불어 넣는다. 산소는 탄소, 규소, 망간 및 인과 결합한다. 탄소는 주로 일산화탄소와 이산화탄소의 형태로 제거되고, 산화된 불순물은 슬래그로 들어간다. 일반적으로 고철은 냉각재이자 금속 원료로 첨가되며, 이를 통해 재료를 재활용하면서 열수지를 제어할 수 있다. 용제는 인과 기타 산화물을 포집하는 염기성 슬래그를 형성한다.

BOF 출강으로 조강이 생산되지만, 출강 조성이 반드시 최종 조성인 것은 아니다. 래들 처리를 통해 용존 가스를 제거하고, 합금 첨가량을 조정하며, 개재물을 개질하고, 주조 온도를 설정할 수 있다. 진공 처리는 강종 및 공정 사양에 따라 수소, 질소 또는 탄소를 줄일 수 있다. 적절한 조성에서는 칼슘 처리를 통해 개재물의 형상을 바꿀 수 있다. 이러한 작업은 야금학적 제어에 해당하며, 동일한 BF-BOF 경로에서 생산된 두 용강도 서로 다른 정련 및 열 이력을 거칠 수 있다.

따라서 일관제철 경로에서는 광석과 코크스 외에도 여러 원료가 사용된다. World Steel Association은 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강철을 주요 투입물로 열거한다.[^4] 각각의 사용 비율은 설비 설계, 용광로 운전, 고철의 품질 및 요구되는 강재 화학 조성에 따라 달라진다.

전기 아크로, 직접환원철 및 용선

EAF는 전극과 장입물에 전류를 통과시켜 금속 장입물을 용해한다. 주로 재활용 강철을 장입할 수 있지만, 직접환원철(DRI), 열간 성형 철, 선철 또는 용선도 투입할 수 있다. World Steel Association은 EAF 경로가 주로 재활용 강철, DRI 또는 용선과 전기를 사용한다고 설명한다.[^4]

재활용 강철은 이미 금속 철이므로 용광로 환원 단계가 필요하지 않다. 잔류 합금 성분, 오염 수준, 물리적 형태 및 장입물에서의 비율은 용광로 운전과 생성되는 화학 조성에 영향을 미친다. DRI는 일반적으로 환원 가스를 사용하여 고체 상태에서 철광석을 환원해 제조한다. 용광로 용선과 달리 환원 과정에서 용융되지 않으며 다공성 구조를 유지한다. EAF에 공급되는 용선은 액체 상태이거나 환원로에서 앞서 생산된 철이며, 용강에 탄소와 열에너지를 함께 공급한다.

EAF는 장입물을 용해하고 산화, 슬래그 형성 및 온도 제어를 가능하게 한다. 산소 주입, 탄소 첨가, 포밍 슬래그 운전 및 전력 공급은 목표 용강에 도달하도록 서로 조정된다. 출강 후 래들에서 수행되는 2차 야금에는 탈산, 합금 첨가, 진공 탈가스, 개재물 개질 및 온도 조정이 포함될 수 있다. 따라서 EAF 용강도 엄격한 요구사항에 맞게 정련할 수 있으며, 일관제철 설비 역시 화학 조성, 주조, 압연 및 열처리를 변경하여 특성이 크게 다른 강재를 생산할 수 있다.

경로만으로 강도, 인성, 용접성 또는 피로 성능이 결정되는 것은 아니다. EAF로 제조한 저합금 구조용 강종과 BOF로 제조한 동일 강종은 규정된 화학적, 기계적, 청정도 및 가공 요구사항을 충족하는 경우 동일한 제품 사양을 만족할 수 있다. 반대로 동일한 EAF에서 나온 두 제품도 하나는 노멀라이징되고 다른 하나는 담금질 및 뜨임 처리되었거나, 제품 두께와 냉각 속도가 서로 다르면 특성이 크게 달라질 수 있다.

표준에서는 때때로 경로와 관련된 요구사항을 부과한다. ASTM A434/A434M-24는 열간 가공 및 냉간 마무리된 담금질·뜨임 합금강 봉강을 다루며, 개방형 평로, 순산소 및 전기로 생산을 허용되는 용해 공정 경로로 규정한다. ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품의 담금질·뜨임에 대해 보다 구체적인 입장을 취한다. 즉, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본적으로 전기로 제조를 요구한다.[^5] 이러한 요구사항은 적합성 조건이지, 모든 EAF 제품이나 BOF 제품의 성능이 동일하다는 증거가 아니다.

조강, 주조 및 후공정

조강은 1차 제강 후 주조 반제품이 되기 전의 액상 강이다. 조강은 래들로 이송되며, 여기서 2차 야금을 통해 화학 조성, 청정도 및 주조 온도가 설정된다. 래들은 턴디시에 공급할 수 있으며, 턴디시는 저장 용기 역할을 하면서 연속주조기의 주형으로 강을 분배한다.[5][5] Steelmaking process. World Steel Association. World Steel Association technical resource, 2024.

연속주조는 용강을 슬래브, 빌릿 또는 블룸으로 변환한다.[^1] 주형은 수냉식이며 상부와 하부가 열려 있다. 주형 벽에 접촉한 부분에는 응고 셸이 형성되고, 내부에는 액상 강이 남아 있다. 롤이 스트랜드를 지지하고 인출하며, 주형 아래에서는 스프레이가 냉각을 강화하여 단면 전체가 충분히 응고되도록 한다. 산소-연료 토치 또는 기계 장비가 스트랜드를 소정 길이로 절단한다.

슬래브는 일반적으로 판재 제품 압연기에 공급되어 후판, 스트립 또는 박판으로 압연된다. 빌릿은 주로 봉강 및 선재 압연기에 공급된다. 더 큰 단면의 블룸은 구조용 형강, 레일 또는 대형 봉강 제조에 공급될 수 있지만, 용어와 크기 한계는 설비 및 표준에 따라 달라진다. 주조 방식은 편석, 기공, 개재물 및 표면 결함에 영향을 미친다. 이러한 특징은 이후 재가열, 압연, 절단 제거, 표면 손질 또는 단조를 통해 줄일 수 있지만 자동으로 완전히 제거되는 것은 아니다.

후공정은 열간 압연이 필요한 경우 재가열부터 시작된다. 압연은 주조 단면을 롤 사이에서 압축하여 두께 또는 단면을 줄이고 형상과 내부 구조를 변화시킨다. 제어 압연 및 가속 냉각을 통해 별도의 완전한 노멀라이징 처리 없이도 결정립을 미세화하고 요구되는 강도를 발현시킬 수 있다. 이후 판재, 봉강, 선재 및 구조용 형강은 교정, 스케일 제거, 박리, 연삭, 절단 또는 기타 표면 작업을 거칠 수 있다.

단조는 다른 변형 경로를 따른다. 빌릿, 블룸 또는 잉곳을 가열한 다음 금형 사이 또는 프레스에서 압축하여 방향성 있는 금속 유동을 만들며, 압연에는 적합하지 않을 수 있는 형상을 형성한다. ASTM A668/A668M-16은 납품 열처리에 따라 단조품을 분류하며, 여기에는 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 노멀라이징-담금질 및 뜨임 상태가 포함된다.[^6] 이는 납품 상태를 나타내는 것이지 BF-BOF 또는 EAF 생산을 지칭하는 명칭이 아니다.

따라서 최종 경로는 다음과 같은 연쇄 과정이다. 광석 또는 재활용 강철이 제선 또는 용해 단계로 들어가고, 용탕이 정련되어 조강이 되며, 액상 강이 주조되고, 반제품 단면이 규정된 최종 열처리와 표면 준비에 앞서 압연 또는 단조된다. BS EN 10025-3:2019는 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 열간 압연 용접 가능 미세결정립 구조용 강 제품을 다루며, DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 열간 압연 고항복강도 구조용 강을 다룬다.[^7] 따라서 동일한 광범위한 강재 계열이라도 주조 후의 가공 경로와 규정된 납품 상태가 다르기 때문에 서로 다른 의무사항을 갖고 생산될 수 있다.

[^1]: World Steel Association, “제강 공정,” 2024. [^2]: ISO 683-1:2016. [^3]: U.S. Environmental Protection Agency, AP-42, “철강 생산,” 1995. [^4]: World Steel Association, “원료,” 2024. [^5]: ASTM A434/A434M-24; ASTM A508/A508M-16. [^6]: ASTM A668/A668M-16. [^7]: BS EN 10025-3:2019; DIN EN 10025-6:2023-06.

용해 공정과 2차 제강이 제품에 미치는 영향

1차 제강과 2차 정련의 비교

용광로 공정은 철을 함유한 원료가 액체 강으로 변하는 과정을 결정하지만, 그 자체만으로 완제품을 규정하지는 않는다. 세계철강협회는 두 가지 주요 공정으로 고로–기본 산소 전로(BF–BOF) 공정과 전기로(EAF) 공정을 제시한다(세계철강협회, 2024). 일관제철 공정에서는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용한다. 고로에서는 철이 풍부한 용선을 생산하고, 이후 기본 산소 전로에서 산소와 고철을 사용하여 용선을 정련한다. 미국 환경보호청은 1995년에 동일한 구분을 설명하면서, 기본 산소 공정은 고로에서 생산된 용선을 고철과 함께 정련하는 공정인 반면 전기로 공정은 별도의 제강 공정이라고 규정했다.

전기로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선으로 구성된 장입물을 전기 에너지를 사용하여 용해한다. 이러한 설명은 1차 용해 방법을 나타낼 뿐, 최종 청정도, 개재물 분포, 결정립 구조 또는 기계적 성능을 규정하지는 않는다. 전기로에서 생산된 두 용강은 원료인 고철 또는 직접환원철, 산화 조업, 슬래그 관리, 합금 첨가, 출강 온도 및 후속 처리 조건이 다를 수 있으므로 상당한 차이를 보일 수 있다. 두 개의 전로 용강에도 동일한 원칙이 적용된다.

1차 제강 후 액체 상태의 용강은 레이들에서 2차 제강 처리를 받을 수 있다. 레이들 퍼니스 처리는 온도와 화학 조성을 조정하고, 탈황을 촉진하며, 칼슘 또는 기타 첨가제를 사용하여 개재물의 형태를 제어한다. 또한 주 용해 작업 중에 조정하는 것보다 합금 원소의 함량을 더욱 정밀하게 설정할 수 있다. 아르곤 교반은 용강을 균일하게 혼합하고 비금속 개재물이 슬래그로 부상하도록 돕는다. 이러한 작업은 이후 주조, 단조 또는 압연되는 강의 특성에 영향을 미치지만, 해당 강의 용해 공정은 여전히 “BOF” 또는 “EAF”로 분류된다.

주조와 소성변형은 추가적인 이력을 형성한다. 세계철강협회에 따르면 연속주조는 용강을 슬래브, 빌릿 및 블룸으로 변환하며, 이 반제품들은 이후 압연되어 판재 및 봉강 제품이 된다. 단조는 특히 국부적인 변형과 주조 기공의 감소를 통해 압연과는 다른 방식으로 형상과 내부 구조를 변화시킨다. 따라서 납품 상태는 용해로의 명칭만으로 결정되지 않는다. 예를 들어 ISO 683-1:2016은 규정된 열처리 및 표면 상태에서 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요건을 규정한다.

열처리는 이 공정 사슬에서 별도의 단계이다. ASTM A668/A668M-16은 탄소강 및 합금강 단조품을 납품 열처리에 따라 분류하며, 여기에는 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 노멀라이징–담금질–뜨임 상태가 포함된다. “담금질 및 뜨임”은 열적 상태를 나타내는 표현이지 용해 공정을 나타내는 표현이 아니다. 전기로 용강으로 단조된 강과 전로 용강으로 단조된 강은 모두 담금질 및 뜨임 상태로 납품될 수 있지만, 잔류 원소, 개재물 및 가스 함량이 반드시 동일한 것은 아니다.

진공 처리, 청정도 및 용존 가스

진공 처리는 용존 가스를 제어하고 일부 공정에서는 개재물을 제어하기 위한 2차 공정이다. 압력이 낮아지면 용존 수소와 질소가 액체 강에 용해될 수 있는 정도가 감소하며, 용강을 교반하고 진공에 노출하면 이들 가스를 제거하는 데 도움이 된다. 수소 제어가 중요한 이유는 과도한 수소가 취약한 대형 단면 부재에서 헤어라인 균열, 내부 균열 또는 지연성 손상을 유발할 수 있기 때문이다. 산소 제어가 중요한 이유는 별도로 존재한다. 용존 산소는 탈산 첨가제와 반응하여 산화물 개재물의 형성에 기여한다. 진공 처리를 실시한다고 해서 모든 개재물이 사라지는 것은 아니며, 원료, 슬래그 유입, 주조 및 재가열에 대한 관리를 대신할 수도 없다.

진공 탈가스와 진공 아크 재용해는 서로 다른 공정이다. 진공 탈가스는 일반적으로 주조 전에 레이들 또는 진공 용기에서 액체 상태의 용강을 처리한다. 진공 유도 용해는 진공 또는 제어된 분위기에서 장입물을 용해하고 정련한다. 이후 진공 아크 재용해(VAR)에서는 소모성 전극을 진공 상태에서 다시 용해하여 응고 과정을 제어한 새로운 잉곳을 생산한다. 일렉트로슬래그 재용해(ESR)는 전도성 슬래그를 사용하여 전극을 재용해하며, 개재물 제어와 응고 조직을 개선할 수 있다. 이러한 재용해 공정은 단순히 전기로 용해를 강화한 방식이 아니다. 각각 고유한 제어 항목과 한계를 가진 추가 공정 단계이다.

따라서 “청정강”은 특정 용해로의 동의어가 아니라, 측정된 야금학적 상태로 이해해야 한다. 관련 증거에는 수소, 산소 및 질소 분석 결과, 전산소량, 황, 인, 개재물 등급, 매크로 부식 시험 결과, 초음파 검사, 종방향 또는 횡방향 기계 시험 결과 등이 포함될 수 있다. 필요한 증거는 제품 규격과 구매 사양에 따라 달라진다. 진공 처리된 용강이라도 편석, 단조 불연속 또는 부적절한 열처리 때문에 부적합 판정을 받을 수 있다. 반대로 재용해를 거치지 않은 제품도 허용된 공정 관리와 시험 요건을 충족하면 규정된 요구사항을 만족할 수 있다.

압력용기용 단조품은 공정 요건이 때때로 명시적으로 규정되는 이유를 보여준다. ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품에 사용되는 담금질 및 뜨임 상태의 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품을 다룬다. 이 규격은 2차 정련 또는 재용해를 실시하지 않는 경우 기본 전기로 제조를 요구한다. 이 문구가 모든 전기로 제품이 진공 처리되었거나 압력용기에 적합하다는 뜻은 아니다. 이 특정 규격이 허용되는 1차 공정을 정하고, 그 요건의 범위 안에서 2차 정련 또는 재용해를 대체 공정으로 인정한다는 뜻이다. 제품은 여전히 규정된 화학 조성, 단조, 열처리, 기계적 특성 및 검사 요건을 충족해야 한다.

공정 정보로 입증할 수 있는 것과 입증할 수 없는 것

공정 지정은 해당 표준, 성적서 또는 제조 기록에 명시된 사항만 입증할 수 있다. “EAF”는 1차 용해로를 나타낼 수 있지만, 추가 정보 없이는 진공 탈가스, ESR, VAR, 특정 개재물 등급, 수소 함량, 결정립 크기 또는 단조 압하량을 입증하지 못한다. “BOF”가 청정도가 낮다는 것을 입증하지 않는 것과 마찬가지로, “진공 처리”도 모든 내부 결함이 제거되었다는 것을 입증하지 않는다. 공정에 관한 주장과 시험 결과에 관한 주장은 구분해야 한다.

일부 표준은 1차 용해 공정을 특정하지 않은 채 허용한다. ASTM A434/A434M-24는 열간가공 및 냉간완성된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강에 대해 평로, 기본 산소 및 전기로 제조를 허용한다. 이때 납품 지정은 특정 용해로를 의무화하기보다 제품 형상, 마감 상태, 화학 조성, 열처리 및 요구 특성에 중점을 둔다. BS EN 10025-3:2019는 용접 가능한 미세결정립 구조용 강 제품에 대해 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 납품 상태를 규정하고, DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 열간압연 평강 제품을 다룬다. 어느 납품 상태도 그 자체만으로 완전한 용해 이력을 제공하지 않는다.

ASTM A508/A508M-16과 같이 다른 표준은 공정 관리 요건을 부과한다. SAE AMSH6875C 역시 네 가지 강종에 대해 열처리 장비, 절차, 온도 및 시험 방법을 규정하며, 공정 준수 여부가 용해로 표기를 훨씬 넘어서는 범위까지 확대될 수 있음을 보여준다. 실무적으로는 다음과 같이 이해할 수 있다. 납품 상태는 기술적으로 정의된 상태와 그에 수반되는 요건을 기록하는 반면, 제조 공정은 그 상태가 어떻게 생산되었는지를 기록한다. 두 개념은 서로 관련되지만 상호 대체할 수는 없다. 실제로 어떤 공정 단계가 수행되었는지는 적용 표준, 재료 성적서 및 필요한 경우 추적 가능한 공정 문서에 의해서만 확인할 수 있다.

정규화 및 정규압연 납품 상태

“정규화”와 “정규압연”은 단순히 제철소가 선호하는 생산 명칭이 아니라 금속학적 상태를 설명하는 용어이다. 각각은 강의 오스테나이트 조직이 어떻게 미세화되었는지, 그리고 완제품이 어떻게 규정된 기계적 특성에 도달했는지를 나타낸다. 또한 이 지정은 제품 표준의 적용을 전제로 한다. 치수, 화학 조성, 충격 인성, 인장 특성, 표면 상태, 시험 및 허용 편차는 모두 해당 표준에 의해 관리될 수 있다.

제조 경로는 별개의 문제이다. World Steel Association은 2024년에 두 가지 주요 제강 경로가 고로–전로(BF–BOF) 경로와 전기로(EAF) 경로라고 밝혔다. 원료 관련 지침에서는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 일관제철 경로와, 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선 및 전력을 사용하는 EAF 경로를 구분한다. 필요한 화학 조성, 청정도 및 공정 관리가 확보된다면 어느 경로로도 이후 주조 및 압연을 거쳐 정규화 또는 정규압연 제품이 되는 강을 생산할 수 있다.

World Steel Association(2024)에 따르면 연속주조는 용강을 슬래브, 빌릿 또는 블룸으로 변환하며, 이들은 이후 판재 또는 봉형 제품으로 압연된다. 주조 경로, 재가열 방식, 압하 일정 및 냉각 이력은 초기 미세조직에 영향을 미치지만, 그 자체만으로 최종 납품 상태를 결정하지는 않는다. EAF 강으로 만든 판재도 정규화할 수 있으며, BF–BOF 경로로 제조한 판재도 정규압연할 수 있다. 이 지정은 제품의 최종 금속학적 상태를 설명하는 것이지, 어떤 용광로에서 비롯되었는지를 설명하는 것이 아니다.

열처리로서의 정규화

정규화는 열간 성형 후, 또는 압연으로 인해 부적합하거나 불균일한 조직이 형성된 후에 실시하는 별도의 열처리 작업이다. 강은 오스테나이트화 온도 범위, 즉 관련 단면 전체에 오스테나이트를 형성하는 데 필요한 임계 변태 온도보다 일반적으로 높은 온도까지 가열된다. 그런 다음 조직이 균일해질 때까지 충분히 유지하고 정지 공기 중에서 냉각한다. 정확한 가열 온도와 유지 시간은 강종, 단면 두께 및 노의 운전 조건에 따라 달라진다.

가열 중에는 기존의 페라이트, 펄라이트 및 변형 조직이 오스테나이트로 대체된다. 이 변태 과정에서 일부 상이 용해되거나 재분포될 수 있으며, 주조, 단조 또는 이전 압연으로 인해 발생한 차이가 감소한다. 이후 공기 냉각을 하면 많은 비합금 및 저합금 구조용 강에서 오스테나이트가 비교적 미세한 페라이트–펄라이트 조직으로 변태한다. 그 결과는 일반적으로 제어되지 않은 압연 상태보다 단면 전체에서 더욱 균일하다.

결정립 미세화는 핵심적인 요소이다. 변태 전에 오스테나이트 결정립을 작게 만들면 냉각 중 형성되는 페라이트 결정립도 일반적으로 더 미세해진다. 미세한 페라이트 결정립 조직은 탄소 함량 증가에만 의존하지 않고 항복 강도를 높이고 인성을 향상시키는 경향이 있다. 이러한 균형은 용접성이 요구되는 구조용 강에서 중요하다. 과도한 탄소 함량과 합금 원소에 의한 경화능은 경질 열영향부와 수소 유발 균열의 위험을 높일 수 있기 때문이다.

정규화는 두꺼운 제품에서 밴드 조직과 표면 및 중심부 사이의 차이를 줄일 수도 있다. 그러나 균질화 정도는 원래의 편석, 단면 크기 및 열 사이클에 좌우된다. 모든 화학적 또는 미세조직적 편차가 사라진다는 보장은 없다. 예를 들어 주조와 관련된 대규모 편석은 공기 냉각만으로 제거할 수 없다.

따라서 “정규화”라는 용어는 제품이 정규화 열처리를 받았거나, 적용되는 제품 표준이 그러한 해석을 허용하는 경우 그에 상응하는 금속학적 상태에 도달했다는 뜻이다. 이는 담금질 및 뜨임 상태를 의미하지 않는다. 담금질은 빠른 냉각 속도를 이용해 더 경질인 조직을 형성하는 공정이며, 이후 뜨임을 통해 취성을 낮추고 강도를 조정한다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 열간압연 평강 제품을 다루며, 이는 BS EN 10025-3:2019가 다루는 정규화 제품과 다른 납품 상태이다.

다른 표준을 보면 이러한 표현을 정확히 해석해야 하는 이유가 분명해진다. ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요건을 규정하며, 정의된 열처리 및 표면 상태를 포함한다. ASTM A668/A668M-16은 단조품을 풀림, 정규화, 정규화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 또는 정규화–담금질 및 뜨임 상태로 별도로 분류한다. “정규화 및 뜨임”은 “정규화”와 서로 바꾸어 사용할 수 없다. 추가된 뜨임 처리가 조직과 필요한 검증 항목을 변경하기 때문이다.

제어 압연 상태로서의 정규압연

정규압연은 압연 후 별도의 완전한 정규화 노 사이클을 거치는 대신, 제어된 열간압연을 통해 정규화와 유사한 최종 조직을 얻는 방식이다. 압연 일정은 재가열, 패스별 압하량, 패스 간 시간 및 마무리 압연 온도를 제어하여 변태 전에 변형으로 오스테나이트를 미세화한다. 최종 패스 후 제품은 규정된 조건에서 냉각되며, 표준의 목적상 정규화에 의해 얻은 조직과 동등한 조직을 형성한다.

온도는 결정적인 요소이다. 압연 종료 온도가 지나치게 높으면 패스 사이에서 오스테나이트가 재결정되고 성장하여 결정립 미세화 효과가 약해질 수 있다. 반대로 오스테나이트 범위 내의 더 낮고 제어된 온도에서 변형이 이루어지면, 재결정되지 않은 오스테나이트 또는 반복적으로 미세화된 오스테나이트가 냉각 중 미세한 페라이트를 형성할 수 있는 많은 핵생성 부위를 제공한다. 따라서 최종 특성은 변형과 변태의 영향을 모두 반영한다.

정규압연을 열기계적 압연과 동일시해서는 안 된다. 열기계적 압연에서는 변형을 의도적으로 더 낮은 온도에서 완료하며, 재결정이 억제되는 범위까지 진행될 수 있다. 그 결과 얻어진 상태는 관련 표준에서 일반적으로 TM 또는 M으로 지정된다. 반면 정규압연은 정규화 소재와 동등한 상태를 목표로 한다. 그 경계는 강이 “냉간 압연”되었는지 또는 “제어된 조건에서 압연”되었는지에 대한 일반적인 주장으로 정해지는 것이 아니라, 적용되는 표준과 공정 적합성 검증에 의해 정해진다.

이 구분은 반복 재현성에도 영향을 준다. 별도의 정규화 처리는 압연으로부터 물려받은 일부 편차를 보정할 수 있지만, 추가적인 노 시간이 필요하며 치수, 산화 및 표면 상태를 변경할 수 있다. 정규압연은 열간가공 일정 자체에서 요구되는 조직을 확보하는 것을 목표로 한다. 어느 경로가 자동으로 더 우수한 것은 아니다. 지정된 강종, 두께, 단면 형상, 인성 요건 및 합격 시험이 납품 소재의 적합성을 결정한다.

BS EN 10025-3:2019 및 미세립 구조용 강

BS EN 10025-3:2019은 정규화 또는 정규압연 상태로 공급되는 용접성 미세립 구조용 강의 열간압연 평강 및 봉형 제품에 대한 기술적 납품 조건을 규정한다. 적용 대상 두께는 250 mm 이하이며 250 mm를 포함한다. 이는 단순히 제조업체의 작업 순서를 설명하는 것이 아니라 제품 표준에 따른 의무 사항이다.

규정된 강도 등급은 S275N, S275NL, S355N, S355NL, S420N, S420NL, S460N 및 S460NL이다. 문자 N은 정규화 또는 정규압연 납품 상태를 나타낸다. 접미사 L은 저온 충격 인성 품질을 나타낸다. 실질적으로 N 품질과 NL 품질은 서로 다른 샤르피 충격 요건을 적용받으며, NL은 N보다 더 낮은 시험 온도에서 성능을 요구한다. 정확한 시험 온도, 흡수 에너지, 시편 채취 위치 및 합격 규정은 적용되는 판본과 제품 형태에서 확인해야 한다.

이 표준의 강종은 공칭 항복 강도만으로 정의되지 않는다. 지정 항복값에는 두께가 영향을 미치며, 인장 강도 범위, 연신율, 화학적 제한값, 용접성과 관련된 조성 관리 및 충격 특성도 적합성의 일부이다. 따라서 두꺼운 S460NL 판재와 얇은 S460NL 판재는 동일한 강종 지정을 공유하지만, 두께에 따른 요건의 적용을 받는다.

그러므로 납품 인증서에는 표준, 강종, 품질, 제품 형태, 치수, 히트 또는 주조 번호, 납품 상태 및 시험 결과가 명시되어야 한다. 접미사와 표준이 없는 “S355”는 불완전한 표시이다. BS EN 10025-3:2019에 따라 공급되는 S355N은 일반적인 S355 제품이라는 표현과 동일한 기술적 진술이 아니다. 또한 S355NL, 담금질 및 뜨임 상태의 S355, 또는 열기계적 압연 강종과 기본적으로 동등하지도 않다.

따라서 정규화 및 정규압연 상태는 공급업체의 비공식적인 설명이 아니라 제품 사양에 포함되어야 한다. 제조 경로는 조직이 어떻게 형성되었는지를 정하고, 표준은 납품 제품이 무엇을 입증해야 하는지를 정한다.

담금질 및 뜨임 강: 오스테나이트에서 사용 상태까지

담금질 및 뜨임(Q&T) 강은 제품이 막연히 “열처리되었다”는 설명이 아니라, 일련의 공정에 의해 정의된다. 먼저 강을 오스테나이트 영역까지 가열하고, 필요한 변태와 화학적 균질화가 이루어질 만큼 충분히 유지한 다음, 마르텐사이트를 형성하도록 급랭하고, 이후 뜨임을 위해 하부 임계 변태 온도 이하로 재가열한다. 최종 상태는 강의 화학 조성, 단면 크기, 노 운전 조건, 담금질 강도, 뜨임 변수, 표면 상태 및 제품 표준에 명시된 요구사항에 따라 달라진다.

이 구별이 중요한 이유는 제조 경로와 야금학적 처리가 생산 과정의 서로 다른 부분을 설명하기 때문이다. World Steel Association은 고로-전로 공정과 전기로 공정을 두 가지 주요 제강 경로로 규정한다(2024). 이어서 연속 주조를 통해 슬래브, 빌릿 또는 블룸이 생산되며, 이들은 판재 또는 봉강 제품으로 압연될 수 있다. Q&T 처리는 어느 경로 다음에도 적용될 수 있으며, EAF 강, 합금강 또는 특정 제품 형태의 동의어가 아니다. 표준에 정의된 납품 상태는 공급자가 무엇을 납품하고 무엇을 입증해야 하는지를 규정함으로써 또 다른 층위를 추가한다.

오스테나이트화, 담금질 및 마르텐사이트 변태

오스테나이트화 중에는 페라이트, 펄라이트 또는 기타 초기 조직이 오스테나이트로 변태한다. 오스테나이트는 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 고용할 수 있는 면심입방상이다. 강은 적절한 온도에 도달해야 하며, 제어된 시간 동안 그 온도에서 유지되어야 한다. 가열 또는 유지가 부족하면 미용해 탄화물과 화학적 불균일성이 남을 수 있다. 온도가 지나치게 높거나 노출 시간이 너무 길면 오스테나이트 결정립이 조대화되고, 변형이 증가하며, 인성이 저하될 수 있다.

따라서 노 제어는 행정적인 세부사항이 아니라 야금학의 일부이다. 장입물은 주변 분위기와 동시에 노 설정 온도에 도달하지 않을 수 있으며, 두꺼운 단면은 얇은 단면보다 느리게 가열된다. 열전대의 배치, 노 내부의 온도 균일성, 장입물 간격 및 노와 담금질 장치 사이의 이동 시간은 모두 열 사이클에 영향을 준다. 예를 들어 SAE AMSH6875C는 네 가지 강 등급에 대한 열처리 요구사항을 규정하고, 노 설비, 절차, 온도 및 시험 방법을 다룬다. 부품이 “오스테나이트화되었다”는 설명만으로는 충분한 보증이 되지 않는다. 적용 가능한 규격이 이러한 변수를 함께 관리하지 않는 한 그러한 설명은 유용한 확신을 제공하지 못한다.

담금질은 조대 펄라이트와 같은 확산 변태 생성물의 형성을 억제하고, 적절한 온도 범위에서는 베이나이트의 형성도 억제할 수 있을 만큼 오스테나이트를 빠르게 냉각한다. 이후 오스테나이트는 대체로 무확산 변태를 거쳐 마르텐사이트로 변태한다. 탄소는 왜곡된 체심정방격자에 갇히며, 이로 인해 높은 경도와 강도가 발생하지만, 담금질 직후 상태에서는 상당한 내부 응력과 제한된 연성이 함께 나타난다. 특히 강의 화학 조성이 마르텐사이트 시작 온도를 낮추거나 냉각 경로가 변태를 완료하기에 충분하지 않은 경우, 일부 오스테나이트가 변태하지 않은 채 남을 수 있다.

경화능경화능 규정된 냉각 조건에서 일정 깊이까지 경화된 변태 조직을 형성하는 강재의 능력으로서, 최대 표면 경도와는 동일하지 않다.

결과는 공칭 탄소 함량만으로 결정되지 않는다. 경화능은 규정된 냉각 조건에서 강이 특정 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력을 의미하며, 표면에서 얻을 수 있는 최대 경도와는 다르다. 망가니즈, 크롬, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 일반적으로 확산 변태를 지연시키지만, 그 효과는 농도와 탄소 및 다른 합금 원소와의 상호작용에 따라 달라진다. 경화능이 높은 강종은 탄소 함량이 비슷하면서 경화능이 낮은 강종보다 담금질 표면에서 더 먼 위치까지 마르텐사이트 조직을 형성할 수 있다.

담금질은 기계적인 문제도 일으킨다. 표면은 내부보다 먼저 냉각되고 수축하는 반면, 변태 자체도 체적을 변화시킨다. 그 결과 발생하는 열응력과 변태응력은 변형, 잔류응력 또는 균열을 유발할 수 있다. 따라서 담금질은 규정된 조직을 형성할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하지만, 불필요한 응력을 부과해서는 안 된다. 물, 고분자 용액, 오일, 가스 및 기타 냉각 매체는 서로 다른 열 추출 이력을 제공한다. 동일한 강종과 공칭 처리라도 매체, 온도 또는 순환 조건이 달라지면 서로 다른 결과가 나타날 수 있다.

뜨임과 강도-인성 균형

뜨임은 담금질된 강을 오스테나이트가 다시 형성되는 온도보다 낮은 온도까지 제어하여 재가열하는 공정이다. 시간과 온도에 의해 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 빠져나오고, 탄화물 석출이 일어나며, 담금질로 발생한 격자 왜곡과 잔류응력이 감소한다. 미세조직은 뜨임 마르텐사이트가 되지만, 탄화물의 정확한 분포와 기지의 상태는 강의 조성과 뜨임 사이클에 따라 달라진다.

뜨임 온도 또는 시간이 증가하면 경도와 인장강도는 일반적으로 담금질 직후의 수준에서 감소하는 반면, 연성, 충격 인성 및 치수 안정성은 향상된다. 그러나 모든 특성이 동일한 비율로 변하는 단순한 상쇄 관계는 아니다. 합금 원소의 첨가는 연화를 지연시키거나, 합금 탄화물의 형성을 촉진하거나, 뜨임 저항성을 변화시킬 수 있다. 또한 일부 강은 특정 온도-시간 노출 조건에서 뜨임 취성을 나타내므로, 규정된 사이클에는 냉각 조건이나 특정 뜨임 온도 범위의 사용에 대한 제한이 포함될 수 있다.

따라서 선택된 상태는 사용 목적에 관한 결정이다. 축, 압력용기용 단조품 및 구조용 강판은 모두 Q&T로 설명될 수 있지만, 요구되는 강도, 충격 에너지, 두께 범위, 표면 품질 및 시험 위치는 서로 다를 수 있다. 제품 명칭은 해당 표준, 강종, 치수 및 품질 등급과 함께 해석해야 한다. ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품의 기술적 납품 요구사항을 규정하며, 정의된 열처리 상태와 표면 상태를 포함한다. 열처리된 모든 강을 ISO 683-1 제품으로 만드는 것은 아니다.

ASTM A668/A668M-16은 단조품에서 용어가 중요한 이유를 보여 준다. 이 표준은 소둔, 정규화, 정규화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 정규화-담금질 및 뜨임 납품 상태를 구별한다. “정규화 및 뜨임”은 “담금질 및 뜨임”과 서로 바꾸어 사용할 수 없다. 정규화는 서로 다른 초기 조직과 냉각 이력을 형성하며, 이후 뜨임 공정을 적용하더라도 그 결과 특성이 달라질 수 있다.[6][6] Hot rolled products of structural steels — Part 6. DIN Media. DIN EN 10025-6:2023-06, 2023.

DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강의 열간 압연 평강 제품을 다룬다. 납품 상태는 단순히 노를 통과한 공정 경로만이 아니라, 규정된 기계적 특성과 그 검증에 관한 의미를 갖는다. 표면 상태, 치수 허용차, 충격 요구사항 및 시험 의무도 제품 규격의 일부로 남는다.

단면 크기와 냉각 관행이 중요한 이유

판재나 단조품은 하나의 균일한 물체처럼 냉각되지 않는다. 표면은 담금질 매체와 직접 접촉하지만, 열은 중심부에서 표면으로 이동해야 한다. 단면이 두꺼울수록 중심부는 높은 온도에 더 오래 머물며, 중심에서의 유효 냉각 속도는 더 낮아질 수 있다. 따라서 표면은 주로 마르텐사이트가 되는 반면, 중심부에는 강종과 담금질 조건에 따라 베이나이트, 펄라이트 또는 뜨임 변태 생성물이 더 높은 비율로 포함될 수 있다.

경화능은 마르텐사이트 영역이 얼마나 깊이까지 확장되는지를 결정하지만, 제품 두께는 내부를 충분히 빠르게 냉각하기가 얼마나 어려운지를 결정한다. 이 두 요인은 함께 고려해야 한다. 경화능이 보통 수준인 강의 얇은 봉강은 단면 전체에 비교적 균일한 조직을 형성할 수 있지만, 동일한 용해의 대형 단조품은 단단한 표면과 더 연한 중심부를 가질 수 있다. 표면 부근에서 측정한 기계적 특성이 중심부를 자동으로 대표하는 것은 아니다.

교반은 고온 강과 담금질 매체 사이의 경계층을 변화시킨다. 강하고 균일한 순환은 열 추출을 증가시키고 균일하게 만들 수 있지만, 정체 영역에서는 냉각이 느려지거나 불균일해질 수 있다. 담금질 매체의 온도, 농도, 오염, 부품의 방향, 장입 패턴 및 이동 지연도 유사한 실질적 영향을 미친다. 이러한 변수는 재료 인증서에 표시된 공칭 강종을 바꾸지 않고도 경도 구배, 변형 및 잔류응력을 변화시킬 수 있다.

담금질 전후의 노 운전 조건도 중요하다. 오스테나이트화 온도가 불균일하면 결정립 크기가 균일하지 않거나 변태가 불완전해질 수 있으며, 뜨임 시간이 부족하면 과도한 잔류응력이 남을 수 있다. 특정 표준이나 절차에서 여러 차례의 뜨임 공정을 요구할 수 있지만, “Q&T”라는 표현만으로 그 횟수와 조건을 추정해서는 안 된다.

제조 경로는 여전히 별도의 역할을 한다. ASTM A434/A434M-24는 열간 가공 및 냉간 마무리된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강을 다루며, 노상로, 전로 및 전기로 용해 처리 경로를 허용되는 경로로 규정한다. ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 진공 처리 담금질 및 뜨임 탄소강 및 합금강 단조품을 다루며, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본 전기로 제조를 요구한다. 이러한 요구사항은 제강 경로, 열처리 및 납품 상태가 하나의 규격에 의해 연계될 수 있음을 보여 주지만, 이들이 서로 바꾸어 사용할 수 있는 설명이라는 뜻은 아니다. 신뢰할 수 있는 해석을 위해서는 표준이 요구하는 경우 세 가지를 모두 명시해야 한다. 즉, 강이 어떻게 제조되었는지, 조직이 어떻게 변화되었는지, 그리고 어떤 상태로 납품되었는지를 밝혀야 한다.

ISO 683-1:2016 및 담금질·뜨임용 비합금강

ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임을 목적으로 하는 비합금강에 대한 기술적 납품 요구사항 표준이다. 이 표준은 하나의 공장 공정이나 하나의 완제품 상태를 설명하지 않는다. 대신 강종을 제품 형태, 열처리 상태, 표면 상태, 화학 조성, 기계적 성질 및 지정된 경우 경화능 요구사항과 연계한다.

이러한 구분은 중요하다. C45와 같은 명칭만으로는 해당 재료가 열간 압연 봉강으로 납품되었는지, 노멀라이징한 단조품으로 납품되었는지, 또는 기계가공 표면을 가진 담금질·뜨임 제품으로 납품되었는지를 알 수 없다. 이러한 세부사항은 전체 주문 및 검사 설명에 포함되어야 한다.

ISO 683-1이 적용되는 제품

ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 적용된다. 제품 형태는 단순한 사무적 세부사항이 아니다. 제품 형태에 따라 적용되는 치수 허용차, 시험 규정, 표면 합격 기준, 그리고 많은 경우 기계적 시험에 사용되는 단면 크기가 결정된다.

반제품은 이후의 단조 또는 압연 공정으로 이어질 수 있다. 봉강은 제품 규격에 따라 열간 압연, 단조 또는 후속 기계가공 상태로 공급될 수 있다. 선재는 추가 인발, 성형 또는 열처리를 목적으로 생산된다. 평강 제품과 단조품은 단면 형상과 냉각 이력이 서로 다르므로, 동일한 공칭 조성이라고 해서 모든 형태에서 동일한 성질이 나타난다고 기대할 수는 없다.

이 강종군에는 C22E, C35E, C45E, C55 및 C60과 같은 기호로 지정되는 익숙한 비합금강이 포함되며, 적용되는 판의 정확한 강종 표와 지정 규칙을 따라야 한다. 일반적으로 숫자는 질량 백분율의 100분의 1 단위로 표시한 공칭 탄소 함량과 관련되며, 특정 강종에 사용되는 지정 체계에서 문자 E는 규정된 황 최대 함량을 나타낸다. 강종 지정은 화학적 정체성만을 의미한다. 완전한 납품 상태를 나타내는 것은 아니다.

제조 경로는 이 표준보다 한 단계 뒤에 있는 사항이다. 세계철강협회(World Steel Association)는 2024년에 주요 제철 경로로 고로-전로 경로와 전기로 경로를 제시했다. 원료 관련 지침에 따르면 일관제철 경로에서는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 철강을 사용하며, EAF 경로에서는 주로 재활용 철강, 직접환원철 또는 용선과 전기를 사용한다. 미국 환경보호청은 1995년에 전로 공정을 고로에서 생산된 용선에 고철을 첨가하여 정련하는 공정으로 설명했으며, EAF 생산은 별도의 제강 경로로 취급했다.

어느 경로의 명칭도 ISO 납품 상태를 대신할 수 없다. 세계철강협회가 설명하듯이, 제강 후 연속주조를 통해 슬래브, 빌릿 또는 블룸을 생산할 수 있으며, 이들은 다시 평강 제품 또는 봉강 제품으로 압연된다. ISO 683-1을 지정하는 구매자는 여전히 필요한 제품, 강종, 열처리 및 표면 상태를 명시해야 한다. 용해 경로는 다른 규격이나 계약에 의해 제한될 수 있지만, “노멀라이징” 또는 “담금질 및 뜨임”이라는 표현만으로 이를 추론해서는 안 된다.

정의된 열처리 및 표면 상태

ISO 683-1은 정의된 금속학적 상태를 기준으로 납품 상태를 규정한다. 노멀라이징 재료는 임계 변태 온도 범위 이상으로 가열한 후, 관리된 조건에서 공기 중 냉각한다. 이 처리는 압연, 단조 또는 기타 열간가공 후 조직을 미세화하고 균일하게 한다. 이러한 탄소강에서는 일반적으로 페라이트-펄라이트 조직이 형성되지만, 최종 결정립 크기와 기계적 값은 조성, 단면 크기 및 냉각 조건에 따라 달라진다.

담금질·뜨임 재료에는 두 가지 처리가 적용된다. 담금질은 오스테나이트화된 강을 적절한 단면에서 일반적으로 마르텐사이트와 같은 경질 변태 생성물이 형성될 정도로 빠르게 냉각하는 공정이다. 이어서 뜨임은 강을 하부 임계 변태 온도 이하로 재가열하여 담금질 응력을 줄이고 강도, 연성 및 인성을 조정하는 공정이다. 따라서 최종 성질은 탄소 함량만으로 설명할 수 없다.

표준은 해당 상태가 지정된 경우 노멀라이징 후 뜨임 상태의 공급도 구분한다. 노멀라이징 후 뜨임을 실시하면 잔류응력을 줄이고 강도와 연성의 균형을 조정할 수 있으며, 직접 담금질과 동일한 변태 경로를 사용하지 않는다. 제품 및 강종에 대해 허용되는 경우의 풀림 상태 또는 미처리 상태를 비롯한 기타 납품 상태는 경도, 절삭성 및 납품 시 강도가 현저히 다를 수 있다.

표면 상태는 열처리 상태와 함께 명시해야 한다. 열간가공 표면에는 압연 스케일과 탈탄 재료가 남아 있을 수 있다. 스케일 제거 표면은 스케일을 제거한 상태이며, 박리, 선삭, 연삭 또는 기타 기계가공 표면은 외층의 일부 또는 전부를 제거하고 더 엄격한 치수 및 결함 요구사항을 수반할 수 있다. 허용되는 정확한 표면 설명과 합격 기준은 제품 형태 및 관련 ISO 표에 따라 달라진다.

따라서 “C45강”이라는 표현은 불완전한 공학 정보이다. 열간 압연 및 미처리 상태로 공급된 C45는 사용 중 거동이나 절삭 반응 측면에서 담금질·뜨임 상태로 공급된 C45와 동등하지 않다. 탈탄으로 변질된 표면층은 피로, 접촉응력 또는 치수 정밀도가 중요한 경우에도 영향을 줄 수 있다. 화학적 강종은 동일할 수 있지만, 납품된 재료는 동일하지 않다.

다른 표준에서도 같은 원칙을 확인할 수 있다. BS EN 10025-3:2019는 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 용접 가능한 미세립 구조용 강 제품을 다루는 반면, DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질·뜨임 상태로 공급되는 열간 압연 평강 제품을 다룬다. ASTM A668/A668M-16은 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 후 뜨임, 담금질·뜨임 및 노멀라이징-담금질·뜨임 단조 상태를 열거한다. 이러한 것은 납품 분류이며, 서로 바꾸어 사용할 수 있는 제강로의 설명이 아니다.

강종 지정과 함께 요구사항 읽기

적합한 재료 설명은 표준, 강종, 제품 형태, 납품 열처리, 표면 상태, 치수 및 검사 요구사항의 연쇄로 읽어야 한다. 예를 들어 “ISO 683-1, C45E, 봉강, 담금질 및 뜨임, 기계가공 표면”은 “C45”보다 훨씬 많은 정보를 전달한다. 주문서에는 적용되는 기계적 성질 표, 시험 방향 또는 위치, 단면 크기 및 경화능 요구사항도 명시해야 한다.

납품 표준에 규정된 기계적 값은 조건부이다. 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면 수축률, 지정된 경우의 충격 성질 및 경도는 직경 또는 두께에 따라 달라질 수 있다. 큰 단면의 중심부는 표면보다 더 천천히 냉각되기 때문이다. 따라서 담금질·뜨임 봉강은 관련 크기 범위를 확인하지 않고 소단면에 해당하는 값을 기준으로 평가할 수 없다. 노멀라이징 재료도 동일한 문제가 있지만, 냉각 경로는 그보다 덜 가혹하다.

화학 분석은 강종을 확인하지만 열처리를 확인하지는 않는다. 기계적 시험은 납품 상태를 확인하는 데 도움이 되지만, 그 자체로 제강로 경로를 입증하지는 않는다. 표면 검사와 치수 검사는 적합성의 또 다른 부분을 다룬다. 이러한 기록은 서로 다른 질문에 답한다.

ASTM 규격과의 대비는 유용하다. ASTM A434/A434M-24는 열간가공 및 냉간완성 상태의 담금질·뜨임 합금강 봉강을 다루며, 개방형 제강로, 전로 및 전기로 용해 경로를 허용한다. 반면 ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 담금질·뜨임 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품을 다루며, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본적으로 전기 제강로 제조를 요구한다. 해당 규격에서 이 요건을 중요하게 취급하기 때문에 요구사항이 명시된 것이다. ISO 683-1을 이와 동일한 제한을 묵시적으로 부과하는 표준으로 해석해서는 안 된다.

따라서 ISO 683-1에서 납품 상태는 관리되는 기술적 패키지이다. 강종의 화학 조성은 어떤 강이 제조되었는지를 식별하고, 제품 형태는 어떻게 공급되는지를 기록하며, 열처리는 금속학적 상태를 설정하고, 표면 상태는 외층 재료와 마감 상태를 규정한다. 또한 기계적 및 검사 요구사항은 해당 출하품이 적합한지를 확립한다. 이 요소들 중 어느 하나라도 명시하지 않으면, 겉보기에는 정확한 강종 지정이 불완전한 규격으로 바뀔 수 있다.

EN 10025에 따른 구조용 강재의 납품 조건

납품 조건은 단순히 강재가 어떻게 생산되었는지를 나타내는 제강업체의 설명이 아니다. EN 10025에서 납품 조건은 제품 형태, 지정 강종 및 품질, 두께 범위, 열처리 상태, 표면 요구사항, 기계적 성질 및 검사 의무를 서로 연결한다. 따라서 해당 표기는 관련 제품 표준의 범위 안에서만 기술적 의미를 갖는다.

이러한 제한이 중요한 이유는 “구조용 강재”가 여러 가지 서로 다른 제품군을 포함하기 때문이다. BS EN 10025-3:2019에 따른 정규화 미세립 강판은 두 강재 모두 용접 구조물에 사용되고 유사한 합금 원소를 함유하더라도, DIN EN 10025-6:2023-06에 따른 담금질 및 뜨임 고항복강도 강판과 서로 대체하여 사용할 수 없다. 또한 어느 표기도 그 자체만으로 제강 공정을 나타내지는 않는다.

World Steel Association은 두 가지 주요 제강 공정이 고로–전로(BF-BOF) 공정과 전기로(EAF) 공정이라고 설명한다. 일관제철 공정은 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하며, EAF 공정은 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선과 전력을 사용한다. U.S. Environmental Protection Agency 역시 고로에서 생산된 용선에 고철을 첨가하여 정련하는 전로 공정과 EAF 제강을 구분한다. 이러한 공정은 용강 생산 공정이다. 이후 연속주조를 통해 용강을 슬래브, 빌릿 또는 블룸으로 변환하고, 이어서 압연하여 평강 제품 또는 장척 제품을 제조한다.

제품 표준은 최종 납품 조건을 규정하면서 둘 이상의 용강 생산 공정을 허용할 수 있다. 반대로 특정 용강 생산 공정이 특정 열처리 조건을 보장하는 것은 아니다.

BS EN 10025-3:2019와 정규화 납품

BS EN 10025-3:2019는 용접성이 있는 미세립 구조용 강재로 제조되고 정규화 또는 정규화 압연 상태로 공급되는 열간압연 평강 및 장척 제품을 다룬다. 이 표준의 적용 범위에는 최대 250 mm의 제품 두께에 대해 지정된 강종 및 품질이 포함된다. 대표적인 표기로는 S275N, S275NL, S355N, S355NL, S420N, S420NL, S460N 및 S460NL이 있으며, 실제 적용은 표준에 규정된 제품, 두께 및 품질 요구사항에 따른다.

문자 N은 정규화 또는 정규화 압연 납품 조건을 나타낸다. L 품질 표기는 해당 L이 없는 대응 품질과 다른 특정 저온 충격 요구사항이 있음을 나타낸다. 이러한 접미사는 장식적인 추가 표기가 아니다. 이들은 구매 문서, 시험 및 설계 검증에 영향을 미치는 요구사항을 식별한다.

정규화는 강재를 오스테나이트 영역까지 가열한 후 제어된 조건에서 공기 중 냉각하는 열처리이다. 이 처리는 압연 후 페라이트-펄라이트 미세조직을 미세화하고 균질화한다. 정규화 압연에서는 최종 변형이 이와 유사한 조직 상태를 형성하는 온도 범위에서 이루어지도록 압연 스케줄을 제어한다. 따라서 별도의 로 내 정규화 공정이 반드시 수행되는 것은 아니다. 두 공정은 서로 관련되어 있지만, 이력상 동일한 처리 공정은 아니다.

금속학적 목적은 지정된 두께 범위 전체에서 항복강도, 인장강도, 연신율 및 충격 성능이 예측 가능하도록 비교적 균일한 미세립 조직을 얻는 것이다. 탄소 및 합금 원소 함량, 니오븀, 바나듐 또는 티타늄과 같은 결정립 미세화 첨가 원소, 압연 방법 및 냉각 이력이 모두 결과에 영향을 준다. 정규화 납품은 풀림 납품과 동일하지 않으며, 설계에서 Q 조건과 관련된 더 높은 강도가 요구되는 경우 담금질 및 뜨임을 대신할 수 없다.

용접과 관련해서는 표준의 미세립 및 용접성 요구사항을 두께 및 탄소당량 관리와 함께 검토해야 한다. S355NL로 표시된 강판은 명목상의 항복강도 등급만으로 평가되지 않는다. 품질 표기, 충격시험 온도, 제품 두께, 검사증명서 및 적용되는 화학적 제한값도 적합성 기록의 일부를 구성한다. EN 10025-3은 제품 범주를 정의하는 표준이지, “정규화 구조용 강재”로 판매되는 모든 강판을 인증하는 표준은 아니다.

DIN EN 10025-6:2023-06과 담금질 및 뜨임 납품

DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강재의 열간압연 평강 제품을 다룬다. 제품 형태의 범위는 EN 10025-3보다 좁다. 이 부는 정규화 미세립 강재 부에서 다루는 평강 및 장척 제품의 전체 조합이 아니라 평강 제품을 대상으로 한다.

납품 기호에서 Q는 담금질 및 뜨임 강재를 나타낸다. 지정된 충격 요구사항에 따라 S460Q, S460QL 및 S460QL1과 같은 표기가 사용되며, 표준 및 관련 두께 제한의 적용 범위에 따라 S500, S550, S620, S690, S890 및 S960과 같은 더 높은 강도 등급으로 이어지는 계열도 포함된다. 정확한 강종, 품질 및 두께는 최신판 표준과 주문 문서를 대조하여 확인해야 한다. “Q강”이라는 일반적인 언급만으로는 충분하지 않다.

담금질은 오스테나이트화된 강재를 급속 냉각하여 경도가 높고 주로 마르텐사이트 또는 마르텐사이트를 포함하는 조직으로 변태시키는 공정이다. 이 상태는 높은 강도를 제공하지만, 용접 관리가 불충분하면 경도, 잔류응력 및 수소 유기 균열에 대한 취약성이 증가할 수 있다. 담금질 후에는 뜨임을 실시한다. 뜨임은 변태 온도 범위보다 낮은 온도에서 강재를 재가열하여 과도한 취성을 줄이고 강도, 인성 및 잔류응력 수준을 조정하는 공정이다.

이 공정은 정규화 납품과의 주요 차이를 설명해 준다. 정규화 강종은 일반적으로 조성과 제어 압연 또는 공기 냉각을 통해 지정된 강도와 인성의 균형을 얻는다. Q 강종은 경화 후 뜨임을 실시함으로써 두께에 따른 더 높은 강도 성능을 확보한다. 이 처리는 제조 후 부여하는 단순한 표기에 불과하지 않으며, 기계적 시험이 나타내도록 의도된 미세조직을 결정한다.

담금질 및 뜨임 강판의 경우, 증명서에는 강종 및 품질, 두께, 용강 번호, 화학 분석, 인장시험 결과, 필요한 경우 충격시험 결과, 그리고 요구된 처리가 적용되었다는 근거가 기재되어야 한다. 제작업체에서 추가로 실시하는 성형, 용접 또는 응력 제거 가열은 공급된 상태를 변경할 수 있다. 따라서 용접 절차에는 해당 Q 강종 및 두께에 적합한 입열량, 예열, 층간 온도 및 수소 관리 한계가 필요하다.

평강 제품, 두께 및 용접성 미세립 강재

두께는 단순한 치수 세부사항이 아니라 기술적 정의의 일부이다. 두꺼운 단면에서는 냉각, 변태 및 결정립 형성이 두께 방향으로 균일하지 않기 때문에 두께가 증가할수록 항복강도가 감소할 수 있다. 따라서 EN 10025의 표는 두께 구간별로 기계적 요구사항을 지정한다. 두께가 없는 강종명만으로는 완전한 성질 규격을 제시할 수 없다.

제품 형태의 구분 역시 중요하다. BS EN 10025-3:2019는 열간압연 평강 및 장척 제품을 포함하는 반면, DIN EN 10025-6:2023-06은 열간압연 평강 제품을 대상으로 한다. 구매 또는 제작 문서에 “EN 10025 구조용 강재”라고만 기재되어 있으면 어느 부가 적용되는지, 재료가 강판인지 장척 제품인지, 그리고 요구되는 상태가 N, NL, Q, QL 또는 기타 정의된 품질인지가 분명하지 않다.

표면 상태도 납품 규격에 포함된다. 스케일, 결함 제거 작업, 국부 보수, 허용 가능한 결함 및 합의된 표면 요구사항은 검사와 제작에 영향을 줄 수 있으며, 특히 초음파탐상, 피로 성능 또는 용접 이음부 준비가 관련된 경우 더욱 중요하다. 상태 표기는 이러한 요구사항을 대신하지 않는다.

이러한 체계는 여러 표준에서 공통적으로 나타난다. ISO 683-1:2016은 정의된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요구사항을 규정한다. ASTM A668/A668M-16도 풀림, 정규화, 정규화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 정규화-담금질 및 뜨임 상태를 포함하여 납품 처리에 따라 단조품을 분류한다. ASTM A508/A508M-16은 지정된 압력용기 단조품에 대해 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본적으로 전기로 제조를 요구함으로써 한 단계 더 구체적으로 규정한다.

이러한 사례는 핵심 사항을 뒷받침한다. 즉, 제조 공정, 금속학적 처리 및 표준에서 정의한 납품 조건은 서로 연관되어 있지만 동일한 것으로 간주할 수 없다. EN 10025 구조용 제품의 경우 기술 설명에 표준 부, 강종, 품질, 제품 형태, 두께 및 납품 조건이 모두 포함되어야 한다. 이러한 조합이 없으면 “정규화 강재” 또는 “담금질 및 뜨임 구조용 강재”라는 표현은 신뢰할 수 있는 성능 또는 적합성 판단을 내리기에 지나치게 모호하다.

봉강, 냉간 마무리 및 ASTM A434/A434M-24

열간 가공 봉강과 냉간 마무리 봉강의 비교

봉강의 제조 경로와 마무리 경로는 그 이력에서 서로 다른 단계를 나타낸다. 열간 가공은 고온에서 수행되는 압연, 단조 또는 그 밖의 변형 공정을 통해 주조재 또는 반제품 단면을 봉강으로 변환하는 공정이다. 이러한 변형은 주조 조직을 감소시키고, 실제적인 수준에서 편석을 분산시키며, 일부 내부 불연속부를 압착하고, 요구되는 원형, 정사각형, 육각형 또는 기타 단면을 형성한다. 또한 제품과 관련된 전반적인 결정립 유동 양상과 가공 압하율을 결정한다.

마무리 경로는 그 이후에 이루어지거나, 적어도 제품의 별도 상태를 나타낸다. 열간 가공 봉강은 열간 압연 또는 단조 중에 형성된 표면을 스케일 및 해당 공정에 따른 치수 공차와 함께 유지할 수 있다. 냉간 마무리 봉강은 강이 통상적인 열간 가공 재결정화를 일으키지 않을 정도로 낮은 온도에서 추가로 인발, 선삭, 연삭, 박리 또는 이들 공정의 조합을 거친다. 이러한 작업은 직경 또는 단면 형상을 변경하고 치수 제어를 향상시키며, 더 깨끗하거나 매끄러운 표면을 형성할 수 있다.

이러한 구분은 냉간 마무리가 단순히 외관상의 처리만은 아니기 때문에 중요하다. 인발 및 기타 냉간 변형은 가공경화를 통해 항복강도와 경도를 높일 수 있지만, 후속 열처리로 상태를 변경하지 않는 한 연성을 감소시킬 수 있다. 최종 인장강도가 담금질 및 뜨임으로 제어되는 경우에도 냉간 가공은 잔류응력, 직진도, 경도 분포, 그리고 이후 가공 중 기계가공 부품의 변형 거동을 변화시킬 수 있다. 선삭 또는 연삭은 인발과 동일한 벌크 변형을 일으키지 않으면서 탈탄층이나 스케일이 있는 재료를 제거할 수도 있다. 따라서 “냉간 마무리”라는 표현만으로는 하나의 특정한 야금학적 상태를 나타낼 수 없다.

ASTM A434/A434M-24는 열간 가공 및 냉간 마무리된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강을 모두 다룬다. 이러한 제품 설명을 강종 자체로만 단순화해서는 안 된다. 동일한 명목상의 합금 지정이더라도 하나는 특정 표면과 공차 범위를 갖는 열간 가공 봉강으로 공급될 수 있고, 다른 하나는 서로 다른 표면 상태, 치수 요구사항 및 잔류응력 이력을 갖는 냉간 마무리 봉강으로 공급될 수 있다. 납품 상태는 제품 형상, 가공, 열처리, 표면 상태, 치수 및 지정된 기계시험이 종합적으로 만들어 내는 결과이다.

ISO 683-1:2016도 더 넓은 제품 범위에서 동일한 일반적 구분을 둔다. 이 표준의 기술적 납품 요구사항은 규정된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품을 포함한다. 담금질 및 뜨임 상태로 설명된 봉강은 단순히 열간 압연, 불림 또는 냉간 인발된 것으로만 설명된 봉강과 동등하지 않다. 이러한 용어들은 서로 다른 기술적 질문에 답한다.

담금질 및 뜨임 합금강 봉강 요구사항

담금질 및 뜨임은 야금학적 열처리 순서이지, 봉강이 압연, 단조, 인발 또는 연삭되었는지를 나타내는 표현이 아니다. 담금질은 오스테나이트화된 강을 빠르게 냉각하여 경질 조직을 형성하는 공정이며, 적합한 합금강 및 단면에서는 일반적으로 마르텐사이트가 형성된다. 이후 뜨임은 낮은 임계 변태 온도 범위 이하로 강을 재가열하여 과도한 취성을 줄이고 요구되는 강도, 인성 및 연성의 균형을 확립한다. 합금 원소는 경화능에 영향을 미치므로 단면 크기와 냉각 방식은 지정된 조직과 특성이 봉강의 표면뿐 아니라 중심부에도 도달하는지에 영향을 준다.

ASTM A434/A434M-24는 이러한 담금질 및 뜨임 상태를 합금강 봉강 요구사항의 기초로 사용한다. 열처리 명칭만으로는 적합성이 입증되지 않는다. 해당 강종, 봉강 크기, 제품 유형, 열처리 방식, 기계시험 및 합격 요구사항이 표준과 이를 인용하는 주문서 또는 사양서에 부합해야 한다. 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면수축률 및 경도는 각각 결과의 서로 다른 측면을 나타낼 수 있다. 경도값 하나만으로 모든 필수 기계적 특성을 확립할 수는 없다.

봉강 크기는 특히 중요하다. 대형 원형 봉강은 표면보다 중심부에서 더 느리게 냉각되며, 이러한 차이는 변태, 경도, 잔류응력 및 인성에 영향을 준다. 따라서 공급자는 소형 봉강에 사용한 열처리 스케줄을 단순히 적용하는 대신 적절한 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 담금질 매체, 교반 및 뜨임 사이클을 설정해야 할 수 있다. 표준에서 지정하는 시험과 합격 한계는 적합성 평가의 체계를 제공하지만, 모든 강종과 직경에 하나의 보편적인 열처리 레시피를 적용하게 하는 것은 아니다.

“담금질 및 뜨임 합금강 봉강”이라는 표현은 단조품에 사용되는 분류와도 혼동해서는 안 된다. ASTM A668/A668M-16은 풀림, 불림, 불림 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 불림-담금질 및 뜨임 상태를 포함하여, 납품 열처리에 따라 탄소강 및 합금강 단조품을 분류한다. 단조품 사양과 봉강 사양은 유사한 열처리 명칭을 사용할 수 있지만, 제품, 시험 및 치수 요구사항은 서로 다를 수 있다. 제품 형상이 결정적인 요소로 남는다.

허용되는 용해 및 제조 경로

ASTM A434/A434M-24는 적용 대상 합금강 봉강에 대해 평로, 전로 및 전기로 생산을 허용되는 용해 및 제조 경로로 규정한다. 여기서 핵심은 “허용되는”이라는 표현이다. 이는 사양에서 허용하는 경로를 의미할 뿐, 모든 봉강이 세 가지 경로를 모두 거쳐 제조된다는 뜻은 아니다. 또한 별도의 요구사항이 없는 한, 어느 한 경로가 의무적인 납품 특성이라는 의미도 아니다.

이러한 경로의 구분은 봉강 압연 이전에 시작된다. World Steel Association은 2024년에 두 가지 주요 제강 경로로 고로-전로 경로와 전기로 경로를 제시했다. 원료에 대한 설명에서는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 일관제철 경로와, 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선을 전력과 함께 사용하는 전기로 경로를 구분한다. U.S. Environmental Protection Agency 역시 전로 공정을 고로에서 생산된 용선을 고철과 함께 정련하는 공정으로 설명하는 한편, 전기로 제강을 별도의 경로로 다룬다.

평로 제강은 오래된 경로이며 전로 또는 전기로 용해와 동일한 공정이 아니다. 따라서 ASTM A434/A434M-24가 세 가지 경로를 모두 포함하는 것은 사양상의 경계를 설정한 것이지, 각 경로의 운전 세부사항이나 원료 구성 비율이 서로 대체 가능하다는 주장이 아니다. 표준에서 부과하는 요구사항에 따라 화학 조성 관리, 잔류 원소, 청정도, 수소 관리, 응고 방식 및 후속 정정 작업도 여전히 제품에 영향을 준다.

용해 및 정련 후에는 연속주조를 통해 슬래브, 빌릿 또는 블룸을 생산할 수 있으며, World Steel Association은 이를 이후 평강 제품과 장척 제품으로 압연되는 반제품으로 설명한다. 봉강의 주조 기원, 열간 압하, 열처리 및 마무리 작업은 서로 연계되어 있지만, 각각 별도의 설명 요소로 남는다. 용해 경로는 봉강이 열간 가공인지 냉간 마무리인지 규정하지 않는다. 냉간 마무리만으로는 해당 용강이 전기로에서 제조되었는지 전로에서 제조되었는지 알 수 없다. 또한 담금질 및 뜨임은 강을 제조한 노를 나타내는 것이 아니라 열적 상태를 설명한다.

이러한 분리는 익숙한 강종명이 완전한 제품 정의라고 간주하는 일반적인 적합성 오류를 방지한다. ASTM A434/A434M-24는 합금 조성, 봉강 형상, 마무리 범주, 열처리, 치수 및 기계적 요구사항 사이의 관리된 관계를 확립하면서 명시된 용해 및 제조 대안을 허용한다. 다른 표준은 다른 선택을 할 수 있다. 예를 들어 ASTM A508/A508M-16은 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고, 담금질 및 뜨임 압력용기 단조품에 대해 기초 전기로 제조를 요구한다. 경로에 관한 의무사항은 합금강 일반에 적용되는 것이 아니라 특정 표준과 제품에 귀속된다.

ASTM A668/A668M의 단조품과 납품 열처리 등급

제품 형상 제조 공정으로서의 단조

단조품은 이후에 어떤 노 처리를 받았는지가 아니라, 우선 형상이 어떻게 제조되었는지에 따라 정의된다. 단조에서는 가열된 강 빌릿, 블룸, 바 또는 잉곳을 프레스, 해머 또는 업셋 가공으로 소성 변형하여 최종 형상에 가까운 형태로 만든다. 이러한 변형은 내부 공극을 메우고, 주조 조직을 분쇄하며, 부품의 주요 형상을 따라 방향성을 갖는 결정립 흐름을 형성할 수 있다. 이러한 효과는 동일한 공칭 탄소강 또는 합금강 등급으로 제조되었더라도 단조품과 주조 제품을 구별한다.

단조 전의 제조 경로는 별개의 문제이다. World Steel Association은 주요 제강 경로로 고로-전로(BF-BOF) 경로와 전기로(EAF) 경로를 제시한다. 일관제철 경로는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하며, EAF 경로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선을 비롯해 전력을 사용한다. 이러한 경로는 용강 생산 경로이지 납품 상태를 의미하지 않는다.

제강 및 정련 후에는 연속주조를 통해 슬래브, 빌릿 또는 블룸을 제조할 수 있다. 이후 단조 제조업체는 규격과 부품 크기에 따라 주조 반제품 또는 잉곳을 사용한 뒤 재가열 및 변형을 실시할 수 있다. 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency)은 1995년에 전로 공정을 고로에서 생산된 용철을 고철과 함께 정련하는 공정으로 설명했으며, 전기로 공정은 별도의 제강 경로로 구분했다. 어느 한 노의 경로만으로는 완성 단조품이 어닐링 상태인지, 퀜칭 및 템퍼링 상태인지를 결정할 수 없다.

변형 일정은 중요하다. 압하, 업세팅, 인발, 공정 사이의 재가열 및 최종 단조 온도는 결정립 크기, 편석 분포, 개재물 배열 및 부품에 잔류하는 방향성 조직의 정도에 영향을 준다. 따라서 두 제품이 동일한 등급 표시를 갖고 명목상 동일한 노 지시를 받더라도, 두꺼운 허브, 링, 샤프트 또는 압력 유지 본체는 소형 시험 단조품과 다르게 거동할 수 있다.

ASTM A668/A668M-16은 탄소강 및 합금강 단조품을 납품 열처리에 따라 분류한다. 이 등급은 단순한 공급업체의 설명이 아니라, 명시된 열적 상태를 규정된 기계적 요구사항, 시험 조항 및 합격 기준과 연계한다. 관련 등급은 어닐링, 노멀라이징, 노멀라이징 및 템퍼링, 퀜칭 및 템퍼링, 그리고 노멀라이징·퀜칭 및 템퍼링이다.

어닐링, 노멀라이징 및 노멀라이징-템퍼링 상태

어닐링 단조품은 적절한 온도로 가열한 후 단면이 의도한 야금학적 상태에 도달할 수 있도록 충분히 유지하고, 일반적으로 노 내에서 제어된 속도로 냉각한다. 목적은 일반적으로 경도와 잔류응력을 낮추고, 절삭성을 향상시키며, 보다 균일한 페라이트-펄라이트 또는 이와 유사한 조직을 형성하는 데 있다. 어닐링되었다고 해서 최종 사이클 이전에 단조품이 열 이력을 전혀 갖지 않았다는 의미는 아니다. 이전의 단조 재가열과 변형으로 인한 영향은 최종 어닐링에 의해 수정될 수 있지만, 자동으로 완전히 제거되지는 않는다.

노멀라이징 단조품은 관련 변태 범위보다 높은 온도로 가열한 후 정지 공기 중에서 냉각한다. 공기 냉각은 노 냉각보다 빠르므로, 동일한 조성의 어닐링 조직에 비해 생성되는 페라이트-펄라이트 조직은 일반적으로 더 미세하고 강하다. 노멀라이징은 조대한 주조 조직과 단조로 인한 열 구배의 일부 영향을 줄일 수도 있지만, 그 결과는 단면 두께와 경화능에 크게 좌우된다. 얇은 단면은 열을 빠르게 잃는 반면, 큰 단면은 중심부에서 더 느리게 냉각된다.

노멀라이징-템퍼링 상태에서는 노멀라이징 후에 템퍼링 처리를 추가한다. 변태 온도 이하에서 실시하는 템퍼링은 경도, 인성 및 잔류응력을 조절하며, 국부적인 냉각 차이에 대한 기계적 거동의 민감도를 낮출 수 있다. 이는 퀜칭 및 템퍼링과 동일하지 않다. 노멀라이징 후 냉각 속도는 여전히 공기 냉각이며, 템퍼링 전에 형성되는 미세조직은 경화 및 퀜칭으로 생성되는 마르텐사이트 조직과 다르다.

ASTM A668/A668M은 이러한 상태를 모든 형상에 적용되는 보편적인 제조 레시피가 아니라 납품 분류로 사용한다. 적용되는 단조품 크기, 화학 조성 및 등급에 따라 필요한 처리 범위와 시험이 결정된다. 인장 특성은 일반적으로 항복강도, 인장강도, 연신율 및 단면수축률을 통해 평가한다. 규격에서 충격시험 또는 추가 검사를 요구하는 경우, 그러한 요구사항도 적합성의 일부가 된다. 단면 크기, 유지 시간, 냉각 방식 및 시험 위치 없이 보고된 노 온도만으로는 상태를 입증하는 증거가 불완전하다.

이 구분은 제품에 따라 달라진다. ISO 683-1:2016은 퀜칭 및 템퍼링용 비합금강으로 제조된 반제품, 바, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요구사항을 규정하며, 정의된 노멀라이징 상태와 퀜칭 및 템퍼링 상태를 포함한다. BS EN 10025-3:2019은 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 열간압연 구조용 강 제품을 다루며, DIN EN 10025-6:2023-06은 퀜칭 및 템퍼링 상태로 공급되는 열간압연 평강 제품을 다룬다. 제품이 ASTM 단조품인 경우에는 이러한 규격을 ASTM A668/A668M 대신 사용할 수 없다.

퀜칭 및 템퍼링과 노멀라이징-퀜칭-템퍼링 상태

퀜칭 및 템퍼링 상태에서는 단조품을 오스테나이트화한 후 경질 변태 생성물이 형성될 만큼 충분히 빠르게 냉각하고, 이어서 템퍼링한다. 조성과 냉각의 가혹도에 따라 퀜칭 과정에서 단면의 일부 또는 전체에 마르텐사이트, 베이나이트 또는 이들의 혼합 조직이 형성될 수 있다. 템퍼링은 취성을 낮추고 강도와 인성을 조절한다. 달성되는 특성은 탄소 함량, 합금 원소 첨가량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 퀜칭 매체, 교반, 이송 시간 및 표면에서 시험 위치까지의 거리에 좌우된다.

노멀라이징-퀜칭-템퍼링 상태에서는 오스테나이트화, 퀜칭 및 템퍼링 전에 노멀라이징 처리를 추가한다. 노멀라이징은 단조 후 조직을 미세화하거나 균질화하고, 경화를 위한 제어된 초기 상태를 제공할 수 있다. 그러나 큰 단면 전체에 걸쳐 균일한 경도를 보장하지는 않는다. 대형 단조품은 표면 부근에서 템퍼드 마르텐사이트를 형성하는 반면, 퀜칭 중 중심부가 더 느리게 냉각되기 때문에 중심부에는 다른 혼합 조직이 형성될 수 있다.

따라서 납품 등급을 강도 등급의 동의어로 해석할 수 없다. 예를 들어 AISI 4140은 여러 제품 형상과 열적 상태로 공급될 수 있지만, 퀜칭 및 템퍼링으로 분류된 A668/A668M 단조품에는 일반적인 4140 바 데이터시트가 아니라 단조품 규격의 요구사항이 적용된다. ASTM A434/A434M은 열간가공 및 냉간마감된 퀜칭 및 템퍼링 합금강 바를 다루며, 그 요구사항은 바에 적용되는 것이지 자동으로 단조품에 적용되는 것은 아니다. ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 퀜칭 및 템퍼링 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품을 별도로 다루며, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본 전기로 제조를 요구한다.

주조품에도 동일한 주의가 적용된다. 주강은 주형에서 냉각되며, 이후 공정으로 변경되지 않는 한 주조 수지상 조직을 유지한다. 반면 단조는 납품 열처리 전에 소성 변형과 결정립 흐름의 영향을 부여한다. 따라서 대체로 유사한 화학 조성으로 제조된 판, 바, 주조품 및 단조품이라도 서로 교환 가능한 하나의 “노멀라이징” 또는 “퀜칭 및 템퍼링” 상태를 공유하지 않는다.

A668/A668M 단조품에 대한 타당한 해석은 등급, 화학 조성, 최대 및 최소 단면 치수, 단조 압하율과 형상, 노 사이클, 냉각 방법, 시료 채취 위치 및 규정된 기계적 시험을 종합해야 한다. 열 이력은 열처리 명칭을 제공한다. 단면 크기와 변형 이력은 해당 열처리가 단조품에 어떤 방식으로 작용했는지를 결정하며, 표준에서 규정한 시험은 납품된 단조품이 실제로 지정된 등급을 충족하는지를 결정한다.

열처리 관리, 장비 및 검증

납품 상태는 인증서에 “담금질 및 뜨임”이라고 기재한다고 해서 확립되는 것이 아니다. 이는 노, 장입물, 열 사이클, 냉각 작업, 그리고 요구된 결과가 얻어졌음을 보여 주는 시험을 관리함으로써 확립된다. SAE AMSH6875C는 열처리를 바로 이러한 실무적 의미로 다룬다. 즉, 이 표준의 요구사항은 강의 열처리를 위한 장비, 절차, 온도 및 시험 방법을 다룬다. 따라서 명시된 상태는 공급업체의 비공식적인 설명이 아니라, 관리된 생산 증거로 뒷받침되는 결과이다.

이 구별이 중요한 이유는 제조 경로, 야금학적 처리 및 납품 상태가 서로 연관되어 있지만 서로 대체 가능한 개념은 아니기 때문이다. World Steel Association은 고로-전로 공정과 전기로 공정을 제강의 두 가지 주요 경로로 규정한다. 이후 연속주조를 통해 슬래브, 빌릿 또는 블룸을 생산할 수 있으며, 이들은 압연되어 판재 또는 장재가 된다. 열처리는 그 이후에 수행되거나 성형 작업 사이에 수행되며, 해당 제품의 조직과 특성을 변화시킨다. 전기로 공정으로 제조된 강이 자동으로 담금질 및 뜨임 상태가 되는 것은 아니며, 일관제철 공정을 통해 제조된 강이 자동으로 정상화 상태가 되는 것도 아니다. 제품 표준은 공정 경로와 납품 상태를 모두 관리할 수 있지만, 이를 서로 별개의 기술적 사항으로 다룬다.

노 요구사항 및 온도 관리

노는 전체 장입물을 지정된 온도 범위까지 가열하고, 과도한 온도 편차 없이 해당 범위에서 유지할 수 있어야 한다. 이는 노 제어기 하나가 목표 온도를 표시했다는 것을 보여 주는 것보다 훨씬 엄격한 요구사항이다. 제어기는 일반적으로 분위기 온도 또는 노 구역 온도를 측정하는 반면, 강 자체는 더 느리게 가열되며 두꺼운 단면의 중심부는 표면보다 더 낮은 온도일 수 있다. 노 온도 조사, 작업 구역 측정 및 장입물 열전대는 의도된 운전 조건에서 장비가 허용 가능한 온도 균일성을 제공하는지를 확인하는 데 사용된다.

온도 감지 장비는 알려진 기준과 비교하여 교정해야 한다. 적용되는 절차는 일반적으로 기기의 정확도, 열전대 유형, 교정 주기, 설치 위치, 그리고 고장 나거나 드리프트가 발생한 센서의 처리 방법을 규정한다. 기록된 설정값은 검증된 금속 온도와 동일하지 않다. 두꺼운 단조품, 대형 봉강 및 조밀하게 배치된 장입물의 경우, 온도를 결정하는 위치는 노 분위기가 아니라 가장 느리게 가열되는 지점일 수 있다. 따라서 장입물 배치를 규정해야 한다. 부품끼리 서로 차폐하거나 순환을 방해하거나, 해당 노가 처리할 수 있도록 조사되지 않은 질량을 형성해서는 안 된다.

SAE AMSH6875C가 유용한 이유는 열처리를 관리된 시스템으로 규정하기 때문이다. 이 표준은 네 가지 강 등급을 다루며, 적합성을 단일 온도 값으로 축소하지 않는다. 장비 능력, 온도 측정, 운전 절차 및 검증이 모두 공정의 일부이다. 해당 제품 규격은 여전히 강종별 한계값을 제시한다. 예를 들어 ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉강, 선재, 판재 및 단조품에 대해 정상화 상태와 담금질 및 뜨임 상태를 포함한 기술적 납품 요구사항을 규정한다. 열처리업체는 실제 제품 형상과 단면 크기에 요구되는 상태를 적용해야 한다.

노 분위기 역시 적합성에 영향을 줄 수 있다. 산화, 탈탄 및 침탄은 표면 화학 조성, 치수 여유 및 피로에 민감한 표면층을 변화시킬 수 있다. 규격은 관리된 분위기, 보호 처리 또는 후속 표면 제거를 요구할 수 있다. 노 기록에는 해당되는 경우 장비, 작업 레시피, 분위기, 온도 판독값, 경보 및 이탈 사항을 식별할 수 있어야 한다. 한 배치가 관리되지 않은 온도 이탈에 노출된 경우, 외관만으로 그 처리 결과를 추정할 수 없다.

절차, 유지 시간 및 냉각 관행

열처리 절차는 단순히 공칭 사이클 명칭만이 아니라 순서를 규정해야 한다. 일반적으로 장입물, 노, 관리가 필요한 경우의 가열 속도 또는 가열 단계, 오스테나이트화 또는 변태 온도 범위, 최소 유지 시간, 이송 시간 제한, 담금질 매체, 교반, 뜨임 작업 및 최종 냉각 방법을 명시한다. 필요한 유지 시간은 제품 형상과 장입 상태에 연관된다. 얇은 선재 코일과 대형 합금강 단조품이 동일한 시간에 내부까지 같은 온도에 도달한다고 가정할 수 없다.

유지 시간은 별도의 적용 표준에서 명시적으로 다른 기준을 허용하지 않는 한, 장입물 중 온도 관리 대상 부위가 요구 온도에 도달한 때부터 시작한다. 노가 설정값에 도달한 시점부터 타이머를 작동시키면 두꺼운 단면의 중심부가 충분히 가열되지 않을 수 있다. 이 오류로 인해 차트상 올바른 사이클을 나타내더라도 미용해 상, 불완전 변태 또는 경도 구배가 남을 수 있다.

담금질은 별도로 관리되는 작업이다. 규격 또는 승인된 절차는 농도, 온도, 순환, 교반 및 오염 한계와 함께 물, 폴리머 용액, 오일, 가스 또는 기타 매체를 규정할 수 있다. 노에서 탱크로 이송하는 동안 냉각이 시작되므로 담금질 지연 시간이 중요하다. 장입물은 허용된 시간 안에 충분한 이동 또는 교반이 이루어지는 매체 안으로 들어가야 하며, 증기막과 불균일 냉각을 방지해야 한다. 담금질 탱크의 온도와 폴리머 농도는 측정해야 한다. “오일 담금질”이라는 표현만으로는 처리 당일 오일의 상태를 알 수 없다.

냉각 속도는 경도 이상의 영향을 미친다. 냉각 속도는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 형성을 좌우하며, 요구되는 변태가 어느 정도까지 진행되는지는 단면 크기와 조성에 의해 결정된다. 이후 뜨임은 응력을 줄이고 강도, 인성 및 경도를 조정한다. 담금질 및 뜨임 제품을 담금질 온도만으로 정확하게 나타낼 수는 없다. ASTM A668/A668M-16은 단조품에 대한 표준 접근법을 보여 주며, 소둔, 정상화, 정상화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 정상화-담금질 및 뜨임의 납품 상태를 구별한다. 이러한 명칭은 서로 다른 열 이력을 설명하며 서로 대체할 수 없다.

지정된 공정 경로는 추가적인 의무를 부과할 수 있다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강 구조용 강의 열간압연 판재를 다루는 반면, BS EN 10025-3:2019은 정상화 또는 정상압연 상태로 공급되는 용접 가능한 세립 구조용 강 제품의 열간압연 판재를 다룬다. 정상압연 제품은 단순히 경도가 낮은 담금질 및 뜨임 제품이 아니다. 그 가공 경로와 그 결과로 형성된 미세조직이 다르다. 마찬가지로 ASTM A508/A508M-16은 압력용기 부품용 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품의 담금질 및 뜨임을 다루며, 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본적으로 전기로 제조를 요구한다. 열처리로 용해 공정 경로에 대한 요구사항을 없앨 수는 없다.

시험 방법 및 문서화

검증은 시험한 재료를 정확한 용해, 제품 및 처리 사이클과 연결해야 한다. 일반적인 증거에는 화학 분석, 경도, 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면 수축률, 규정된 경우 충격 시험, 금속조직 검사 및 표면 또는 내부 검사가 포함된다. 적용되는 제품 표준은 어떤 시험이 필수인지와 시편을 어디에서 채취해야 하는지를 결정한다. 편리한 위치에서 가공한 시편은 가장 두껍거나 가장 느리게 냉각되는 영역을 대표하지 않을 수 있으므로, 시편 채취 위치, 방향 및 표면으로부터의 거리를 기록해야 한다.

경도는 공정 관리에 유용하지만 인장 시험이나 충격 시험을 보편적으로 대체할 수는 없다. 두 제품이 유사한 경도를 나타내더라도 인성, 편석, 결정립 조직 또는 잔류응력은 서로 다를 수 있다. 따라서 기계적 시험은 명시된 특성 요구사항에 대한 적합성을 입증하며, 금속조직 검사와 공정 기록은 요구된 조직이 형성되었는지를 설명하는 데 도움을 준다. 재시험 규칙, 시편의 유효성, 시험기의 교정 및 시험실 식별 정보 역시 증거 체계의 일부이다.

기록에는 재료의 용해 또는 주조 번호, 제품 치수, 수량, 노 및 장입 번호, 절차 개정 번호, 작업자 또는 시스템 기록, 온도 차트, 열전대 위치, 유지 시간, 담금질 조건, 뜨임 사이클, 이탈 사항 및 최종 처분을 식별할 수 있어야 한다. 인증서는 개별 수치만 제시할 것이 아니라 시험 성적서를 상호 참조해야 한다. 추적성은 절단, 단조, 압연, 열처리 및 시편 채취의 각 단계를 거쳐서도 유지되어야 한다.

이러한 기록이 없으면 “정상화” 또는 “담금질 및 뜨임”이라고 기재된 인증서는 기술적 뒷받침이 제한된 주장에 불과하다. 관리된 장비, 정의된 절차 및 동일한 재료 식별 정보에 연결된 결과가 갖추어지면 납품 상태를 입증할 수 있다. 이것이 명칭으로만 제시된 상태와 검증된 상태의 차이이다.

표면 상태, 치수 상태 및 기계적 특성

공급 상태는 강종의 명칭 이상의 것을 설명한다. 이는 제품 형상, 표면 상태, 치수 정밀도, 열처리 상태 및 규정된 기계적 특성을 서로 연결한다. 그러나 이러한 속성들은 여전히 서로 구분하여 관리해야 한다. 봉강은 압연 상태의 표면을 유지한 담금질 및 뜨임 상태로 공급될 수도 있고, 동일한 넓은 합금 계열에 속하면서 냉간 마무리 및 기계가공을 거친 상태로 공급될 수도 있다. 강종 지정은 변하지 않을 수 있지만, 검사 결과, 잔류응력 및 사용 중 거동은 달라질 수 있다.

제조 경로는 또 하나의 구별 기준이다. World Steel Association은 주요 제강 경로가 고로-전로(BF-BOF) 경로와 전기로(EAF) 경로라고 밝히고 있다. 일관제철 경로는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하며, EAF 경로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선과 전기를 사용한다(World Steel Association, 2024). 이러한 용해 경로는 청정도, 잔류원소 및 공정 관리에 영향을 주지만, 그 자체만으로 제품이 풀림 처리, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 냉간 마무리 또는 기계가공 상태인지 규정하지는 않는다.

주조 후 슬래브, 빌릿 및 블룸은 판재와 형강·봉강 등의 장제품으로 압연된다. 이 순서는 제품의 형상과 표면 조직의 상당 부분을 결정하지만, 최종 공급 상태에는 추가적인 열적, 기계적 또는 표면 처리가 필요할 수 있다.

압연 상태, 기계가공 표면, 스케일 제거 표면 및 마무리 표면

“압연 상태(as-rolled)”는 일반적으로 열간압연 후 유지된 표면을 의미하며, 완전한 열처리 설명은 아니다. 표면에는 고온에서 형성된 산화층인 밀 스케일이 남아 있을 수 있다. 스케일의 외관과 두께는 재가열, 압연 온도, 냉각, 강의 화학 조성 및 스케일 제거 전까지의 시간에 따라 달라진다. 따라서 해당 제품 표준이 이러한 조합을 허용한다면, 판재는 압연 상태이면서 노멀라이징된 상태로 공급될 수도 있고, 압연 상태이면서 다른 규정 열적 상태로 공급될 수도 있다.

스케일 제거는 워터제트 처리, 쇼트 블라스팅, 산세 또는 기타 규정된 공정을 통해 밀 스케일의 일부 또는 전부를 제거한다. 이는 육안검사, 도장, 용접 또는 초음파검사를 위해 제시되는 표면을 변화시킨다. 그러나 이것이 강재 전체를 자동으로 노멀라이징하거나 담금질 또는 뜨임하는 것은 아니다. 과도하거나 제대로 제어되지 않은 스케일 제거는 이전에 가려져 있던 겹침 결함, 시임 또는 압연 박힌 스케일을 드러낼 수 있다. 이는 검사상의 영향이지, 반드시 새롭게 발생한 재료 결함을 의미하는 것은 아니다.

기계가공은 재료를 제거하여 제어된 직경, 평탄도, 형상 또는 거칠기를 만들 수 있다. 또한 표면 탈탄층, 스케일 및 얕은 불연속부를 제거할 수 있다. 봉강은 표면이 절삭되었다는 이유만으로 다른 강종이 되는 것은 아니다. 그러나 기계가공은 표면 아래의 지시를 드러내고, 증명시험에 사용할 수 있는 단면을 줄이며, 절삭 조건이 부적절할 경우 국부적인 인장응력 또는 열영향 흔적을 만들 수 있다. 연삭은 국부 가열, 연삭 번 또는 방향성을 가진 표면 손상을 유발할 수 있으며, 선삭은 피로 하중을 받는 사용 환경에서 응력집중원으로 작용하는 공구 자국을 남길 수 있다.

냉간 마무리에는 제품 표준에 따라 냉간 인발, 필링, 선삭, 연삭 또는 이들의 조합이 포함된다. 단순한 세척과 달리 냉간 변형은 항복강도와 경도를 높이고, 연신율을 낮추며, 치수 정밀도를 변화시키고 잔류응력을 남길 수 있다. 따라서 냉간 마무리 제품은 동일한 용강으로 제조된 열간압연 제품과 공칭 강종 지정은 같더라도 특성은 다를 수 있다. ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 공급 요구사항에서 표면 상태와 열처리 상태를 별개의 항목으로 다룬다.

규정된 표면 상태는 검사로 입증할 수 있는 범위도 결정한다. 광택이 있는 기계가공 강재의 육안검사는 밀 스케일을 통과하여 검사하는 경우와 다르다. 표면 거칠기는 도막 두께 측정, 접촉식 경도시험 및 균열 검출에 영향을 준다. 안전상 중요한 부품의 경우, 인증서에는 “마무리”라는 표현을 해석에 맡기지 말고 공급된 표면 상태를 명시해야 한다.

치수 공차 및 잔류응력

치수 상태는 크기, 형상 및 허용 편차, 즉 두께, 직경, 폭, 길이, 직진도, 평탄도, 타원도 및 형상을 의미한다. 이는 표면 마무리 또는 열처리와 동의어가 아니다. 열간압연은 일반적으로 기계가공이나 냉간 인발보다 치수 편차가 크다. 제품이 냉각 중 수축하고, 롤 간격·온도·크라운 제어에는 유한한 한계가 있기 때문이다. 냉간 마무리는 공차를 좁힐 수 있지만, 곡률, 불균일한 소성 변형 또는 이방성 치수 변화를 유발할 수도 있다.

열처리 역시 치수를 변화시킬 수 있다. 담금질은 불균일한 열수축과 상변태를 일으킨다. 마르텐사이트의 생성으로 모상 오스테나이트와 다른 체적이 형성되며, 표면과 중심부의 차이로 부품이 변형될 수 있다. 뜨임은 담금질로 발생한 응력의 일부를 줄이지만, 응력이 전혀 없는 제품을 보장하지는 않는다. 노멀라이징은 열간가공 후 조직을 미세화하고 재설정할 수 있지만, 두꺼운 단면 전체에서 냉각 속도의 차이로 인해 치수 편차가 여전히 발생할 수 있다.

잔류응력은 외부 하중이나 가공력이 제거된 후에도 남아 있는 내부에 고정된 응력이다. 이는 압연, 교정, 냉간 인발, 기계가공, 용접, 연삭 또는 불균일한 열처리로 인해 발생할 수 있다. 응력은 표면에서 인장이고 그 아래에서 압축일 수도 있으며, 그 반대일 수도 있다. 부품이 검사 시점에 치수 공차를 충족하더라도 재료가 제거되거나, 도장이 경화되거나, 부품이 용접될 때 변형될 수 있다. 반대로 응력제거 처리는 강종 지정을 변경하지 않고도 치수 안정성을 향상시킬 수 있다.

따라서 공차 요구사항은 강재 명칭을 근거로 추정할 것이 아니라 발주서와 검사 규격에 포함해야 한다. BS EN 10025-3:2019에 따라 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 판재에는 화학 조성 이상의 기술적 공급 요구사항이 적용된다. DIN EN 10025-6:2023-06에 따른 담금질 및 뜨임 평강 제품 역시 규정된 열적 상태 외에 치수, 표면 및 기계적 요구사항의 적용을 받는다.

경도, 강도, 연성 및 인성

경도는 압입에 대한 저항성 또는 일부 시험에서는 관입과 반발에 대한 저항성이다. 인장강도는 인장시험에서 도달하는 최대 공학적 응력이며, 항복강도는 규정된 영구 변형이 시작되는 시점을 나타낸다. 연신율과 단면 수축률은 연성을 나타낸다. 인성은 파괴에 대한 저항성과 관련되며, 일반적으로 명시된 온도와 시험편 방향에서 충격시험을 통해 평가한다. 이러한 특성들은 서로 연관되어 있지만, 어느 하나도 나머지 모든 특성을 대신할 수는 없다.

담금질은 일반적으로 마르텐사이트 또는 혼합 변태 생성물을 형성하여 경도와 강도를 높인다. 뜨임은 경도의 일부를 낮추는 동시에 연성과 인성을 향상시킨다. 풀림은 대체로 강도와 경도를 낮추고 가공성이 더 좋은 조직의 형성을 촉진한다. 노멀라이징은 많은 탄소강 및 저합금강에서 페라이트-펄라이트 조직을 형성하며, 그 특성은 탄소 함량, 단면 크기 및 냉각 속도의 영향을 받는다. 노멀라이징 압연 상태는 제어 압연과 냉각을 통해 규정 특성을 달성할 수 있지만, 별도로 노멀라이징한 제품과 제조 이력이 동일한 것은 아니다.

따라서 공급 지정은 시험 요구사항과 함께 읽어야 한다. ASTM A668/A668M-16은 탄소강 및 합금강 단조품을 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임 또는 노멀라이징-담금질-뜨임 상태로 분류한다. ASTM A434/A434M-24는 열간가공 및 냉간 마무리된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강을 다루므로, “냉간 마무리”와 “담금질 및 뜨임”이라는 표현은 상태의 서로 다른 측면을 설명한다. SAE AMSH6875C는 네 가지 강종 등급에 걸쳐 노 설비, 절차, 온도 및 시험 방법에 대한 관리 요구사항을 추가한다.

경도 또는 인장강도만으로는 전체 미세조직이나 제조 이력을 확인할 수 없다. 뜨임 마르텐사이트강과 다른 조직은 한 위치에서 비슷한 경도를 나타낼 수 있지만, 충격인성, 잔류응력, 청정도 또는 용접에 대한 반응은 다를 수 있다. 시험 온도, 시험편 방향, 단면 내 위치 및 시료 채취 빈도가 중요하다. 압력용기용 단조품의 경우 ASTM A508/A508M-16은 2차 정련 또는 재용해가 사용되지 않는 한 기본 전기로 제조를 요구한다. 이는 공급 적합성에 열처리와 기계적 시험뿐 아니라 규정된 제조 경로도 포함될 수 있음을 보여준다. 인증서는 이러한 연계된 모든 조건을 함께 읽을 때에만 의미를 갖는다.

용접성, 인성 및 사용 온도 판단

인도 상태는 공급자가 재료를 비공식적으로 설명하는 표현이 아니다. 이는 제품 형상, 화학적 제한값, 제조 경로, 열처리 상태, 표면 상태 및 규정된 기계적 특성이 관리된 조합으로 기록된 것이다. 강재를 용접할 때 이러한 세부 사항이 중요한 이유는 모재 판재와 용접 열영향부(HAZ)가 서로 다른 열사이클을 겪기 때문이다. 따라서 동일한 광범위한 구조용 강재 계열에 속하는 두 제품이라도 서로 다른 용접 관리가 필요할 수 있으며, 구속, 냉각 속도 및 사용 온도에 다르게 반응할 수 있다.

제조 경로는 하나의 변수이지만, 그 자체가 인도 상태는 아니다. World Steel Association은 2024년에 고로-전로(BF-BOF) 경로와 전기로(EAF) 경로를 두 가지 주요 제강 경로로 규정했다. 일관제철 경로는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하며, EAF 경로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선을 전력과 함께 사용한다. 미국 환경보호청은 별도로 전로 공정을 고로에서 생산된 용선에 고철을 첨가하여 정련하는 공정으로 설명하고, EAF 생산은 별도의 제강 경로로 취급했다. 주조 후 슬래브, 빌릿 또는 블룸은 평강 제품이나 형강 및 봉강 제품으로 압연될 수 있다. 제조 경로는 잔류 원소, 청정도 및 편석에 영향을 주지만, 무엇을 공급하고 검증해야 하는지는 여전히 해당 제품 표준이 결정한다.

세립 구조용 강재와 용접

BS EN 10025-3:2019는 용접 가능한 세립 구조용 강재의 열간 압연 평강 및 장척 제품을 정규화 또는 정규화 압연 상태로 공급하는 내용을 다루므로 유용한 구조용 강재의 사례가 된다. 이 표준의 강종에는 S275N, S355N, S420N 및 S460N과 같은 기호가 포함되며, 이에 대응하는 저온 품질 등급으로 S275NL, S355NL, S420NL 및 S460NL이 있다. 접미사는 장식적인 표기가 아니다. 접미사는 규정된 인도 상태와 인성 등급을 나타내며, 제품 두께와 품질 기호에 따라 적용 요구사항도 달라진다.

정규화 또는 허용되는 경우의 관리된 정규화 압연은 페라이트-펄라이트 결정립 조직을 미세화하고 제작을 위한 알려진 초기 상태를 확립한다. 일반적으로 미세한 결정립은 항복강도, 용접성 및 샤르피 인성의 유용한 조합을 뒷받침한다. 그러나 용접 위험이 사라지는 것은 아니다. HAZ에는 용융 경계에 인접한 조대립 영역, 변태 생성물이 변화된 영역, 그리고 용접 열사이클에 의해 재뜨임되거나 연화된 영역이 형성될 수 있다. 최고 온도, 임계 변태 온도 범위를 초과한 시간, 냉각 속도 및 이후의 재가열이 이러한 영역을 결정한다.

탄소당량탄소당량 경화능과 용접 관련 균열 발생 경향을 추정하기 위해 탄소와 선택된 합금 원소를 결합한 계산 지수.

탄소당량과 수소 관리는 용접 절차 선정의 핵심이다. 경화능 경향이 높거나, 구속이 과도하거나, 판재가 차갑거나, 수소를 함유한 용접 소모재를 사용하면 특히 HAZ 또는 용접 루트에서 수소 보조 저온 균열이 발생할 수 있다. 예열은 냉각 속도를 낮추고 접합부에서 수소가 확산되어 빠져나가는 데 도움을 주며, 층간 온도 제한은 과도한 결정립 성장과 인성 저하를 방지한다. 입열량은 양쪽 방향 모두에서 관리해야 한다. 입열량이 너무 적으면 경하고 균열에 민감한 영역이 형성될 수 있는 반면, 너무 많으면 조대립 HAZ가 확대되고 인성이 저하될 수 있다.

“용접 가능”이라는 용어는 규정된 조건에서의 일반적인 능력을 설명한다. 이는 모든 접합부, 두께, 공정 또는 용접자가 해당 합격 기준을 충족한다는 보장이 아니다. 용접절차인증은 접합부 설계, 공정, 용접 소모재 분류, 입열량, 예열, 층간 온도, 판재 두께, 구속 및 용접 후 열처리의 실시 여부 등 관련 변수를 확립해야 한다. 인도 상태가 중요한 이유는 정규화 상태의 S355N으로 인증된 절차를 담금질 및 뜨임 상태의 S690Q에 자동으로 적용할 수 없기 때문이다. 두 강종 모두 구조용 강재라고 불리더라도 마찬가지다.

치수 구속은 또 다른 층위의 문제를 추가한다. 두껍고 구속이 큰 조립체는 용접 금속이 응고하고 HAZ가 냉각될 때 자유롭게 수축할 수 없다. 가벼운 구속 조건의 시험편보다 잔류응력, 각변형 및 국부 소성 변형이 더 클 수 있다. 따라서 제품 두께, 압연 방향, 접합 순서 및 가맞춤 상태는 단순히 재료 인증서에만 포함되는 사항이 아니라 제작 계획에 반영되어야 한다.

하중을 받는 구조물에서의 담금질 및 뜨임 강재

담금질 및 뜨임(Q&T) 강재는 오스테나이트화, 급속 냉각 및 뜨임이라는 의도적인 순서를 통해 인도 특성을 얻는다. 담금질은 경한 변태 생성물을 형성하고, 뜨임은 취성을 낮추면서 강도, 연성 및 인성을 조정한다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강재의 열간 압연 평강 제품을 다룬다. S690Q, S690QL 및 S690QL1과 같은 기호는 규정된 시험 온도에서의 강도 및 충격 인성 등급을 구분한다.

Q&T 강재를 강하게 만드는 동일한 열처리가 용접 중에는 국부적으로 그 특성을 변화시킬 수 있다. 변태 범위 이상으로 가열된 HAZ는 냉각 과정에서 경한 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직을 다시 형성할 수 있다. 해당 범위보다 낮은 온도로 가열된 영역은 다시 뜨임되어 경도와 항복강도를 잃을 수 있다. 하중이 큰 부재에서는 모재 판재가 인증된 강도를 유지하더라도 이러한 연화대가 국부 변형을 지배할 수 있다. 따라서 용접절차인증은 모재의 재료 인증서에서 성능을 추론하는 것이 아니라 실제 강종, 두께 및 용접 열사이클의 조합을 시험해야 한다.

입열량, 층간 온도 및 예열은 특히 엄격하게 관리해야 한다. 입열량이 과도하면 HAZ 인성이 저하되거나 허용할 수 없는 연화대가 형성될 수 있으며, 입열량이 부족하고 냉각이 빠르면 경하고 수소에 민감한 미세조직이 형성될 수 있다. 용접 후 열처리는 HAZ와 용접 금속을 추가로 뜨임할 수 있지만, 부적합한 절차를 보편적으로 보완하는 수단은 아니다. 또한 강도와 치수 정확도를 변화시킬 수 있다.

Q&T 인도 상태는 제조 경로와 동일한 개념이 아니다. ASTM A434/A434M-24는 규정된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강에 대해 개방형로, 전로 또는 전기로 용해 처리를 허용하는 반면, ASTM A668/A668M-16은 풀림, 정규화, 정규화 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 정규화-담금질 및 뜨임을 포함하여 인도 열처리에 따라 단조품을 분류한다. 이러한 사례는 “합금강” 또는 “EAF 강재”라는 표현만으로는 기계적 상태나 용접 상태를 식별할 수 없는 이유를 보여준다. ISO 683-1:2016 역시 지정된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 인도 요구사항을 규정한다.

충격시험, 두께 효과 및 인증

샤르피 충격시험은 규정된 온도에서 실시하는 규정된 시험이며, 모든 사용 온도에서의 인성을 보편적으로 보장하는 약속이 아니다. BS EN 10025-3:2019에서 “L” 품질 기호를 가진 강종은 이에 대응하는 “N” 품질 등급과 다른 충격시험 등급을 갖는다. 설계자는 해당 등급을 최저 금속 온도, 응력 상태, 변형률 속도, 판재 두께 및 파괴 발생 시 결과의 중대성과 연계해야 한다.

두께는 재료의 열 이력과 구조적 요구도 모두 변화시킨다. 두꺼운 판재는 압연, 정규화 또는 용접 후 얇은 판재와 다르게 냉각된다. 두꺼운 판재는 단면 전체에 더 큰 편석을 포함할 수 있고, 접합부에서 더 큰 구속이 발생하며, 표면과 판 두께 중심부 사이에 서로 다른 인성을 나타낼 수 있다. 고입열량으로 100 mm 판재를 여러 차례 재가열하면서 용접하는 것은 동일한 명목 강종의 12 mm 판재를 용접하는 것과 야금학적으로 동등하지 않다. 따라서 인증 범위, 충격시험 위치, 시료 채취 방향 및 합격 에너지는 해당 제품 표준과 용접 표준을 따라야 한다.

열 이력에는 후속 용접 패스, 가용접, 보수 용접 및 국부 화염 교정 중의 재가열도 포함된다. 각 열사이클은 HAZ의 일부를 미세화하거나 조대화하거나 뜨임할 수 있다. Q&T 강재에서는 반복 가열로 강도가 저하될 수 있으며, 정규화 세립 강재에서는 과도한 열 노출로 결정립 미세화 효과가 손상될 수 있다. 인증시험은 현실적으로 가능한 최대 입열량, 최저 및 최고 층간 온도, 그리고 관련 두께 범위를 반영해야 한다. 이것이 재료 인증서가 용접절차인증을 대체할 수 없는 이유다.

사용 온도에 대한 판단은 강종명으로 끝내지 말고 실제 구조물로 마무리해야 한다. 인도 상태, 두께, 규정된 충격시험 온도, 용접 절차, HAZ 인성 근거 및 구속 수준을 확인해야 한다. 그래야만 표기된 강종을 제작물이 실제로 받게 될 하중 및 온도와 신뢰성 있게 연결할 수 있다.

압력용기용 단조품과 ASTM A508/A508M이 다른 이유

ASTM A508/A508M-16은 특정 화학 조성을 갖는 탄소강 또는 합금강을 단순히 지정하는 규격이 아니다. 이 규격의 명칭은 제품 형태, 사용 용도, 열처리 상태 및 제강 방식을 통제된 조합으로 규정한다. 즉, 압력용기 부품용 담금질 및 뜨임 처리된 진공 처리 탄소강 및 합금강 단조품을 의미한다. 바로 이 조합이 핵심이다.

따라서 합금강 계열로 제조된 단조품은 하나의 납품 조건은 충족하면서도 다른 조건은 충족하지 못할 수 있다. 동일한 대략적인 화학 조성만으로는 해당 강재가 진공 처리되었는지, 요구되는 형상으로 단조되었는지, 담금질 및 뜨임 처리를 받았는지, 또는 압력용기 요구사항에 따라 합격했는지를 판단할 수 없다. 이러한 사항은 서로 별개의 기술적 질문이며, ASTM A508/A508M-16은 이를 하나의 용도별 규격으로 결합한다.

진공 처리 압력용기용 단조품의 적용 범위

ASTM A508/A508M-16은 압력용기 제작에 사용되는 단조 부품을 다룬다. 이 제품은 나중에 부품으로 기계가공되는 일반적인 봉강이 아니라, 담금질 및 뜨임 상태로 공급되고 진공 처리 규정의 적용을 받는 단조 탄소강 또는 합금강 압력 유지 부품이다. 따라서 제조 경로와 납품 상태는 이 규격의 기술적 정체성을 구성하는 요소이다.

단조는 강재의 형상을 바꾸고 일반적으로 내부 가공 조직의 양상을 변화시키지만, 그 자체만으로 최종 기계적 성질을 확립하지는 않는다. 이러한 성질은 화학 조성, 단조 중 압하량, 단면 크기, 냉각, 담금질, 뜨임 및 인증 시험편을 채취한 위치에 좌우된다. 대형 압력용기용 단조품은 소형 봉강보다 단면 전체에 걸친 경화능 확보 문제가 훨씬 크다. 열처리가 해당 부품에 맞게 설계되고 관리되지 않으면 표면은 빠르게 냉각되는 반면 중심부는 더 느리게 냉각되어, 단면 전체에서 서로 다른 변태 생성물과 인성이 나타날 수 있다.

진공 처리는 또 다른 위험 요소를 다룬다. 두꺼운 단조품이 인성을 유지하고 반복 하중 또는 고압 사용 조건을 견뎌야 하는 경우, 용강에 용해된 가스를 줄이고 비금속 개재물을 관리하는 것이 매우 중요할 수 있다. 이러한 요구사항은 모든 개재물이 제거된다는 의미가 아니며, 단조 또는 열처리를 대체하는 것도 아니다. 이는 용강이 최종 납품 상태에 도달하기 전에 용강 상태를 추가로 관리하기 위한 조치이다.

따라서 “담금질 및 뜨임 처리”만으로는 A508/A508M 단조품을 충분히 설명할 수 없다. 보다 광범위한 단조 규격인 ASTM A668/A668M-16은 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 노멀라이징-담금질 및 뜨임 상태를 포함하여 납품 열처리에 따라 단조품을 분류한다. 이러한 분류는 단조품이 어떻게 열처리되었는지를 사용자에게 알려 준다. A508/A508M은 여기에 진공 처리 및 허용되는 제조 경로에 관한 용도별 요구사항을 추가한다.

이러한 구분은 다른 규격에서도 나타난다. ISO 683-1:2016은 규정된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요구사항을 규정한다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강의 열간 압연 평강 제품을 다룬다. 어느 규격도 일반 구조용 제품을 압력용기용 단조품으로 바꾸어 주지는 않는다. 제품 형태, 사용 범주 및 규정된 제조 경로가 여전히 결정적인 요소이다.

기본 전기로 제조와 허용되는 대안

ASTM A508/A508M-16은 기본 전기로 공정에 의한 제조를 요구한다. 다만 승인된 2차 정련 또는 재용해 공정을 사용하는 경우는 예외로 한다. 이 문구는 제조 경로를 관리하기 위한 것이며, 모든 전기로가 동일한 강재를 생산한다는 의미는 아니다. 전기로 운전, 장입 원료, 정련, 탈산, 진공 처리, 주조 및 후속 단조는 모두 청정도와 내부 품질에 영향을 미친다.

World Steel Association은 주요 제강 경로로 고로-기본 산소 전로 경로와 전기로 경로를 제시한다. 이 협회의 2024년 원료 설명에 따르면, 일관 제철 경로는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 반면, 전기로 경로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선을 비롯해 전력을 사용한다. U.S. Environmental Protection Agency 역시 고로에서 생산된 용철을 고철과 함께 정련하는 기본 산소 공정과, 이와 별개의 전기로 공정을 구분한다.

이러한 경로의 차이는 이후의 제조 단계와 혼동해서는 안 된다. World Steel Association에 따르면 연속 주조는 용강을 슬래브, 빌릿 및 블룸으로 변환하며, 이들은 이후 평강 제품과 장강 제품으로 압연된다. 반면 압력용기용 단조품에는 적합한 주조 제품에 이어 충분한 가공과 관리된 단조 작업이 필요하다. 열처리는 이러한 성형 작업 이후에 실시되거나 일부 공정과 병행되며, 전기로 경로의 다른 명칭이 아니다.

A508/A508M의 문구는 가능한 모든 1차 용해 경로를 동등한 것으로 취급하지 않고, 2차 정련 또는 재용해를 통한 대안을 허용한다. 2차 정련은 최초 용해 이후 조성, 가스 및 개재물을 추가로 관리할 수 있다. 재용해 공정은 이미 제조된 강재로부터 새로운 잉곳을 생산하며, 편석과 청정도를 추가로 관리할 수 있다. 따라서 이 규격의 체계는 사실상 다른 1차 경로라도 규정된 정련 또는 재용해 조건이 요구되는 기술적 근거를 제공하는 경우에만 허용될 수 있음을 의미한다.

이 요구사항을 모든 강재 제품에 그대로 적용해서는 안 된다. 예를 들어 ASTM A434/A434M-24는 열간 가공 및 냉간 마무리된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강을 다루며, 용해 및 제조 경로로 평로, 기본 산소 및 전기로 생산을 허용한다. 봉강 규격에서 이러한 대안을 허용할 수 있는 이유는 그 적용 범위, 제품 형상, 사용 조건에 대한 전제 및 합격 판정 규정이 다르기 때문이다. A508/A508M의 적용 범위가 더 좁은 이유는 압력용기용 단조품에서 내부 불연속, 편석 또는 두께 방향 특성 부족이 초래하는 결과가 다르기 때문이다.

용도별 규격이 제조 경로를 관리하는 이유

압력용기 부품은 명목 항복강도와 인장강도만으로 평가되지 않는다. 압력용기 부품의 파손에는 취성 파괴, 피로, 응력 집중, 용접부와의 상호작용, 수소 관련 손상 또는 검증된 재료 거동에 의존하는 누설 전 파괴 가정이 관여할 수 있다. 제조 경로 관리는 화학 조성과 인장시험만으로는 확인하기 어려운 원인을 제한하는 데 도움이 된다.

A508/A508M 단조품의 경우, 규정된 제조 경로는 단조 압하, 진공 처리 및 담금질과 뜨임 사이클과 함께 작용한다. 그 결과 여러 요소가 서로 연결된 납품 상태가 형성된다. 즉, 단조 제품 형태, 관리된 용해 및 정련 이력, 진공 처리된 강재, 그리고 규정된 열처리 상태가 그것이다. 이 중 하나라도 제거하면 제품에 대한 설명이 달라진다.

이러한 논리는 “단조 합금강, 담금질 및 뜨임 처리”와 같은 공급자 표시가 기술적으로 불완전한 이유를 설명한다. 이 표시는 형상과 열처리는 나타낼 수 있지만, 진공 처리 또는 허용되는 용해 경로에 대해서는 아무것도 말하지 않을 수 있다. 반대로 “전기로 강재”라는 표현은 1차 제조 방식에 대해서는 일부 정보를 제공하지만, 해당 부품이 단조되었는지, 담금질 및 뜨임 처리를 받았는지, 또는 압력용기 규격에 따라 합격했는지는 나타내지 않는다.

따라서 내부 품질과 추적성이 안전상 핵심 요소가 되는 경우에는 제조 경로 관리가 정당화된다. 그러나 단지 일반 봉강, 판재 또는 구조용 제품이 동일한 합금 원소나 담금질 및 뜨임 상태를 공유할 수 있다는 이유만으로 이러한 관리를 해당 제품에 일반화해서는 안 된다. BS EN 10025-3:2019은 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태의 용접 가능한 세립 구조용 강 제품을 다루며, DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 구조용 평강 제품을 다룬다. 이들의 납품 상태는 서로 다른 사용 및 제조상의 질문에 답한다.

ASTM A508/A508M-16이 다른 이유는 제조 경로를 압력용기용 재료 요구사항의 일부로 취급하기 때문이다. 이 강재는 등급의 화학 조성만으로 정의되는 것이 아니라, 무엇인지, 어떻게 제조되었는지, 어떻게 처리되었는지, 그리고 어떤 용도로 사용될 것인지에 의해 정의된다.

재료 인증서와 표준 인용 읽는 법

재료 인증서는 강재에 대한 독립적인 설명서가 아니다. 이는 강종, 치수 및 히트 또는 주조 번호로 식별되는 특정 제품이 정해진 요구사항에 따라 공급되었다는 증거이다. 인증서는 인용된 제품 표준 및 그 판과 함께 읽어야 한다. “EN 10025-3에 따른 S355N”은 “EN 10025-2에 따른 S355J2+N”과 동일한 의미를 갖지 않으며, “42CrMo4 +QT”는 동일 강종이 소둔 상태로 공급된 경우와 서로 대체할 수 없다.

강종, 제품 표준 및 공급 상태

먼저 적용되는 제품 표준, 그 발행 연도 또는 개정 상태, 그리고 기재된 그대로의 강종 표시를 확인한다. 표준은 화학적 한계값, 허용되는 제품 형태, 공급 상태, 기계적 요구사항, 치수 또는 허용차, 검사 규정 및 추가 조항을 규정한다. S690Q 또는 42CrMo4처럼 강종만 기재된 인증서는 기술적 해석에 불충분하다. 동일한 강종이 서로 다른 제품 표준의 적용을 받거나 다른 형태로 공급될 수 있기 때문이다.

다음으로 제품 형태를 확인한다. “Plate”, “flat product”, “bar”, “wire rod”, “forging”, “billet” 및 “seamless tube”는 서로 다른 제품 범주를 나타내며, 각각 시험 및 치수 규정이 다르다. 2024년 세계철강협회가 설명한 바와 같이, 연속주조는 반제품인 슬래브, 빌릿 및 블룸을 생산하며, 이후 이들은 평강 제품 또는 장척 제품으로 가공된다. 따라서 압연 강판에 대한 인증서가 유사한 조성의 강재로 제조된 단조 링의 적합성을 자동으로 입증하는 것은 아니다.

공급 상태는 공급업체의 일반적인 설명이 아니라 표준에서 정의한 상태이다. 공급 상태에는 제품 형태, 표면 상태, 열처리 및 기계적 요구사항이 함께 포함될 수 있다. ISO 683-1:2016은 담금질 및 뜨임용 비합금강으로 제조된 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 공급 요구사항을 규정하며, 노멀라이징 상태와 담금질 및 뜨임 상태를 포함한다. 해당 표준에서 “+N” 표기는 일반적으로 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연된 재료를 나타내며, “+QT”는 담금질 및 뜨임된 재료를 나타낸다. 그러나 정확한 의미는 여전히 인용된 표준에 따라 결정된다.

BS EN 10025-3:2019은 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 용접 가능한 미세 입자 구조용 강의 열간압연 평강 및 장척 제품을 다루며, S275N 및 S355N과 같은 강종을 포함한다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강의 열간압연 평강 제품을 다루며, S690Q와 같은 표시를 포함한다. 이들은 하나의 공급 상태를 단순히 다르게 부르는 대체 명칭이 아니다. 노멀라이징, 노멀라이징 압연, 담금질 및 뜨임은 서로 다른 미세조직을 형성하므로 강도, 인성 및 제조 한계도 달라진다.

공칭 두께, 폭, 길이 또는 직경과 함께 인증서가 공칭 치수를 보고하는지 실제 치수를 보고하는지 기록한다. 두께는 규정된 기계적 값과 시편 채취 위치 모두에 영향을 줄 수 있다. 표면 상태도 별도로 확인해야 한다. 압연 상태, 스케일 제거 상태, 기계가공 상태, 박리 상태 또는 연삭 상태는 결함, 치수 검사 및 후속 가공에 서로 다른 영향을 줄 수 있다. 열처리 접미사만으로 표면 품질을 추정해서는 안 된다.

용해 경로, 히트 번호 및 추적성

제조 경로는 공급 상태와 별개의 항목이다. 세계철강협회는 두 가지 주요 제강 경로로 고로/전로 경로와 전기로 경로를 제시한다. 2024년 원료 설명에 따르면, 일관제철 경로는 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 반면, 전기로 경로는 주로 재활용 강재, 직접환원철 또는 용선과 전기를 사용한다. 미국 환경보호청은 전로 공정을 고로에서 나온 용선을 고철과 함께 정련하는 공정으로 설명하고, 전기로 공정은 별도의 제강 경로로 취급한다.

인증서에는 노 공정, 2차 정련, 진공 처리, 전기슬래그 재용해 또는 기타 경로 관련 자격이 기재될 수 있다. 이러한 항목을 열처리 상태의 증거로 간주해서는 안 된다. ASTM A434/A434M-24는 해당 표준의 적용을 받는 열간가공 및 냉간완성 담금질·뜨임 합금강 봉강에 대해 평로, 전로 및 전기로 생산을 허용한다. 반면 ASTM A508/A508M-16은 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고 기본적으로 전기로 제조를 요구한다. 이러한 조항은 제품 표준이 경로 요건을 규정하기 때문에 적용되는 것이며, 모든 담금질·뜨임 강재가 전기로 용해되어야 한다는 의미는 아니다.

히트 번호, 주조 번호 또는 용해 식별번호는 인증서와 실제 재료를 연결하는 고리이다. 이 번호는 인증서, 제품 표기, 묶음 태그, 단조품 문서 또는 재료 관리 기록에 표시되어야 한다. 추적성은 여러 식별자를 거칠 수 있다. 예를 들어 제강 히트, 연속주조 스트랜드 또는 주조, 슬래브 또는 빌릿, 압연 배치, 단조 장입분 및 최종 제품 번호가 이에 해당한다. 이 연결이 끊김 없이 이어지는지 확인해야 한다. 동일한 강종을 사용했고 같은 날 가공되었다는 이유만으로 히트 H1234의 시험 결과를 히트 H1235에 배정할 수는 없다.

인증서에 “래들 분석”, “제품 분석” 또는 “검사 분석”이라고 기재되어 있는 경우에는 해당 용어를 주의 깊게 해석해야 한다. 래들 분석은 용강 히트의 조성을 보고한 것이며, 제품 분석은 완성 제품에서 채취한 분석으로 허용 편차가 다를 수 있다. 탄소, 망가니즈, 규소, 크롬, 니켈, 몰리브데넘, 인, 황, 질소 및 미세합금 원소는 다른 판의 일반적인 강종 표가 아니라 인용된 표준의 한계값과 비교해야 한다.

기계적 시험, 열처리 및 합격 기준

기록된 결과와 합격 요구사항을 구분해야 한다. 인증서에는 항복강도, 인장강도, 연신율, 충격 에너지, 경도, 단면 수축률 또는 비파괴검사 결과가 표시될 수 있다. 각 값에는 시험 방향, 시편 위치, 두께 범위, 시험 온도, 단위 및 표준 시험 방법이 명시되어야 한다. 예를 들어 충격 결과가 40 J로 표시되어 있어도, 그것이 0 °C, −20 °C 또는 다른 지정 온도에서의 샤르피 V-노치 충격 에너지인지 알 수 없다면 해석할 수 없다.

결과가 측정값인지 적합성 진술인지, 그리고 표준이 모든 히트, 모든 배치, 모든 단조품 또는 정해진 시료에 대해 시험을 요구하는지 확인한다. 합격 여부는 최소 항복강도, 인장강도 범위, 최소 연신율, 충격 에너지의 평균값과 개별 최소값, 경도 범위 또는 허용된 재시험 절차에 따라 결정될 수 있다. 적용 기준이 표시되어 있거나 명확히 인용되어 있을 때에만 “합격”이라는 표시가 유용하다.

열처리 기록에는 상태, 노 또는 장비, 배치, 필요한 경우 처리 일자, 온도, 유지 시간, 냉각 방법 및 뜨임 세부사항이 명시되어야 한다. SAE AMSH6875C는 노 장비, 절차, 온도 및 시험 방법을 포함하는 강재 열처리 요구사항을 규정한다. ASTM A668/A668M-16은 소둔, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 노멀라이징·담금질 및 뜨임 상태를 포함하여 공급 열처리에 따라 단조품을 분류한다. 이러한 범주는 공급 전에 단조품에 어떤 처리가 이루어졌는지를 설명하는 것이며, 강재가 BOF 또는 EAF로 제조되었는지를 나타내는 것은 아니다.

마지막으로 추가 요구사항을 검토한다. 추가 요구사항에는 초음파검사, 두께 방향 인장시험, 충격시험, 결정립도, 청정도, 용접성 관리, 경도 맵핑, 표면검사 또는 잔류 원소 제한이 포함될 수 있다. 이러한 요구사항은 강종명 자체가 아니라 구매 사양서 또는 추가 조항에 의해 적용되는 경우가 많다. 인증서는 강종, 제품 표준 및 판, 제품 형태, 치수, 공급 상태, 제조 경로 진술, 히트 식별, 처리 기록 및 시험 증거가 모두 동일한 재료를 가리킬 때에만 기술적으로 의미가 있다.

흔히 잘못 이해되는 사항과 표준 기반 비교 체계

EAF가 하나의 보편적인 재료 거동을 의미하지 않는 이유

“EAF 강”은 완성품의 특성 조합이 아니라 제강 공정을 의미한다. World Steel Association은 두 가지 주요 제강 공정으로 고로–전로(BF–BOF) 공정과 전기로(EAF) 공정을 제시한다. 또한 각 공정의 주요 투입 원료도 구분한다. 일관제철 공정은 철광석, 제철용 석탄, 석회석 및 재활용 강재를 사용하는 반면, EAF 공정은 주로 재활용 강재, 직접환원철(DRI), 용선 및 전력을 사용한다.

이러한 구분은 중요하지만, 그것만으로 최종 납품 상태를 예측할 수는 없다. 재활용 강재를 주로 사용한 EAF 장입물에는 DRI를 주로 사용한 장입물과 다른 구리, 주석 또는 크롬과 같은 잔류 원소가 포함될 수 있다. 스크랩의 선정, DRI 또는 용선에 의한 희석, 용해로 운전, 산소 주입, 슬래그 제어, 2차 정련 및 진공 처리는 모두 최종 화학 조성과 청정도에 영향을 미친다. 또한 생산자는 강을 슬래브, 빌릿 또는 블룸으로 주조한 후 서로 다른 압하량, 냉각 일정 및 마무리 공정을 적용할 수 있다. World Steel Association은 이 순서를 명확히 설명한다. 연속 주조를 통해 반제품인 슬래브, 빌릿 및 블룸이 생산되고, 이후 이를 압연하여 판재 및 봉형 제품을 제조한다.

따라서 EAF 공정만으로 제품이 연성인지, 조대립 조직인지, 개재물에 민감한지, 용접 가능한지 또는 특정 피로 사용 조건에 적합한지를 결정할 수 없다. 이러한 결과는 강종의 화학 조성, 잔류 원소 제한값, 질소 및 수소 제어, 주조 및 압하 조건, 결정립 미세화, 제품 치수 및 열처리에 좌우된다. 미국 환경보호청(U.S. Environmental Protection Agency)은 1995년에 공정의 차이를 명확히 설명했다. 전로 제강은 스크랩을 사용하여 용융 고로 선철을 정련하는 반면, EAF 제강은 별도의 공정이다. 이 설명은 제강 공정과 이후의 제품 적합성 평가를 구분하는 것이며, 보편적인 거동을 갖는 EAF 재료 범주를 설정하는 것이 아니다.

표준에 따라 제강 공정의 취급 방식도 달라질 수 있다. ASTM A434/A434M-24는 해당 표준의 다른 요구사항을 충족하는 것을 조건으로, 규정된 담금질 및 뜨임 합금강 봉강에 대해 평로, 전로 및 전기로 용해·처리 공정을 허용한다. 반면 ASTM A508/A508M-16은 2차 정련 또는 재용해를 사용하는 경우를 제외하고, 해당 압력용기용 단조품에 대해 기초 전기로 제조를 요구한다. 따라서 표준이 규정하는 경우 제강 공정은 적합성에 영향을 미치는 변수이지만, 여전히 여러 변수 중 하나에 불과하다. 밀 시 인증서에 “EAF”라고 기재되어 있다는 사실만으로 규정된 강종, 제품 형태, 치수, 열처리 상태 및 시험 결과를 대신할 수는 없다.

노멀라이징이 담금질 및 뜨임과 동일하지 않은 이유

노멀라이징과 담금질 및 뜨임은 동일한 열처리를 달리 부르는 명칭이 아니라, 야금학적 납품 상태를 나타낸다. 노멀라이징에서는 강을 관련 변태 온도 범위보다 높은 온도로 가열한 후 정지 공기 중에서 냉각한다. 이 처리는 페라이트–펄라이트 조직을 미세화하거나 재설정하고, 이전 압연 또는 단조의 일부 영향을 줄인다. 이때 얻어지는 강도와 인성은 탄소당량, 합금 원소 함량, 단면 두께 및 냉각 조건에 따라 달라진다.

담금질은 이와 다르다. 강을 오스테나이트가 형성되도록 가열한 다음, 일반적으로 마르텐사이트 또는 마르텐사이트–베이나이트 혼합 조직과 같이 상당히 경도가 높은 변태 생성물이 형성될 수 있을 만큼 빠르게 냉각한다. 이후 뜨임을 실시하여 담금질 응력을 줄이고 경도, 강도 및 인성을 조정한다. 따라서 최종 조직은 노멀라이징으로 생성되는 조직과 동일하지 않으며, 사양서나 제작 절차에서 두 상태를 서로 바꾸어 사용할 수 없다.

세 번째 용어인 노멀라이징 압연(normalized-rolled)도 반복적인 혼동을 일으킨다. 노멀라이징 압연 일정에서는 최종 압연 패스를 제어하여 그 결과 상태가 노멀라이징 강과 유사해지도록 한다. 그러나 제품이 별도의 완전한 노멀라이징로 처리를 받지 않을 수도 있다. 온도, 압하량 및 마무리 패스 제어가 이 공정의 일부를 이룬다. “노멀라이징”과 “노멀라이징 압연”은 관련된 납품 상태를 나타내지만, 동일한 공정 명세는 아니다.

BS EN 10025-3:2019는 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 상태로 공급되는 열간압연 평강 및 봉형 용접용 미세립 구조강 제품을 다룬다. 이러한 표현은 의도적으로 사용된 것이다. 이 표준은 규정된 강종, 품질 및 최대 250 mm 두께와 함께 허용되는 여러 납품 상태를 정의한다. 그러나 해당 제품군의 모든 제품이 동일한 열 이력을 거쳤다는 의미는 아니다.

담금질 및 뜨임 제품은 다른 특성 논리에 따라 관리된다. DIN EN 10025-6:2023-06은 담금질 및 뜨임 상태로 공급되는 고항복강도 구조용 강의 열간압연 평강 제품을 다룬다. 규정된 강도는 경화와 뜨임을 통해 확보되며, 두께에 따른 요구사항과 함께 용접, 성형 및 보수 가열에 관한 제한사항이 적용된다. 공칭 항복강도가 유사한 노멀라이징 강종이라고 해서 자동으로 대체할 수 있는 것은 아니다. 미세조직, 경도 분포, 두께 방향 거동 및 열영향부의 반응이 서로 다를 수 있기 때문이다.

ASTM A668/A668M-16은 납품 상태의 표현을 정확히 읽어야 하는 이유를 보여 준다. 이 표준은 탄소강 및 합금강 단조품을 풀림, 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임, 담금질 및 뜨임, 또는 노멀라이징–담금질 및 뜨임으로 분류한다. 이들은 문체상의 변형이 아니라 서로 다른 분류이다. 마찬가지로 ISO 683-1:2016은 정의된 열처리 및 표면 상태로 공급되는 반제품, 봉강, 선재, 평강 제품 및 단조품에 대한 기술적 납품 요구사항을 규정한다. 적용 표준이 이러한 상태를 구분하는 경우 “열처리됨”이라는 표현만으로는 지나치게 모호하다.

동등 강종이 자동으로 동등한 납품 상태를 의미하지 않는 이유

강종 지정은 일반적으로 화학 조성과 일련의 기계적 또는 기술적 요구사항을 관리한다. 그러나 그것만으로 제작 현장에 도착하는 완전한 제품을 항상 식별할 수 있는 것은 아니다. 두 문서가 화학적으로 유사한 강을 지정하더라도 제품 형태, 두께 범위, 납품 열처리, 표면 상태, 시료 채취 위치, 시험 온도, 충격시험 빈도, 초음파 검사 또는 허용된 제조 공정에서 차이가 날 수 있다.

첫 번째로 확인해야 할 사항은 제품 형태이다. 공칭 화학 조성이 유사하더라도 판재, 봉강, 단조품 및 선재는 동일한 변형 이력이나 특성 균일성을 갖지 않는다. 두께도 결정적이다. 냉각 속도와 편석의 영향은 단면 크기에 따라 달라지므로, 20 mm 판재에 설정된 요구사항을 180 mm 단조품에 자동으로 적용할 수 없다.

그다음에는 납품 상태를 정확히 일치시켜야 한다. 노멀라이징 제품, 노멀라이징 압연 제품 및 담금질 및 뜨임 제품은 유사한 항복강도 수치를 나타낼 수 있지만, 경도, 인성 및 용접 제한사항은 서로 다를 수 있다. 표면 상태도 중요하다. “압연 상태(as-rolled)”, 스케일 제거 상태, 기계가공 상태, 냉간 마무리 상태 및 단조 표면은 탈탄, 스케일, 치수 공차 및 검사에 대해 서로 다른 전제를 갖는다.

시험 규정은 부주의한 동등성 주장을 무효화할 수 있다. 인장시험과 충격시험이 의무인지, 시료를 어디에서 채취하는지, 어떤 방향을 사용하는지, 그리고 시험이 용해 단위, 로트, 단조품 또는 두께 범위별로 수행되는지를 확인해야 한다. ISO 683-1:2016, BS EN 10025-3:2019, DIN EN 10025-6:2023-06 및 ASTM 단조품 표준은 각각 화학 조성만이 아니라 정의된 제품 범주에 요구사항을 부여한다.

따라서 실무적인 비교 매트릭스에는 제조 공정을 하나의 열로 포함해야 하지만, 이를 결정적인 열로 두어서는 안 된다. 나머지 열에는 제품 형태와 크기 범위, 강종 및 적용 표준, 납품 열처리, 표면 상태, 기계적 특성 및 충격 요구사항, 추가 검사, 그리고 용해 번호, 처리 기록, 시험성적서 및 적합성 선언과 같은 검증 증거를 기재해야 한다. 최종 비교는 다음의 전체 행을 따라 이루어져야 한다. 공정 → 제품 형태 → 열처리 → 표준 및 강종 → 시험 및 표면 요구사항 → 문서화된 증거. 그래야만 명목상 유사한 두 납품품이 기술적으로 비교 가능한지 판단할 수 있다.

참고 문헌

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2. [2]ASTM International. Standard Specification for Quenched and Tempered Alloy Steel Forgings for Pressure Vessel Components. ASTM A508/A508M-16, 2016. https://store.astm.org/a0508_a0508m-16.html
3. [3]International Organization for Standardization. Heat-treatable steels, alloy steels and stainless steels — Part 1. ISO 683-1:2016, 2016. https://www.iso.org/standard/70642.html
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6. [6]DIN Media. Hot rolled products of structural steels — Part 6. DIN EN 10025-6:2023-06, 2023. https://www.dinmedia.de/en/standard/din-en-10025-6/366216503