강철 계열의 분류: 화학적 조성, 구조, 등급 및 가공

“강철 패밀리 분류”가 실제로 의미하는 것

“강철 패밀리”는 하나의 보편적인 계층 체계를 의미하지 않는다. 이는 특정한 특성을 공유하는 강철 그룹을 편의상 부르는 표현이지만, 그 특성은 화학 조성, 결정 구조, 사용 목적, 명명 관행 또는 제조 경로일 수 있다. 이러한 체계들은 서로 중첩되며, 서로를 대체하지 않는다.

따라서 하나의 재료를 저합금강, 미세합금강, 페라이트계 강, 구조용 강, 그리고 특정 표준의 명명된 등급이라고 동시에 부르더라도 모순이 아니다. “저합금”은 화학 조성에 관한 질문에 답한다. “미세합금”은 강도와 결정립 구조를 제어하기 위해 소량의 니오븀, 바나듐 또는 티타늄 등을 첨가했다는 점을 나타낸다. “페라이트계”는 우세한 금속학적 구조를 설명한다. “구조용 강”은 의도된 공학적 적용 분야를 가리킨다. 등급명은 특정 표준에서 정의된 조성, 특성 범위, 제품 형태 또는 인도 조건의 집합을 식별한다.

강 계열 명칭은 서로 다른 질문에 답하므로 하나의 보편적인 계층 구조로 취급해서는 안 된다. Strong evidence

분류는 그 명칭 뒤에 있는 질문을 명시할 때에만 명확해진다.

화학 조성, 구조 및 적용 분야에 따른 분류[1][1] ISO/DIS 4948-1. International Organization for Standardization. ISO/DIS 4948-1, 2024.

화학적 분류는 존재하는 원소와 그 지정된 한계에서 출발한다. 2024년 초안 형태로 발표된 ISO/DIS 4948-1은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 나눈다. 이는 조성에 기반한 체계이지, 모든 사용 특성을 예측하는 체계는 아니다. 동일한 문서는 미세합금강을 저합금강에, 스테인리스강을 고합금강에 포함시킨다. 이러한 관계가 중요한 이유는 “미세합금”과 “저합금”을 서로 경쟁하는 범주로 간주하는 흔한 오류를 방지하기 때문이다. 전자는 후자에 포함되는 보다 구체적인 설명이다.[2][2] Chemical Compositions SAE Carbon Steels. SAE International. SAE J403_202402, 2024.

SAE J403_202402는 등급 체계가 실제로 화학 조성을 어떻게 적용하는지를 보여 준다. SAE 탄소강 등급에 대한 이 문서의 조성표는 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 규소에 대한 보고 한계 또는 범위를 정의한다. 따라서 SAE 1020과 같은 명칭은 SAE 규정에 따른 화학 조성 범위와 연결된다. 그러나 그 숫자만으로는 제품이 열간 압연, 냉간 인발, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임 처리를 거쳤는지, 또는 판재, 봉재, 선재나 다른 형태로 공급되었는지를 알 수 없다.[3][3] Stainless Steel for the Food Industry. National Institute of Standards and Technology. NBSIR 76-1185, 1976.

구조는 또 다른 분류 축을 제공한다. 금속학자들은 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 및 석출경화 기지와 같은 상과 변태 생성물을 기준으로 강을 분류한다. 또한 페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계 또는 석출경화계라는 넓은 상 계열을 사용하기도 한다. 1976년에 NIST가 육류 및 가금류 가공 장비를 위해 발행한 매뉴얼은 스테인리스강을 “마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계 등급”으로 나누고, 대표적인 UNS 명칭을 제시한다. 이러한 구조 기반 분류는 열처리 반응, 자기적 거동, 내식성 및 강도를 설명하는 데 도움이 되지만, 조성 규격을 대체하지는 않는다.

오스테나이트계 스테인리스강이 이를 잘 보여 준다. 일반적으로 ASTM A240 Type 304 및 과거의 기술적 용법에서 18-8 명칭과 연관되는 UNS S30400은 오스테나이트계 스테인리스강 명칭이다. “오스테나이트계”는 그 구조 계열을 설명하고, “스테인리스”는 내식성 조성 등급을 설명하며, “Type 304”는 표준 등급 명칭을 식별하고, ASTM A240은 크로뮴 및 크로뮴-니켈 스테인리스강 판재, 시트 및 스트립에 대한 제품 규격을 식별한다. 각각의 명칭은 서로 다른 정보를 담고 있다.[4][4] Steel for the reinforcement of concrete — Plain bars. International Organization for Standardization. ISO 6935-1:2005, 2005.

적용 분야에 따른 분류는 해당 강이 어떤 목적에 사용되도록 설계되었는지를 묻는다. ISO 6935-1:2005는 B240, B300 및 B420을 포함하여 10개 일반 철근강 등급을 규정하며, 이 중 한 등급은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 철근 관련 관행에 속한다. 이를 모든 강을 강도나 화학 조성에 따라 보편적으로 서열화한 것으로 간주해서는 안 된다. 구조용 규격은 하나 이상의 생산 경로를 허용하면서 항복강도, 인장강도, 연신율, 굽힘 거동, 용접성, 치수, 시험 및 인도 조건을 정할 수 있다.

가공은 또 다른 설명 층을 만든다. 적층 제조에 관한 NIST 검토 자료는 강 및 스테인리스강의 분류를 분말 원료, 적층 또는 용융 경로, 열 이력, 미세조직 및 제작 후 열처리와 연결한다. 명목상 동일한 합금이라도 레이저 분말 베드 융합, 직접 에너지 증착, 주조, 단조 또는 일반적인 압연을 거친 뒤에는 서로 다른 결정립 구조와 결함 분포를 형성할 수 있다. 화학 조성은 여전히 중요하지만, 그 결과로 형성된 재료 상태를 완전히 설명할 수는 없다. 예를 들어 “적층 제조 316L”은 화학 조성이 316L 범위에 해당하는 모든 단조 제품이나 주조 제품의 단순한 동의어가 아니다.

하나의 강이 여러 개의 유효한 명칭을 가질 수 있는 이유

명칭은 서로 다른 질문에 답하므로, 하나만 선택하기보다 여러 명칭을 함께 사용하는 편이 더 정확한 경우가 많다. 구조용 표준을 충족하고, 소량의 니오븀과 바나듐이 첨가되었으며, 주로 페라이트-펄라이트 미세조직을 갖는다고 가정한 판재를 생각해 보자. 이 재료는 ISO/DIS 4948-1에 따라 저합금강으로, 금속학 문헌에서는 미세합금강으로, 미세조직 보고서에서는 페라이트-펄라이트계로, 적용 분야에 따라 구조용 강으로, 그리고 해당 제품 표준에 따라 특정 등급으로 합리적으로 설명할 수 있다.

이러한 설명 중 어느 것도 다른 모든 사실을 확정해 주지는 않는다. “페라이트계”라는 말만으로 그 강이 스테인리스강이라고 입증할 수는 없다. “스테인리스”라는 말만으로 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 또는 석출경화계인지 식별할 수는 없다. “구조용 강”이라는 말만으로 탄소 당량, 결정립 크기 또는 열처리 상태를 알 수는 없다. 등급 번호만으로 해당 제품 형태나 검사 요구사항이 자동으로 드러나는 것도 아니다.

표준 제정 기관들은 서로 다른 적용 범위와 용어를 사용하기도 한다. ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 철합금에 관한 용어를 통합한다. ASTM 위원회 A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식성 및 내열성 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 포함하는 훨씬 광범위한 표준 분야를 다룬다. SAE J403_202402는 SAE 탄소강 등급의 화학 조성에 중점을 둔다. ISO 문서는 조성을 분류하거나, 명명 규칙을 정하거나, 적용 제품을 규정할 수 있다. 반면 NIST는 하나의 등급 명명 체계로 기능하기보다는 기술 참고자료와 표준참조물질 범주를 발행한다.

NIST는 표준참조물질을 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강 범주로 구성한다. Strong evidence

NIST의 2024년 표준참조물질 범주에는 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강이 포함된다. 이러한 분류 체계는 표준참조물질을 체계화하는 데 유용하지만, ISO, ASTM, SAE 또는 UNS 용어를 보편적으로 대체하는 것은 아니다.

패밀리, 등급, 명칭 및 규격의 차이

패밀리는 명시된 특성 또는 목적에 기반한 광범위한 그룹이다. “저합금강”, “오스테나이트계 스테인리스강” 및 “공구강”은 패밀리 수준의 설명이다. 그 경계는 사용되는 분류 체계에 따라 달라진다.

등급은 표준 또는 기술 체계 내에서 더 좁게 정의된 재료 범주이다. 등급에는 일반적으로 지정된 화학 조성 한계, 기계적 특성 또는 이 두 가지가 모두 포함된다. ISO 6935-1의 B420, SAE 조성 관행에 따른 SAE 1020, ASTM 제품 표준의 스테인리스 Type 304 명칭은 등급 수준의 식별자에 해당한다. 다만 각 표준은 이들을 정확히 동일한 방식으로 정의하지 않는다.[5][5] Steel names. International Organization for Standardization. ISO/TS 4949:2016, 2016.

명칭은 SAE 1020, UNS S30400, B420 또는 해당 ISO 명명 규칙이 해석을 규정하는 X5CrNi18-10과 같은 이름처럼, 문서로 표시되는 식별자 자체이다. ISO/TS 4949:2016은 강의 이름이 “적용 분야와 주요 기계적, 물리적 또는 화학적 특성을 표현하는 문자와 숫자”를 사용한다고 규정한다. 명칭은 유용한 정보를 부호화할 수 있지만, 그 의미는 해당 명칭을 부여한 표준과 연결되어 있다.

규격은 제품 또는 인도 조건에 적용되는 통제 요구사항의 집합이다. 규격은 화학 조성, 치수, 시험, 기계적 특성, 열처리, 표면 상태, 검사, 표시 및 합격 기준을 정의할 수 있다. 예를 들어 ASTM A240은 “스테인리스강”을 뜻하는 또 다른 표현이 아니라, 적용 범위와 요구사항이 정해진 제품 규격이다. 재료가 특정 등급의 화학 조성을 충족하더라도 두께, 인장 특성, 열처리 또는 시험 결과가 요구 한계를 벗어나면 규격을 충족하지 못할 수 있다.

실무 규칙은 간단하다. 명칭을 해석하기 전에 어떤 분류 축에 해당하는지 확인해야 한다. 패밀리는 재료가 어떻게 그룹화되는지를 알려 주고, 등급은 그 그룹을 더 좁히며, 명칭은 공식적인 이름을 제공하고, 규격은 특정 제품에 대해 무엇을 입증해야 하는지를 정한다. 따라서 강의 분류는 하나의 사다리가 아니라 좌표계이다.

ISO 화학 조성 분류 체계

이 글에서 기본 화학 조성 분류 체계로 사용하는 것은 ISO/DIS 4948-1이다. 2024년 초안은 강을 정확히 세 가지 주요 범주, 즉 비합금강, 저합금강, 고합금강으로 나눈다. 또한 두 가지 중요한 포괄 관계를 명시한다. 미세합금강은 저합금강의 하위 분류이고, 스테인리스강은 고합금강의 하위 분류이다.

이러한 배열은 강의 정체성을 완전히 포괄하는 계층이 아니라 화학 조성에 따른 분류이다. 저합금강이라고 해서 모두 동일한 결정 구조, 제조 경로, 열처리 또는 사용 목적을 갖는다는 뜻은 아니다. 저합금강은 가공 후 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들 구조의 혼합 조직을 가질 수 있다. 마찬가지로 두 스테인리스강은 동일한 화학적 계열에 속하면서도 상 구성, 경화능, 용접성, 강도 및 부식 거동에서 상당한 차이를 보일 수 있다.

또한 특정 표준이 수치를 제시하지 않는 한, 이러한 범주를 보편적인 백분율 규칙으로 해석해서는 안 된다. 표준마다 자체 제품군에 적용되는 등급 한계, 합금 원소 범위 및 명명 규칙을 다르게 정의한다. ISO/DIS 4948-1은 여기서 사용하는 광범위한 화학 조성 분류 체계를 정립하지만, 모든 표준의 모든 강 지정에 적용되는 하나의 수치 경계를 제시하지는 않는다.

비합금강

비합금강비합금강 명시된 분류 체계에서 비합금 범주에 속하는 강으로, 철과 탄소 이외의 원소를 제어된 양 또는 잔류량으로 여전히 포함할 수 있다.

비합금강은 ISO/DIS 4948-1의 첫 번째 범주이다. 이 용어는 강이 철과 탄소 이외의 원소를 전혀 포함하지 않는다는 뜻이 아니다. 상용 강에는 망가니즈, 규소, 인 및 황과 같은 원소가 잔류량 또는 의도적으로 제어된 양으로 항상 포함된다. 또한 산소, 질소, 구리, 크로뮴, 니켈 및 기타 원소가 규정된 한도 내에서 존재할 수 있다. 이 분류는 해당 체계에서 강을 비합금강으로 식별하는 것이며, 화학적으로 순수한 철-탄소 재료라고 설명하는 것이 아니다.

익숙한 탄소강이라는 표현은 일반적으로 같은 영역에서 사용되지만, “비합금강”의 모든 용례와 자동으로 동일한 것은 아니다. 어떤 표준은 조성 한계와 허용 잔류 원소를 통해 탄소강 등급을 정의할 수 있고, 다른 문서는 비합금강을 더 넓은 기술적 범주로 사용할 수 있다. 예를 들어 SAE J403_202402는 SAE 탄소강 등급에 대한 조성 한계와 범위를 제시하고, 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 규소의 보고 항목을 규정한다. 이러한 한계는 SAE 등급 체계에 속한다. 이를 ISO/DIS 4948-1에 따른 비합금강의 보편적 정의로 그대로 적용해서는 안 된다.

이러한 구분은 SAE 1045와 같은 지정명을 읽을 때 중요하다. 이 숫자는 특정 SAE 탄소강 등급과 그 규정 화학 조성을 나타내지만, 공급 제품이 노멀라이징 상태인지, 담금질 및 뜨임 상태인지, 냉간 인발 상태인지 또는 다른 상태인지를 그 자체로 설명하지는 않는다. 최종 인장강도와 경도는 공칭 조성뿐 아니라 단면 크기, 열 이력 및 시험 조건에도 좌우된다.

따라서 비합금강은 화학 조성에 따라 분류되는 동시에 용도 또는 납품 상태에 따라 별도의 분류를 받을 수 있다. ISO 6935-1은 철근에 관한 용도별 표준으로서 B240, B300, B420을 포함한 10개의 일반 철근강 등급을 규정하며, 이 중 한 등급은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 해당 표준에 따른 철근 제품을 분류한다. 이는 ISO/DIS 4948-1의 계열 구조를 대체하는 별도의 화학 조성 분류가 아니다.

저합금강과 미세합금강

저합금강은 ISO/DIS 4948-1의 저합금 범주에 해당하도록 의도적으로 첨가된 합금 원소를 포함한다. 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘, 망가니즈, 규소, 구리 및 기타 원소는 변태 거동, 경화능, 강도, 인성, 내산화성 또는 특정 환경에 대한 저항성을 변화시킬 수 있다. 그 효과는 특정 원소 하나의 존재만으로 결정되는 것이 아니라 전체 조성과 제조 경로에 따라 달라진다.

미세합금강은 네 번째 최상위 화학 계열이 아니라 저합금강의 하위 분류이다. Strong evidence

ISO/DIS 4948-1은 미세합금강을 저합금강에 포함시킨다. 따라서 “미세합금”은 비합금강, 저합금강 및 고합금강과 나란히 놓이는 네 번째 최상위 계열이 아니라 하위 분류를 의미한다. 공학 실무에서 미세합금화에는 일반적으로 니오븀, 바나듐 또는 티타늄과 같은 원소를 소량으로 제어하여 첨가하는 방식이 사용된다. 이러한 원소는 탄질화물 또는 질화물을 형성할 수 있으며, 열간 가공 중 오스테나이트 결정립 제어, 석출 강화 및 재결정 거동에 영향을 줄 수 있다. 그 효과는 용해 온도, 압연 일정, 냉각 속도 및 이용 가능한 탄소와 질소의 양과 연관된다.

따라서 미세합금이라는 지정만으로 하나의 단일한 미세조직을 예측할 수는 없다. 열기계 제어 공정을 적용하면 어떤 제품에서는 미세한 페라이트-베이나이트 조직이 형성될 수 있지만, 조성이나 냉각 일정이 다르면 페라이트와 펄라이트, 베이나이트 또는 주로 마르텐사이트로 이루어진 상태가 형성될 수 있다. 기계적 특성이 세심하게 조정된 공정 일정에서 비롯되더라도 화학적 범주는 여전히 저합금강이다.

고강도 저합금강과 같은 일반적인 명칭에도 동일한 주의가 필요하다. “HSLA”는 일반적으로 낮은 합금 원소 함량과 강화된 미세조직을 포함하는 제품 또는 성능 개념을 나타내지만, 정확한 한계와 등급 정의는 관련 제품 표준에 따른다. 이 명칭을 하나의 보편적인 합금 백분율 기준으로 사용해서는 안 된다. ASTM 문서, 국가 표준 및 제조업체 사양은 조성, 항복강도, 용접성, 납품 상태 또는 용도에 따라 등급을 구분할 수 있다.

ASTM Committee A01은 관련 표준 체계를 하나의 화학적 단계 체계로 축소할 수 없는 이유를 보여 준다. 그 적용 범위에는 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강이 포함된다. 또한 ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 대한 통합 용어를 제공한다. 이러한 문서는 다양한 제품 분야에서 의사소통을 지원하지만, 모든 용어를 ISO의 화학적 계열과 동의어로 만들지는 않는다.

고합금강과 스테인리스강

고합금강은 ISO/DIS 4948-1의 세 번째 범주이다. 이 강의 조성에는 하위 범주에 속하는 강보다 더 많은 양 또는 더 다양한 의도적 합금 원소가 포함되지만, 분류는 여전히 적용되는 체계와 명시된 조성 규칙에 따라 결정된다. 이 글에서 “고합금”은 “스테인리스”와 동의어가 아니며, 하나의 보편적인 수치 임계값을 요구하지도 않는다.

부동태화부동태화 합금과 환경이 안정성을 뒷받침할 때 부식을 줄일 수 있는 얇은 보호 표면 피막의 형성.

ISO/DIS 4948-1은 스테인리스강을 고합금강의 하위 분류로 규정한다. 따라서 이 체계에서 스테인리스강은 고합금 범주에 포함된다. 스테인리스강의 기술적 주된 목적은 특정 조건에서 부식 또는 산화에 저항하는 것이며, 이는 주로 크로뮴에 의해 확보되고 등급에 따라 니켈, 몰리브데넘, 질소, 망가니즈, 구리, 니오븀 또는 티타늄 등의 첨가 원소에 의해 보완된다. 크로뮴이 풍부한 스테인리스 조성과 관련된 수동 피막은 중요하지만, 부식 성능은 환경, 표면 상태, 열처리, 용접, 오염 및 갈바닉 접촉에도 영향을 받는다.

스테인리스강에서는 화학적 계열과 야금학적 구조가 특히 뚜렷하게 서로 다를 수 있다. 1976년에 발행된 육류 및 가금류 가공 장비에 관한 NIST 매뉴얼은 스테인리스강을 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계로 나누고 대표적인 UNS 지정명을 제시한다. 이는 더 넓은 스테인리스강 범주 안에서 구조 및 열처리와 관련된 분류이다. 예를 들어 오스테나이트계 스테인리스강과 마르텐사이트계 스테인리스강은 ISO/DIS 4948-1에 따라 모두 고합금 스테인리스강에 속할 수 있지만, 담금질, 냉간 가공, 용접 및 뜨임에 대해 매우 다르게 반응한다.

지정명은 또 다른 축에서도 기능한다. ISO/TS 4949는 강의 명칭이 문자와 숫자를 사용하여 용도 및 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타낸다고 설명한다. X5CrNi18-10과 같은 명칭은 표준화된 화학적 명명 패턴을 전달하는 반면, UNS 지정명, ASTM 제품 사양 또는 국가 등급 번호는 다른 명명 체계를 통해 동일하거나 밀접하게 관련된 재료를 식별할 수 있다. 명칭은 그 배경이 되는 표준에 관한 근거이지, 모든 분류 축이 일치한다는 증거는 아니다.[6][6] Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST technical review, 2024.

제조 공정은 또 다른 분리를 만들어 낼 수 있다. 적층 제조에 관한 NIST의 검토 자료는 강 및 스테인리스강의 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제작 후 열처리와 연계한다. 분말 베드 융합 제품과 단조 제품은 공칭 화학 조성이 비슷하더라도 기공률, 편석, 잔류응력, 결정립 형태 및 기계적 응답이 다를 수 있다. 조성은 각 강을 화학적 계열에 배치하고, 공정은 해당 계열이 실제로 나타나는 상태의 상당 부분을 결정한다.

NIST의 2024 표준표준물질 분류 체계도 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강을 열거함으로써 같은 점을 실무적으로 보여 준다. 이러한 목록은 표준표준물질을 정리하는 데 유용하지만, 하나의 보편적인 계층 구조는 아니다. “공구강”은 의도된 기능과 등급 관행을 설명할 수 있고, “스테인리스강”은 ISO/DIS 4948-1에서 화학적 하위 분류를 식별하며, “마르텐사이트계”는 구조적 분류를 식별한다. 하나의 재료가 이 세 가지 설명을 모두 가지더라도 모순되지 않는다.

탄소강: 조성, 명칭 및 한계

“탄소강”이 나타내는 것과 나타내지 않는 것

“탄소강”은 단일 강종, 결정 구조, 제조 경로 또는 성능 등급이 아니라 조성에 기반한 강의 계열을 나타낸다. 일반적인 기술적 용법에서 이는 탄소가 주요 의도적 합금 첨가 원소이고, 다른 합금 원소의 농도는 합금강 또는 스테인리스강과 관련된 한계 이하로 유지되는 강을 의미한다. 그 경계는 적용되는 분류 체계와 표준에 따라 달라진다. 모든 규격에 공통으로 적용되는 보편적인 화학적 기준값은 아니다.

ISO/DIS 4948-1 (2024)은 화학 조성에 따라 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분한다. 동일한 분류에서 “미세합금강은 저합금강의 하위 분류”이고, “스테인리스강은 고합금강의 하위 분류”이다. 이러한 체계는 유용하지만, 탄소라는 단어만으로 강을 완전히 설명할 수 있게 해 주지는 않는다. 비합금강은 특정 표준에 따라 의도적으로 합금화된 강종이 되지 않으면서도 잔류 원소 또는 허용 원소로서 측정 가능한 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소를 포함할 수 있다.

이 명칭만으로 강이 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들 구성상의 혼합물 중 어느 것인지 자동으로 정해지는 것도 아니다. 어닐링된 판재 상태로 공급되는 저탄소강은 동일한 명목 화학 조성이라도 담금질 및 뜨임 후에는 상당히 다른 조직을 가질 수 있다. 제품 형태도 중요하다. 판, 봉, 선, 시트, 튜브 및 분말 원료는 서로 다른 가공 이력과 서로 다른 제품 표준을 따를 수 있다.

이 구분은 학문적인 것에 그치지 않는다. NIST의 적층 제조 검토 자료는 강의 분류를 분말 원료, 공정 경로, 생성된 미세조직 및 제작 후 열처리와 연계한다. 화학 조성은 그 연쇄 과정의 한 입력값이지, 그 과정을 대신하는 것이 아니다. 조성표만으로는 항복 강도, 피로 수명, 용접 절차, 내식성, 표면 상태 또는 특정 사용 조건에 대한 적합성을 확립할 수 없다.

또한 “탄소강”은 용도를 나타내는 명칭도 아니다. 예를 들어 ISO 6935-1 (2005)은 B240, B300 및 B420을 포함하여 10종의 일반 철근용 강종을 규정하며, 그중 한 강종은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 제품 표준을 통해 용도와 기계적 요구사항을 전달한다. 이를 탄소 함량이 유사한 모든 강의 대체 명칭으로 취급해서는 안 된다.

SAE 탄소강 강종의 조성

SAE J403_202402, SAE 탄소강의 화학 조성은 화학 조성의 한계와 범위를 통해 표준화된 SAE 탄소강 강종을 규정한다. 판정 기준값은 주조 또는 용강의 화학 분석을 바탕으로 설정되므로, 보고된 화학 조성이 규정된 한계 내에 들어가는지에 따라 강종이 지정된다. “주조”와 “용강”은 분석 결과가 대표하는 제강 배치를 의미하며, 완성된 미세조직이나 열처리 상태를 뜻하는 명칭이 아니다.

SAE J403_202402의 보고 체계에는 다음 원소가 정확히 열거되어 있다: 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소. 각 강종 표는 해당 원소에 대해 허용 범위, 최대값 또는 별도로 명시된 한계값을 제시한다. 예를 들어 인의 최대값은 화학적 제한을 의미한다. 이는 해당 용강에서 절단된 모든 제품의 인 함량이 그 값과 같다는 뜻도 아니며, 완성 제품의 결정립 크기나 인장 강도를 규정하는 것도 아니다.

SAE의 익숙한 네 자리 지정은 화학 조성 계열을 간결하게 나타내지만, 모든 지정이 정확히 동일한 방식으로 해석되는 것은 아니다. 10xx 계열은 일반 탄소강을 나타내며, 마지막 두 자리는 관례적으로 탄소의 명목 함량을 질량 백분율의 100분의 1 단위로 나타낸다. 따라서 SAE 1020은 적용되는 개정판과 표의 실제 한계값을 전제로, 약 0.20%의 탄소를 함유한 일반 탄소강 강종을 가리킨다. SAE 1045는 약 0.45%의 탄소를 나타낸다. 이 지정은 강종 식별자이지, 공급되는 모든 분석 결과가 명목값과 정확히 일치한다는 보증은 아니다.

처음 두 자리 숫자는 일반 탄소강 계열에 대한 의도적인 개질을 나타낼 수도 있다. SAE 11xx 강종은 재황첨가 쾌삭강으로, 일반적으로 연성과 용접성에 영향을 주는 대가로 절삭성을 향상시키기 위해 황 함량을 높인 강이다. SAE 12xx 강종은 재황첨가 및 재인첨가 쾌삭강이다. SAE 15xx 강종은 일반적인 10xx 계열보다 높은 망가니즈 함량을 가진다. 이들 계열은 여전히 SAE 탄소강 목록에 포함되지만, 그 절삭 거동과 접합 시 고려사항은 SAE 1020과 같은 저황 강종과 다르다.

따라서 이 지정은 유용한 정보를 제공하지만, 해당 표준의 범위 안에서만 그러하다. SAE J403은 ASTM 제품 규격, UNS 등록, ISO 강재 명칭 또는 구매자가 요구한 재료 상태를 보편적으로 대체하는 규격이 아니다. ISO/TS 4949 (2016)은 강의 명칭을 용도와 주요 기계적·물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자의 조합으로 설명한다. 이러한 명명 체계는 SAE 조성 지정과 함께 사용될 수 있지만, 두 체계가 서로 교환 가능하다는 뜻은 아니다.

탄소, 망가니즈 및 잔류 원소 또는 합금 원소의 역할

탄소는 일반 탄소강의 변태 거동과 잠재적 경도에 가장 큰 직접적 영향을 미친다. 탄소 함량이 증가하면 적절한 냉각 조건에서 강은 더 많은 펄라이트를 형성할 수 있고, 담금질 후 더 높은 마르텐사이트 경도에 도달할 수 있다. 일반적으로 탄소 함량이 높아지면 용접성이 저하되고 연성과 인성이 감소할 수 있으며, 특히 열처리와 단면 크기로 인해 단단하고 취성인 영역이 형성되는 경우 그러하다. 그러나 이러한 설명은 고정된 결과가 아니라 경향을 나타낸다. 냉각 속도, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 단면 두께 및 뜨임은 결과를 크게 바꿀 수 있다.

망가니즈는 여러 기능을 한다. 고용 강화에 기여하고, 황과 우선적으로 결합하여 황화철의 유해한 영향을 줄이며, 경화능을 높인다. 망가니즈 함량이 더 높은 강은 동일한 탄소 함량과 더 낮은 망가니즈 함량을 가진 강보다 담금질 표면에서 더 깊은 위치까지 더 단단한 변태 생성물로 변태할 수 있다. 따라서 SAE 탄소강 표에서 망가니즈는 단순한 부수적 기록 항목이 아니다. 허용 범위는 강종의 화학 조성과 가공 반응의 일부를 함께 규정하는 데 기여한다.

인과 황은 흔히 잔류 원소 또는 관리되는 불순물 원소로 취급되지만, 재황첨가 쾌삭강에서는 황을 의도적으로 증가시킨다. 과도한 인은 강도를 높일 수 있으나 연성과 인성을 저하시킬 수 있으며, 특히 저온에서 그러하다. 황은 절삭 중 칩 분리를 향상시킬 수 있지만, 황화물 개재물은 횡방향 연성, 인성 및 특정 형태의 균열에 대한 저항성을 저하시킬 수 있다. 따라서 이들 원소의 한계값은 절삭성과 기계적 성능 사이에서 의도한 균형과 연관된다.

구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소는 강종과 생산 방식에 따라 잔류 원소, 의도적 첨가 원소 또는 양쪽 모두의 형태로 존재할 수 있다. 크롬, 니켈 및 몰리브덴은 경화능을 높일 수 있으며, 니켈은 적절한 조성에서 인성 향상에도 기여한다. 규소는 탈산과 강화에 기여한다. 구리는 적절한 수준으로 존재할 경우 대기 부식 거동에 영향을 줄 수 있지만, 허용된 구리 최대값이 있다고 해서 탄소강 강종이 내후성강으로 바뀌는 것은 아니다.

실무적인 원칙은 간단하다. 먼저 화학 조성 지정을 읽고, 그다음 제품, 상태 및 시험 요구사항을 별도로 확인해야 한다. NIST의 2024 표준 기준물질 분류는 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강을 구분하며, 기준물질 자체도 서로 중첩되는 여러 분류를 사용한다는 점을 보여 준다. ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 관한 용어를 통합하고 있으며, ASTM Committee A01은 공구강, 클래드강, 스테인리스강, 내식 합금 및 내열 합금과 함께 탄소강과 합금강을 다룬다. 탄소강 강종명은 화학 조성에 관한 질문에 답한다. 그 뒤에 따라오는 모든 금속학적 질문이나 사용 조건에 관한 질문까지 답해 주는 것은 아니다.

저합금강, 미세합금강 및 특수 저합금강

분류 체계에서 합금 함량의 의미

“합금강”은 보편적 계층 구조에서 하나의 위치를 지칭하는 명칭이 아니다. 합금강은 화학 조성이라는 하나의 분류 축을 통해 강을 설명한다. ISO/DIS 4948-1은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분한다(International Organization for Standardization, 2024). 이 구분은 강에 존재하는 합금 원소의 종류와 양에 관한 것이며, 강의 제품 형태, 사용 조건, 결정 구조, 열처리 상태 또는 제조 경로에 관한 것이 아니다.

이러한 구별이 중요한 이유는 동일한 강이 동시에 여러 가지 유효한 설명을 가질 수 있기 때문이다. 어떤 강종은 조성상 저합금강이고, 제조 이력상 담금질 및 뜨임 처리강이며, 적용 표준에 따라 압력설비용 또는 구조용으로 지정될 수 있다. 이러한 설명 중 어느 하나도 다른 설명을 무효화하지 않는다. 명칭은 전혀 다른 특성을 나타낼 수도 있다. ISO/TS 4949는 강의 명칭이 적용 분야와 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타내기 위해 문자와 숫자를 사용한다고 규정한다. 따라서 명칭은 명명 체계에 속하며, 반드시 ISO/DIS 4948-1의 조성에 따른 강종 분류와 동일한 체계에 속하는 것은 아니다.

합금 함량은 의도적으로 첨가된 원소의 수를 세는 것 이상을 의미한다. 화학적 분류는 규정된 조성 체계와 그 한계에 따라 결정되는 반면, 생산 과정의 화학 조성에는 잔류 원소, 허용 범위 및 분석 공차가 포함된다. 예를 들어 SAE J403_202402는 SAE 탄소강 강종의 조성 정보를 제시하고, 그 보고 체계에서 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 규소를 식별한다. 이러한 원소 중 하나가 존재한다고 해서 모든 강종이 동일한 금속학적 범주나 적용 범주에 속하게 되는 것은 아니다. 원소의 함량, 적용되는 표준 및 명칭이 사용되는 목적이 모두 중요하다.

따라서 저합금이라는 용어는 광범위하다. 저합금은 경화능, 강도, 인성, 특정 사용 조건에 대한 저항성 또는 열처리에 대한 반응을 변화시키기 위해 합금 원소를 첨가한 강을 포함할 수 있다. 그러나 이 계열 명칭만으로는 이러한 특성 중 어떤 특성이 규격을 결정하는지 알 수 없다. 또한 해당 강이 가공 후 페라이트계, 펄라이트계, 베이나이트계, 마르텐사이트계인지 또는 여러 상의 혼합 조직인지도 알 수 없다. 이러한 사항은 조직에 관한 설명이며, 조성뿐 아니라 열적·기계적 이력에 대한 정보가 필요하다.

ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 철합금에 관한 통합 용어를 제공한다. 한편 ASTM 위원회 A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 포함하는 훨씬 광범위한 표준 분야를 담당한다. 이러한 범위는 “합금강”을 하나의 단일 강종 계열로 취급해서는 안 된다는 점을 보여 준다. 표준은 서로 다른 기술적 목적에 따라 재료를 분류한다.

NIST의 표준 기준물질 카탈로그도 실용적인 기준물질의 관점에서 같은 점을 보여 준다. 이 카탈로그의 범주에는 “일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강”이 포함된다(NIST, 2024). 이러한 범주는 기준물질을 체계적으로 정리하는 데 유용하지만, 특수 저합금으로 표시된 모든 항목이 형식적으로 동등한 ISO 계열을 자동으로 구성한다는 의미의 대체 ISO 정의로 읽어서는 안 된다.

적용 표준은 조성에 따른 범주를 가로지를 수 있다. ISO 6935-1은 B240, B300 및 B420을 포함하여 철근용 일반강 10개 강종을 규정하며, 이 중 한 강종은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 철근 제품과 요구사항을 식별하는 것이며, ISO/DIS 4948-1을 대체하는 일반적인 화학적 계층 구조를 새로 만드는 것이 아니다. 강의 계열, 제품 표준, 강종명 및 상태는 각각 서로 다른 질문에 답할 수 있다.

저합금강의 하위 분류로서의 미세합금강

ISO/DIS 4948-1은 미세합금강을 저합금강에 포함한다. 이것이 핵심적인 관계이다. 미세합금은 더 구체적인 하위 분류인 반면, 저합금은 더 포괄적인 조성 계열이다. 두 용어는 서로 바꿔 사용할 수 없다. 해당 분류에서 다루는 모든 미세합금강은 저합금강이지만, 모든 저합금강이 미세합금강인 것은 아니다.

“미세”라는 접두어를 보편적인 조성 기준값으로 간주해서는 안 된다. 제시된 ISO 분류는 범주 간의 관계를 설정할 뿐, 모든 미세합금강을 정의하는 전 세계적으로 단일한 기준값을 제시하지 않는다. 서로 다른 규격은 서로 다른 원소, 원소 조합, 제품 형태 및 특성 요구사항을 관리할 수 있다. 따라서 하나의 강종 표준에서 가져온 표를 강 전체 계열에 적용되는 일반적 정의로 확대해서는 안 된다.

미세합금이라는 용어는 일반적으로 소량의 제어된 첨가 원소와 그것이 조직 및 특성과 맺는 관계에 주목하게 한다. 화학적 첨가는 설명의 일부일 뿐이다. 금속학적으로 중요한 것은 조성이 응고, 재가열, 변형, 냉각 및 후속 열처리와 어떻게 상호작용하는가이다. 소량의 원소도 상변태 또는 미세 입자의 생성과 분포에 영향을 줄 수 있지만, 그 효과는 전체 화학 조성과 열·기계적 이력에 따라 달라진다. 명칭만으로 특정 입자 분포, 결정립 크기, 항복강도 또는 용접성 값을 확정할 수는 없다.

따라서 관련 강종 표준을 확인하지 않고 “미세합금”을 “고강도”, “용접 가능” 또는 “미세 결정립”의 동의어로 사용해서는 안 된다. 이러한 특성은 특정 제품에서 설계 목표이거나 측정 결과일 수 있지만, 하위 분류 명칭만으로 그 특성이 보장되는 것은 아니다. 공칭 화학 조성이 유사하더라도 봉강, 판재, 관 또는 단조 부품은 서로 다른 상태를 가질 수 있다.

NIST의 범주도 주의해서 해석해야 한다. “특수 저합금강”은 표준 기준물질의 별도 조직 범주로서 저합금강과 나란히 제시된다. 이러한 분리는 의도된 기준물질 그룹, 조성 또는 인증 목적, 혹은 NIST가 카탈로그를 관리하는 방식에 따른 것일 수 있다. 이것이 특수 저합금이 자동으로 ISO 강종 계열이 된다는 의미는 아니며, 그러한 재료가 모두 미세합금화되었다는 것을 입증하는 것도 아니다. 세 표현은 서로 구별되어야 한다. 저합금은 광범위한 ISO 조성 분류이고, 미세합금은 그 안에 포함되는 ISO에서 식별된 하위 분류이며, 특수 저합금은 별도의 표준이 해당 용어에 기술적 의미를 부여하지 않는 한 NIST 카탈로그의 범주이다.

가공 및 열·기계적 이력이 중요한 이유

조성은 분류에 필요하지만, 강의 전체 상태를 예측할 수는 없다. 저합금 또는 미세합금이라는 명칭은 해당 화학 조성이 어느 계열에 속하는지를 나타낼 뿐, 공급된 제품을 제조하는 데 사용된 모든 공정을 기록하지는 않는다. 압연 온도, 변형 일정, 냉각 속도, 재가열, 담금질, 뜨임, 시효 및 성형 후 처리는 최종 미세조직을 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 측정되는 특성도 달라질 수 있다.

이러한 관계는 제어된 가공이 재료 개념의 일부인 경우 특히 분명해진다. 특정 온도에서의 변형은 결정립의 발달과 변태 거동에 영향을 줄 수 있다. 마무리 압연 온도 범위 또는 오스테나이트화 온도 범위에서 냉각하면 서로 다른 상 혼합물이 생성될 수 있다. 동일한 공칭 조성으로 시작하더라도 담금질 및 뜨임 처리는 불림 처리와 다른 상태를 형성할 수 있다. 이러한 설명은 조성에 따른 계열이 가공 규격을 대신할 수 없는 이유를 보여 주는 것이며, 모든 미세합금 강종에 하나의 보편적인 처리를 지정하는 것은 아니다.

NIST의 적층제조 검토 자료도 새로운 제조 경로를 통해 같은 구분을 보여 준다. 이 자료는 강 및 스테인리스강의 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제조 후 열처리와 연결하여 논의한다. 분말의 화학 조성만으로 최종 부품의 조직가 결정되는 것은 아니다. 에너지 투입량, 열 순환, 응고 조건, 적층 방향, 결함 및 제조 후 처리는 모두 평가 대상 재료의 상태에 영향을 줄 수 있다. 이 사례는 또한 “강 계열”을 단순한 원소 목록으로 축소할 수 없는 이유를 보여 준다.

실무적인 결론은 명확하다. 저합금강을 식별할 때는 먼저 어떤 화학적 분류를 사용하고 있는지 확인해야 한다. 그런 다음 정확한 표준과 강종 명칭을 확인하고, 제품 형태, 공급 상태, 열처리 및 관련 기계적·물리적 요구사항을 파악해야 한다. 미세합금강의 경우에는 하위 분류 명칭만으로 해당 사항이 정해진다고 가정하지 말고, 규정된 미세합금 원소 조성과 제어된 가공 요구사항을 추가로 확인해야 한다. NIST의 “특수 저합금” 기준물질에 대해서는 다른 표준이 해당 재료를 다르게 정의하지 않는 한 NIST 카탈로그의 의미를 유지해야 한다. 이러한 분류 축을 서로 구별할 때에만 분류의 신뢰성이 확보된다.

고합금강과 스테인리스강 하위 분류

더 넓은 화학적 범주로서의 고합금강

“고합금강”은 하나의 결정 구조, 사용 기능 또는 제조 경로를 설명하는 용어가 아니라 화학 조성에 따른 범주이다. 2024년에 공개 검토를 위해 발행된 ISO/DIS 4948-1은 화학 조성에 따라 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분한다. 이 구분이 답하는 질문은 제한적이다. 즉, 해당 강이 어느 정도의 합금 원소를, 어떤 종류로 함유하는지를 나타낸다.

이 명칭만으로는 강이 페라이트계인지, 펄라이트계인지, 마르텐사이트계인지, 베이나이트계인지, 오스테나이트계인지 또는 석출경화형인지 알 수 없다. 또한 그 재료가 강판, 단조품, 용접 금속, 철근, 공구, 압력용기 제품 또는 적층 제조 부품인지도 규정하지 않는다. 이들은 서로 별개의 분류 축이다. 고합금강은 내식성, 고온 강도, 내마모성, 자기적 거동, 극저온 인성 또는 이러한 특성의 조합을 위해 선택될 수 있다.

화학 조성은 여전히 출발점이다. 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망가니즈, 규소, 질소, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 니오븀, 티타늄 및 구리는 상 안정성, 경화능, 탄화물 또는 질화물 형성, 내산화성 및 열처리에 대한 반응을 변화시킬 수 있다. 탄소는 상변태와 탄화물에 결합되는 크롬의 양을 모두 변화시키므로 특히 중요하다. 따라서 두 강은 유사한 합금 계열 명칭을 가질 수 있지만, 탄소, 질소, 크롬, 니켈 또는 몰리브덴 함량이 다르기 때문에 서로 다르게 거동할 수 있다.

고합금강이라는 지정만으로는 가공 후 최종 미세조직도 예측할 수 없다. 열간 압연, 단조, 용체화 어닐링, 담금질, 뜨임, 냉간 가공, 용접 및 적층 제조의 열 이력은 조성이 매우 유사한 재료에서도 서로 다른 조직을 형성할 수 있다. NIST의 적층 제조 검토 자료는 강의 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제작 후 열처리와 연결함으로써 이러한 구분을 명확히 한다. 적층된 재료는 분말의 화학 조성만으로 규정되지 않는다.

NIST의 2024년 표준 기준물질 범주는 이러한 다층적 체계가 실무에서 갖는 결과를 보여 준다. 강 관련 그룹에는 “탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강”이 포함된다. 이 범주들은 내용상 서로 겹치지만 하나의 완전한 계층 체계를 이루지는 않는다. 예를 들어 “공구강”은 공구 사용 환경 및 조성에 의해 제어되는 특성으로 정의되는 폭넓은 기술적 계열을 나타내며, 특정 표준 강종, 열처리 상태 또는 제품 규격을 대신하지 않는다.

ISO/DIS 4948-1에서 고합금강의 하위 분류로서의 스테인리스강

ISO/DIS 4948-1은 스테인리스강을 고합금강 범주 안에 둔다. 이 표준이 제시하는 관계는 직접적이다. 즉, “스테인리스강은 고합금강의 하위 분류”이며, “미세합금강은 저합금강의 하위 분류”이다. 이는 화학적 분류 사이의 관계이다. 모든 고합금강이 스테인리스강이라는 뜻도 아니고, ‘스테인리스’라는 단어가 하나의 단일한 야금학적 계열을 지칭한다는 뜻도 아니다.

스테인리스강은 주로 적절한 환경에서 보호성 크롬 부화 부동태 피막을 형성할 수 있을 만큼 충분한 크롬을 함유하는 것과 관련된다. 이 피막은 산소가 존재하고 표면이 부동태화를 손상시키거나 방해하는 조건에 노출되지 않을 때 얇은 상태로 유지되며 스스로 복구된다. 니켈은 오스테나이트를 안정화하고 여러 환경에서 인성과 내식성을 향상시킬 수 있다. 몰리브덴은 특히 염화물이 존재하는 조건에서 공식 및 틈부식과 같은 국부 부식에 대한 저항성을 높이는 데 기여한다. 질소는 오스테나이트계 및 듀플렉스 강종을 강화하는 동시에 상 균형과 국부 부식 저항성에 영향을 줄 수 있다.

이러한 효과는 조성과 환경에 좌우된다. 스테인리스강은 부식에 완전히 면역인 재료가 아니다. 오스테나이트계 강종은 염화물에 의한 공식, 틈부식 또는 응력부식균열을 겪을 수 있다. 페라이트계 강종은 일부 조건에서 인성이 낮을 수 있다. 마르텐사이트계 강종은 많은 오스테나이트계 강종에 비해 높은 경도와 낮은 내식성을 동시에 나타낼 수 있다. 용접 열 이력은 강종과 용접 절차가 적절히 조합되지 않을 경우 예민화, 바람직하지 않은 상의 형성 또는 국부적인 내식성 저하를 초래할 수 있다.

1976년에 발행된 식육 및 가금육 가공 장비에 관한 NIST 매뉴얼은 스테인리스강 계열 내부에 존재하는 구조적 분류를 보여 준다. 이 매뉴얼은 “마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계”를 구분하고 대표적인 통합 번호 체계(UNS) 지정 번호를 제시한다. 이러한 분류는 단순히 전체 합금 원소 함량이 아니라 야금학적 구조와 강화 거동을 설명한다. 예를 들어 AISI 410 및 UNS S41000은 마르텐사이트계 스테인리스강 그룹에 속하고, AISI 430 및 UNS S43000은 페라이트계이며, AISI 304 및 UNS S30400은 오스테나이트계이다. UNS S17400과 같은 석출경화형 강종은 다시 다른 강화 경로를 따른다.

듀플렉스 스테인리스강은 또 다른 주의점을 제시한다. 듀플렉스강의 조직은 페라이트와 오스테나이트를 모두 포함하므로, “스테인리스”라는 명칭만으로는 재료가 단상인지, 복상인지, 담금질 및 뜨임 처리되었는지, 냉간 가공되었는지 또는 석출경화되었는지를 알 수 없다. 강종명이나 제품 표준에서 이러한 정보를 제공해야 한다.

내식성, 합금 정체성 및 규격 언어

내식성 표면은 조성, 구조, 표면 상태 및 환경에 의해 형성되는 특성이다. 이는 강종을 식별하기에 충분한 정보가 아니다. 따라서 “스테인리스”라는 표현은 정확할 수 있지만 기술적으로는 불완전한 상태로 남을 수 있다.

ASTM 위원회 A01의 적용 범위는 스테인리스강을 여러 표준 대상 중 하나로 규정한다. 여기에는 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식성 및 내열성 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 기타 강 제품이 포함된다. 이 적용 범위가 중요한 이유는 표준 체계가 하나의 명칭을 다른 모든 명칭을 보편적으로 대체하는 용어로 취급하지 않기 때문이다. ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 관한 통합 용어를 제공하는 반면, 개별 재료 표준은 화학 조성 한계, 기계적 요구사항, 열처리, 치수, 시험 및 제품 형태를 규정한다.

규격 언어는 화학적 계열이 아니라 의도된 용도나 특정 특성을 나타낼 수도 있다. ISO/TS 4949는 강 이름이 “용도와 주요 기계적, 물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자”를 사용한다고 설명한다. 예를 들어 ISO 6935-1은 B240, B300 및 B420을 포함하여 일반 철근용 강종 10가지를 규정하며, 이들 강종 중 하나는 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이는 용도별 분류이지, 철근용 강종이 스테인리스강 또는 고합금강과 동등한 화학적 하위 분류를 이룬다는 의미가 아니다.

동일한 구분은 SAE J403_202402에도 나타난다. 이 표준의 조성 체계는 SAE 탄소강 강종에 대해 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소를 제시한다. 화학 조성표는 강종 범위를 식별할 수 있지만, 그 자체로 제품이 노멀라이징되었는지, 담금질 및 뜨임 처리되었는지, 냉간 인발되었는지, 용접되었는지, 적층 제조되었는지 또는 특정 표면 처리를 받았는지를 나타내지는 않는다.

따라서 완전한 스테인리스강 규격에는 계열 명칭 이상의 정보가 필요하다. 여기에는 AISI 또는 UNS 지정 번호, ASTM 또는 ISO 제품 표준, 제품 형태, 상태, 치수, 기계적 요구사항, 열처리 및 시험 요구사항이 포함될 수 있다. “오스테나이트계 스테인리스강”은 구조적 분류를 추가하지만 여전히 많은 강종이 가능하다. “316 스테인리스강”은 더 많은 정보를 제공하지만, 판재, 봉재, 관재, 선재 및 주조 제품은 서로 다른 요구사항을 가질 수 있으므로 적용되는 표준과 제품 상태를 여전히 명시해야 한다. UNS 번호는 합금 정체성의 범위를 좁혀 주지만, 이를 관할 제품 규격을 대신하는 것으로 볼 수는 없다.

따라서 적절한 분류 문장은 다층적이어야 한다. 어떤 강은 화학적으로 고합금강이고, 스테인리스강 하위 분류에 속하며, 오스테나이트계 또는 마르텐사이트계 구조를 가지고, 특정 ASTM 제품 표준을 충족하며, 용체화 어닐링, 냉간 가공, 용접 또는 적층 제조를 통해 해당 상태에 도달할 수 있다. 이러한 설명 중 어느 것도 다른 설명과 상호 교환될 수 없다. 재료를 “스테인리스강”이라고 부르는 것은 내식성과 관련된 의미를 지닌 광범위한 합금 계열을 식별하는 것이다. 그것만으로 식별이 완결되는 것은 아니다.

야금학적 구조에 따른 스테인리스강 계열

국립표준기술연구소(NIST)의 매뉴얼 식품 산업용 스테인리스강은 스테인리스강의 주요 분류로 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계 스테인리스강을 제시한다(NBSIR 76-1185, 1976). 이 체계는 야금학적 구조와 강도가 형성되는 주요 경로를 설명한다. 이는 “일반” 강에서 “고급” 강으로 이어지는 단일 단계 체계가 아니며, 조성에 기반한 분류와도 서로 대체될 수 없다.

이러한 구분이 중요한 이유는 동일한 강이 여러 가지 유효한 명칭을 동시에 가질 수 있기 때문이다. 어떤 강종은 ISO/DIS 4948-1에 따라 고합금강일 수 있고, 구조에 따라 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있으며, 특정 제품 표준이 적용되는 내식성 재료일 수도 있다. 열처리는 명목상의 강종 지정을 변경하지 않고도 상 균형이나 강도를 변화시킬 수 있다.

ISO/DIS 4948-1은 화학 조성을 조직 원리로 사용한다. 이 표준은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분하고, 미세합금강을 저합금강 안에, 스테인리스강을 고합금강 안에 배치한다. 반면 NIST의 네 가지 분류 체계는 다른 질문을 제기한다. 즉, 강이 어떤 구조를 형성하는지, 그리고 그 강도가 주로 변태, 고용 강화, 냉간 가공 또는 열처리 후 석출을 통해 얻어지는지를 묻는다.

경계는 완전히 독립적이지 않다. 크롬, 니켈, 탄소, 질소, 몰리브덴 및 기타 원소는 화학적 분류와 냉각 및 가열 중 형성되는 상 모두에 영향을 미친다. 그럼에도 각 명칭은 서로 다른 기술적 질문에 답한다. 예를 들어 SAE J403_202402는 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소의 보고된 함량을 사용하여 SAE 탄소강 등급의 조성 한계와 범위를 정한다. 그러나 해당 표만으로는 완성된 스테인리스 부품의 작동 조직이 마르텐사이트계인지, 페라이트계인지, 오스테나이트계인지 알 수 없다.

마르텐사이트계 스테인리스강

마르텐사이트계 스테인리스강은 적합한 오스테나이트 조직을 평형 변태 생성물이 형성되지 않을 만큼 빠르게 냉각할 때 생성되는 경질상인 마르텐사이트에서 그 명칭이 유래한다. 이러한 강의 조성은 일반적으로 가열 중 오스테나이트가 형성되고, 담금질 중 마르텐사이트가 형성될 수 있도록 한다. 탄소는 특히 중요하다. 탄소는 과포화 마르텐사이트 격자에 들어가 달성 가능한 경도를 높이지만, 탄소가 과도하면 인성이 저하되고 크롬이 풍부한 탄화물이 잔류하여 내식성에 영향을 줄 수 있다.

따라서 강화의 기본 원리는 변태 경화이다. 일반적인 가공 순서는 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임을 포함한다. 뜨임은 담금질 직후의 취성을 일부 줄이고 경도, 강도, 연성 및 치수 안정성 사이의 균형을 조정한다. 마르텐사이트계라는 명칭이 해당 등급으로 제조된 모든 부품에 동일한 비율의 마르텐사이트가 포함된다는 뜻은 아니다. 단면 크기, 냉각 속도, 선행 열처리 및 뜨임 조건이 모두 영향을 미친다.

NIST 매뉴얼은 이 계열에 해당하는 대표적인 UNS 지정으로 UNS S41000과 UNS S42000 등을 제시한다. 이러한 지정은 규정된 스테인리스강 조성을 식별하는 것이며, 그 자체로 부품의 특정 경도나 미세조직을 보장하지는 않는다. UNS S41000은 동일한 조성으로 제조된 다른 제품과는 다른 특성이 나타나는 조건에서 공급, 용접, 기계가공 또는 열처리될 수 있다. 그럼에도 이 분류가 유용한 이유는 경화 처리에 대한 주된 반응을 예측할 수 있기 때문이다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 가공 후 단순히 일부 마르텐사이트를 포함하는 강과도 구별된다. 많은 오스테나이트계 또는 페라이트계 등급은 특정 조건에서 변형 유기 마르텐사이트 또는 변태 유기 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강 계열로 분류되지는 않는다. 계열 명칭은 모든 시험편에서 특정 단일 상이 검출되는지 여부가 아니라, 해당 등급의 의도된 야금학적 기반을 가리킨다.

페라이트계 스테인리스강

페라이트계 스테인리스강은 관련 사용 및 가공 온도 범위에서 체심입방 페라이트 조직을 기반으로 한다. 크롬은 페라이트를 안정화하고 스테인리스 특성과 관련된 부동태 피막의 화학적 성질을 제공한다. 페라이트계 등급은 일반적으로 마르텐사이트계 등급을 규정하는 담금질 및 뜨임 공정을 사용하지 않는다. 이들의 강도는 주로 페라이트 기지의 조성, 결정립 크기, 냉간가공 및 일부 등급에 첨가되는 몰리브덴, 티타늄 또는 니오븀과 같은 원소에 의해 결정된다.

NIST 매뉴얼은 대표적인 페라이트계 스테인리스강 지정으로 UNS S43000과 UNS S44600을 제시한다. 이러한 식별자는 보편적인 물성 표기가 아니라 조성과 등급을 나타내는 기준으로 해석해야 한다. 페라이트계 스테인리스강은 크롬 함량, 불순물 제어, 안정화 처리, 용접성, 인성 및 특정 환경에 대한 내성이 크게 다를 수 있다.

2차상이 나타날 수 있더라도 페라이트는 여전히 핵심적인 조직 기준이다. 탄소와 질소가 제어되지 않으면 제조 또는 사용 중 크롬이 풍부한 탄화물이나 질화물이 형성될 수 있으며, 안정화 등급은 탄화물 또는 질화물을 형성하는 원소를 사용하여 결정립계 인근의 크롬 고갈을 제한한다. 고온에서는 페라이트계 강에서 상변화가 일어나거나 취화 현상이 발생할 수 있다. 이러한 영향은 계열 분류를 무효화하는 것이 아니라, 조직을 열 이력과 함께 고려해야 하는 이유를 보여 준다.

또한 페라이트계라는 명칭을 ISO 용어에서의 “저합금”과 혼동해서는 안 된다. ISO/DIS 4948-1은 합금 원소 함량에 따라 분류하는 반면, 페라이트계는 기지 조직을 설명한다. ISO 체계에서 스테인리스강이 그러하듯, 강은 페라이트계이면서 고합금강일 수 있다. 반대로 많은 비스테인리스 저합금강도 특정 상태에서는 페라이트계일 수 있다. 한 용어는 화학 조성을, 다른 용어는 야금학적 조직을 다룬다.

오스테나이트계 스테인리스강

오스테나이트계 스테인리스강은 사용 온도에서 면심입방 오스테나이트 조직을 기반으로 한다. 많은 등급에서 니켈은 주요 오스테나이트 안정화 원소이며, 망가니즈와 질소도 오스테나이트 안정성에 영향을 줄 수 있다. 크롬은 스테인리스 특성을 제공하고, 일부 조성에는 국부 부식에 대한 내성을 높이기 위해 몰리브덴이 첨가된다. 원소들의 정확한 균형에 따라 냉각 및 변형 중 오스테나이트가 안정하게 유지되는지가 결정된다.

NIST 매뉴얼은 UNS S30100, UNS S30200, UNS S30400, UNS S31600, UNS S32100 및 UNS S34700을 포함하여 대표적인 오스테나이트계 UNS 지정으로 제시한다. 이러한 지정은 단순한 순위로 바꾸어 해석해서는 안 된다. 각각은 정해진 조성 또는 조성 범위를 나타내며, 실제 거동은 제품 형태, 표면 상태, 용접 이력, 냉간 압하율, 예민화 노출 및 시험 환경에 따라 달라진다.

오스테나이트계 등급은 냉각 후에도 오스테나이트가 안정하게 유지될 수 있으므로 일반적으로 담금질만으로 전체를 경화하지 않는다. 대신 냉간가공, 고용 효과, 결정립 미세화 또는 특수하게 설계된 조성에서의 제어된 석출을 통해 강도를 높일 수 있다. 일부 준안정 오스테나이트계 등급에서는 소성 변형으로 변형 유기 마르텐사이트가 형성될 수도 있다. 이러한 가능성은 계열 명칭과 상의 관찰 결과가 다르다는 점을 보여 준다. 즉, 오스테나이트계 등급이 심한 변형 후 마르텐사이트를 포함할 수는 있지만, 그렇다고 NIST 분류상 마르텐사이트계 스테인리스강 등급이 되는 것은 아니다.

용접 및 열 노출은 국부 조직을 변화시킬 수 있다. 예를 들어 결정립계에서 크롬 탄화물이 석출되면 인접 영역의 크롬이 고갈되어 입계 부식에 대한 내성이 저하될 수 있다. 저탄소 및 안정화 변형 등급은 조성과 가공을 통해 이 문제에 대응하지만, 관련 지정은 “오스테나이트계”라는 단어만으로 추론하지 말고 적용되는 표준에서 확인해야 한다.

석출경화계 스테인리스강

석출경화계 스테인리스강은 주요 강화 처리에 따라 분류된다. 즉, 고용화 처리 후 시효를 실시하면 전위의 이동을 방해하는 미세 석출물이 형성된다. 기지는 가공의 여러 단계에서 마르텐사이트계, 준오스테나이트계 또는 오스테나이트계일 수 있다. 따라서 “석출경화계”는 단일한 상온 결정 구조가 아니라, 가공 및 강화 방식에 따른 분류의 성격을 일부 갖는다.

NIST 매뉴얼은 UNS S17400, UNS S17700, UNS S15500 및 UNS S13800과 같은 대표적인 UNS 지정을 제시한다. 이들의 석출 반응은 서로 다른 합금 설계와 열처리 일정에서 비롯된다. 일부 조성은 시효 전에 마르텐사이트 기지를 형성하고, 다른 조성은 최종 시효 단계 전에 기지를 변태시키거나 제어하기 위해 조질 처리를 사용한다. 열처리 조건을 명시하지 않으면 동일한 지정에 동일한 특성을 부여할 수 없다.

석출경화계 스테인리스강은 야금학적 계열이 등급 표준을 대신할 수 없는 이유를 가장 분명하게 보여 준다. 조성 표준은 어떤 원소와 한계값이 해당 등급을 규정하는지 생산자에게 알려 준다. 이후 제품 또는 상태 지정은 고용화 처리, 냉각, 시효 온도, 시효 시간 또는 그 결과로 얻어야 하는 기계적 요구사항을 규정할 수 있다. NIST의 분류는 강화 메커니즘을 포착하고, UNS 지정은 등록 체계 내에서 합금 계열을 식별한다.

따라서 화학적 명칭과 조직 명칭은 동의어가 아니면서 함께 존재할 수 있다. ISO는 화학 조성 때문에 스테인리스강을 고합금강의 하위 부류로 분류한다. NIST는 상의 구조와 강화 경로에 따라 스테인리스강을 구분한다. ISO/TS 4949는 강의 명칭이 용도와 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 표현하기 위해 문자와 숫자를 사용한다고 설명함으로써 또 다른 층위를 더한다. ASTM A941은 통합 용어를 제공하고, 제품 표준은 특정 형태와 상태에 요구사항을 부여한다. 이러한 체계 중 어느 것도 보편적인 계층 구조로 취급해서는 안 된다.

실무에서 중요한 질문은 어떤 명칭이 조성, 조직, 열처리, 용도 또는 지정 형식 중 어느 축을 다루는가이다. 이 질문이 없으면 “오스테나이트계”, “고합금”, “17-4 PH” 및 제품 표준의 등급이 서로 경쟁하는 것처럼 보일 수 있다. 그러나 실제로는 이들이 동일한 강의 서로 다른 특성을 설명하는 것이다.

공구강, 특수강 및 표준 체계 전반

표준 및 적용 분야의 한 계열로서의 공구강

“공구강”은 단일한 화학적 분류라기보다 주로 적용 분야와 성능에 따른 계열이다. 공구강은 금형, 펀치, 절삭 공구, 몰드, 게이지 및 높은 경도를 유지하거나 마모에 견디거나 반복적인 열적·기계적 하중을 견뎌야 하는 기타 부품에 사용하도록 선정된다. 이들의 공통점은 재료에 요구되는 사용 조건이다. 합금 설계와 조직은 상당히 다를 수 있다.

ASTM A681, 공구강 합금에 대한 표준 규격은 공구강을 형식과 등급별로 다루며, ASTM A600은 고속도 공구강을 다룬다. 익숙한 명칭으로는 W1 수경성강, O1 유경성강, D2 고탄소·고크롬 냉간 가공강, H13 열간 가공강, M2 고속도강 등이 있다. 이러한 명칭은 “일반적인” 강에서 “첨단” 강으로 이어지는 하나의 연속적인 발전 단계를 의미하지 않는다. W1은 본질적으로 열처리에 크게 의존하는 탄소 공구강이다. D2는 상당량의 크롬계 탄화물을 형성할 수 있을 만큼의 크롬과 탄소를 함유한다. H13은 고온 사용을 위해 설계된 열간 가공용 합금이다. M2는 공구 날에서 발생하는 열 속에서도 절삭 경도를 유지하도록 설계된 텅스텐-몰리브덴계 고속도강이다.

야금학적 차이는 중요하다. 담금질된 W1의 조직은 주로 마르텐사이트인 반면, D2는 일반적으로 경질 합금 탄화물을 포함하는 마르텐사이트 기지로 이루어진다. H13 역시 마르텐사이트로 경화되지만, 크롬·몰리브덴·바나듐 첨가는 고온 강도와 뜨임 저항성을 높인다. M2는 경화 및 뜨임 후 고합금 탄화물을 포함하는 조직을 형성한다. 이 네 강을 모두 “공구강”이라고 부르는 것은 표준 및 적용 분야에 따른 그룹화를 나타낼 뿐이며, 그 자체로 조성, 상 구성, 제조 공정 또는 최종 경도를 예측할 수 있게 해 주지는 않는다.

등급명은 그 출처에 따라 법적·기술적 효력이 달라진다. “D2”는 널리 인정되는 명칭으로 기능할 수 있지만, 구매 또는 제조 규격에는 적용 기준 문서, 제품 형태, 열처리 상태, 치수 요구사항 및 시험 요구사항이 명시되어야 한다. ASTM A681은 적용 범위에 포함되는 등급에 대해 강제력을 갖는 화학적 및 제품 요구사항을 제시한다. “공구강”이라는 일반적인 언급만으로는 그러한 요구사항이 정해지지 않는다.

특수강 및 특수 저합금강 분류

“특수강”은 더 넓고 정확성이 낮은 용어이다. 이는 강도, 인성, 피로 저항성, 내식성, 내마모성, 자기적 거동 또는 가공 요구사항이 특정하게 조합된 재료를 가리킬 수 있다. 또한 공통된 야금학적 메커니즘보다는 특정 기관의 카탈로그나 표준물질 분류 체계를 반영할 수도 있다.

2024년에 등재된 NIST 표준 기준물질 분류에는 보통 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강이 포함된다. 이는 기준물질을 위한 실용적인 분류 체계이다. 사용자가 화학적 또는 물리적 값이 알려진 재료를 찾는 데 도움을 주지만, 이를 보편적인 위계로 해석해서는 안 된다. “특수 저합금강”은 관리된 합금 설계 전략이나 지정된 기준물질 그룹을 의미할 수 있지만, 그것만으로 독립적인 상 구조가 확립되는 것은 아니다.

저합금강은 일반적으로 망가니즈, 크롬, 니켈, 몰리브데넘, 바나듐 또는 나이오븀과 같은 원소의 첨가와 제어 압연 및 열처리를 통해 더 높은 강도 또는 향상된 인성을 얻는다. 담금질 및 뜨임된 니켈-크롬-몰리브데넘강과 미세합금화된 페라이트-펄라이트 구조용 강은 모두 저합금강으로 불릴 수 있지만, 그 특성을 발현하는 메커니즘은 서로 다르다. 전자는 경화능과 뜨임에 크게 의존하는 반면, 후자는 나이오븀 또는 바나듐에 의한 결정립 미세화와 석출에 의존할 수 있다.

2024년 초안 형식으로 발행된 ISO/DIS 4948-1은 화학 조성에 따라 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 나눈다. 이 표준은 미세합금강을 저합금강에 포함시키고, 스테인리스강을 고합금강에 포함시킨다. 이러한 분류는 조성에 기반한다. 따라서 공구강이나 특수강과 같은 적용 분야별 계열을 대체하지 않는다.

그러므로 문서에서 정의하지 않는 한 “특수”라는 단어는 설명하는 것보다 더 많은 것을 모호하게 만들 수 있다. 특수 저합금 등급에는 탄소, 망가니즈 및 합금 원소에 대한 규정 한계가 있을 수 있지만, 실제 거동은 이전 오스테나이트 결정립 크기, 냉각 속도, 뜨임, 개재물 제어, 용접 열 사이클 및 단면 두께에도 좌우된다. NIST의 적층 제조 검토 자료도 다른 관점에서 같은 점을 지적한다. 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제조 후 열처리는 명목 화학 조성과 함께 강의 성능에 영향을 미친다.

ASTM 위원회 A01이 분류 지도를 확장하는 방식

강, 스테인리스강 및 관련 합금에 관한 ASTM 위원회 A01은 “강 계열”을 하나의 사다리로 취급할 수 없는 이유를 보여 준다. 이 위원회의 범위는 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 관련 제품에 걸쳐 있다. 이러한 그룹은 여러 가지 분류 원칙을 결합한다.

탄소강과 합금강은 흔히 조성과 열처리를 통해 논의된다. 스테인리스강은 일반적으로 크롬을 함유하여 내식성을 나타내는 강으로 식별되며, 이후 페라이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 듀플렉스계 또는 석출경화계로 야금학적으로 구분된다. 공구강은 까다로운 공구 기능을 중심으로 분류된다. 클래드강은 제품 구조에 의해 정의된다. 즉, 내식성 또는 그 밖의 특성이 다른 층을 모재 강에 접합한 제품이다. 클래딩 배치는 공정 및 제품 형태에 관한 특성이며, 상의 분류 범주가 아니다.

내식·내열 합금 역시 사용 조건과 요구 특성을 설명하는 용어이다. 일부는 조성 기반 체계에서 스테인리스강에 해당하지만, 다른 일부는 좁은 의미의 강 정의를 벗어나는 니켈계 또는 코발트계 합금이다. 초고강도 합금은 기계적 성능이라는 목표를 나타내며, 이는 흔히 석출경화, 마르텐사이트 변태, 엄격한 뜨임 제어 또는 이러한 방법의 조합을 통해 달성된다. 이 명칭은 원자가 어떻게 배열되어 있는지보다 재료가 무엇을 달성해야 하는지를 더 쉽게 나타낸다.

ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 관한 용어를 통합하여 표준 작성자가 용어를 일관되게 사용하도록 돕는다. 이는 용어 참고 문서이지, 모든 강을 하나의 배타적인 계열에 배정하는 단일 규격은 아니다. ASTM 위원회 A01의 범위 역시 열거된 모든 그룹이 서로 평행한 야금학적 분류라는 주장을 의미하지 않는다. 이는 서로 다른 제품, 특성 및 산업에 사용되는 표준에 대한 위원회의 관할 범위를 반영한다.

다른 표준은 더욱 다양한 분류 축을 추가한다. SAE J403_202402는 SAE 탄소강 등급의 화학 조성 한계와 범위를 규정하며, 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브데넘 및 규소를 다룬다. 따라서 이 표준의 명칭 체계는 조성을 강조한다. 반면 ISO 6935-1은 B240, B300 및 B420을 포함한 10개의 보통 철근강 등급을 규정하며, 이 중 한 등급은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이는 적용 제품에 따른 분류이다. ISO/TS 4949는 강재 명칭에서 문자와 숫자를 사용하여 적용 분야 및 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타낸다고 설명한다.

따라서 등급명은 여러 종류의 정보를 담을 수 있지만, 그 자체로 모든 정보를 자동으로 나타내지는 않는다. “B420”은 ISO 6935-1에 따른 철근 요구사항을 가리킨다. “H13”은 공구강 명명 체계에 따른 공구강 유형을 가리킨다. “304”는 조성 및 제품 표준의 맥락에서 스테인리스강 등급을 식별한다. 그러나 어느 명칭도 완전한 열처리 이력, 결정립 조직, 표면 상태, 접합 자격 또는 제조 경로를 단독으로 명시하지 않는다.

실무적인 원칙은 간단하다. 계열명은 하나의 순위가 아니라 좌표로 취급해야 한다. 화학적 분류, 미세조직, 적용 분야, 표준 관할, 제품 형태 및 제조 공정은 하나의 등급에서 서로 교차할 수 있지만, 각각은 별개의 설명으로 남는다. 강제력을 갖는 요구사항은 계열명 자체가 아니라 인용된 표준과 그 표준에 명시된 판에서 비롯된다.

구조용·보강용 및 기타 용도 기반 강재군

건설 및 구조용 강재 분류

“구조용 강재”는 단일한 화학적 계열이 아니라 용도를 설명하는 명칭이다. 이 명칭은 하중을 지지하는 부재, 강판, 형강, 중공 제품, 교량, 건축물, 타워, 탱크 및 관련 건설 작업에 사용되도록 공급되는 강재를 가리킨다. 동일한 용도 명칭에는 탄소 함량, 합금 원소 첨가량, 미세조직, 공급 상태 및 용접 요구사항이 서로 다른 강재가 포함될 수 있다.

ASTM의 표준 체계는 단일 계통도로 분류하는 것이 왜 부정확한지를 보여 준다. ASTM 위원회 A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 다룬다. 따라서 이 위원회의 표준은 화학적으로 균일한 하나의 집단이 아니라 부품과 건설에 사용되는 제품 전반을 포괄한다. ASTM A941의 강재 용어도 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금을 구분하면서 다양한 제품 표준을 뒷받침한다. 따라서 구조용 강재 규격은 제품을 하나의 배타적인 금속학적 범주에 배정하지 않고, 화학 조성, 인장 특성, 항복강도, 연신율, 충격 인성, 치수 공차, 용접성, 열처리 또는 공급 상태를 규정할 수 있다.

ASTM A36과 같은 지정은 주로 구조용 탄소강에 대한 제품 및 특성 규격이다. 이 규격을 충족하는 모든 강재가 압연 후 동일한 미세조직을 갖는다는 뜻도 아니며, 모든 다른 건설용 강재와 동일한 화학적 범주에 속한다는 뜻도 아니다. 예를 들어 ASTM A572/A572M은 고강도 저합금 구조용 강재를 다루고, ASTM A588/A588M은 대기 부식 저항성이 있는 구조용 강재를 다룬다. 두 규격은 용도 측면에서는 모두 구조용 강재군에 속하지만, 합금 설계 개념과 목표 성능은 서로 다르다. 스테인리스 구조용 제품은 또 다른 중첩을 만든다. 오스테나이트계, 페라이트계, 듀플렉스 또는 석출경화형 스테인리스강은 모두 구조물에 사용될 수 있지만, “구조용”이라는 명칭만으로는 이들 금속학적 분류 중 어느 것이 적용되는지 알 수 없다.

화학적 분류에는 그 자체의 용어 체계가 있다. ISO/DIS 4948-1 (2024)은 강재를 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 나눈다. 이 분류에서는 미세합금강을 저합금강에, 스테인리스강을 고합금강에 포함한다. 이러한 체계는 화학적 분류에는 유용하지만 건설용 규격을 대신하지는 않는다. 한 규격에서는 미세합금 구조용 강종을 항복강도와 세립 상태로 식별할 수 있는 반면, 다른 규격에서는 합금 원소 함량에 따라 그 화학적 계열이 결정될 수 있다.

“구조용”이라는 말은 가공 방식에 대해서도 거의 알려 주지 않는다. 강판은 노멀라이징 상태, 열기계 압연 상태, 담금질 및 뜨임 상태 또는 다른 관리된 상태로 공급될 수 있다. 이러한 공정은 결정립 크기, 상의 균형, 잔류응력, 인성 및 강도를 변화시킨다. NIST의 적층 제조 검토 자료도 다른 생산 공정의 관점에서 같은 점을 제시한다. 강 및 스테인리스강의 거동은 분말 원료, 열 이력, 공정 매개변수, 생성된 미세조직 및 제작 후 열처리에 좌우된다. 화학 조성은 여전히 중요하지만, 그것만으로 재료의 전체 상태를 설명할 수는 없다.

ISO 6935-1에 따른 민무늬 철근

규정 항복강도 지정 기호

ISO 6935-1:2005은 용도 기반 체계의 명확한 사례를 제공한다. 이 표준의 대상은 콘크리트 보강용 민무늬 강봉이므로, 분류는 제품의 의도된 건설 기능과 형상에서 시작한다. 이 표준은 모든 강재에 대한 보편적 분류 체계를 제시하는 것이 아니라, 10개의 민무늬 철근 강종을 규정한다. 열거된 지정에는 B240, B300 및 B420이 포함된다. 문자 B는 보강용 강재를 나타내며, 숫자 부분은 메가파스칼 단위의 규정 항복강도 수준과 관련된다.

이 표기는 실용적인 정보를 제공하지만 완전한 화학적 설명은 아니다. B240은 “민무늬 탄소강”의 동의어가 아니며, B420은 “저합금강”의 동의어가 아니다. 강종 지정은 ISO 6935-1에 따른 철근 강종을 식별할 뿐이다. 적용되는 화학적 제한값, 기계적 특성, 치수, 표면 상태, 시험 요구사항 및 제조 관련 규정은 해당 표준에서 확인해야 한다. 철근의 탄소, 망가니즈, 인, 황 및 잔류 원소 또는 합금 원소의 제한값은 별개의 사항이다.

ISO 6935-1은 용접에 적합한 강종도 구분한다. 이 구분은 용접 성능이 명목상의 항복강도만으로 결정되지 않기 때문에 중요하다. 탄소 함량, 망가니즈 함량, 탄소당량, 잔류 원소, 냉각 속도, 구속 조건, 이음부 설계 및 용접 절차는 모두 열영향부의 경도와 균열 위험에 영향을 줄 수 있다. 따라서 용접 적합성을 나타내는 지정은 용도 및 제작에 관한 표시이지, 해당 철근이 페라이트계 또는 펄라이트계 강과 같은 특정 상(相) 분류에 속한다는 증거가 아니다.

숫자의 증가 순서도 주의해서 해석해야 한다. B420은 철근에 특정 합금 원소가 420단위 포함되어 있다는 뜻이 아니며, 탄소 백분율을 나타내지도 않는다. 이는 해당 강종과 관련된 기계적 요구사항을 나타낸다. 화학 조성이 유사한 두 철근 강종도 압연 방식, 결정립 미세화, 냉각 또는 기타 허용된 공정의 차이에 따라 서로 다른 강도 수준에 도달할 수 있다. 반대로 조성이 서로 다른 강재도 가공 방식과 제품 치수가 다르면 서로 관련된 기계적 요구사항을 충족할 수 있다.

ISO 6935-1에 따른 민무늬 철근은 다른 모든 보강용 강재 지정과 혼동해서는 안 된다. 이형 철근은 ISO 6935-2에서 별도로 다루며, 국가별 체계에서는 자체 표준에 따라 B500B와 같은 지정이나 다른 기호를 사용할 수 있다. 서로 비슷해 보이는 문자와 숫자가 ISO, ASTM, EN 또는 국가별 규격에서 동등한 요구사항을 보장하는 것은 아니다. 발행 표준은 지정의 의미를 구성하는 일부이다.

용도 명칭과 화학적 계열의 구분

용도 명칭은 “이 강재는 무엇을 하도록 만들어졌는가?”라는 질문에 답한다. 화학적 계열은 “어떤 원소와 조성 제한값이 이 강재를 규정하는가?”라는 질문에 답한다. 금속학적 분류는 또 다른 질문, 즉 “어떤 상 또는 미세조직을 포함하는가?”를 다룬다. 표준 지정은 선택된 기계적·물리적·화학적 또는 용도 특성을 부호화하여 또 다른 층위를 추가한다. ISO/TS 4949:2016은 강재 명칭이 “용도와 주요 기계적·물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자”를 사용한다고 명시한다. 이러한 신호는 간결하지만 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것은 아니다.

“철근”은 콘크리트 보강용 제품을 설명한다. “구조용 강재”는 하중을 지지하는 건설 용도를 설명한다. “스테인리스강”은 관련 표준에 따른 조성 기반의 내식성 범주를 설명하는 반면, 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 및 석출경화형은 금속학적 분류를 설명한다. NIST의 1976년 육류 및 가금류 가공 장비 매뉴얼은 이러한 네 가지 스테인리스강 분류를 사용하며 대표적인 UNS 지정번호를 제시한다. UNS 번호는 특정 조성을 식별할 수 있지만, 그 번호 자체가 전체 가공 이력이나 사용 상태를 알려 주는 것은 아니다.

SAE J403_202402에서도 동일한 구분이 나타난다. SAE의 탄소강 강종 체계는 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 규소의 조성 제한값과 보고 방식을 규정한다. 따라서 SAE 1045와 같은 SAE 강종은 규정된 화학 조성을 통해 해석하는 반면, B420과 같은 ISO 철근 지정은 우선 철근의 용도와 기계적 강종을 통해 해석한다. 어느 명명 방식도 다른 방식의 논리에 억지로 맞추어서는 안 된다.

NIST의 2024년 표준 기준물질 범주도 재료를 보통 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강으로 묶음으로써 이러한 구분을 뒷받침한다. 이는 기준물질의 분류 체계이지, 사용 용도의 계층 구조가 아니다. 건설용 제품은 여러 명칭에 동시에 해당할 수 있다. 예를 들어 특정 표준에 따른 구조용 강재이면서 저합금강이고, 열기계 압연 제품이며, 용접 가능한 강판일 수 있다. 철근 역시 민무늬 철근, 규정 강도 강종, 용접 가능한 제품 및 화학적 분류상 비합금강일 수 있다.

올바른 해석은 여러 층위로 나누어 이루어져야 한다. 인증서나 도면에 명시된 표준부터 확인한 다음, 제품 지정, 의도된 용도, 화학적 제한값, 기계적 요구사항, 금속학적 상태 및 가공 경로를 구분해야 한다. 이 모든 것을 하나의 “강재군”으로 부르면 엔지니어에게 실제로 필요한 정보가 가려진다.

강재 명칭: 문자와 숫자가 의미를 인코딩하는 방식

강재 명칭은 강재 계열에 대한 완전한 설명이 아니다. 강재 명칭은 특정 명명 체계에 따라 부여된 간결한 이름인 반면, 분류 체계는 조성, 미세조직, 용도 또는 가공 경로와 같이 선택된 특징에 따라 강재를 그룹화한다. 따라서 동일한 재료가 화학적 분류, 구조적 분류, 용도별 등급, 국가 표준 명칭 및 UNS 식별자를 동시에 가질 수 있다. 이러한 명칭이나 식별자 중 어느 것도 자동으로 다른 것을 대체하지 않는다.

ISO/TS 4949와 강재 명칭의 논리

ISO/TS 4949:2016은 강재 명칭이 “용도와 주요 기계적·물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자”를 사용한다고 규정한다(ISO, 2016). 이 표준의 목적은 표준화된 강종을 명명하기 위한 규칙을 정립하는 것이지, 강재를 하나의 보편적인 서열로 배열하는 것이 아니다. 명칭에 포함된 문자는 선별된 정보를 전달할 뿐이며, 제조, 열처리, 제품 형태, 검사 또는 사용 조건을 규정하는 모든 요건을 그대로 재현하지는 않는다.

S355와 같은 명칭은 이러한 원리를 보여 준다. EN 10025-2에서 사용되는 명명 체계에서 S는 구조용 강재를 나타내고 355는 해당 두께 범위에서 규정된 최소 항복 강도(메가파스칼)를 의미한다. S355는 단순히 “355 MPa의 강도를 가진 강재”가 아니다. 완전한 강종 명칭에는 S355JR, S355J0 또는 S355J2와 같은 추가 접미사가 포함될 수 있으며, 이는 서로 다른 온도에서의 충격 시험 요건을 나타낸다. 이러한 문자를 의미 있게 만드는 조건은 해당 제품 표준에 규정되어 있다.

마찬가지로 EN 체계에서 C35E는 탄소와 관련된 명칭과 추가 품질 기호를 통해 비합금강을 나타낸다. 이 명칭은 조성과 품질 관리에 관한 정보를 제시하지만, 허용되는 화학 조성 범위와 납품 요건을 확인하려면 여전히 해당 표준이 필요하다. X5CrNi18-10이라는 명칭은 약 0.05%의 탄소와 크롬 및 니켈 함량 지표를 명시하는 고합금 스테인리스강을 나타내지만, 정확한 한계값과 제품 조건은 여전히 관련 표준에 규정되어 있다.

따라서 강재 명칭은 축소된 재료 인증서가 아니라 인코딩된 정보로 읽어야 한다. 명명 관례에 따라 숫자는 공칭 조성, 최소 강도, 충격 에너지 또는 다른 특성을 나타낼 수 있다. 문자는 용도, 제품 등급, 합금 상태 또는 품질 수준을 나타낼 수 있다. 이러한 문법은 체계마다 달라진다.

분류를 별도로 고려하면 이 구분이 더욱 분명해진다. ISO/DIS 4948-1:2024는 화학 조성에 따라 강재를 비합금강, 저합금강 및 고합금강으로 나눈다. 이 표준은 미세합금강을 저합금강의 하위 분류로, 스테인리스강을 고합금강의 하위 분류로 둔다(ISO, 2024). 이러한 분류만으로는 해당 강종이 구조용강, 압력용기용강, 베어링강, 공구강 또는 철근용 강재인지 알 수 없다. 반면 ISO/TS 4949는 표준화된 강종 명칭이 선별된 특성을 어떻게 전달하는지를 규정한다.

강종 명칭, UNS 식별자 및 표준 참조

“강종”은 실무적으로 사용되는 용어이지만, 모든 표준에서 동일한 의미를 갖는 것은 아니다. 강종은 화학 조성 범위, 기계적 성질의 한계값, 열처리 상태, 제품 형태 또는 이들의 조합으로 정의될 수 있다. 예를 들어 SAE J403_202402는 SAE 탄소강 강종의 조성 한계와 범위를 규정하고, 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소에 대한 보고 요건을 제시한다(SAE International, 2024). SAE 1045와 같은 익숙한 숫자는 SAE 체계에서 강종을 식별하지만, 해당 강종으로 제조되는 모든 제품에 적용되는 일반적인 성능 규격을 의미하지는 않는다.

Unified Numbering System (UNS)는 다른 방식으로 작동한다. UNS 식별자는 ASTM 및 SAE 체계를 통해 조정되는 영숫자 명칭으로, 조성 계열과 특정 재료 번호에 따라 금속 및 합금을 식별한다. 스테인리스강의 예로는 일반적으로 18-8 오스테나이트계 스테인리스강과 관련되는 UNS S30400, 몰리브덴을 함유한 오스테나이트계 스테인리스강과 관련되는 UNS S31600, 마르텐사이트계 스테인리스강과 관련되는 UNS S41000이 있다. UNS S17400은 다른 맥락에서 일반적으로 17-4 PH로 명명되는 석출경화형 스테인리스강을 식별한다.

NIST 매뉴얼 Stainless Steels for Meat and Poultry Processing Equipment은 스테인리스강을 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화형 등급으로 분류하고 대표적인 UNS 명칭을 제시했다(NIST, 1976). 이는 UNS가 수행할 수 있는 역할을 보여 준다. 즉, UNS는 합금의 정체를 확인하기 위한 상호 참조를 제공한다. 그러나 UNS만으로는 특정 제품에 허용되는 탄소 범위, 용체화 어닐링 방법, 인장 요건, 부식 시험 방법, 용접 적합성 인증 또는 표면 상태를 규정하지 않는다.

이러한 세부 사항은 참조된 재료 표준에서 정해진다. 예를 들어 ASTM A240/A240M은 압력용기 및 일반 용도에 사용되는 크롬계 및 크롬-니켈계 스테인리스강 판, 시트 및 스트립을 다루며, ASTM A276/A276M은 스테인리스강 봉 및 형강을 다룬다. UNS S31600으로 표시된 재료라도 실제로 공급된 제품을 판단하려면 제품 표준, 표준의 판, 치수 형태 및 상태를 확인해야 한다. UNS 번호는 식별자이지, 규격을 대체하는 것이 아니다.

이와 같은 주의 사항은 용도별 강종에도 적용된다. ISO 6935-1:2005는 B240, B300 및 B420을 포함하여 열 개의 보통 철근용 강종을 규정하며, 그중 한 강종은 용접에 적합한 것으로 식별된다(ISO, 2005). 이러한 명칭은 철근 표준의 체계 안에서 사용된다. 문자와 숫자를 포함한다는 이유만으로 이를 일반적인 화학적 분류로 취급하거나 스테인리스강 명칭과 직접 비교해서는 안 된다.

서로 비슷해 보이는 명칭이 서로 다른 체계를 나타낼 수 있는 이유

서로 비슷해 보이는 명칭에는 서로 다른 규칙이 숨어 있는 경우가 많다. 304, 1.4301, S30400 및 X5CrNi18-10은 서로 밀접하게 관련된 오스테나이트계 스테인리스강을 가리킬 수 있지만, 각각 AISI식 강종 번호, EN 재료 번호, UNS 식별자 및 EN 강재 명칭이라는 서로 다른 체계에 속한다. 이들은 서로 치환할 수 있는 문자열이 아니다. 각 명칭에 대응하는 조성 한계가 다를 수 있으며, 관련 제품 표준도 서로 다른 기계적 성질, 시험 또는 납품 요건을 부과할 수 있다.

스테인리스강 이외의 분야에서도 같은 문제가 나타난다. SAE 1018, ASTM A108 1018 및 EN 비합금강 명칭은 화학적으로 유사한 재료를 설명할 수 있지만, 서로 다른 표준 체계와 제품 형태를 가리킬 수 있다. “A36”도 또 다른 예이다. ASTM A36/A36M은 구조용 탄소강 규격을 정의하므로, 이 명칭에는 숫자만으로는 추론할 수 없는 요건이 포함된다. 표준 참조 없이 복사된 숫자는 불완전한 증거에 불과하다.

가공은 명칭과 거동을 더욱 분리한다. NIST의 적층 제조 검토 자료는 강재 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제작 후 열처리와 연관시킨다. 명목상 유사한 분말로 제조한 두 부품이라도 레이저 분말 베드 융합, 지향성 에너지 증착 또는 후속 열처리 이후 서로 다른 결정립 구조, 기공률, 잔류 응력 및 기계적 성질을 나타낼 수 있다. 조성은 합금 계열을 식별하지만, 그 결과로 형성된 상태를 유일하게 식별하지는 못한다.

NIST의 2024년 표준 기준물질 범주도 기준물질의 관점에서 같은 점을 보여 주며, 보통 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강을 열거한다(NIST, 2024). 이러한 범주가 공존하는 이유는 기술적 과제마다 서로 다른 구성 원리가 필요하기 때문이다.

따라서 신뢰성 있는 식별에서는 해당 명칭을 적용 표준 및 표준의 판과 함께 제시해야 한다. 예를 들면 ASTM A240/A240M에 따른 UNS S30400, 또는 제품 형태와 납품 상태가 관련되는 경우 이를 함께 명시한 EN 10025-2에 따른 S355J2와 같이 표현할 수 있다. 이러한 참조가 없으면 문자와 숫자는 특정 계열을 암시할 수는 있지만, 실제 요건은 확정되지 않은 상태로 남는다.

별도의 분류 축으로서의 미세조직

화학 조성과 미세조직은 강재에 관한 서로 다른 사실을 설명한다. 조성은 어떤 원소가 존재하는지를 나타내며, 흔히 특정 강종을 공식적인 계열 안에 배치하는 기준이 된다. 미세조직은 응고, 변형, 용접 또는 열처리로 형성된 상, 결함, 석출물, 결정립 형태 및 공간적 배열을 설명한다. 이 두 설명은 서로 관련되어 있지만, 어느 한쪽도 다른 쪽을 대신할 수는 없다.

ISO/DIS 4948-1은 분류 수준에서 이러한 구분을 명확히 한다. 이 표준은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분한다. 또한 같은 문서에서 미세합금강은 저합금강의 하위 분류이고, 스테인리스강은 고합금강의 하위 분류라고 규정한다. 이는 조성에 근거한 관계이다. 이러한 규정은 모든 저합금강이 하나의 구조를 갖거나 모든 스테인리스강이 동일한 상 비율을 갖는다는 의미가 아니다.

하나의 강이 화학 조성, 구조, 용도, 지정 기호 및 가공 분류를 동시에 가질 수 있다. Limited evidence

따라서 하나의 재료가 동시에 여러 가지 유효한 분류를 가질 수 있다. 조성에 따라 고합금강 계열에 속할 수 있고, 구조적으로는 주로 오스테나이트계 또는 페라이트계일 수 있으며, 제품 형태는 판, 봉, 선 또는 분말일 수 있다. 또한 재료 기호는 내식성 용도나 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 설명을 모두 하나의 “강재 계열”로 부르면 성능을 좌우하는 구분이 가려진다.

페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트 및 석출경화

페라이트, 오스테나이트 및 마르텐사이트는 보편적인 화학적 분류가 아니라 미세조직 또는 상을 나타내는 용어이다. 일반적인 용례에서 페라이트는 철을 기반으로 하는 체심입방상이며, 오스테나이트는 철을 기반으로 하는 면심입방상이다. 마르텐사이트는 확산이 없는 변태를 통해 형성되며, 일반적으로 높은 경도와 내부 변형률과 관련된다. 그러나 그 특성은 조성, 탄소 함량, 형태, 뜨임 및 주변 상에 따라 달라진다. 이러한 명칭은 결정 구조와 변태 생성물을 설명할 뿐이며, 그 자체로 합금의 전체 화학 조성을 규정하지는 않는다.

페라이트계로 설명되는 강은 허용된 양의 크롬, 몰리브덴, 니켈, 탄소, 질소, 망가니즈, 규소 및 기타 원소를 포함할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스강은 오스테나이트의 존재만으로 정의되지 않는다. 내식성과 가공 응답은 합금 원소의 첨가, 불순물 제한, 열 이력 및 표면 상태에도 좌우된다. 마르텐사이트 조직 역시 특정 강종 하나를 나타내지 않는다. 적절한 냉각 또는 열처리 후 서로 다른 화학적 계열과 제품 형태에서 나타날 수 있다.

NIST 매뉴얼 육류 및 가금류 가공 장비용 스테인리스강은 구조와 경화 응답을 중심으로 기술적 분류를 구성하는 방법을 보여 준다. 이 문서의 1976년 내용은 스테인리스강을 “마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계”로 나누고 대표적인 UNS 기호를 제시한다. 이는 구조를 특성 및 가공과 연결하는 데 유용하지만, 화학 조성에 기반한 기호를 대신하지는 않는다. 예를 들어 UNS S30400과 UNS S31600은 표준화된 합금의 정체성을 전달하는 반면, “오스테나이트계 스테인리스강”은 구조적 분류를 전달한다. 두 표현은 서로 다른 질문에 답한다.

석출경화는 하나의 상 계열이 아니라 강화 메커니즘과 가공 조건을 설명한다는 점에서 특히 중요하다. 석출경화형 스테인리스강은 시효 처리 중 미세한 2차 입자를 형성할 수 있는 합금 원소를 포함한다. 강화 석출물은 합금과 가공 경로에 따라 페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트 또는 변태된 기지와 공존할 수 있다. 따라서 이 표현은 단일 결정 구조가 아니라 처리 조건에 민감한 분류를 나타낸다.

이러한 구분은 “마르텐사이트계”를 “경화된” 또는 “석출경화된”의 동의어로 취급하는 흔한 오류도 방지한다. 마르텐사이트는 상 또는 변태 생성물이다. 석출경화는 전위의 이동을 방해하는 입자를 제어하여 형성함으로써 발생한다. 강은 마르텐사이트 변태, 석출, 두 메커니즘 모두 또는 어느 것도 상당한 정도로 이용하지 않고 경화될 수 있다. 기술적 설명에서 이 용어들은 서로 겹칠 수 있지만, 서로 바꾸어 사용할 수 있는 용어는 아니다.

조성 계열과 상 계열의 차이

조성 계열은 화학 원소의 한계값 또는 범위에 의해 설정된다. 예를 들어 SAE J403_202402는 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소를 사용하여 SAE 탄소강 조성을 보고하는 체계를 규정한다. 이 체계에서 기호는 화학적 규격을 가리킨다. 그러나 모든 제품이 동일한 결정립 크기, 동일한 페라이트-펄라이트 비율 또는 동일한 최종 경도를 갖는다는 것을 보장하지는 않는다.

상 계열은 특정 조건에서 예상되거나 측정된 상에 따라 강을 분류한다. 스테인리스강 문헌에서는 이러한 목적을 위해 페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계 및 석출경화계라는 범주를 흔히 사용한다. 이러한 범주는 자성 응답, 변태 거동, 강도, 용접 응답 및 내식성을 설명하는 데 도움이 되지만, 그 상태에 따라 달라진다. 강의 구조는 풀림, 담금질, 뜨임, 시효, 용접 또는 장기간 사용 중 노출 후에 변할 수 있다.

이 차이는 표준 체계에서도 나타난다. ASTM 위원회 A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 다룬다. ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 철합금에 관한 용어를 통합하지만, 용어를 통합한다고 해서 화학적, 구조적, 제품 및 용도별 분류가 하나의 계층으로 합쳐지는 것은 아니다. NIST의 표준 기준물질 범주 역시 보통 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강을 포괄한다. 이러한 범주는 기준 및 측정 목적을 위한 것이며, 상의 분포도를 나타내는 것이 아니다.

용도별 표준은 또 다른 축을 추가한다. ISO 6935-1은 B240, B300 및 B420을 포함하여 10개의 보통 철근강 강종을 규정하며, 이 중 하나의 강종은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 철근 제품과 그 규정 특성을 분류한다. 그러나 모든 B420 재료가 용해로에서 최종 사용 단계에 이르기까지 완전히 동일한 미세조직을 갖는다는 의미는 아니다. ISO/TS 4949는 강의 명칭을 용도 및 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자로 설명한다. 따라서 명칭은 유용한 정보를 제공할 수 있지만, 완전한 금속조직학적 설명으로 기능하지는 않는다.

열처리와 제품 이력

미세조직은 명목상의 화학 조성이 선택된 이후 재료에 어떤 일이 일어났는지를 기록한다. 주조 속도는 편석과 응고 조직에 영향을 미친다. 열간 압연은 결정립 형상과 집합조직을 변화시킨다. 냉간 가공은 결함 밀도를 높인다. 용접은 서로 다른 열 이력을 갖는 용융부와 열영향부를 만든다. 이후 담금질, 뜨임, 풀림, 용체화 처리 및 시효는 상, 석출물, 잔류응력 및 결정립 구조를 변화시킨다. 따라서 동일한 명목 조성을 가진 두 제품도 서로 다른 가공 이력 후에는 서로 다른 조직과 특성을 보일 수 있다.

이 문제는 적층 제조에서 특히 뚜렷하게 나타난다. 강 및 스테인리스강 적층 제조에 관한 NIST 검토 자료는 분말 원료와 공정 경로를 응고 미세조직 및 제작 후 열처리와 연결한다. 분말 베드 공정과 직접 에너지 공정은 반복적이고 국부적인 가열 및 냉각 사이클을 부과한다. 층의 방향, 에너지 입력, 후속 패스에 의한 재가열 및 제작 형상은 모두 결과 조직에 영향을 미칠 수 있다. 제작 후 열처리는 잔류응력을 줄이고, 상의 비율을 변화시키며, 석출물을 조대화하거나 형성하고, 기계적 응답을 바꿀 수 있다. 합금 식별에는 조성이 여전히 필요하지만, 적층 제조된 재료의 최종 상태를 설명하기에는 충분하지 않다.

동일한 원리는 적층 제조 이외의 경우에도 적용된다. 명목상 동일한 용강이라도 정상화 처리된 판, 담금질 및 뜨임 처리된 봉, 풀림 처리된 선 또는 용접 제작물의 형태로 공급될 수 있다. 각 제품 이력은 결정립, 상, 석출물 및 잔류응력의 배열을 서로 다르게 만들 수 있다. 화학적 계열만 보고하면 이러한 정보가 사라지고, “페라이트계”, “오스테나이트계” 또는 “마르텐사이트계”라고만 보고하면 규격상의 정체성이 사라진다.

따라서 미세조직은 별도의 분류 축으로 이해해야 한다. 화학 조성 표준은 강이 무엇으로 이루어져 있는지에 답한다. 상 분류는 명시된 조건에서 어떤 구조가 존재하는지를 설명한다. 제품 및 용도별 표준은 재료의 명칭과 충족해야 할 요구사항을 규정한다. 열처리와 제조 이력은 이러한 축들을 연결하지만, 그 경계를 없애지는 않는다.

적층 제조: 가공이 재료군 명칭을 복잡하게 만드는 이유

적층 제조는 “강재 재료군”이라는 표현이 일반적으로 사용될 때의 한계를 드러낸다. 일반적인 명칭은 조성, 결정 구조, 용도 또는 표준 지정사항을 나타낼 수 있지만, 그 자체만으로는 강재가 어떻게 적층되고, 용융되고, 냉각되고, 재가열되거나, 잔류 응력이 제거되었는지를 설명하지 못한다. 분말 베드 융합과 지향성 에너지 증착은 분류 문제에 가공이라는 축을 추가한다. 소재는 익숙한 단조 등급과 관련된 화학 조성을 유지하면서도, 서로 다른 응고 조직과 특성 프로파일을 형성할 수 있다.

NIST의 강 및 스테인리스강 적층 제조 검토에서는 원료, 공정 경로, 미세조직 및 적층 후 처리를 서로 연계된 변수로 다룬다. 이러한 접근법은 새로운 등급을 부여하거나 보편적인 적층 제조 대응 재료를 확립하는 것이 아니다. 대신 AM 소재가 무엇인지 더욱 정확하게 설명한다. 즉, 특정 열 이력을 거쳐 제조된 조성 정의 합금이라는 것이다.

분말 원료와 강재 분류

첫 번째 분류 질문은 기계에 무엇이 투입되는가이다. 금속 분말은 봉강, 판재 또는 선재를 단순히 더 작은 형태로 만든 것이 아니다. 입도 분포, 형상, 내부 기공, 표면 상태, 화학 조성 및 청정도는 분말의 도포, 공급, 용융 및 치밀화에 영향을 미친다. 따라서 하나의 분말 로트는 합금 지정사항과 원료 특성 양쪽으로 설명될 수 있다.

화학적 분류는 여전히 중요하다. ISO/DIS 4948-1 (2024)은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 구분한다. 같은 문서는 “미량합금강은 저합금강의 하위 분류”이며 “스테인리스강은 고합금강의 하위 분류”라고 규정한다. 이러한 범주는 합금 원소 함량을 설명할 뿐, 소재가 분말로 분무화된 후 레이저 분말 베드 융합, 전자빔 분말 베드 융합 또는 지향성 에너지 공정으로 가공되었는지를 식별하지 않는다.

익숙한 명칭으로 판매되거나 규정된 분말도 단조 제품 표준의 조성 한계와 다를 수 있다. 예를 들어 SAE J403_202402는 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 규소를 사용하여 SAE 탄소강 등급의 조성 한계와 범위를 설정한다. 분말 규격에서도 동일한 원소가 보고될 수 있지만, 산소, 질소, 수소 또는 미량 원소의 한계, 입도 범위 및 생산 경로는 별도의 요구사항에 따라 관리될 수 있다. 명목상 SAE 번호가 일치한다고 해서 열간 압연재 또는 풀림 처리된 소재로 생산된 재료와 동등하다는 것이 입증되는 것은 아니다.

스테인리스강에서도 축 간의 동일한 분리가 나타난다. NIST의 1976년 육류 및 가금류 가공 장비 매뉴얼은 스테인리스강을 대표적인 UNS 지정사항과 함께 “마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계”로 구분한다. 이러한 재료군은 더 넓은 스테인리스강 범주 안에서 조직 또는 열처리와 관련된 분류이다. UNS 지정사항을 가진 분말이라도 제조 경로와 상태에 대한 설명이 필요하다. 급속 용융 및 냉각을 거친 오스테나이트계 스테인리스 분말은 “오스테나이트계”라는 단어만으로 충분히 특성화되지 않는다. 공정과 열 이력에 따라 적층물에는 셀 형태의 편석, 잔류 페라이트, 마르텐사이트 또는 결정학적 집합조직이 존재할 수 있기 때문이다.

원료의 형태는 비교에 적합한 기준도 바꾼다. 분말 베드 공정은 연속적인 얇은 층을 적층하는 반면, 지향성 에너지 증착은 더 큰 용융 풀에 분말 또는 선재를 공급하며 소재를 반복적으로 재가열할 수 있다. 따라서 전체 화학 조성이 동일한 두 원료라도 서로 다른 장비 또는 공정 변수 범위에서 사용되면 서로 다른 결함 분포와 상 분포를 생성할 수 있다.

공정으로 생성되는 미세조직

용융 풀은 부품 전체에서 반복되는 국부 응고 실험을 만든다. 레이저 또는 전자빔은 작은 영역의 온도를 액상선 온도 이상으로 높인 뒤, 이미 적층된 소재 속에서 급속 냉각시킨다. 열은 모든 방향으로 균일하게 빠져나가는 것이 아니라 기판, 인접 트랙 및 이전 층으로 전달된다. 주사 속도, 빔 출력, 층 두께, 해치 간격, 차폐 분위기 및 부품 형상은 이러한 열 주기를 변화시킨다.

이로 인해 조성 명칭만으로는 추론할 수 없는 미세조직이 형성된다. 급속 응고는 셀상 또는 수지상 조직을 미세화할 수 있으며, 반복적인 재가열은 새로운 트랙 아래의 소재를 뜨임하거나 변태시키거나 부분적으로 재용융할 수 있다. 방향성 열 흐름은 주상 결정립과 결정학적 집합조직을 형성할 수 있다. 용융 불충분은 미융합 결함을 남길 수 있고, 과도한 에너지는 키홀링과 가스 기공을 촉진할 수 있다. 어느 결함도 별도의 화학적 재료군은 아니지만, 각각 기계적 응답에 영향을 미치며 소재 설명에 포함되어야 한다.

조성과 조직의 구분은 이미 기존 표준에 존재한다. ISO/TS 4949 (2016)는 강재 명칭이 “용도와 주요 기계적, 물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자”를 사용한다고 설명한다. 이러한 명칭은 특정 특성을 전달할 뿐이며, 결정립 형상, 잔류 응력, 기공 또는 적층 방향에 관한 완전한 기록은 아니다. ASTM A941 역시 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금에 대한 용어를 통합하고 있으며, ASTM Committee A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 다룬다. 이러한 표준 체계의 폭은 하나의 명명 체계가 모든 제조 변수를 담을 수 없다는 점을 보여준다.

AM 미세조직은 조직 기반 재료군 명칭의 사용도 복잡하게 만든다. 특히 형상에 따라 냉각 속도가 달라지는 경우, 하나의 부품 안에 어느 한 영역에는 마르텐사이트가 존재하고 다른 영역에는 잔류 오스테나이트 또는 페라이트가 존재할 수 있다. 석출경화 합금은 시효 처리 전에 과포화 또는 비평형 상태로 적층될 수 있다. 명목상 페라이트계 또는 오스테나이트계인 스테인리스 조성도 희석, 편석 또는 재가열로 인해 국부적인 상 변화를 나타낼 수 있다. ISO의 화학적 의미에서 합금 재료군이 바뀐 것은 아니지만, 적층 상태의 소재 조건은 달라진 것이다.

적층 후 열처리

적층은 증착이 끝나는 시점에 종료되며, 소재가 규정된 상태에 도달하는 시점에 종료되는 것이 아니다. 응력 제거, 풀림, 용체화 처리, 담금질, 시효, 열간 정수압 성형 또는 이러한 처리의 조합은 미세조직을 변화시키고 결함을 제거하거나 감소시킬 수 있다. 각각의 처리는 또 하나의 분류 기술자를 만든다. 예를 들면 적층 상태, 응력 제거 상태, 용체화 처리 상태, 시효 상태, 열간 정수압 처리 상태 또는 제품 규격으로 정의된 상태가 있다.

잔류 응력은 이러한 구분이 필요한 핵심 이유이다. 층별 가열과 냉각은 표면 부근에 인장 응력을 남기거나 얇은 형상과 돌출 형상을 변형시킬 수 있다. 응력 제거 주기는 완전한 풀림 또는 용체화 처리와 동일한 상 균형을 형성하지 않으면서 응력을 줄일 수 있다. 열간 정수압 성형은 내부 기공을 폐쇄하는 동시에 결정립 조직과 석출물 분포를 변화시킬 수 있다. 시효는 석출을 통해 강도를 높일 수 있지만, 부적절한 주기는 석출물을 조대화하거나 연성을 감소시킬 수 있다.

용도별 표준은 최종 지정사항을 화학 조성만으로 추정할 수 없는 이유를 보여준다. ISO 6935-1 (2005)은 B240, B300 및 B420을 포함하여 10개의 일반 철근용 강재 등급을 규정하며, 이 중 하나의 등급은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 이러한 명칭은 철근 분류에 속하며, 해당 제품 형태와 용도에 연계된 요구사항을 수반한다. 원소 백분율이 유사한 분말로 제조된 AM 부품을 자동으로 규정하는 것은 아니다.

NIST의 2024년 표준표준물질 범주 목록에는 “일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강”이 포함되어 있다. 이러한 실용적 분류 체계는 표준물질을 체계화하는 데 도움이 되지만, AM 시험편에는 추가 정보가 필요할 수 있다. 여기에는 분말의 출처와 상태, 공정 유형, 적층 방향, 공정 변수 세트, 분위기, 열처리, 밀도, 결함 및 시험 방향이 포함된다.

올바른 결론은 적층 제조가 보편적으로 적용되는 새로운 강재 재료군을 만든다는 것이 아니다. 적층 제조는 설명의 축을 하나 추가한다. 신뢰할 수 있는 소재 기록에는 화학적 재료군, 해당 표준 또는 존재하는 경우 UNS 지정사항, 원료 형태, AM 공정, 생성된 미세조직 및 적층 후 상태가 명시되어야 한다. 그래야만 “동일한 강재”라는 표현이 단순히 유사한 화학 조성을 뜻하는 것이 아니라 정확한 의미를 가질 수 있다.

ASTM, SAE, ISO, NIST 및 UNS는 어떻게 서로 연계되는가

ASTM, SAE, ISO, NIST 및 UNS는 하나의 강 분류 체계에서 연속적인 단계로 구성된 것이 아니다. 이들은 서로 다른 역할을 수행한다. ASTM은 합의 표준을 개발하고, SAE는 다양한 화학 조성 및 공학 사양을 발행하며, ISO는 국제 표준과 분류 규칙을 제정한다. NIST는 측정 기준과 기술적 분류 체계를 제공하고, UNS는 금속 및 합금에 대한 공통 식별 체계를 제공한다. 따라서 하나의 강이 동시에 ISO 화학 조성 등급, SAE 강종, ASTM 제품 사양, UNS 번호 및 미세조직 설명을 가질 수 있다.

이러한 명칭은 서로 다른 질문에 답한다. 화학 조성 등급은 해당 강이 어떤 합금 원소 범위에 속하는지를 묻는다. 제품 사양은 공급되는 제품이 무엇을 충족해야 하는지를 묻는다. 지정은 관리된 명명 체계에서 재료를 식별한다. 야금학적 분류는 상 또는 경화 메커니즘을 설명한다. 이러한 기능을 혼동하면 겉보기에는 모순이 발생하지만, 실제로는 대개 분류 축이 서로 다를 뿐이다.

용어 표준과 재료 사양의 차이

ASTM A941, 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 합금철에 관한 표준 용어는 용어 문서이다. 이 문서는 강 표준 전반에서 사용되는 정의를 통합하며, 합금 함량, 제품, 처리, 특성 및 형상을 설명하는 용어를 포함한다. 그러나 ASTM A941 자체만으로는 특정 봉, 판, 튜브 또는 단조품에 필요한 완전한 화학적 한계, 치수, 시험 체계, 납품 상태 또는 합격 기준을 정하지 않는다.

어떤 용어가 강종처럼 들릴 때 이러한 구분이 중요하다. 예를 들어 “스테인리스강”은 화학 조성과 내식성을 통해 정의되는 광범위한 계열을 설명할 수 있지만, 제품 표준은 인장 강도, 열처리, 표면 상태 또는 시험에 관한 추가 요구사항을 부과할 수 있다. ASTM A941은 사용자가 용어를 일관되게 적용하도록 돕지만, 출하 제품이나 부품에 적용되는 제품 사양을 대체하지는 않는다.

ASTM Committee A01은 표준 분야가 얼마나 광범위한지를 보여준다. 그 범위에는 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식성 및 내열성 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 비롯해 강과 관련된 여러 재료가 포함된다. 이 범위는 어느 한 범주가 다른 범주보다 우선하는 순위 목록이 아니다. “공구강”은 주로 의도된 기능과 합금 설계를 가리키고, “스테인리스강”은 주로 화학 조성과 내식성을 가리키며, “클래드강”은 제품의 구성 방식을 식별한다. 또한 “내식성 및 내열성 합금”은 성능을 중심으로 한 재료 영역을 설명한다. 하나의 제품이 이러한 설명 중 둘 이상에 해당할 수도 있다.

UNS는 또 다른 위치를 차지한다. 통합 번호 체계(UNS)는 탄소강에 UNS G10060, 오스테나이트계 스테인리스강에 UNS S30400과 같은 식별자를 부여한다. 문자는 광범위한 재료 그룹을 나타내고, 숫자는 해당 체계 내에서 특정 화학 조성 또는 합금 항목을 식별한다. UNS 번호는 구매 사양이 아니며, 제조 또는 합격에 필요한 모든 요구사항을 명시하지도 않는다. ASTM, SAE 및 기타 기관은 자체 강종명과 함께 UNS 지정을 참조할 수 있지만, UNS 번호가 존재한다고 해서 서로 별개의 표준들이 하나의 계층 체계로 바뀌는 것은 아니다.

SAE J403_202402는 화학 조성 문서와 용어 문서의 차이를 보여준다. 이 문서는 SAE 탄소강 강종의 화학 조성을 규정하고 탄소, 망간, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소의 한계 또는 범위를 제시한다. 열거된 원소들은 화학 조성이라는 분류 축을 보여준다. J403은 화학 조성에 따라 강종을 구별할 수 있지만, 강종명을 제시하는 것만으로 모든 가공 이력이나 최종 기계적 특성을 설명하지는 않는다. 열처리, 제품 형상, 단면 크기 및 시험 방법은 기본 SAE 화학 조성 지정을 변경하지 않고도 이러한 특성을 변화시킬 수 있다.

화학 조성 표준과 용도 표준의 차이

ISO/DIS 4948-1은 강을 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”으로 화학 조성에 따라 분류한다(International Organization for Standardization, 2024). 이 체계에서 “미량합금강은 저합금강의 하위 분류”이며, “스테인리스강은 고합금강의 하위 분류”이다. 이는 미량합금강과 스테인리스강을 완전히 별개의 최상위 분기로 취급하는 일반적인 관행을 바로잡는 데 유용하다. ISO 분류는 강을 사용되는 제품이 아니라 합금 원소 함량 및 관련 화학 조성 기준에 따라 분류한다.

용도 표준은 다른 방식으로 분류한다. ISO 6935-1:2005는 철근을 대상으로 하며 B240, B300 및 B420을 포함한 10개의 일반 철근 강종을 규정한다. 이 표준의 강종 체계는 ISO/DIS 4948-1의 광범위한 합금 원소 함량 등급이 아니라 철근 용도 및 기계적 요구사항과 연관된다. 이 강종 중 하나는 용접에 적합한 것으로 식별되며, 이에 따라 분류에 제작 요건이 추가된다. 동일한 강이 화학 조성 등급, 상에 관한 설명 및 UNS 식별자를 사용하여 논의될 수 있지만, ISO 6935-1은 그 강이 철근으로서 수행하는 역할을 다룬다.

ISO/TS 4949:2016은 하나의 보편적인 계통도를 정의하기보다는 명명 규칙을 다룬다. 이 표준은 강의 명칭이 문자와 숫자를 사용하여 용도와 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타낸다고 설명한다. 따라서 명칭에는 의도된 용도뿐 아니라 화학 조성이나 특성에 관한 정보도 포함될 수 있다. 명칭을 올바르게 해석하려면 그 뒤에 있는 지정 규칙을 알아야 하며, 명칭을 완전한 재료 사양으로 해석하는 것은 오류이다.

가공 공정은 또 다른 구분을 만든다. 일반적인 압연으로 제조된 강과 분말을 레이저 분말 베드 융합으로 제조한 강은 공칭 화학 조성이 같더라도 서로 다른 기공률, 결정립 구조, 잔류 응력 및 석출물 분포를 형성할 수 있다. 적층 제조에서의 강 및 스테인리스강 분류에 관한 NIST의 검토는 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제조 후 열처리와 연결한다. 화학 조성은 여전히 필요하지만, 그것만으로 재료 상태 전체를 예측할 수는 없다. 분말에서 완성 부품에 이르는 경로도 기술적 설명의 일부이다.

따라서 강종명만으로 용접성, 피로, 내식성 또는 치수 안정성에 관한 질문을 결정할 수 없다. 관련 사양, 제품 형상, 열처리, 제조 경로 및 시험 조건을 확인해야 한다. 화학 조성 지정과 용도 지정은 서로 다른 방향에서 동일한 강을 설명할 수 있지만, 서로 대체 가능한 것은 아니다.

표준물질 범주와 기관별 분류 체계

NIST는 상업적 강종 관리가 아니라 측정을 목적으로 하는 실용적인 분류를 추가한다. NIST의 표준물질 범주에는 “일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강”이 포함된다(NIST, 2024). 이러한 범주는 교정, 분석 검증 및 실험실 간 비교 가능성에 사용되는 표준물질을 체계화한다. 이는 ASTM, SAE 또는 ISO 강종 체계를 대체하지 않는다.

NIST 표준물질은 명확한 분석 또는 특성 평가 목적을 가진다. 그 인증서에는 명시된 불확도와 함께 원소 농도, 기계적 데이터 또는 기타 할당값이 기재될 수 있다. 범주는 사용자가 어떤 종류의 표준물질을 참조하고 있는지를 알려주지만, 재료의 제품 형상, 가공 이력 또는 건축·압력용기 사양에 따른 자격을 자동으로 식별하지는 않는다.

육류 및 가금류 가공 장비에 관한 NIST의 1976년 매뉴얼은 또 다른 기관별 분류 체계를 제공한다. 이 매뉴얼은 스테인리스강을 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계로 나누고 대표적인 UNS 지정을 제시한다. 이는 야금학적이며 용도 지향적인 체계이다. 마르텐사이트계, 페라이트계 및 오스테나이트계는 특징적인 기지 조직 또는 상 계열을 가리키는 반면, 석출경화계는 강화 경로를 식별한다. 이러한 용어 중 어느 하나도 해당 계열에 속하는 모든 강종의 완전한 화학적 한계를 단독으로 제시하지는 않는다.

실무적으로는 문서를 교차 검토해야 한다. 광범위한 화학 조성 등급에는 ISO/DIS 4948-1을, SAE 탄소강의 화학 조성에는 SAE J403을, 통제된 용어에는 ASTM A941을, 명명 논리에는 ISO/TS 4949를 사용한다. 철근 용도 요구사항이 적용되는 경우에는 ISO 6935-1을 사용한다. 동등하거나 관련된 합금 식별자를 연결할 때는 UNS를 사용한 다음, 합격 요구사항에 대해서는 해당 ASTM, SAE, ISO 또는 국가 제품 사양을 참조해야 한다. NIST의 분류와 표준물질 기록은 측정 및 가공에 관한 맥락을 추가로 제공한다.

어떤 단일 명칭도 이 모든 정보를 담을 수는 없다. 강 분류는 “일반적”인 것에서 “구체적”인 것으로 이어지는 하나의 사다리가 아니라, 여러 체계의 교집합으로 작동한다.

미지의 강을 분류하는 실용적인 방법

미지의 강을 분류하는 일은 하나의 명칭을 부여하고 그 명칭을 완전한 정체성으로 간주하는 문제가 아니다. 어떤 재료는 화학 조성에 따라 비합금강 또는 저합금강일 수 있고, 조직에 따라 마르텐사이트계 또는 오스테나이트계일 수 있으며, 제품 표준에 따라 철근용으로 지정될 수 있고, 동시에 특정 열처리 상태로 공급될 수 있다. 이러한 설명은 서로 다른 질문에 답한다.

따라서 타당한 분류는 표준에서 사용하는 순서를 따른다. 먼저 제품의 맥락을 확립하고, 적용되는 문서를 확인하며, 이용 가능한 화학 분석 데이터를 해당 기준값과 비교하고, 야금학적 상태를 결정하고, 의도된 용도를 확인한 다음, 표준 번호와 판을 포함한 정확한 명칭을 보존한다. 증거가 불완전하다면 결과는 잠정적인 상태로 유지해야 한다.

적용 표준과 제품 형태부터 확인하기

등급에 대한 시각적 추측이 아니라 대상 자체에서 시작한다. 대상이 후판, 박판, 봉, 선, 튜브, 관, 단조품, 주조품, 체결부품, 용접 금속, 분말 또는 완제품 중 무엇인지 기록한다. 제품 형태는 어떤 표준이 적용되는지와 어떤 특성이 관리되는지에 영향을 미친다. 예를 들어 철근은 두 재료가 모두 대부분 철과 탄소로 이루어져 있더라도 공구강 다이와 동일한 체계로 분류되지 않는다.

밀 시험성적서, 검사 문서, 도면, 히트 번호, 영구 표시, 운송 라벨 또는 시험 보고서를 확인한다. 첫 번째로 유용한 질문은 다음과 같다. 이 형태의 제품에 적용되는 표준은 무엇인가? ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 페로합금을 다루는 용어 표준이며, ASTM Committee A01의 적용 범위는 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강까지 포괄한다. 이러한 범위는 “강”이라는 표현만으로는 충분한 분류가 될 수 없는 이유를 보여 준다.

적용 표준은 제품별로 정해질 수 있다. 예를 들어 ISO 6935-1은 일반 철근용 강을 분류하고 B240, B300, B420을 포함한 10개 등급을 규정한다. 이러한 맥락에서 B420은 철근 표준 안에서 용도와 연계된 명칭이며, 비슷한 양의 탄소 또는 합금 원소를 포함하는 모든 강에 적용되는 보편적인 화학적 명칭이 아니다. 이 명칭은 제품 등급과 표준에서 요구하는 성능 체계를 전달한다. 그러나 그 자체만으로 결정 구조나 모든 조성 한계를 규정하지는 않는다.

분말이나 적층 제조 부품에도 동일한 원칙이 적용된다. NIST의 적층 제조 검토 자료는 강의 분류를 분말 원료, 공정 경로, 형성된 미세조직 및 제작 후 열처리와 연계한다. 명목상의 합금명을 표시한 분말이 관련 명칭을 가진 단조재와 동일한 특성을 가진다고 가정해서는 안 된다. 제조 이력이 중요하다.

어떤 문서도 उपलब्ध하지 않다면 불확실성을 기록하고 제품 형태를 이용해 표준 검색 범위를 좁힌다. 경도, 자성 반응, 파단면의 형상 및 색상은 시험 방향을 제시할 수 있지만, 이러한 정보만으로 등급을 확정할 수는 없다.

화학 조성, 조직 및 용도를 구분하기

적용 표준을 확인한 뒤에는 화학 조성 또는 해당 조성 한계를 기록한다. 히트 분석, 제품 분석, 공인 시험기관의 결과 또는 명확히 식별된 분석 방법을 사용한다. 광방출분광법과 X선 형광 분석은 유용한 원소 데이터를 제공할 수 있지만, 그 결과는 적용 표준의 한계값 및 측정 범위를 기준으로 해석해야 한다.

SAE J403_202402는 조성 중심의 체계를 보여 준다. SAE 탄소강 명칭은 탄소, 망간, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소에 대한 한계값 또는 범위로 뒷받침된다. 따라서 SAE 1045와 같은 명칭은 우선 SAE의 명칭 및 조성 체계에 따른 특정 탄소강 조성 범위를 가리킨다. 이는 해당 봉강이 풀림 처리되었는지, 담금질 및 뜨임 처리되었는지, 냉간 인발되었는지 또는 기계가공되었는지를 나타내지 않는다. 또한 부품의 용도도 식별하지 않는다. 이러한 사항들은 별개의 사실이다.

ISO/DIS 4948-1 (2024)은 비합금강, 저합금강 및 고합금강이라는 폭넓은 화학적 등급을 사용한다. 같은 문서는 미세합금강을 저합금강에 포함시키고 스테인리스강을 고합금강에 포함시킨다. 이러한 계층은 조성을 설명하는 데 유용하지만, 강도, 내식성, 제조 경로 또는 사용 용도의 계층으로 오해해서는 안 된다. “고합금”이라는 명칭은 특정 결정 구조를 의미하지 않으며, “스테인리스”가 반드시 오스테나이트계임을 뜻하는 것도 아니다.

조직에는 별도의 증거가 필요하다. 금속조직학적 검사, 상 분석, 경도 매핑, 자성 반응 및 열 이력에 대한 정보가 모두 도움이 될 수 있다. 오스테나이트계라고만 식별된 스테인리스강은 야금학적 등급이 부여된 것이다. 즉, 실온에서 우세한 조직이 오스테나이트계라고 설명된 것이다. 그러나 이 단어만으로 완전한 등급 명칭, 화학 분석, 제품 표준 또는 열처리 이력이 제공되는 것은 아니다. 스테인리스강의 분류에는 마르텐사이트계, 페라이트계 또는 석출경화계도 포함될 수 있다. 육류 및 가금류 가공 장비에 관한 1976년 NIST 매뉴얼은 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계라는 네 가지 분류를 사용하고 대표적인 UNS 명칭을 제시한다. 이는 조직 기반 명칭과 영숫자 등급 체계가 서로 대체하는 것이 아니라 함께 존재한다는 점을 보여 준다.

상태는 별도로 기록해야 한다. “풀림 처리”, “노멀라이징 처리”, “담금질 및 뜨임 처리”, “용체화 풀림 처리”, “냉간 가공” 및 “석출경화”는 가공 과정 또는 그 결과로 나타난 상태를 설명한다. 동일한 화학 조성과 명목 등급을 가진 두 부품이라도 가공 경로가 다르면 경도, 항복강도, 잔류응력 및 미세조직이 크게 달라질 수 있다. 적층 제조된 강의 경우에는 분말 특성, 층별 열 노출, 제작 방향 및 제작 후 처리가 결정적인 요인이 될 수 있다.

용도는 또 다른 분류 축이다. B420은 ISO 6935-1에 따른 철근 등급을 식별하고, SAE 1045는 탄소강 조성 명칭을 식별하며, 오스테나이트계는 스테인리스강의 야금학적 분류를 식별한다. 이러한 명칭들은 서로 대체될 수 없다. ISO/TS 4949는 강의 명칭이 문자와 숫자를 사용하여 용도와 주요 기계적·물리적·화학적 특성을 나타낸다고 설명한다. 따라서 명칭의 의미는 해당 명명 체계 안에서 해석해야 한다.

완전한 명칭과 판을 기록하기

최종 기록에는 대문자 사용, 띄어쓰기, 구두점, 접두사, 접미사, 상태 기호 및 명시된 경우 UNS 또는 국가별 동등 명칭을 포함하여 원문에 적힌 명칭을 정확히 보존해야 한다. SAE 1045, B420 또는 출처 문서에 기재된 정확한 스테인리스강 명칭을 기록하고, 한 체계를 다른 체계로 묵시적으로 변환하지 않는다.

다음으로 완전한 표준 참조 정보와 판을 기록한다. 예를 들면 SAE J403_202402, ISO 6935-1:2005 또는 해당 ASTM 명칭과 개정판이 있다. 표준 번호만으로는 불충분할 수 있다. 조성 한계, 시험 방법, 등급명 및 승인 요건이 변경되기 때문이다. 또한 해당 문서가 제품 표준인지, 용어 표준인지, 조성 표준인지 또는 시험 방법 표준인지도 기록한다.

분류와 함께 증거를 보존한다. 여기에는 히트 또는 로트 번호, 시험편 채취 위치, 시험기관 보고서, 증명서, 제품 치수, 열처리 상태 및 모든 편차가 포함된다. 화학 조성이 SAE 1045에 부합하지만 제품 증명서가 다른 표준을 명시한다면, 하나의 명칭으로 억지로 통합하지 말고 두 사실을 모두 보고한다. 증거가 “저합금, 담금질 및 뜨임 처리 봉강”이라는 수준만 뒷받침한다면, 그 설명을 특정 등급으로 확대해서는 안 된다.

NIST의 2024 표준물질 분류 체계는 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강을 구분한다. 이러한 체계는 문서 정리 및 참고 시스템으로 유용하지만, 분류는 그 축과 출처를 명시할 때에만 의미가 있다는 핵심 원칙을 다시 확인해 준다. 따라서 미지의 강에 대한 완전한 기록은 제품 형태, 적용 표준과 판, 정확한 명칭, 조성 분석 결과, ISO 화학적 등급, 야금학적 등급, 열처리 상태, 의도된 용도 및 신뢰도 또는 해결되지 않은 질문으로 구성될 수 있다. 이러한 기록은 “스테인리스” 또는 “탄소강”처럼 조건 없이 사용한 단일 단어보다 훨씬 유용하다.

일반적인 분류 오류와 편집 규칙

강종 명칭은 하나의 보편적인 계층 체계를 이루지 않는다. 각 명칭은 서로 다른 특징을 설명하며, 하나의 강재가 동시에 여러 가지 타당한 설명에 해당할 수 있다. 어떤 강종은 조성에 따라 저합금강이고, 상온 구조에 따라 페라이트강이며, 용도에 따라 구조용강이고, 분말 베드 융합 후 열처리로 제조된 제품일 수 있다. 이러한 명칭 중 어느 하나도 다른 명칭을 대신하지 않는다.

따라서 이 글에서는 분류의 축을 서로 구분해야 한다. 화학적 분류는 합금 원소 함량을 다룬다. 야금학적 분류는 상, 결정 구조 및 변태 생성물을 다룬다. 적용 분야에 따른 분류는 제품 또는 강종이 어떤 사용 조건을 위해 규정되었는지를 다룬다. 명칭(designation)은 명명 체계 안에서 강종 또는 제품을 식별하는 반면, 규격(specification)은 조성, 특성, 치수, 시험, 제조 또는 납품에 관한 요구사항을 규정한다. 제조 공정 역시 별도의 축이다. 단조, 주조, 압연, 용접, 적층 제조 및 열처리 제품은 공칭 화학 조성이 같더라도 미세조직과 특성이 다를 수 있다.

ISO/DIS 4948-1:2024는 “비합금강, 저합금강 및 고합금강”의 화학 조성에 따른 분류를 제시한다. 같은 문서에서 “미세합금강은 저합금강의 하위 분류”이며, “스테인리스강은 고합금강의 하위 분류”라고 규정한다. 그렇다고 해서 페라이트강, 오스테나이트강, 마르텐사이트강 및 석출경화강이 스테인리스강 아래에 놓이는 연속적인 하위 단계가 되는 것은 아니다. 이들은 화학적 분류와 중첩될 수 있는 구조적 또는 야금학적 그룹이다.

스테인리스강을 하나의 강종으로 취급하는 경우

“스테인리스강”은 완전한 강종명이 아니라 강재군을 나타내는 설명이다. 이는 특정 조건의 수성 환경에서 내식성을 갖도록 조성과 구조가 형성된 강재를 식별하지만, 요구되는 탄소 함량, 질소 함량, 열처리, 기계적 특성, 제품 형태 또는 부식 시험을 명시하지는 않는다. 부품이 “스테인리스강”으로 제작되었다고만 쓰면 재료 명칭이 불완전한 상태로 남는다.

주요 스테인리스강 분류군도 상당히 서로 다르다. 1976년에 발행된 NIST 매뉴얼은 스테인리스강을 “마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 석출경화계 분류군”으로 나눈다. 또한 많은 현대 기술 체계에서는 페라이트상과 오스테나이트상을 함께 갖는 듀플렉스 스테인리스강을 별도의 그룹으로 다룬다. 각 분류군은 변태 거동, 강화 기구, 자기적 응답, 용접성, 인성 및 특정 환경에 대한 내성이 서로 다르다.

위키 문서에서는 강종과 적용되는 규격 체계를 함께 명시해야 한다. 예를 들어 AISI 304는 널리 사용되는 명칭이지만, 압력 용기 및 일반 용도의 크롬계 및 크롬-니켈계 스테인리스강 판, 시트 및 스트립에 관한 제품 규격인 ASTM A240/A240M과 모든 세부 사항에서 동등한 것은 아니다. UNS S30400은 통합 번호 체계(Unified Numbering System)에서 조성 번호를 식별할 뿐이며, 그 자체로 판 두께, 표면 마감, 인장 요구사항, 검사 또는 합격 기준을 규정하지 않는다. X5CrNi18-10은 EN 화학 명칭이므로, 304와 관련된 모든 제품 요구사항을 보편적으로 대체하는 명칭으로 제시해서는 안 된다.

또한 이 글에서는 “316 스테인리스강”을 충분한 공학적 설명으로 취급해서는 안 된다. 출처가 의미하는 것은 UNS S31600, X5CrNiMo17-12-2와 같은 EN 명칭, 또는 특정 ASTM, ASME, EN이나 국가 규격에 의해 관리되는 제품 강종일 수 있다. 이러한 참조는 화학 조성 측면에서는 일치할 수 있지만, 제품 적용 범위와 의무 시험에서는 차이가 날 수 있다. 출처가 “316”이라고만 제시한다면, 글에서도 그 한계를 유지해야 한다. 즉, “출처는 해당 재료를 316 스테인리스강으로 식별한다”고 써야 하며, “해당 부품이 ASTM A240의 요구사항을 충족한다”고 써서는 안 된다.

합금 원소 함량을 성능과 동일시하는 경우

합금 원소는 성능을 보증하지 않는다. 크롬은 적절한 환경에서 수동성 산화크롬 피막의 형성을 촉진하고, 니켈은 오스테나이트 안정성과 기타 특성에 영향을 미치며, 몰리브덴은 일부 국부 부식 기구에 대한 내성을 향상시킬 수 있다. 탄소는 경화능, 탄화물 형성 및 용접성에 영향을 미친다. 그러나 결과는 각 원소의 농도, 원소 간 균형, 불순물, 가공, 표면 상태, 환경 및 사용 온도에 따라 달라진다.

SAE J403_202402는 이 문제의 첫 번째 측면을 보여 준다. 이 규격의 조성 체계는 SAE 탄소강 강종에 대해 탄소, 망가니즈, 인, 황, 구리, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 규소를 제시한다. 나열된 한계값은 화학 조성 범위를 식별할 뿐이며, 추가 정보 없이는 인장 강도, 피로 수명, 충격 인성, 부식 속도 또는 용접 절차를 확정하지 않는다.

조성의 작은 변화도 중요할 수 있지만, 합금 원소를 더 많이 첨가한다고 해서 사용 중 거동이 자동으로 향상되는 것은 아니다. 관련된 화학 조성으로부터 열처리를 통해 페라이트-펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 뜨임 마르텐사이트를 형성할 수 있다. 결정립 크기, 편석, 개재물, 잔류 응력, 표면 상태 및 수소 노출은 결과를 추가로 변화시킬 수 있다. NIST의 적층 제조 검토 자료는 강재 분류를 분말 원료, 공정 경로, 미세조직 및 제조 후 열처리와 연계한다. 이러한 근거는 공칭 화학 조성만으로 완성된 재료를 설명할 수 있다는 편집상의 지름길을 직접적으로 부정한다.

수치 기준값은 특히 신중하게 다뤄야 한다. 인용한 분류 체계가 실제로 해당 값을 명시하지 않는 한, “크롬이 X%를 초과하는 모든 강은 스테인리스강이다”, “합금 원소가 Y%를 초과하면 고합금강이다”, 또는 “탄소가 Z%를 초과하면 공구강이다”와 같은 경계를 임의로 만들어서는 안 된다. ISO/DIS 4948-1은 자체적인 정의와 적용 범위를 제시하며, 교과서, 국가 규격 또는 상업적 명칭은 다른 기준을 사용할 수 있다. 올바른 표현은 “ISO/DIS 4948-1에 따르면 이 강재는 …로 분류된다”라고 쓴 뒤, 해당 분류와 인용 자료를 제시하는 것이다.

적용 분야를 나타내는 명칭도 같은 방식으로 오해를 불러일으킬 수 있다. ISO 6935-1:2005는 B240, B300 및 B420을 포함하여 10개의 일반 철근용 강종을 규정하며, 그중 한 강종은 용접에 적합한 것으로 식별된다. 따라서 “철근용 강”은 규격에 따른 제품 및 적용 분야의 맥락을 설명하는 말이지, 페라이트강, 저합금강 또는 비합금강에 따른 분류를 대체하는 화학적 강재군이 아니다.

명칭과 규격을 혼동하는 경우

명칭은 식별자이다. 규격은 강제력을 갖는 요구사항의 집합이다. 두 가지가 함께 표시될 수는 있지만, 수행하는 역할은 서로 다르다.

ISO/TS 4949:2016은 강의 명칭이 “적용 분야와 주요 기계적, 물리적 또는 화학적 특성을 나타내는 문자와 숫자”를 사용한다고 설명한다. 이러한 명칭은 명명 관례를 통해 선택된 정보를 전달한다. 그러나 제조 또는 검사에 적용되는 모든 요구사항을 반드시 포함하는 것은 아니다. 마찬가지로 EN 구조용강 명칭에서 S355는 해당 두께에서 규정된 항복강도 수준과 기타 명칭 정보를 전달하지만, 완전한 제품 요구사항은 적용되는 제품 규격과 그 판에 의해 정해진다.

편집 문서에는 발행 기관을 명시해야 한다. 발행 기관은 ISO, ASTM International, SAE International, EN/CEN, ASME, 국가 표준화 기관 또는 기타 권한 있는 기관일 수 있다. 예를 들어 ASTM A941은 강, 스테인리스강, 관련 합금 및 철합금에 관한 용어를 통합하지만, ASTM 위원회 A01은 탄소강 및 합금강, 공구강, 내식·내열 합금, 초고강도 합금, 클래드강 및 스테인리스강을 포함하여 훨씬 더 넓은 규격 체계를 다룬다. “ASTM 강”이라는 표현은 강종이 아니다.

규격의 판(edition)은 선택적인 장식이 아니라 인용의 일부이다. 판, 부록 및 반영된 개정판에 따라 요구사항이 변경될 수 있다. 완성된 글에는 가능한 경우 규격 번호, 판 또는 개정판, 발행 기관 및 재료 또는 제품의 적용 범위를 기록해야 한다. 또한 규범적 규격과 설명적 검토 자료를 구분해야 한다. NIST는 분류 관행을 설명하거나 대표적인 UNS 명칭을 제공할 수 있지만, ASTM, ISO, SAE 또는 EN의 제품 규격은 공식적인 요구사항을 부과할 수 있다.

마지막으로, 출처가 명시하지 않은 특성을 추론해서는 안 된다. 강재군의 명칭만으로 특정 환경에서의 내식성이 입증되는 것은 아니다. 조성 명칭만으로 용접성이 입증되는 것도 아니며, 구조용 명칭만으로 피로 성능이 입증되는 것도 아니다. 또한 인용 문서가 특정 경도를 보고하지 않는 한, 열처리 설명만으로 특정 경도를 입증할 수 없다. NIST의 2024년 표준물질 분류인 일반 탄소강, 저합금강, 특수 저합금강, 고합금강, 스테인리스강, 공구강 및 특수강은 실용적인 분류 체계로 유용하지만, 모든 강재 분류를 지배하는 단일 계층 체계가 아니라 표준물질을 정리하기 위한 분류 체계이다.

참고 문헌

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