용접강 101: 저탄소강은 용접이 가능하지만 고탄소강은 용접이 불가능한 이유는?

화학 성분에 따라 강철은 탄소강과 합금강의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

탄소강은 다시 다음과 같이 분류됩니다:

(i) 저탄소강: 탄소 함량 <0.25%
(ii) 중탄소강: 탄소 함량 0.25 - 0.60%
(iii) 고탄소강: 탄소 함량 > 0.60%

연강이라고도 불리는 저탄소강은 탄소 함유량이 0.25% 미만입니다. 상대적으로 낮은 강도, 경도 및 연성이 특징입니다. 이 범주에는 대부분의 일반 탄소 구조용 강재와 일부 고품질 탄소 구조용 강재가 포함됩니다. 연강은 일반적으로 열처리가 필요하지 않은 엔지니어링 구조 부품과 내마모성이 필요한 기계 부품에 사용되며 침탄 또는 기타 표면 경화 처리를 통해 얻을 수 있습니다.

탄소 함량이 0.25%~0.60%인 중탄소강은 열간 가공 및 가공성이 우수하지만 용접성이 떨어집니다. 저탄소강에 비해 강도와 경도는 높지만 가소성과 인성은 낮습니다. 중탄소강은 냉간 압연 또는 냉간 인발 형태로 바로 사용하거나 추가 가공 없이 열처리 후 사용할 수 있습니다.

중탄소강은 적절히 담금질하고 템퍼링하면 전반적인 기계적 특성이 우수합니다. 최대 경도는 약 HRC55(HB538에 해당)이고 인장 강도는 600~1100MPa에 달합니다. 이러한 특성으로 인해 중탄소강은 중간 강도의 소재 중에서 가장 널리 사용되는 소재입니다. 건축 및 다양한 기계 부품의 제작에 광범위하게 사용됩니다.

탄소 함유량이 0.60%~1.70%인 고탄소강은 공구강이라고도 합니다. 담금질 및 템퍼링에 적합하지만 용접성이 떨어집니다. 탄소 함량은 특정 용도에 맞게 조정됩니다:

• 0.75% 탄소강: 망치나 지렛대 같은 충격용 도구에 사용됨
• 0.90% ~ 1.00% 탄소강: 드릴, 탭, 리머와 같은 절삭 공구에 사용됨

각 탄소강 등급은 고유한 특성을 제공하며 강도, 경도, 연성 및 가공성과 같은 요소의 균형을 맞추고 용도의 특정 요구 사항에 따라 선택됩니다.

비교 용접 속성 저탄소강과 고탄소강의 비율

저탄소강과 고탄소강의 용접 특성 비교

강철의 용접성은 주로 화학 성분에 의해 결정되며, 탄소 함량이 가장 중요한 요소입니다. 다른 합금 원소도 용접성에 영향을 줄 수 있지만 일반적으로 탄소와 비교하면 그 영향은 크지 않습니다.

저탄소강(일반적으로 0.25% C 미만)은 용접성이 뛰어나며 특별한 예방 조치가 필요하지 않은 경우가 많습니다. 그러나 저온 환경, 두꺼운 판재 또는 고성능 애플리케이션에서 용접할 때는 기본 전극을 사용하고 예열이 필요할 수 있습니다. 탄소 및 황 함량이 저탄소 강재의 상한에 가까워지면 열 균열을 방지하기 위해 추가 조치를 취해야 합니다. 여기에는 고품질 저수소 용접 소모품 사용, 용접 전/후 열처리 적용, 접합부 설계 최적화 등이 포함됩니다.

중탄소강(0.25~0.60% C)은 특히 탄소 함량이 증가할수록 용접으로 인한 균열에 더 취약합니다. 이는 열 영향 영역(HAZ)의 경화성이 높아져 냉간 균열의 위험이 높아지고 전반적인 용접성이 감소하기 때문입니다. 또한 용접 금속의 탄소 함량은 모재에 비례하여 증가하여 균열 위험을 더욱 악화시킵니다.

중탄소강에 유황이 존재하면 용접 시 고온 균열이 발생할 가능성이 크게 높아질 수 있습니다. 이러한 위험을 완화하려면 균열 저항 특성이 우수한 기본 전극을 선택하는 것이 중요합니다. 또한 적절한 용접 전후 열처리를 실시하면 열 응력과 미세 구조 변화를 관리하여 균열 경향을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

고탄소강(>0.60% C)은 탄소 함량이 높기 때문에 용접 특성이 가장 까다롭습니다. 이로 인해 용접 응력이 높고 HAZ에서 고온 및 저온 균열의 위험이 크게 증가합니다. 고탄소강 용접부는 중탄소강에 비해 특히 열간 균열이 발생하기 쉽습니다. 따라서 고탄소강은 일반 용접 제작에는 거의 사용되지 않으며 주로 수리 용접이나 내마모성 부품의 하드페이싱과 같은 특수 용도로 제한됩니다.

용접 후 열처리, 특히 템퍼링은 모든 탄소강 용접, 특히 중탄소강 및 고탄소강 용접에 필수적입니다. 이 공정은 잔류 응력을 완화하고 미세 구조를 안정화하며 지연 균열의 위험을 크게 줄이는 역할을 합니다. 적절한 템퍼링은 용접 조인트의 기계적 특성, 인성 및 전반적인 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

탄소강 용접 시 최적의 결과를 보장하려면 예열 및 인터패스 온도, 열 입력 제어, 적절한 용가재 선택, 용접 후 열처리 파라미터와 같은 요소를 고려하는 것이 중요합니다. 이러한 변수는 원하는 기계적 특성을 가진 고품질의 결함 없는 용접을 달성하기 위해 특정 탄소 함량 및 적용 요건에 맞게 신중하게 조정되어야 합니다.