특수강

요약 탄소량이 많은 특수 용도의 고탄소강과 탄소 이외에 합금원소를 첨가하여 강의 특성을 개량한 합금강을 합친 것이다. 보통강에 대응한 말이다. 현재 쓰이는 특수강은 탄소 이외에 첨가한 합금원소의 이름을 앞에 붙여서 니켈강·크로뮴강 등이라고 하지만, 용도에 따라 나누면 구조용·내식내열용·공구용과 기타의 특수 용도용이 된다.

이나 영구자석 합금처럼 탄소를 불순물 취급하는 것은 본래는 강이 아니지만, 이들도 철이 바탕일 때에는 특수강에 포함시키는 경우도 있다. 현재 쓰이는 특수강은 탄소 이외에 첨가한 합금원소의 이름을 앞에 붙여서 강·강 등이라고 하지만 용도에 따라 크게 나누면 구조용·내식내열용·공구용과 기타의 특수 용도용이 된다.

⑴ 구조용 특수강:합금원소의 양은 α철에 용해될 정도이며, 약간 여분의 것은 탄화물을 만들어 철의 탄화물 와 공존한다. 철에 있는 γ-α의 변태가 합금원소가 들어감으로써 일어나기 어렵게 되므로 경화가 잘 되며, 담금질·뜨임의 처리에 의하여 보통강보다 강하고 점성이 크다. 이런 것들이 구조용으로 쓰인다. 주가 되는 것은 5% 이하의 니켈을 첨가한 니켈강, 2% 이하의 크로뮴을 첨가해서 내마모성을 갖게 한 크로뮴강, 이 양쪽 특색을 모두 살리기 위해 니켈·크로뮴을 배합하여 니켈에 의해 α철의 바탕을 강화하고 크로뮴에 의해 탄화물을 강화시킨 니켈-크로뮴강, 크로뮴강에 0.5% 이하의 을 첨가해서 자동차·기계부품에 적합하게 개량한 크로뮴-몰리브데넘강, 이것에 다시 니켈도 첨가해서 더욱 개량한 니켈-크로뮴-몰리브데넘강, 크로뮴강에 0.1~0.2%의 을 첨가해서 개량한 크로뮴-바나듐강, 이와는 전혀 다른 계통으로 망가니즈를 많이 첨가하여 철의 고온에서 안정된 γ상을 실온까지 안정하게 하여 내마모성이 좋은 것을 이용해서 크러셔의 이(齒), 철도 레일의 포인트, 철도차량의 타이어 등에 쓰이는 망가니즈강(10~14% 망가니즈) 등이 있다. 이들에 대하여 극소량의 붕소를 강에 첨가하면 γ-α의 변태가 대단히 효과적으로 저지되어, 값비싼 합금원소를 첨가하지 않아도 경화가 잘된다는 것이 1940년대 후반 미국에서 발견되어 붕소강 또는 붕소합강철이라 하고 있다. 첨가하는 붕소의 양은 불과 0.002% 정도이지만, 이것으로 담금질성에 대한 효과는 니켈의 2%, 크로뮴의 0.5%, 몰리브데넘의 0.35%, 망가니즈의 0.3%와 비슷하다. 용도별·특성별로 세분해 보면, ① 저합금고장력강(주로 용접용), ② 표면경화강·침탄강·질화강·고주파 또는 화염담금질강, ③ (조질강, 주로 기계구조용), ④ (판스프링, 코일스프링, 기타 각종 스프링강), ⑤ , ⑥ 쾌삭강(기계절삭이 용이하여 자동선반에 걸어 다량생산에 적당한 것), ⑦ 초강인강(항공기처럼 강도·중량이 중요한 요소가 되는 기계부품에 사용되는 강) 등이 있다. 보통의 강인강은 담금질 후 550~6,500℃로 뜨임해서 인장강도 90~120kg/mm² 정도에 사용되지만, 초강인강은 비교적 저온으로 뜨임하여 160∼240kg/mm² 정도의 고항장력을 가지면서도 인성을 가진 강이다. 이에는 저합금계 초강인강(니켈-크로뮴-몰리브데넘강), 열간공구강계 초강인강(5크로뮴-1.5몰리브데넘-0.4바나듐강), 마레이징강(18니켈-8코발트-5몰리브데넘강), 형 스테인리스강(17크로뮴-7니켈강) 등이 있다.

⑵ 내식내열용 특수강:1913년 브레얼리가 크로뮴을 첨가해서 강의 큰 결점이었던 녹이 스는 성질을 크게 개선하여, 오늘날 스테인리스강의 실마리를 연 이래, 각종 스테인리스강이 만들어졌다. 저명한 것은 13% 크로뮴의 13크로뮴스테인리스강과, 크로뮴 18%, 니켈 8%를 주성분으로 하는 18-8스테인리스강이 있다. 13크로뮴스테인리스강은 α철로서 강자성이 있고, 18-8스테인리스강은 γ철로서 자성이 없다. 내식재료에서 출발해서 제트엔진이 발달됨에 따라 내열재료로서 크로뮴의 양을 많게 한 계의 내열합금과, 니켈·크로뮴의 양을 함께 증가시키고, 필요에 따라 몰리브데넘 기타를 첨가해서 (γ철)를 강화한 계통의 내열합금이 있다. 페라이트계에는 27크로뮴, 오스테나이트계에는 25-20(25% 크로뮴, 20% 니켈)이나 16-25-61(6% 크로뮴, 25% 니켈, 6% 몰리브데넘)이 있다. 내식강(스테인리스강)·내열강·내열초합금(super-alloy)으로 분류된다.

⑶ 공구용 특수강:텅스텐을 첨가해서 강의 담금질로 얻어지는 경도의 주요 원인인 의 조직을 안정하게 한 텅스텐강이 예로부터 쓰이는데, 용도에 따라 텅스텐의 양을 가감해서 사용한다. 예를 들면, 끝에서는 2%까지, 고온다이용은 수 %이다. 그 후 고속도로 절삭해도 그때의 발열로 담금질 경도가 상실되지 않는 공구용 강재로서 텅스텐 18%, 크로뮴 4%, 바나듐 1%를 표준성분으로 하는 고속도강(하이스)이 20세기 초에 만들어져서 널리 쓰인다. 공구용 탄소강, 특수공구강(저합금강), 고속도강, 다이강, 단조용형강 등으로 구분된다.

⑷ 기타 특수용도용 특수강:고크로뮴·니켈에 다시 코발트를 첨가한 리프랙탈로이 등의 내열합금, 변압기의 철심판에 사용되는 규소강(강이라고 하지만 탄소는 불순물로 취급되고, 규소를 4% 이하로 첨가한 α철을 사용한다)과 각종의 영구자석 합금이 포함된다. 영구자석용으로 예전에는 강도 쓰였으나, 최근의 강력자석 합금에서는 탄소를 불순물로 취급하고, 합금원소인 니켈·알루미늄·코발트·타이타늄 등에 의한 석출경화를 이용한다. 또한 열팽창계수가 극히 작은 합금 앰버(철-니겔합금)도 있다.

앞에서의 분류와 다르게 그 조직에 따라서 분류하면 ① 페라이트강(철):A₁, A₃ 등의 변태점을 갖지 않으며, 실온에서나 고온에서도 기질(基質)의 원자배열이 체심입방격자인 것[예:규소강·25크로뮴강·MK강(철-니켈-알루미늄합금) 등]. ② ·마텐자이트강:A₁, A₃ 변태점을 가지며, 기질의 원자배열은 상온에서 체심입방격자가 되고, 탄화물 입자가 이 사이에 분산되어 있는 것(예:강인강·공구강·13크로뮴강 등). ③ 오스테나이트강:A₁, A₃ 등의 변태점이 없으며, 실온에서나 고온에서도 기질의 원자배열이 면심입방격자인 것(예:고망가니즈강·18-8스테인리스강·기타의 고크로뮴 니켈스테인리스강 등) 등이 있다.