철을 구성하는 5대 원소에 대해 설명해보세요.

(1) 탄소(C)

강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 오스테나이트에 고용되어 담금질 시 마르텐사이트 조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질 시 변형 가능성을 크게 만든다. 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성, 강도와 경도를 향상시킨다.

(2) 망간(Mn)

강중에는 보통 0.35~1.0%가 함유되어 있다. 그 중 일부는 강속에 고용되어 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를 형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공 시 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 MnS의 형성으로 강속에 있는 황성분이 감소하면서 결정립이 취약해지고 저융점 화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.

강의 내산성과 내산화성을 저해하지만 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화시킴으로써 항복강도를 향상시킨다. 담금질 시 경화 깊이를 증가시키지만 다량 함유 시에는 담금질균열이나 변형을 유발시킨다. 또한 강에 점성을 부여하기 때문에 1.0~1.5%의 망간이 첨가된 강을 강인강이라고 부른다. 특히 1.3% 탄소와 13% 망간이 함유된 오스테나이트강을 헤드필드(Headfield)강이라고 부른다.

(3) 황(S)

보통 망간, 아연, 티타늄, 몰리브덴 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며 망간과 결함하여 MnS개재물을 형성한다. 강 중에 망간의 양이 충분하지 못할 경우 철과 결합하여 FeS를 형성한다.

이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간 가공 시에 균열을 일으킨다. 따라서 이러한 FeS개재물 형성을 피하기 위해 망간과 황의 비는 5대 1로 하고 있다.

(4) 인(P)

강중에 균일하게 분포되어 있으면 큰 문제가 되지 않지만 보통 Fe₃P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 Fe₃P는 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림 처리를 해도 균질화되지 않고 단조, 압연 등 가공 시 길게 늘어난다. 충격저항을 저하시키고 뜨임취성을 촉진하며 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키지만 일반적으로 강에 해로운 원소로 취급된다.

(5) 규소(Si)

선철과 탈산제에서 잔류된 것으로 SiO₂와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트 속에 고용되므로 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는다. 또한 강력한 탈산제로써 4.5%까지 첨가하면 강도가 향상되지만 2% 이상 첨가 시는 인성이 저하되고 소성가공성을 해치기 때문에 첨가량에 한계가 있다. 뜨임 시 연화 저항성을 증대시키는 효과도 있다.