금형재료에서 대부분을 차지하는 것이 탄소를 함유한 철강기반 소재이다. 철의 평형상태도(Fe-Fe3C phase diagram)는 탄소함유량에 따라 용융상태로부터 상온에 이르기까지의 응고과정에서 일어나는 조직상태의 변화를 그림으로 나타낸 것이다.
평형상태도
가로축은 탄소 조성(%), 세로축은 온도(℃)를 나타내며 특정한 온도와 탄소함량에서의 안전한 상(相)을 경계선으로 구분하여 보여준다. 상(相)이라는 것은 물리적, 화학적 그리고 결정학적으로 균일한 부분을 말한다. 탄소 조성은 중량비율(wt%)과 원자비율(at%)이 있는데 보통 중량비율을 사용하고 있다. Fe-Fe3C 평형상태도를 이해하면 상황에 따른 조직상태의 확인이 가능하다. 순철(탄소함유량 0~0.025%)은 910℃ 이하에서 체심입방격자이고, 910℃부터 1390℃ 사이에서는 면심입방격자이다. 여기에 탄소원자가 함유되면 변태온도가 낮아지고, 변태발생이 단일온도가 아닌 어느 온도범위에 걸쳐 일어난다. 평형상태도는 이 관계를 표시한 그림이다.
강의 조직
온도와 탄소 조성에 따라 평형상태도에 존재하는 강의 상(相)은 5가지 종류가 존재한다.
오스테나이트
첫째, 오스테나이트(austenite)는 감마철(γ철)에 탄소가 고용되어 있는 FCC(면심입방격자, Face Centered Cubic) 결정구조의 고용체이다. 평형상태도를 보면 탄소고용도는 1148℃에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라 감소하여 723℃에서 0.8%가 된다. 오스테나이트는 상자성체로 인성이 크다. HB는 155이다.
페라이트
둘째, 페라이트(ferrite)는 알파철(α철)에 탄소가 고용되어 있는 BCC(체심입방격자, Body Centered Cubic) 결정구조의 고용체이다. 페라이트의 최대탄소고용도는 723℃에서 0.02%로 매우 적다. 온도가 내려감에 따라 탄소고용도는 감소하여 0℃에서 약 0.008% 정도가 된다. 강자성체로 극히 연하고 전성과 연성이 크다. HB는 90이다.
시멘타이트
셋째, 시멘타이트(cementite, Fe3C)는 고용체가 아닌 금속간화합물(철탄화물)로 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 경도가 매우 크고 충격에 취약한 특성을 보인다. 강자성체로 HB는 820이다. 탄소는 철과 화합할 때 강의 경우에는 시멘타이트 형태로 존재하지만, 주철에서는 흑연과 시멘타이트 두 가지 형태로 나타난다. 탄소(C)는 철(Fe) 원소와 반응해 시멘타이트 탄화물을 형성하면서 철의 강도를 크게 향상시킨다.
펄라이트
넷째, 펄라이트(pearlite)는 페라이트와 시멘타이트가 서로 번갈아 나타나면서 층을 이루는 조직이다. 강도가 크고 어느 정도 연성이 있다. HB는 225이다.
레데뷰라이트
레데뷰라이트(ledeburite)는 오스테나이트와 시멘타이트 결정이 함께 나타나는 조직이다.
변태점
평형상태도에는 3가지의 대표적인 변태점이 나타나 있다.
| 구분 | 탄소 함유량 | 온도 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 포정점 包晶點 Peritectic point | 0.18% | 1,490℃ | 포정이란 원래의 결정이 다른 결정으로 둘러싸이는 현상으로 외부에서 일어나는 반응이 방해를 받아 결정 내부까지 영향을 미치지 않는다. 포정점에서 액체 상태의 페라이트로부터 오스테나이트가 나오기 시작한다. |
| 공석점 共析點 Eutectoid point | 0.8% | 723℃ | 공석이란 고용체가 냉각할 때 일정 온도에서 동시에 다른 2종 또는 그 이상의 고체로 변화한 것을 말한다. 공석은 공정의 역반응으로써 고상에서 2개 조직이 형성된다. 이 지점에서 오스테나이트로부터 펄라이트가 석출되어 나오기 시작한다. 공석은 펄라이트의 생성원리이다. 공석점은 A1 변태점이다. |
| 공정점 共晶點 Eutectic point | 4.4% | 1,130℃ | 서로 다른 두 가지 물질의 고용체에서는 농도가 진할수록 동결온도는 낮아진다. 일정한 한계의 농도에서는 동결온도가 더 이상 낮아지지 않는데 이 지점을 공정점이라고 한다. 이 지점에서 액체상태에서 레데뷰라이트 결정체가 나오기 시작한다. 공정은 레데뷰라이트의 생성원리이다. |
강의 변태
탄소원자는 철원자보다 크기가 작으므로 침입형자리(interstitial site)에 위치하게 된다. 탄소원자 크기는 0.77Å이다. 페라이트 구조의 침입형자리 크기는 0.35Å이고, 오스테나이트 구조의 침입형자리 크기는 0.51Å이다. 0.77Å 반경 크기의 탄소원자가 비좁은 침입형자리에 들어가는 과정에서 격자변형을 일으키게 된다. 탄소원자가 침입형자리에 들어가면 페라이트보다 오스테나이트에 더 많은 양이 고용 가능한데 이 차이가 탄소강 열처리경화에 중요한 근거가 되는 것이다. 탄소원자가 침입하는 동소변태(同素變態)는 원자배열의 변화가 생기므로 상당한 시간을 필요로 한다. 이에 비해 자기변태(磁氣變態)는 원자배열 변화가 없으므로 가열 냉각시 온도변화가 없다. 강은 원래 강자성체인데 가열하면 자성이 점점 약해져서 770℃ 부근에서는 상자성체가 된다. 탄소강은 탄소함유량에 따라 3종류로 분류하며 서로 다른 상(相)으로 구성되어 있다.
| 구분 | 탄소 함유량 | 상(相) |
|---|---|---|
| 아공석강 | 0.2~0.8% | 페라이트+펄라이트 |
| 공석강 | 0.8% | 펄라이트 |
| 과공석강 | 0.8~2.0% | 펄라이트+시멘타이트 |