탄소강 종류별 특성과 용도

Senior Engineer’s Confession

신입 시절, 저는 겉보기에 비슷해 보이는 모든 강재를 같은 방식으로 취급하는 큰 실수를 저질렀습니다. 특히, 저렴하고 용접이 쉬운 SS275를 강도와 내마모성이 필요한 샤프트 부품에 적용했다가 결국 현장에서 조기에 피로 파괴를 겪는 바람에 큰 손해를 입혔죠. 그제서야 저는 ‘탄소 함량 0.1% 차이가 부품의 운명을 결정한다’는 것을 깨달았습니다. 탄소강을 제대로 이해하는 것은 설계자의 기본 양심입니다.

이번 글에서는 가장 흔하게 쓰이는 탄소강의 종류별 특성과 용도를 정리하여, 여러분이 저와 같은 실수를 반복하지 않도록 실무적인 관점에서 핵심만 짚어보겠습니다.

FAQ: 탄소강 종류별 특성 및 용도 해설

Q1. 구조용 SS, 기계 구조용 SM, 그리고 SM45C의 근본적인 차이는 무엇인가요?

A. 탄소강을 구분하는 가장 핵심적인 기준은 바로 ‘탄소(C) 함량’입니다. 탄소 함량이 높아질수록 강도와 경도는 높아지지만, 연성과 용접성은 떨어집니다. KS 규격 기준으로 살펴보겠습니다.

분류 (KS 코드)	탄소 함량 (대략)	핵심 특성	대표 용도
저탄소강 (SS275)	0.25% 이하	우수한 용접성, 낮은 강도, 연성 높음	일반 구조물, 용접 부재, 건축 자재 (KS D 3503)
중탄소강 (SM45C)	0.25% ~ 0.6%	양호한 강도, 열처리 가능, 용접성 낮음	샤프트, 기어, 크랭크, 금형 부품
고탄소강 (S60C 이상)	0.6% 초과	매우 높은 강도/경도, 취성 높음, 가공 어려움	스프링, 고경도 공구, 레일

📘Core Concept

SS275는 인장강도 275 N/mm²를 보증하는 일반 구조용 강재이며, SM45C는 탄소 함량이 약 0.45%인 기계 구조용 탄소강입니다. SM은 주로 강도와 마모 저항성이 필요할 때 사용되며, 적절한 열처리가 동반될 때 제 성능을 발휘합니다.

Q2. 중탄소강 (SM45C 등)을 가공만 하고 열처리 없이 사용하면 어떤 문제가 발생하나요?

A. 중탄소강은 ‘기계 구조용 탄소강’으로 분류되며, 설계자가 요구하는 최종 강도와 경도를 얻기 위해서는 반드시 열처리 과정(퀜칭 및 템퍼링)이 필요합니다. 공장에서 출하된 상태(단조 혹은 노멀라이징)의 SM45C는 충분한 강도를 가지고 있지 않을 수 있습니다.

특히 SM45C를 베어링 축이나 고하중 기어에 열처리 없이 사용하면, 재료가 충분히 단단하지 못하여 표면 마모가 빠르게 진행되거나, 국부적인 응력 집중 부위에서 예상보다 훨씬 낮은 하중에서 피로 파괴가 발생합니다. 재료의 취성이 높지 않더라도, 요구 강도에 도달하지 못하면 부품 수명이 급격히 줄어듭니다.

⚠️Caution

강재 코드를 볼 때, 단순하게 인장강도만 보고 결정해서는 안 됩니다. SS275는 인장강도를 보증하지만 항복점이 낮습니다. 반면, SM45C는 열처리 전에는 강도가 낮더라도 열처리를 통해 극대화될 잠재력(경화능)을 가지고 있습니다. 샤프트나 고정밀 부품에는 반드시 SM 계열을 선택하고 요구하는 열처리 조건을 도면에 명시해야 합니다.

Q3. 특수 환경에 적용하기 위해 탄소강 선택 시 탄소 함량 외에 무엇을 고려해야 하나요?

A. 탄소강은 탄소 외에도 망간, 실리콘, 인(P), 황(S) 등의 미량 원소를 포함합니다. 이 중 망간과 실리콘은 강도를 높이거나 탈산제로 작용하지만, 특히 망간은 경화능에 큰 영향을 미칩니다.

경화능이란 강재가 내부까지 충분히 경화될 수 있는 능력을 말합니다. 부품의 단면이 크거나 깊숙한 부분까지 높은 경도를 요구할 경우, 단순히 탄소 함량만 높은 강재(예: S60C)를 쓰는 것보다 망간이나 크롬, 몰리브덴 등이 소량 첨가된 합금강에 가까운 SM 계열을 고려해야 합니다. 대형 부품의 경우 내부와 외부의 경도 차이가 발생하면 치수 불안정성이나 응력 집중을 유발할 수 있습니다.

💡Field Tip

용접이 매우 중요하고 강도는 보통 수준이어도 되는 구조물에는 KS D 3515에 해당하는 SM400A 또는 SM490A 계열을 선택하는 것이 좋습니다. 이들은 일반 구조용 강재보다 용접성이 개선된 강재입니다. 반면, 기계적인 움직임이 많은 부품이나 동력 전달 부품에는 안전율 확보를 위해 SM45C 또는 필요에 따라 합금강(SCM, SNCM 등)으로 넘어가야 합니다.

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📝 마치며

탄소강의 종류를 선택하는 것은 재료비와 제조 공정, 그리고 부품의 수명까지 결정하는 매우 중요한 단계입니다. 저탄소강은 용접 구조물에, 중탄소강은 열처리를 통해 고강도를 얻는 기계 부품에 적합하며, 고탄소강은 높은 경도가 요구되는 특수 공구에 사용됩니다. 강재를 선택하기 전에 ‘탄소 함량’이 그 부품에 필요한 핵심 특성(강도, 연성, 용접성)을 충족하는지 반드시 확인하시길 바랍니다.