1. 철강 재료의 기본 개념

철강 재료는 기계설계에서 가장 널리 사용되는 재료군이다.
기계의 프레임, 베이스, 축, 기어, 핀, 브라켓, 칼날, 금형, 마모 부품 등 대부분의 핵심 부품에 사용된다.

철강 재료가 널리 사용되는 이유는 다음과 같다.

• 가격 대비 강도가 우수하다.

• 절삭, 용접, 절곡, 열처리 등 다양한 가공이 가능하다.

• 표준 규격과 공급망이 잘 갖추어져 있다.

• 강도, 경도, 인성, 내마모성 등을 열처리로 조정할 수 있다.

• 표면처리와 조합하여 내식성, 내마모성, 피로강도를 개선할 수 있다.

그러나 모든 철강 재료가 같은 용도로 사용되는 것은 아니다.
기계설계에서는 부품의 역할, 하중, 마찰 조건, 가공 방법, 열처리 여부, 비용을 기준으로 적절한 철강 재료를 선택해야 한다.

2. 철강 재료의 큰 분류

기계설계에서 자주 사용되는 철강 재료는 크게 다음과 같이 구분할 수 있다.

1. 일반구조용강
   프레임, 베이스, 브라켓, 용접 구조물 등 일반 구조부에 사용된다.

2. 탄소강
   축, 핀, 롤러, 캠, 일반 기계요소 부품 등에 사용된다.

3. 합금강
   고하중 축, 기어, 스핀들, 동력전달 부품, 고강도 체결부품 등에 사용된다.

4. 공구강
   칼날, 금형, 펀치, 다이, 마모 플레이트, 고경도 부품 등에 사용된다.

이 네 가지는 모두 철을 기반으로 하지만, 탄소 함량, 합금 원소, 열처리 가능성, 강도와 경도 수준, 적용 부품이 서로 다르다.

3. 일반구조용강

3.1 일반구조용강의 정의

일반구조용강은 특별한 고강도나 고경도 특성보다는 구조물 제작에 필요한 기본 강도, 용접성, 절곡성, 가공성, 경제성을 중시하는 강재이다.

기계설계에서는 프레임, 베이스, 브라켓, 지지대, 용접 구조물과 같이 전체 구조를 지지하는 부품에 많이 사용된다.

대표적인 재료는 다음과 같다.

• SS400

• S235

• S275

• S355

• ASTM A36

• SM400

• SM490

3.2 일반구조용강의 주요 특징

일반구조용강의 가장 큰 장점은 가격 대비 구조 성능이 좋다는 점이다.

주요 특징은 다음과 같다.

• 재료 가격이 비교적 저렴하다.

• 판재, 형강, 환봉, 각재 등 다양한 형상으로 공급된다.

• 절단, 용접, 절곡, 드릴링, 밀링 가공이 쉽다.

• 용접 구조물 제작에 적합하다.

• 대형 프레임이나 베이스 제작에 유리하다.

• 열처리로 높은 경도를 얻기에는 적합하지 않다.

• 부식에 약하므로 도장, 도금, 방청 처리가 필요하다.

일반구조용강은 “고성능 재료”라기보다는 “기계 구조를 경제적으로 구성하기 위한 기본 재료”라고 이해하는 것이 좋다.

3.3 대표 재료별 특성

3.3.1 SS400

SS400은 한국과 일본의 기계설계 현장에서 매우 흔하게 사용되는 일반구조용강이다.

주요 특징:

• 가격이 저렴하다.

• 공급이 쉽다.

• 용접성이 좋다.

• 절삭 가공이 쉽다.

• 일반 프레임, 브라켓, 베이스 제작에 적합하다.

주요 용도:

• 기계 프레임

• 용접 베이스

• 일반 브라켓

• 커버 지지대

• 장비 받침대

• 비정밀 구조 부품

설계 시 주의점:

• 강도 기준이 엄격한 부품에는 별도 검토가 필요하다.

• 고하중 축, 기어, 핀에는 적합하지 않다.

• 부식 환경에서는 반드시 표면처리가 필요하다.

• 식품기계의 식품 접촉부에는 사용하지 않는 것이 일반적이다.

3.3.2 S355 / SM490 계열

S355 또는 SM490 계열은 SS400보다 높은 강도를 요구하는 구조물에 사용된다.

주요 특징:

• SS400보다 항복강도가 높다.

• 대형 구조물, 중하중 프레임에 적합하다.

• 용접 구조물에 사용 가능하다.

• 프레임의 두께를 줄이거나 강성을 확보하는 데 유리하다.

주요 용도:

• 중하중 기계 프레임

• 대형 베이스

• 리프팅 장치 구조부

• 하중을 많이 받는 브라켓

• 산업 설비 구조물

설계 시 주의점:

• 용접 조건과 용접 후 변형을 고려해야 한다.

• 두께가 증가하면 용접부 품질 관리가 중요해진다.

• 가공성과 비용은 SS400보다 다소 불리할 수 있다.

3.4 일반구조용강의 주요 적용 부품

일반구조용강은 다음과 같은 부품에 적합하다.

프레임

기계 전체의 골격을 구성하는 부품이다.
하중을 넓은 면적에 분산시키고, 각 모듈을 고정하는 역할을 한다.

적용 재료:

• SS400

• S355

• SM490

적용 이유:

• 용접성이 좋다.

• 재료비가 낮다.

• 큰 구조물을 경제적으로 제작할 수 있다.

• 후가공과 도장이 쉽다.

베이스 플레이트

장비를 지지하고 모터, 감속기, 베어링 유닛, 가이드 등을 고정하는 기초 부품이다.

적용 재료:

• SS400

• S355

적용 이유:

• 두꺼운 판재 공급이 쉽다.

• 밀링, 드릴링, 탭 가공이 가능하다.

• 비용 대비 강성이 좋다.

주의점:

• 정밀도가 필요한 경우 용접 후 응력 제거와 면가공이 필요하다.

• 도장 전 녹 제거와 표면 준비가 중요하다.

브라켓

센서, 커버, 모터, 실린더, 가이드 등을 고정하는 부품이다.

적용 재료:

• SS400

• SPHC

• S45C

• STS304

일반구조용강을 사용하는 경우:

• 하중이 크지 않은 일반 고정용 브라켓

• 도장 가능한 비식품 접촉부

• 비용을 줄여야 하는 구조 부품

주의점:

• 식품기계에서 세척수에 노출되는 위치라면 STS304를 우선 검토한다.

• 얇은 판금 브라켓은 절곡 강성을 고려해야 한다.

3.5 일반구조용강의 장점과 한계

장점:

• 저렴하다.

• 공급이 쉽다.

• 용접성이 좋다.

• 대형 구조물 제작에 유리하다.

• 가공과 수정이 쉽다.

• 도장, 도금 등 표면처리 적용이 쉽다.

한계:

• 내식성이 낮다.

• 열처리로 높은 경도를 얻기 어렵다.

• 고정밀, 고마모, 고하중 기계요소에는 부적합하다.

• 표면처리가 손상되면 녹이 발생한다.

• 위생성이 중요한 식품 접촉부에는 적합하지 않다.

4. 탄소강

4.1 탄소강의 정의

탄소강은 철과 탄소를 주성분으로 하는 강재이다.
일반구조용강보다 기계 부품으로서의 강도와 열처리 가능성이 중요하게 다루어진다.

탄소 함량에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

• 저탄소강

• 중탄소강

• 고탄소강

기계설계에서 가장 많이 사용되는 것은 중탄소강 계열이며, 대표적으로 S45C가 있다.

4.2 탄소강의 주요 특징

탄소강은 구조용강보다 강도와 경도를 확보하기 쉽고, 열처리를 통해 기계적 성질을 조정할 수 있다.

주요 특징:

• 일반구조용강보다 강도가 높다.

• 열처리를 통해 경도와 내마모성을 높일 수 있다.

• 축, 핀, 롤러, 캠 등 기계요소 부품에 적합하다.

• 절삭 가공성이 비교적 좋다.

• 합금강보다는 가격이 낮다.

• 내식성은 낮다.

• 용접성은 탄소 함량이 높아질수록 나빠진다.

4.3 대표 탄소강 재료

4.3.1 S45C

S45C는 기계설계에서 가장 널리 사용되는 중탄소강이다.
일반 구조부보다 조금 더 높은 강도와 내마모성이 필요한 부품에 사용된다.

주요 특징:

• 강도와 가공성의 균형이 좋다.

• 열처리 후 경도 향상이 가능하다.

• 축, 핀, 롤러, 캠 등에 적합하다.

• 공급이 쉽고 가격도 비교적 합리적이다.

주요 용도:

• 일반 샤프트

• 핀

• 롤러

• 스페이서

• 캠

• 기어 소재

• 지그 부품

• 회전 부품

• 기계 가공 부품

설계 시 주의점:

• 부식 환경에서는 표면처리가 필요하다.

• 고하중 기어에는 SCM 계열 합금강이 더 적합할 수 있다.

• 용접 구조물에는 적합하지 않은 경우가 많다.

• 열처리 후 변형이 발생할 수 있다.

• 정밀 부품은 열처리 후 연삭 가공을 고려해야 한다.

4.3.2 S50C

S50C는 S45C보다 탄소 함량이 약간 높아 더 높은 경도와 강도를 기대할 수 있는 재료이다.

주요 특징:

• S45C보다 경도 확보가 유리하다.

• 열처리 후 내마모성이 향상된다.

• 금형 베이스, 플레이트, 기계 부품에 사용된다.

주요 용도:

• 플레이트

• 금형 베이스

• 마모가 있는 기계 부품

• 고강도 지그

• 캠 부품

설계 시 주의점:

• S45C보다 가공성과 용접성이 다소 불리하다.

• 열처리 변형을 고려해야 한다.

• 충격이 큰 부품에서는 인성 검토가 필요하다.

4.4 탄소강의 열처리

탄소강은 열처리를 통해 성능을 조정할 수 있다.
기계설계에서 주로 고려하는 열처리는 다음과 같다.

담금질

재료를 고온으로 가열한 뒤 급랭하여 경도를 높이는 처리이다.

목적:

• 경도 향상

• 내마모성 향상

• 표면 손상 저항성 향상

주의점:

• 변형과 균열이 발생할 수 있다.

• 후속 뜨임 처리가 필요하다.

• 정밀 부품은 열처리 후 연삭이 필요할 수 있다.

뜨임

담금질 후 재료의 취성을 줄이고 인성을 회복하기 위한 처리이다.

목적:

• 취성 감소

• 인성 향상

• 내부 응력 완화

• 기계적 성질 안정화

주의점:

• 뜨임 온도에 따라 경도와 인성의 균형이 달라진다.

• 너무 높은 온도에서 뜨임하면 경도가 낮아질 수 있다.

고주파 열처리

표면만 빠르게 가열하고 냉각하여 표면 경도를 높이는 처리이다.

목적:

• 표면 내마모성 향상

• 내부 인성 유지

• 축, 핀, 롤러 표면 강화

주요 적용 부품:

• 샤프트

• 핀

• 롤러

• 캠

• 슬라이딩 접촉부

주의점:

• 경화 깊이를 설계 조건에 맞춰 지정해야 한다.

• 열처리 후 변형 가능성을 고려해야 한다.

• 접촉면만 선택적으로 경화할 수 있다.

4.5 탄소강의 주요 적용 부품

일반 샤프트

S45C는 일반 샤프트에 매우 많이 사용된다.

적용 이유:

• 비틀림 강도 확보가 가능하다.

• 절삭 가공이 쉽다.

• 키홈, 나사, 단차 가공이 가능하다.

• 필요 시 고주파 열처리로 표면 경도를 높일 수 있다.

주의점:

• 부식 환경에서는 도금, 흑착색, 방청유 처리가 필요하다.

• 식품기계에서 노출되는 축이라면 STS304 또는 STS420을 검토해야 한다.

핀

핀은 전단 하중, 마모, 반복 충격을 받을 수 있다.

적용 재료:

• S45C

• SCM440

• SUJ2

• STS420

S45C 적용 이유:

• 비용 대비 강도가 좋다.

• 열처리로 표면 경도를 확보할 수 있다.

• 일반적인 힌지 핀이나 위치 결정 핀에 적합하다.

주의점:

• 고하중 또는 반복 충격이 큰 경우 SCM440을 검토한다.

• 정밀 위치 결정에는 연삭 가공과 표면 경도가 중요하다.

롤러

롤러는 회전, 접촉, 마모 조건을 동시에 받는 부품이다.

적용 재료:

• S45C

• SCM440

• STS304

• 우레탄 코팅

• 고무 라이닝

S45C 적용 이유:

• 절삭 가공이 쉽다.

• 고주파 열처리로 표면 마모를 줄일 수 있다.

• 일반 이송용 롤러에 적합하다.

주의점:

• 식품 이송 롤러는 STS304 또는 식품용 코팅을 검토해야 한다.

• 마찰 조건에 따라 표면 조도와 경도를 지정해야 한다.

4.6 탄소강의 장점과 한계

장점:

• 일반구조용강보다 강도가 높다.

• 열처리를 통해 경도와 내마모성을 높일 수 있다.

• 절삭 가공성이 좋다.

• 가격이 합금강보다 낮다.

• 기계요소 부품에 적용하기 쉽다.

한계:

• 내식성이 낮다.

• 용접성은 좋지 않은 경우가 많다.

• 고하중, 고피로 부품에는 합금강이 더 적합할 수 있다.

• 열처리 후 변형이 발생할 수 있다.

• 식품 접촉부에는 제한적으로만 사용해야 한다.

5. 합금강

5.1 합금강의 정의

합금강은 철과 탄소에 더해 크롬, 몰리브덴, 니켈, 망간 등 합금 원소를 첨가한 강재이다.
일반 탄소강보다 강도, 인성, 피로강도, 내마모성, 열처리성이 우수하다.

기계설계에서는 고하중, 고속 회전, 반복 하중, 충격, 마모가 발생하는 핵심 기계요소에 사용된다.

대표 재료:

• SCM415

• SCM420

• SCM435

• SCM440

• SNCM220

• SNCM439

5.2 합금강의 주요 특징

합금강은 일반 탄소강보다 기계적 성능을 더 높게 설계할 수 있다.

주요 특징:

• 고강도 부품에 적합하다.

• 열처리 후 높은 강도와 경도를 얻을 수 있다.

• 피로강도가 우수하다.

• 충격과 반복 하중에 강하다.

• 기어, 축, 스핀들, 볼트, 동력전달 부품에 적합하다.

• 탄소강보다 가격이 높다.

• 열처리 조건과 후가공 관리가 중요하다.

합금강은 단순히 “강한 재료”가 아니라, 열처리와 함께 사용했을 때 설계 성능을 극대화할 수 있는 재료이다.

5.3 대표 합금강 재료

5.3.1 SCM415 / SCM420

SCM415와 SCM420은 침탄 열처리에 많이 사용되는 크롬몰리브덴강이다.

주요 특징:

• 침탄 처리에 적합하다.

• 표면은 단단하고 내부는 질긴 구조를 만들 수 있다.

• 기어, 캠, 핀, 스프로킷 등에 적합하다.

• 표면 내마모성과 내부 인성을 동시에 확보할 수 있다.

주요 용도:

• 기어

• 스프로킷

• 캠

• 동력전달 부품

• 마모 핀

• 기어 샤프트

• 감속기 부품

설계 시 주의점:

• 침탄 깊이를 지정해야 한다.

• 열처리 후 변형이 발생할 수 있다.

• 치형 부품은 열처리 후 연삭 또는 호빙 후처리를 고려해야 한다.

• 단순 구조 부품에 사용하기에는 비용이 과할 수 있다.

5.3.2 SCM440

SCM440은 고강도 축, 볼트, 핀, 스핀들 등에 많이 사용되는 대표적인 합금강이다.

주요 특징:

• 강도와 인성이 우수하다.

• 조질 처리 후 안정적인 기계적 성질을 얻을 수 있다.

• 고하중 샤프트와 동력전달 부품에 적합하다.

• S45C보다 피로강도와 충격 저항성이 우수하다.

주요 용도:

• 고하중 샤프트

• 스핀들

• 고강도 볼트

• 핀

• 크랭크 부품

• 커플링 부품

• 유압 실린더 로드

• 동력전달 축

설계 시 주의점:

• 일반 S45C보다 재료비와 가공비가 높다.

• 열처리 조건을 명확히 지정해야 한다.

• 정밀 축은 열처리 후 연삭이 필요할 수 있다.

• 식품기계 노출부에는 부식 문제를 검토해야 한다.

5.3.3 SNCM 계열

SNCM 계열은 니켈, 크롬, 몰리브덴을 포함하는 고강도 합금강이다.
SCM 계열보다 인성과 충격 저항성이 더 필요한 부품에 사용된다.

주요 특징:

• 강도와 인성이 매우 우수하다.

• 대형 고하중 부품에 적합하다.

• 충격 하중과 반복 하중에 강하다.

• 고급 기계요소에 사용된다.

주요 용도:

• 대형 샤프트

• 고하중 기어

• 항공 및 중장비 부품

• 고강도 스핀들

• 충격 하중이 큰 동력전달 부품

설계 시 주의점:

• 가격이 높다.

• 열처리 관리가 중요하다.

• 일반 산업기계에서는 과도한 사양이 될 수 있다.

• 실제 하중 조건을 기준으로 적용 필요성을 검토해야 한다.

5.4 합금강의 열처리

합금강은 열처리와 함께 설계해야 한다.
재료명만 지정하는 것보다 열처리 조건과 목표 경도를 함께 지정하는 것이 중요하다.

조질 처리

담금질과 뜨임을 통해 강도와 인성을 균형 있게 확보하는 처리이다.

주요 목적:

• 강도 향상

• 인성 확보

• 피로강도 향상

• 내부 응력 안정화

주요 적용 재료:

• SCM440

• SNCM439

주요 적용 부품:

• 샤프트

• 볼트

• 핀

• 스핀들

• 고하중 구조 부품

침탄 처리

저탄소 합금강의 표면에 탄소를 침투시킨 후 열처리하여 표면을 경화시키는 처리이다.

주요 목적:

• 표면 경도 향상

• 내마모성 향상

• 내부 인성 유지

• 기어 수명 향상

주요 적용 재료:

• SCM415

• SCM420

• SNCM220

주요 적용 부품:

• 기어

• 캠

• 스프로킷

• 기어 샤프트

• 고마모 동력전달 부품

질화 처리

표면에 질소를 확산시켜 경도를 높이는 표면경화 처리이다.

주요 목적:

• 표면 경도 향상

• 내마모성 향상

• 변형 최소화

• 피로강도 향상

주요 적용 부품:

• 정밀 샤프트

• 기어

• 금형 부품

• 스핀들

• 슬라이딩 부품

주의점:

• 침탄보다 경화 깊이가 얕은 경우가 많다.

• 표면층 품질 관리가 중요하다.

• 정밀 부품에 유리하지만 비용이 높을 수 있다.

5.5 합금강의 주요 적용 부품

고하중 샤프트

고하중 샤프트는 비틀림, 굽힘, 피로 하중을 받는다.

적용 재료:

• SCM440

• SNCM439

적용 이유:

• 피로강도가 높다.

• 조질 처리로 강도와 인성을 확보할 수 있다.

• 반복 하중에 유리하다.

기어

기어는 접촉응력, 굽힘응력, 마모를 동시에 받는다.

적용 재료:

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• SNCM220

적용 이유:

• 표면 경도를 높일 수 있다.

• 내마모성과 피로강도를 확보할 수 있다.

• 동력전달 부품에 적합하다.

주의점:

• 치면 경도와 심부 인성을 함께 고려해야 한다.

• 열처리 변형과 치형 정밀도 관리가 중요하다.

• 고정밀 기어는 열처리 후 연삭을 검토한다.

고강도 볼트와 핀

고강도 체결부품과 핀은 인장, 전단, 충격, 반복 하중을 받을 수 있다.

적용 재료:

• SCM435

• SCM440

적용 이유:

• 높은 인장강도를 확보할 수 있다.

• 조질 처리 후 안정적인 물성을 얻을 수 있다.

• 반복 하중에 강하다.

주의점:

• 체결 토크와 피로 파괴를 함께 검토해야 한다.

• 표면처리로 인한 수소취성 가능성도 고려해야 한다.

5.6 합금강의 장점과 한계

장점:

• 고강도 설계가 가능하다.

• 열처리 후 기계적 성질이 우수하다.

• 피로강도와 내마모성이 좋다.

• 기어, 축, 스핀들 등 핵심 부품에 적합하다.

• 표면경화 처리와 조합하여 수명을 크게 늘릴 수 있다.

한계:

• 일반 탄소강보다 비싸다.

• 열처리 조건에 따라 성능 차이가 크다.

• 열처리 변형과 후가공 비용을 고려해야 한다.

• 단순 구조 부품에는 과도한 사양이 될 수 있다.

• 내식성은 스테인리스보다 낮다.

6. 공구강

6.1 공구강의 정의

공구강은 절단, 성형, 마모, 고온, 반복 충격과 같은 가혹한 조건에서 사용되는 고경도 강재이다.
일반 기계 구조물보다는 금형, 칼날, 펀치, 다이, 절단부품, 마모 부품에 주로 사용된다.

공구강은 열처리를 통해 매우 높은 경도와 내마모성을 확보할 수 있다.

대표 재료:

• SKD11

• SKD61

• SKH51

• SKS3

• STD11

6.2 공구강의 주요 특징

공구강은 일반 구조용 재료와 목적이 다르다.
강도보다 경도, 내마모성, 열간 안정성, 절삭성, 인성이 중요하다.

주요 특징:

• 높은 경도를 얻을 수 있다.

• 내마모성이 우수하다.

• 금형과 절단부품에 적합하다.

• 열처리 후 치수 안정성이 중요하다.

• 일부 재료는 고온에서도 경도를 유지한다.

• 충격에 약하거나 취성이 커질 수 있다.

• 가공비와 열처리비가 높다.

6.3 대표 공구강 재료

6.3.1 SKD11

SKD11은 냉간 공구강으로, 높은 경도와 내마모성이 필요한 부품에 사용된다.

주요 특징:

• 열처리 후 매우 높은 경도를 확보할 수 있다.

• 내마모성이 우수하다.

• 냉간 금형, 펀치, 다이, 칼날에 적합하다.

• 치수 안정성이 비교적 좋다.

주요 용도:

• 절단 칼날

• 펀치

• 다이

• 냉간 금형

• 마모 플레이트

• 슬리터 나이프

• 성형 금형 부품

설계 시 주의점:

• 충격에 취약할 수 있다.

• 열처리 후 연삭 가공이 필요한 경우가 많다.

• 날카로운 모서리에는 균열 위험이 있다.

• 식품기계 칼날로 사용할 경우 내식성 검토가 필요하다.

6.3.2 SKD61

SKD61은 열간 공구강으로, 고온 환경에서 사용되는 금형과 부품에 적합하다.

주요 특징:

• 고온 강도와 열충격 저항성이 좋다.

• 열간 금형, 다이캐스팅 금형에 사용된다.

• 고온에서 경도 유지력이 좋다.

• SKD11보다 열간 조건에 적합하다.

주요 용도:

• 다이캐스팅 금형

• 열간 단조 금형

• 압출 금형

• 고온 지그

• 열간 성형 부품

설계 시 주의점:

• 일반 절단 칼날에는 SKD11이 더 적합할 수 있다.

• 열처리 조건과 표면처리 조건을 함께 검토해야 한다.

• 반복 열충격이 있는 경우 균열 관리가 중요하다.

6.3.3 SKH51

SKH51은 고속도강으로, 절삭공구와 고속 마찰 조건에 사용된다.

주요 특징:

• 고온에서도 경도가 유지된다.

• 절삭공구에 적합하다.

• 내마모성과 열간 경도가 우수하다.

• 가격이 높다.

주요 용도:

• 드릴

• 엔드밀

• 절삭공구

• 커터

• 고속 절단날

• 펀치

설계 시 주의점:

• 비용이 높기 때문에 필요한 부위에만 적용해야 한다.

• 충격이 큰 조건에서는 파손 가능성을 검토해야 한다.

• 열처리와 연삭 품질이 중요하다.

6.4 공구강의 열처리

공구강은 열처리가 성능을 결정한다.
같은 재료라도 열처리 조건에 따라 경도, 인성, 내마모성, 치수 안정성이 크게 달라진다.

담금질

고경도를 확보하기 위한 기본 열처리이다.

목적:

• 경도 향상

• 내마모성 확보

• 절단 성능 향상

주의점:

• 급격한 냉각으로 균열이 발생할 수 있다.

• 형상이 복잡한 부품은 변형이 커질 수 있다.

• 예열, 냉각 조건, 후속 뜨임이 중요하다.

뜨임

담금질 후 취성을 줄이고 필요한 인성을 확보하기 위한 처리이다.

목적:

• 취성 감소

• 내부 응력 완화

• 인성 확보

• 치수 안정화

주의점:

• 목표 경도와 사용 조건에 맞춰 뜨임 온도를 지정해야 한다.

• 절단날은 경도와 인성의 균형이 중요하다.

표면처리

공구강은 필요에 따라 표면처리를 추가할 수 있다.

대표 표면처리:

• 질화

• TiN 코팅

• DLC 코팅

• PVD 코팅

• 산화처리

목적:

• 내마모성 향상

• 마찰 감소

• 소착 방지

• 수명 향상

주의점:

• 모재 경도와 코팅층의 조합이 중요하다.

• 코팅 박리 가능성을 고려해야 한다.

• 식품기계에서는 코팅 박리로 인한 이물 혼입 위험을 검토해야 한다.

6.5 공구강의 주요 적용 부품

절단 칼날

절단 칼날은 높은 경도와 날끝 유지력이 중요하다.

적용 재료:

• SKD11

• SKH51

• STS420

• 특수 스테인리스 칼날강

공구강 적용 이유:

• 절단성이 좋다.

• 내마모성이 우수하다.

• 날끝 수명이 길다.

주의점:

• 식품기계에서는 녹 발생 가능성과 세척성을 검토해야 한다.

• 공구강은 스테인리스보다 내식성이 낮을 수 있다.

• 식품 접촉 칼날은 내식성, 경도, 위생성을 함께 검토해야 한다.

금형 부품

금형은 반복적인 압축, 전단, 마찰, 열 조건을 받는다.

적용 재료:

• SKD11

• SKD61

• SKH51

적용 이유:

• 높은 경도와 내마모성을 확보할 수 있다.

• 반복 성형 조건에 적합하다.

• 표면처리와 조합하여 수명을 높일 수 있다.

마모 플레이트

마모 플레이트는 다른 부품과 반복 접촉하며 마모를 흡수하는 교체 부품이다.

적용 재료:

• SKD11

• S45C 고주파 열처리

• SCM440 열처리

• 세라믹

• UHMW-PE

공구강 적용 이유:

• 금속 간 접촉 마모에 강하다.

• 장기간 사용이 가능하다.

• 고하중 조건에 적합하다.

주의점:

• 상대재를 손상시킬 수 있으므로 조합 검토가 필요하다.

• 윤활 조건이 중요하다.

• 충격이 큰 곳에서는 파손 가능성을 검토해야 한다.

6.6 공구강의 장점과 한계

장점:

• 높은 경도 확보가 가능하다.

• 내마모성이 우수하다.

• 절단, 금형, 마모 부품에 적합하다.

• 표면처리와 조합하면 수명을 크게 늘릴 수 있다.

• 고온용, 냉간용, 절삭용 등 용도별 선택이 가능하다.

한계:

• 가격이 높다.

• 가공이 어렵다.

• 열처리 후 변형과 균열 위험이 있다.

• 충격에 취약할 수 있다.

• 내식성은 스테인리스보다 낮은 경우가 많다.

• 식품기계에서는 녹, 코팅 박리, 세척성 검토가 필요하다.

7. 네 가지 철강 재료의 비교

7.1 기능 기준 비교

7.2 설계 관점 비교

8. 부품별 재료 선택 가이드

8.1 프레임

권장 재료:

• SS400

• S355

• SM490

선정 이유:

• 용접성이 좋다.

• 경제적이다.

• 대형 구조물 제작이 쉽다.

식품기계의 경우:

• 세척수에 노출되지 않는 내부 구조라면 도장 강재 사용 가능성을 검토할 수 있다.

• 세척수에 노출되거나 위생 외관이 중요한 경우 STS304를 검토한다.

8.2 일반 샤프트

권장 재료:

• S45C

• SCM440

• STS304

• STS420

선정 기준:

• 일반 하중: S45C

• 고하중 또는 반복 하중: SCM440

• 부식 또는 세척 환경: STS304, STS420

• 표면 마모가 큰 경우: 고주파 열처리 또는 표면처리 적용

8.3 기어

권장 재료:

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• S45C

• POM

• MC Nylon

철강 기준 선택:

• 저하중 일반 기어: S45C

• 고하중 동력전달 기어: SCM415, SCM420 침탄

• 충격과 반복 하중이 큰 기어: SCM440 또는 SNCM 계열

8.4 칼날

권장 재료:

• SKD11

• SKH51

• STS420

• 특수 스테인리스 칼날강

선정 기준:

• 절단 수명 중시: SKD11, SKH51

• 내식성과 위생성 중시: STS420 또는 스테인리스 칼날강

• 식품기계 적용: 경도, 내식성, 세척성, 녹 발생 가능성을 함께 검토

8.5 마모 플레이트

권장 재료:

• SKD11

• SCM440 열처리

• S45C 고주파 열처리

• UHMW-PE

• 세라믹

선정 기준:

• 금속 간 고하중 마모: SKD11, SCM440

• 일반 마모: S45C 고주파 열처리

• 식품 이송부 저마찰 마모: UHMW-PE

• 극심한 마모: 세라믹

9. 식품기계 설계에서의 철강 재료 적용

식품기계에서는 철강 재료를 선택할 때 단순히 강도만 보면 안 된다.
부식, 위생, 세척성, 이물 혼입 가능성을 함께 검토해야 한다.

9.1 일반구조용강의 적용

식품기계에서 일반구조용강은 주로 비접촉 구조부에 사용될 수 있다.

적용 가능 부위:

• 내부 베이스

• 비노출 프레임

• 모터 베이스

• 감속기 받침대

• 건식 환경의 지지 구조물

주의점:

• 세척수에 노출되면 부식이 발생할 수 있다.

• 도장 박리 시 이물 혼입 가능성이 있다.

• 식품 접촉부에는 사용하지 않는 것이 원칙이다.

9.2 탄소강의 적용

탄소강은 축, 핀, 롤러 등 기계요소 부품에 사용할 수 있다.

적용 가능 부위:

• 비접촉 샤프트

• 내부 구동축

• 힌지 핀

• 롤러 축

• 캠

주의점:

• 녹 발생 가능성이 있다.

• 식품 접촉 또는 세척수 노출 위치에는 부적합할 수 있다.

• 표면처리와 방청 관리가 필요하다.

9.3 합금강의 적용

합금강은 고하중 구동부에 적합하다.

적용 가능 부위:

• 감속기 내부 기어

• 구동축

• 고하중 핀

• 스프로킷

• 동력전달 부품

주의점:

• 외부 노출부에서는 부식 대책이 필요하다.

• 식품 접촉부에서는 스테인리스계 재료를 우선 검토한다.

• 윤활유와 방청 관리가 필요하다.

9.4 공구강의 적용

공구강은 식품 절단, 성형, 마모 부품에 사용할 수 있다.

적용 가능 부위:

• 절단 칼날

• 커터

• 스크레이퍼

• 마모 플레이트

• 펀칭 부품

주의점:

• 내식성이 부족할 수 있다.

• 세척 후 건조 관리가 필요하다.

• 식품 접촉 칼날은 스테인리스 칼날강과 비교해야 한다.

• 코팅을 적용할 경우 박리 위험을 검토해야 한다.

10. 철강 재료 선정 절차

철강 재료를 선정할 때는 다음 순서로 검토하는 것이 좋다.

10.1 부품의 기능 확인

먼저 부품의 기능을 확인한다.

• 구조를 지지하는가?

• 회전력을 전달하는가?

• 마찰과 마모를 받는가?

• 절단 기능을 수행하는가?

• 충격 하중을 받는가?

• 식품이나 세척수에 노출되는가?

10.2 하중 조건 확인

다음으로 하중 조건을 검토한다.

• 정하중

• 반복 하중

• 충격 하중

• 굽힘 하중

• 비틀림 하중

• 접촉 하중

• 전단 하중

하중이 단순한 구조부라면 일반구조용강이 적합할 수 있다.
반복 하중과 회전 하중이 크다면 탄소강 또는 합금강을 검토해야 한다.
마모와 절단이 핵심이면 공구강을 검토한다.

10.3 환경 조건 확인

환경 조건은 재료 선택에 큰 영향을 준다.

확인 항목:

• 실내 또는 실외

• 건식 또는 습식

• 세척수 노출 여부

• 식품 접촉 여부

• 오일 또는 윤활유 사용 여부

• 고온 또는 저온 환경

• 부식성 가스 또는 약품 노출 여부

철강 재료는 대부분 내식성이 낮으므로, 부식 환경에서는 스테인리스강 또는 표면처리 적용을 함께 검토해야 한다.

10.4 가공 방법 확인

재료는 가공 방법과 함께 결정해야 한다.

확인 항목:

• 용접할 것인가?

• 절삭 가공할 것인가?

• 판금 절곡할 것인가?

• 열처리할 것인가?

• 연삭 가공이 필요한가?

• 표면처리를 적용할 것인가?

예를 들어, 용접 프레임에는 일반구조용강이 적합하다.
정밀 샤프트에는 S45C 또는 SCM440이 적합하다.
고경도 칼날에는 SKD11이나 SKH51이 적합하다.

10.5 열처리와 표면처리 결정

철강 재료는 열처리와 표면처리에 따라 성능이 크게 달라진다.

검토 항목:

• 고주파 열처리

• 조질 처리

• 침탄 처리

• 질화 처리

• 흑착색

• 아연도금

• 무전해 니켈도금

• 크롬도금

• PVD 코팅

• DLC 코팅

주의점:

• 열처리 후 변형을 고려해야 한다.

• 표면처리 두께가 치수에 영향을 줄 수 있다.

• 식품기계에서는 코팅 박리와 도금 박리 위험을 검토해야 한다.

11. 설계 도면에 재료를 지정할 때의 주의점

도면에 재료를 지정할 때는 단순히 재료명만 적는 것보다 필요한 조건을 함께 명시하는 것이 좋다.

11.1 재료명 지정

예시:

• SS400

• S45C

• SCM440

• SCM415

• SKD11

• SKH51

11.2 열처리 조건 지정

예시:

• S45C, 고주파 열처리

• SCM440, 조질 처리

• SCM420, 침탄 처리

• SKD11, 열처리 HRC 58~62

도면에는 필요에 따라 목표 경도, 경화 깊이, 열처리 범위를 지정한다.

11.3 표면처리 조건 지정

예시:

• 흑착색

• 아연도금

• 무전해 니켈도금

• 경질 크롬도금

• 질화 처리

• DLC 코팅

주의점:

• 표면처리 후 치수 변화가 있는지 확인해야 한다.

• 끼워맞춤 부위, 베어링 조립부, 나사부는 표면처리 두께를 고려해야 한다.

11.4 식품기계 도면에서의 주의점

식품기계에서는 재료명뿐 아니라 적용 위치와 표면 상태도 중요하다.

검토 항목:

• 식품 접촉 여부

• 세척수 노출 여부

• 표면 조도

• 용접부 연마 여부

• 도금 또는 코팅 박리 위험

• 윤활유와 접촉 가능성

• 부식 발생 가능성

식품 접촉부에는 일반 철강 재료보다 STS304, STS316, STS420 등 스테인리스 재료를 우선 검토하는 것이 일반적이다.

12. 정리

기계설계에서 일반구조용강, 탄소강, 합금강, 공구강은 각각 역할이 명확히 다르다.

일반구조용강은 기계의 골격을 구성하는 경제적인 구조 재료이다.
프레임, 베이스, 브라켓, 용접 구조물에 적합하지만, 내식성과 내마모성은 낮다.

탄소강은 일반 기계요소 부품에 적합한 재료이다.
S45C를 중심으로 축, 핀, 롤러, 캠 등에 사용되며, 열처리를 통해 강도와 내마모성을 높일 수 있다.

합금강은 고하중, 반복 하중, 피로 하중을 받는 핵심 부품에 적합하다.
SCM415, SCM420, SCM440 등이 대표적이며, 기어, 고강도 축, 스핀들, 고하중 핀 등에 사용된다.

공구강은 절단, 성형, 마모 조건에 특화된 고경도 재료이다.
SKD11, SKD61, SKH51 등이 대표적이며, 칼날, 금형, 펀치, 다이, 마모 플레이트에 사용된다.

철강 재료를 선택할 때는 단순히 강도만 기준으로 삼아서는 안 된다.
부품의 기능, 하중 조건, 마찰 조건, 사용 환경, 열처리, 표면처리, 가공성, 비용, 유지보수성을 함께 검토해야 한다.

특히 식품기계에서는 철강 재료의 강도보다 부식, 세척성, 위생성, 이물 혼입 가능성이 더 중요한 기준이 될 수 있다.
따라서 식품 접촉부에는 일반 철강 재료를 직접 적용하기보다는 스테인리스강이나 식품용 재료를 우선적으로 검토해야 한다.