안녕하세요, 바로발주입니다.
오늘은 산업 현장에서 ‘국민 자재’라는 별명을 얻은 S45C에 대해 깊이 알아보려 합니다.
탄소 함량부터 가공·열처리 특성, 그리고 다양한 적용 분야까지 하나하나 풀어보며,
왜 S45C가 설계자와 제작자 모두에게 꾸준히 사랑받는 강종인지 살펴보겠습니다!
S45C란?
S45C는 탄소 함량이 약 0.45% 수준인 중탄소강입니다.
탄소 비율이 높기 때문에 재료에 우수한 강도와 경도를 부여하며, 내구성과 내마모성이 동시에 요구되는 산업 현장에 적합한 성능을 발휘합니다. 절삭성과 가공성이 뛰어나기에, 열처리에도 유리한 성질을 가지고 있어 자동차 부품, 중장비, 산업 기계 구조물 등에 널리 사용됩니다. 또한 용접이 가능하고 형상을 변형시키기 쉬워 복잡한 기계 부품의 대량 가공에도 효율적인 소재로 평가되기도 합니다.
S45C와 SM45C?
S45C는 일본의 JIS 규격, SM45C는 한국의 KS 규격에 따른 강종 명칭입니다. 이름은 다르지만 두 재질은 동일한 중탄소강으로, 화학 성분과 기계적 성질에서도 실질적인 차이는 없습니다. ‘S’는 Steel, ‘M’은 Machine, ‘C’는 Carbon을 의미하며, 45는 탄소 함량이 약 0.45%임을 나타냅니다. 산업 현장에서는 두 명칭이 혼용되기도 하지만, 서로 완벽하게 대체 가능한 재질로 취급되며, 선택에 있어 특별히 구분할 필요는 없습니다. 실제로 많은 도면이나 발주서에서 두 이름이 병기되어 쓰이는 이유이기도 합니다.
이처럼 글로벌 제조 환경에서는 같은 강재라도 규격에 따라 명칭이 달라지는 경우가 많습니다. S45C와 동일한 성질을 가진 미국 규격은 AISI/SAE 1045, 유럽 규격은 DIN C45 또는 EN C45가 있습니다. 표기 방식이나 미세한 화학 조성 차이는 있지만, 다양한 규격의 호환성을 이해하면 해외 조달이나 수출입 업무에서도 더 유연하게 대응할 수 있습니다.
S45C의 화학 성분
| 원소 | 함유량(%) | 역할 |
| 탄소 (C) | 0.42 ~ 0.48 | 강도와 경도를 높이는 핵심 원소 |
| 망간 (Mn) | 0.60 ~ 0.90 | 인성 향상, 경화능 증가 |
| 규소 (Si) | 0.15 ~ 0.35 | 강도 보강, 탈산 작용 |
| 인 (P) | ≤ 0.030 | 과다 시 취성 증가, 가급적 낮게 유지 |
| 황 (S) | ≤ 0.035 | 가공성 향상에 기여하지만 과다 시 취성 증가 |
| 철 (Fe) | 잔량 | 기본 구성 성분 |
S45C의 화학 조성은 그 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. 탄소(C)는 0.42~0.48%, 망간(Mn)은 0.60~0.90%, 규소(Si)는 0.15~0.35%이며, 인(P)과 황(S)은 각각 0.03%와 0.035% 이하로 함유되어야 합니다. 철(Fe)은 기본 구성입니다.
이처럼 균형 잡힌 화학 성분은 강한 기계적 특성과 열처리 안정성을 제공하며, 절삭 가공이나 단조 공정에서도 일정한 품질을 유지할 수 있도록 합니다.
S45C의 역학적 성질
| 기계적 성질 | 수치 | 특징 |
| 인장강도 (Tensile Strength) | 약 570 MPa 이상 | 다양한 조건에서 기계 부품 활용 가능 |
| 항복강도 (Yield Strength) | 약 345 MPa 이상 | 변형 없이 하중을 견디는 능력 |
| 연신율 (Elongation) | 약 20% | 변형 후 파단까지의 늘어남 정도 |
| 경도 (Hardness) | HB 167~229 | 중탄소강 특유의 균형 잡힌 경도 |
S45C는 인장강도 약 570MPa 이상, 항복강도 약 345MPa 이상, 연신율 약 20%, 경도 HB 167~229의 기계적 성질을 가집니다. 이 수치는 다양한 조건에서 기계 부품으로 활용하기에 충분한 수준이며, 열처리 후에는 더욱 높은 강도와 경도를 얻을 수 있습니다. 중탄소강 특유의 균형 잡힌 강도와 연성은 고하중 환경에서도 안정적인 성능을 보장합니다.
탄소 함량이 경도에 미치는 영향
S45C의 강도와 경도는 탄소 함량 0.45% 전후에서 비롯됩니다. 탄소가 철의 격자 구조에 침입함으로써 고용 강화 효과를 일으키고, 열처리를 통해 마르텐사이트 조직으로 변화할 경우 매우 높은 경도를 확보할 수 있습니다. 하지만 탄소 함량이 높을수록 용접성이나 성형성은 떨어질 수 있기 때문에, 사용 환경과 후처리 조건을 함께 고려해야 합니다.
탄소강과 S45C의 관계
탄소강(Carbon Steel)은 철에 탄소가 첨가된 금속 합금으로, 탄소의 함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 나뉩니다. 이 중에서 S45C는 중탄소강 계열에 속하며, 적당한 강도와 경도, 그리고 일정 수준의 연성(늘어나는 성질)을 함께 갖춘 것이 특징입니다.
예를 들어 S20C는 탄소 함량이 낮아 가공성과 용접성은 좋지만, 강도가 상대적으로 낮습니다. 반면 S45C는 저탄소강에 비해 더 단단하고 튼튼하면서도, 기계 가공성과 열처리 효율을 해치지 않는 수준에서의 탄소 비율을 유지하고 있습니다. 이 덕분에 강도와 작업 효율의 균형이 필요한 현장에서 널리 채택되는 강종입니다.
S45C로 만들 수 있는 제품의 형태
S45C는 유통되는 제품 형태가 매우 다양합니다. Plate(판재), Round-Bar(환봉), Square-Bar(사각봉), Hex-Bar(육각봉) 등으로 구분되며, 고객의 설계 목적에 따라 손쉽게 선택할 수 있습니다. 기계 부품이나 금형 소재로 사용될 때는 주로 환봉과 판재가 선택되며, 정밀 가공이 필요한 부품에서는 사각 또는 육각 봉이 선호되기도 합니다.
두께 면에서도 후판(6mm 이상)부터 박판(3mm 미만)까지 다양하게 공급됩니다. 특히, 3~6mm 두께의 중판도 많이 사용되며, 용도에 따라 열간압연이나 냉간압연 제품이 선택됩니다. 다만, 너무 두껍거나 얇은 사양은 수급이 어렵거나 가격이 높아질 수 있어, 사용 전 재고 여부를 확인하는 것이 좋습니다.
S45C의 가공
S45C는 열간압연 또는 열간단조를 통해 형태를 가공한 후, 절삭이나 성형 등의 후가공을 거쳐 최종 제품으로 완성됩니다. 열간 상태에서 변형이 가능하므로, 원하는 치수와 형상을 구현하기 수월하며, 특히 중대형 부품 제작에 적합합니다. 이 과정은 재료의 균일한 조직 형성과 기계적 강도 확보에도 도움이 됩니다. 따라서 열처리는 S45C의 성능을 극대화하는 핵심 과정입니다.
*열간은 금속을 높은 온도로 가열한 상태에서 가공하는 방법을 말합니다.
*압연은 가열된 금속을 회전하는 롤러 사이에 통과시키며 두께를 줄이고, 길이를 늘리는 가공 방법입니다.
*단조는 금속을 가열한 후, 망치나 프레스 등으로 두드려서 형태를 잡는 방법입니다.
S45C의 열처리 단계
S45C의 열처리 단계는 다음을 따릅니다.
🔧 노멀라이징 (Normalizing)
조직을 고르게 하고, 기계적 성질을 개선하기 위한 단계입니다.
금속을 상변태점보다 약간 높은 온도로 가열한 뒤, 공기 중에서 자연 냉각시키는 열처리입니다.
이 과정을 통해 내부 조직이 펄라이트(Pearlite) + 페라이트(Ferrite)로 고르게 형성되어, 강도와 연성의 균형이 잡힌 구조가 됩니다.
🔧 어닐링 (Annealing)
금속을 부드럽게 하고, 내부 응력을 제거하기 위한 단계입니다.
금속을 일정 온도까지 천천히 가열한 후, 서서히 냉각하는 열처리입니다.
이 과정은 금속의 가공 경화 상태를 완화하고, 내부 잔류 응력을 제거합니다.
결과적으로 가공성 향상, 연성 증가, 경도 감소 등의 효과를 기대할 수 있습니다.
🔧 하드닝 (Hardening, 담금질)
금속의 경도와 강도를 높이기 위한 단계입니다.
강을 마르텐사이트가 형성되는 온도까지 가열한 후, 물이나 기름 같은 냉각매체에 빠르게 담가 급냉하는 열처리입니다.
이렇게 급랭하면 내부 조직이 마르텐사이트(martensite)로 변태되어, 매우 단단한 상태가 됩니다.
*경도는 높지만 너무 딱딱해져 깨지기 쉬운(취성) 성질이 생기기에 하드닝 후에는 반드시 템퍼링이 필요합니다.
🔧 템퍼링 (Tempering)
하드닝으로 생긴 과도한 경도를 완화하고, 내구성과 안정성을 높이기 위한 단계입니다.
하드닝 후 형성된 마르텐사이트 조직을 150~650℃ 사이에서 다시 가열하여,
잔류응력 제거 및 조직 안정화를 유도합니다.
이 과정을 통해 강도는 약간 낮아지지만, 인성과 연성이 회복되어 제품이 훨씬 튼튼하고 안정적이 됩니다.
이러한 열처리 단계를 통해, 원하는 특성에 맞는 강도를 확보할 수 있습니다.
침탄처리
SM45C로 불릴 때 일부 제조에서는 침탄(Carburizing) 처리를 하기도 합니다. 이는 표면에 추가적인 탄소를 침투시켜 경도를 높이는 공정으로, 마찰과 마모가 많은 부품의 수명 연장에 도움을 줍니다. 단, 침탄은 표면 경도만 높이는 공정이기에 내부 경도를 위해 후속 열처리와 조직 관리가 반드시 필요합니다.
응용 및 사용처
S45C는 흔히 국민강재’라고도 불립니다. 그만큼 활용 빈도와 유통량이 많고, 가공성과 경제성이 모두 뛰어나기 때문입니다. 기계 설계자나 제조 현장에서의 접근성이 높아 산업 표준 재료로 자리 잡고 있으며, 재료 선택에 있어 매우 안정적인 선택지로 인식됩니다. 따라서 사용 예시의 폭이 매우 넓습니다. 내구성, 강도, 가공성의 균형이 필요한 거의 모든 부품에 적용 가능합니다.
- 자동차: 피스톤 로드, 크랭크 샤프트
- 중장비: 롤러, 체인, 축
- 금형 부품: 핀, 고정 플레이트
- 기타: 기어, 스핀들, 볼트, 스프링, 와셔, 실린더 블록
S20C ? S45C? SS400?
S20C는 탄소 함량이 낮아 가공성과 용접성은 뛰어나지만, 강도는 낮습니다. SS400은 저탄소 일반 구조용 강재로, 다양한 구조물에 쓰이지만 열처리 강화는 어렵습니다. 반면, S45C는 강도와 내마모성을 갖추고 있어, 고정밀 부품이나 고하중 부품 제작에 적합합니다. 따라서 내마모성이 중요하다면 S45C, 용접성과 경제성이 우선이라면 SS400, 가공성이 최우선이라면 S20C가 적합합니다.
사용 환경과 기계 설계 조건을 잘 고려하여 선택하는 것이 중요합니다.
킬드강(Killed Steel)
S45C는 일반적으로 킬드강(Killed Steel)으로 제조됩니다. 이는 제강 과정에서 산소를 제거하는 탈산 처리를 충분히 거친 강재를 의미합니다. 불순물이 적고, 기포나 내재 결함이 거의 없어 기계 부품에 필요한 고균질성을 보장합니다.
킬드강은 응고 중 일산화탄소가 발생하지 않아 내부 기포 발생이 거의 없고, 응고가 안정적으로 진행됩니다. 대신 상부에 수축공이 생기므로 일부는 절단 후 폐기되며, 이로 인해 단가가 높아지지만 품질은 매우 우수합니다. 고품질이 요구되는 부품에 적합한 강재입니다.
절삭 가공과 정밀 적용 사례
CNC 가공, 밀링, 선반가공 등 고정밀 공정에 적합하며, 실제로 하우징, 기어, 롤러 등 정밀도가 중요한 부품에 폭넓게 활용됩니다. 열처리 전후의 경도 차이를 고려한 가공 전략이 필요합니다. 또한 대형 장비의 하우징, 기어박스, 산업용 모터 부품과 같이 내구성과 정밀도를 동시에 요구하는 분야에서도 강한 신뢰를 받습니다. 강성과 경도, 절삭성 모두 우수한 이 강재는 고부하 환경에서도 안정적인 성능을 발휘합니다.
지금까지 S45C의 정의부터 특징, 다른 강종과의 비교까지 살펴봤습니다.
강도, 내마모성, 가공성의 균형을 모두 갖춘 S45C는 다양한 산업 현장에서 꾸준히 선택받는 이유가 분명합니다.
재질 선택은 제품의 성능과 수명을 좌우하는 중요한 결정입니다.
설계 목적과 환경에 맞는 현명한 재료 선택을 하시길 바라며, 이번 소재탐구는 여기서 마치도록 하겠습니다!
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