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철과 강에 대한 요약정리[펌] | ||
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철과 강에 대한 요약자료 1. 철강 재료 (1) 철강 재료의 분류 - 철강의 5원소: 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)을 말한다. - 순철: 탄소량 0.02%이하를 말하며, 전기 재료나 실험 재료로 쓰인다. - 강: 탄소가 2.11% 이하를 말하며, 기계의 주요 부품으로 쓰인다. - 주철: 탄소가 2.11% 이상을 말하며, 기계의 몸체에 해당하는 구조물에 쓰인다. (2) 철강 재료의 제조 1) 선철의 제조 - 대량 생산에 알맞은 용광로 제선법이 대표적이다. - 선철은 철광석과 연료인 코크스와 용제인 석회석을 등을 일정한 비율로 용광로에 장입하고, 열풍로에서 미리 가열된 고온, 고압의 공기를 불어 넣어 연소시키면 환원, 제조된다. - 철광석에는 여러 가지가 있으나, 적철광, 자철광, 갈철광 등이 대표적인 것으로, 철광석은 품위가 55-60% 철분을 함유한 원료 광석이 쓰인다. - 용광로의 크기는 24시간 동안 출선된 선철의 무게를 톤(ton)으로 표시하는데, 보통 100-2000 톤의 것이 많이 사용된다. 2) 강의 제조: 철강은 선철이나 고철을 전로, 전기로, 평로 등의 제강로에서 가열, 용해하여 산화제와 용제를 첨가하여 불순물을 제거하고, 탄소를 알맞게 감소시키는 제강 공정을 거쳐 만든다. ① 평로 제강법 - 바닥이 넓은 반사로인 평로를 이용하여 선철을 용해시키고, 여기에 고철, 철광석 등을 추가로 장입하여 강을 만드는 제강법이다. - 대량생산이 가능하며, 크기는 1회에 사용되는 용강의 무게로 나타낸다. ② 전로 제강법: 용해한 쇳물을 경사식으로 된 노에 넣고 연료 사용 없이 압축공기나 산소를 불어넣어 자체 산화시키는 제강법으로 산성법과 염기성법이 있다. ③ 전기로 제강법 - 전열을 이용하여 선철, 고철 등의 제강 원료를 용해시켜 강을 만드는 제강법이다. - 우수한 품질의 강을 만들 수 있으나 전력비가 많이 드는 결점이 있다. - 용량은 1회에 사용되는 용강의 무게로 사용된다. 3) 강괴의 제조 ① 림드강: 평로 또는 전로 등에서 용해한 강에 페로망간을 첨가하여 가볍게 탈산 후 주형에 주입하여 응고한 것이다. ② 킬드강: 레들안에서 강력한 탈산제인 페로실리콘, 알루미늄 등을 첨가하여 충분히 탈산 후 주형에 주입하여 응고한 것이다. ③ 세미킬드강: 탈산의 정도를 림드강과 킬드강의 중간 정도로 한 강이다. 4) 철강 제품의 제조 과정 - 제선 공정: 철광석을 환원 용해하여 선철을 만드는 과정. - 제강 공정: 선철과 고철을 주원료로 하여 강을 만드는 공정. - 압연 공정: 환봉, 강판, 형강 등의 제품으로 만드는 공정. 2. 순철과 탄소강 (1) 순철의 성질과 용도 1) 순철의 조성과 성질 - 다수의 결정 입자로 되어 있는 다결정체 조직으로 되어 있다. - 결정립이 작을수록 인장강도, 비례한도, 연신율 등의 성질이 향상된다. 2) 순철의 변태 - α철은 911℃ 이하에서 안정된 체심입방 격자를, γ철은 911-1394℃에서 안정된 면심입방 격자를 가진다. - 911℃에서 α철이 γ철로 되는 변태를 A3 동소변태, 1394℃에서 γ철이 α철로 되는 변태를 A4 동소변태라고 한다. - 768℃ 부근에서는 급격히 상자성체로 변한다. 이 변화를 A2 자기변태라 한다. (2) 탄소강의 조직과 성질 1) 탄소강의 조성 - 탄소는 강의 함유 원소 중 성질을 가장 크게 변환시킨다. - 탄소의 함유량이 많을수록 탄소강의 성질은 강해진다. 2) 탄소강의 상태도와 기본 조직 ① 상태도: 가로축을 철과 탄소의 이원 합금 조성으로 하고 세로축을 온도로 했을 때, 각 조성의 비율에 따라 나타나는 합금의 변태점을 연결하여 만든 선도를 철-탄소계 평형 상태 도라 한다. ② 강의 표준 조직 - 페라이트: α철에 탄소가 최대 0.02% 고용된 α고용체로, 대단히 연하여 전연성이 크며, A2점 이하에서는 강자성체이다. - 오스테나이트: γ철에 탄소가 최대 2.11% 고용된 γ고용체로, 인성이 크며 상자성체이나 실온에서는 존재하기 어렵다. - 시멘타이트: 철에 탄소가 6.67% 화합된 철의 금속간 화합물로 백색의 침상이며, 대단히 단단하고 부스러지기 쉽다. - 펄라이트: 페라이트와 시멘타이트가 층상으로 나타나는 조직으로 강도가 크며 연성도 어느 정도 가지고 있다. - 레데부라이트: 경도가 크고 메진 성질을 갖고 있다. 3) 탄소강의 표준 상태와 성질 ① 물리적 성질과 화학적 성질 - 물리적 성질: 탄소함유량이 증가함에 따라 비중과 선팽창계수는 감소하며, 비열, 전기저항, 보자력 등은 증가한다. 반면 내식성은 저하된다. - 화학적 성질: 탄소강은 알칼리에는 거의 부식되지 않으나 산에는 약하다. ② 기계적 성질 - 아공석강: 탄소함유량이 많을수록 강도와 경도는 증가되지만 연신율과 충격값은 매우 낮아진다. - 과공석강: 탄소함유량이 많을수록 망상의 시멘타이트가 생기면서 변형이 잘 안되며, 경도는 증가하나 강도는 오히려 급격히 감소하는 현상이 나타나 냉간가공이 어려워진다. - 온도가 높아지면 강도가 감소되면서 연신율이 증가하고, 특히 적열상태에서는 전연성이 아주 크므로 소성가공을 쉽게 할 수 있다. - 청열취성(blue shortness): 탄소강이 200-300℃에서 상온일 때보다 인성이 저하되는 특성을 말한다. - 적열취성(red shortness): 황을 많이 함유한 탄소강이 약 950℃에서 인성이 저하되는 특성을 말한다. - 상온취성(cold shortness): 인을 많이 함유한 탄소강이 상온에서 인성이 낮아지는 현상을 말한다. 4) 탄소 이외 함유 원소의 영향 ① 망간: 강도와 고온 가공성을 증가시키고 연신율의 감소를 억제시키며, 주조성과 담금질 효과를 향상시킨다. ② 규소: 단접성과 냉간 가공성을 해치게 되므로, 이들 목적에 쓰이는 탄소강은 규소의 함유량 을 0.2% 이하로 해야 한다. ③ 인: 철과 화합하여 인화철(Fe3P)을 만들어 결정립계에 편석하게 함으로써 충격 값을 감소시키고 균열을 가져오게 한다. 상온취성의 원인이 된다. ④ 황: 철과 화합하여 황화철(FeS)을 만들며, 단조온도에서 융체로 되어 결정립계로 석출되어 고온 가공성을 해친다. 그러나 황은 절삭성을 향상시키기 때문에 쾌삭강에 는 황을 0.08-0.35% 함유시킨다. ⑤ 수소: 헤어크랙(hair crack)이라는 내부 균열을 일으켜 파괴의 원인을 제공한다. (3) 탄소강의 열처리와 표면 경화 1) 탄소강의 열처리 ① 노멀라이징: 결정 조직을 미세화하고 냉간가공, 단조 등에 의한 내부응력을 제거 하며, 기계적 성질, 물리적 성질 등을 개량하여 조직을 표준화 시키는 열처리 방법이다. ② 풀림 - 완전풀림: A3 또는 A1 변태점보다 30-50℃ 높은 온도로 가열하고 일정 시간을 유지한 다음 노 안에서 서서히 냉각시키는 방법으로, 경화된 강재의 연화나 잔류응력을 제거하여 절삭가공이나 소성가공을 용이하게 할 수 있다. - 확산풀림: A3 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 장시간 유지하여 노내에서 서서히 냉각시키는 방법으로, 침탄 처리한 강은 침탄 깊이가 증가되고 표면은 강인한 펄라이트가 되어 내충격성 및 내마멸성을 동시에 얻을 수 있다. - 응력제거풀림: 내부응력을 제거할 목적으로 150-600℃ 정도의 비교적 낮은 온도 에서 실시하는 풀림을 말한다. - 연화풀림: 가공 도중에 경화된 재료를 연화시킬 목적으로 600-650℃의 저온에서 실시하는 열처리로 중간풀림이라고도 한다. ③ 담금질 - 냉각속도와 변태: 냉각속도의 빠른 순서에 따라 마텐자이트, 트루스타이트, 소르바이트, 펄라이트 등의로 변하며, 이들 조직의 강도와 경도는 마텐자이트> 트루스타이트>소르바이트> 펄라이트의 순서이다. - 담금질 온도: 너무 높으면 결정 입자가 크고 거칠게 되어 담금질 후 기계적 성질을 나쁘게 하고 변형과 균열을 일으킨다. 또한 표면의 산화로 스케일이 발생하여 재료가 소모되며, 담금질 효과를 저하시킨다. - 가열시간: 가열시간이 너무 길면 산화에 의한 손실과 연료의 손실 등을 가져오며, 너무 짧으면 불균일한 온도로 인한 내부응력이 생긴다. - 냉각제: 담금질 효과는 냉각제의 냉각능력에 따라 현저한 영향을 받으며, 비열, 끊는점, 점도 등에 따라서도 좌우된다. 보통 소금물을 많이 사용한다. ④ 질량 효과와 경화능 시험 - 질량 효과: 질량의 대소에 따라 담금질 효과가 다른 현상으로서, 질량 효과가 작다는 것은 내외부 조직의 차이가 없이 열처리가 잘 된다는 뜻이다. - 경화능 시험: 재료에 따라 담금질이 어느 정도 잘 되느냐 하는 성질을 나타내는 것이다. ⑤ 심냉처리(subzero treatment): 탄소함유량이 많은 강에서 잔류 오스테나이트의 제거를 위하여 실온까지 냉각 후 계속하여 낮은 온도까지 냉각시키는 열처리법이다. ⑥ 뜨 임 - 저온뜨임: 담금질에 의해 발생된 내부응력을 제거하기 위하여 150℃ 부근의 저온에서 뜨임 하는 열처리 방법이다. - 고온뜨임: 인성을 필요로 하는 구조용 탄소강을 500-600℃에서 뜨임을 하면 마텐자이트가 강인한 소르바이트로 변태되는 열처리 방법이다. 2) 강의 표면경화 ① 침탄법 - 표면에 침탄제를 침투 후 담금질과 뜨임을 거쳐 표면을 경화시키는 방법이다. - 고체침탄: 침탄 소재를 목탄, 코크스 등의 침탄제와 탄산바륨, 탄산나트륨 등의 촉진제로 채워진 저탄소강의 침탄제 속에 넣고 밀폐한 다음 탄소가 소재 표면으로 침투되게 하는 침탄법을 말한다. - 액체침탄: 침탄 소재를 시안화나트륨, 시안화칼륨 등에 염화물이나 탄산염 등을 40-50% 첨가하여 용해시킨 염욕 중에 일정시간 넣어두어 표면에 침투시키는 침탄법 을 말한다. - 가스침탄: 첨단 소재를 메탄가스나 프로판가스와 같은 탄화수소계 가스로 가득 찬 노안에 넣고 일정시간 가열하여 표면에 침투시키는 침탄법을 말한다. ② 질화법 - 알루미늄 또는 크롬 등을 함유한 강을 암모니아 가스 중에서 약 500℃로 장시간 가열하여 암모니아에서 생성된 질소에 의하여 강의 표면에 단단하고 내식성이 높은 질소 화합물을 만들어 표면을 경화시키는 방법을 말한다. - 높은 표면 경도, 우수한 내마멸성과 내식성, 고온에서의 안정성이 있으며, 질화한 후에도 담금질을 하지 않아 치수 변화가 거의 일어나지 않는 장점이 있다. ③ 화염경화법 - 선반베드의 표면경화법에 가장 널리 쓰인다. - 탄소강 표면에 산소-아세틸렌 화염으로 표면만을 가열하여 오스테나이트로 만든 다음 급랭하여 표면층만을 담금질하는 방법을 말한다. (4) 탄소강의 종류와 용도 - 장점: 값이 싸고 다량 생산이 가능하며, 질의 균일성, 가공성, 성형성 및 담금질성 등이 우수하여 기계재료로 가장 많이 사용되고 있다. 1) 냉간 압연 강판: 프레스 성형성이 우수하고 표면이 미려할 뿐만 아니라, 치수가 정확하므로 제관, 차량, 냉장고, 전기기기 등의 제조 및 건설 분야의 소재로 많이 쓴다. 2) 열간 압연 강판: 강괴를 열간 압연하여 제조한 것으로 법랑철판, 아연도금강판 (함석), 주석 도금강판 등의 소재로 쓰인다. 3) 일반 구조용 압연강: 건축물, 교량, 철도, 차량, 조선, 자동차 등의 일반 구조용으로 강판, 형강, 봉강 등의 모양으로 생산된다. 4) 기계 구조용 탄소강: 기계 부품에 사용되는 고급 탄소강으로 일반 구조용 압연강보다 신뢰도가 크다. 5) 탄소공구강: 목공용 공구, 연질 금속의 경절삭용 각종 바이트나 공구용 재료로 쓰인다. 6) 그 밖의 탄소강 - 강관: 사용 목적에 따라 구조용, 배관용, 열전달용 등이 있다. - 강판: 두께에 따라 후강판(6mm이상), 중간판(1-6mm), 박강판(1mm이하) 등이 있다. - 강선: 연강선재(0.08%-0.25%C), 경강선재(0.25-0.85%C) 외에 피아노선(0.6- 0.95%C) 등이 있다. - 단강품: 단조 가공으로 성형한 단조 제품 중 설계상 조건에 합격한 제품으로 탄소강 단강품이라고 한다. 3. 합금강 (1) 합금강의 특성과 합금 원소 1) 합금강의 특성과 분류 - 특성별 분류: 구조용, 공구용, 내식용, 내열용, 특수 용도용 합금강으로 구분 - 합금강은 탄소강에 비하여 기계적 성질, 내식 내마멸성, 고온 성질 변화, 담금질성, 단접 및 용접성, 전자기적 성질, 결정입자의 성장 방지 등의 성질이 개선된다. 2) 합금 원소의 영향 ① 니켈: 담금질성이 향상되고 인성이 증가되며, 스테인레스강의 합금 원소와 제트 기관용의 내열 합금의 주성분으로 사용되고 있다. ② 크롬: 강도를 높이고 담금질성을 좋게 하며, 탄소와 결합하여 탄화물을 만들어 강에 내마멸성을 가지게 하고, 내식성, 내산화성을 향상시킨다. ③ 망간: 규소와 같이 탈산제로 사용되는 이외에 황의 악영향을 제거하는데 큰 역할을 한다. 고장력강이나 강인강 등의 합금 원소로 많이 이용되고 있다. ④ 몰리브덴: 페라이트에 고용되어 조직을 강화하는 작용이 크롬이나 니켈보다 크고, 특히 고온에서 크리프 강도를 높게 하는 효과는 합금 원소들 중에서 가장 크다. ⑤ 텅스텐: 철 중에 용해되어 결정 입자를 미세화하며, 탄화물은 대단히 단단하다. 강의 경도를 증가시키며, 경화 효과도 크롬강보다 양호하고 인성도 있어 공구강으로 적합하다. ⑥ 규소: 망간과 같이 일반적으로 탈산제로 사용되고 있으나 이 목적에는 0.4% 이내로 제한한다. 1.75%까지 함유된 강은 연성을 감소시키지 않고 탄성 한도를 향상시켜 스프링 재료에 적합하다. ⑦ 티탄: 탄소, 산소 및 질소 등의 원소와 친화력이 강하여 제강할 때 산소, 질소 등의 제거와 편석 방지 또는 입도 조정을 위하여 첨가된다. (2) 합금강의 종류와 용도 1) 구조용 합금강 ① 니켈강: 탄소강에 니켈을 첨가하면 철 중에 장 고용되어 결정 입자를 미세화하며 연신율을 크게 감소시키지 않으면서 인장강도, 경도 등을 증가시킬 수 있다. 또 고온에서의 기계적 성질도 좋아져서 강도가 크고 내마멸성 및 내식성이 우수하다. ② 크롬강: 크롬에 의한 담금질성과 뜨임에 의하여 기계적 성질을 개선한 합금강으로, 0.28-0.48%의 탄소강에 약 1-2%의 크롬을 첨가한 합금이다. ③ 니켈-크롬강: 니켈강은 강도는 크나 경도는 그다지 높지 않기 때문에, 이를 보완하기 위해 니켈강에 크롬을 첨가시킨 합금강을 니켈-크롬강이라 한다. ④ 니켈-크롬-몰리브덴강: 니켈-크롬강의 뜨임 취성을 개선하기 위하여 약간의 몰리브덴을 첨가한 강으로 구조용 합금강 중에서 가장 우수한 강이다. ⑤ 크롬-몰리브덴강: 크롬강에 0.15-0.45%의 몰리브덴을 첨가하여 담금질이나 뜨임 메짐성을 개선한 강이다. ⑥ 붕소강: 탄소강에 0.005% 정도의 붕소(B)가 첨가되어도 강의 담금질성은 많이 개선된다. ⑦ 구조용 합금강의 열처리: 구조용 합금강의 풀림은 압연이나 단조에 의한 가공 경화로 냉간 소성 가공이 곤란한 경우, 풀림에 의해서 재질을 연화시키기 위한 목적과 냉간 또는 열간 가공 후의 잔류 응력의 제거와 현미경 조직의 개선, 합금 원소 및 불순 원소의 확산에 의한 조직의 균일화를 위하여 실시한다. 2) 표면 경화용 강 ① 침탄용 강: 저탄소강과 저탄소 합금강이 사용되는데, 이들 강의 화학 성분을 탄소 함유량으로 보면 0.10, 0.15, 0.20%의 세가지로 나눌 수 있으며, 탄소 함유량이 많은 강은 기계적 강도는 크나 인성은 떨어진다. ② 질화용 강: 담금질에 의한 경화가 아니기 때문에 변형이 극히 작고, 가열도 저온의 영역에서 실시하므로 열처리에 따른 변형이나 모재의 결정립 성장이 없다. 경도는 침탄 경화층에 비해서 높고, 내마멸성, 내식성이 우수하며, 또 뜨임에 대해서도 강한 저항성을 나타내는 특징을 가지고 있다. ③ 고주파 경화용 강: 탄소강 대신 합금강을 사용할 수 있으며, 단순히 경도만을 높이고자 할 때에는 탄소강이 적당하나, 내부 인성과 높은 강도가 요구될 때에는 저합금강을 사용한다. 3) 공구용 합금강 ① 합금 공구강: 탄소 공구강에 적당량의 니켈, 크롬, 망간, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴 등의 원소를 첨가하여 만든 합금강을 합금공구강이라 하며, 담금질 효과가 좋고 결정 입자도 미세 하여 경도와 내마멸성이 우수하다. ② 고속도 공구강: 탄소강에 크롬, 텅스텐, 바나듐, 코발트 등을 첨가하면 500-600℃의 고온에서도 경도가 저하되지 않고 내마멸성이 크며, 고속에서도 절삭이 가능하게 된다. 표준형으로는 0.8% C, 18% W, 4% Cr, 1% V이 있다. ③ 게이지강: 내마멸성과 내식성이 좋아야 할 뿐만 아니라, 가공이 쉽고 열팽창 계수가 작아야 한다. 시간 경과나 환경의 온도 변화에도 수축이나 팽창이 적어야 한다. 1.0% C 이하의 강철에 망간, 크롬, 텅스텐, 니켈 등을 첨가한 저합금강이 많이 쓰이며, 스테인레스강, 침탄 강, 고속도강, 질화강, 탄소공구강(제3종) 등이 사용된다. 4) 특수 용도용 합금강 ① 내식강: 금속의 부식 현상을 개선하기 위하여 내식성을 부여한 강을 내식강이라 한다. - 크롬계 스테인레스강: 탄소강에 12-14% Cr을 첨가한 합금강을 크롬계 스테인레스 강이라 한다. 질산에 침식되기 힘들고, 해수 이외에도 내식성을 나타낸다. - 크롬-니켈계 스테인레스강: 크롬계 스테인레스강에 니켈을 첨가한 오스테나이트는 내식성이 대단히 높다. 표준 조성으로는 18% Cr, 8% Ni인 18-8 스테인레스강이 대표적이다. - 석출 경화형 스테인레스강: 강도가 높을 뿐만 아니라 내식성이나 내열성이 좋고, 복잡한 모양의 성형 가공도 용이하므로 항공기, 미사일 등의 기계 부품에 사용되고 있다. ② 내열강: 고온에서 강도를 유지할 수 있게 내열성을 갖고 있도록 만든 강으로써, 첨가 원소로는 크롬, 규소, 알루미늄 등이 있으며, 니켈은 이들 원소에 의하여 주어진 내열성을 새롭게 개선하여 주는 역할을 한다. ③ 쾌삭강: 가공 재료의 피절삭성을 높이고, 제품의 정밀도와 절삭 공구의 수명을 길게 하기 위하여 개선한 구조용 강을 쾌삭강이라 한다. - 황쾌삭강: 탄소강에 황을 기본 첨가량보다 0.1-0.25% 정도 증가시켜 쾌삭성을 높인 것이다. 절삭성은 향상되지만 기계적 성질은 떨어진다. - 납쾌삭강: 탄소강 또는 합금강에 0.1-0.35% Pb을 첨가한 것으로, 납은 고용되지 않고 강 중에 단체의 미립 상태로 고르게 분포된다. 이 강은 기계적 성질에 영향을 주지 않으면서 이방성도 생기지 않는 특성 때문에, 강도를 중요시하는 기계 부품용 및 자동차 주요 부품 등의 대량생산용으로 널리 쓰이고 있다. ④ 스프링강: 일반적으로 요구되는 재료의 특성으로는 높은 탄성한도, 피로한도, 크리프 저항, 인성 및 진동이 심한 하중과 반복하중 등에 잘 견딜 수 있는 성질이다. 재료로는 0.5-1.0% C의 고탄소강이 사용되나, 주로 규소-망간강, 규소-크롬강, 크롬-바나듐강, 망간-크롬강 등의 합금강이 쓰인다. ⑤ 내마멸강: 마멸 현상을 막기 위하여 표면이 단단한 재료가 필요로 하며, 고망간강, 고탄소강, 고크롬강, 고속도강 등이 있으나 고망간강이 가장 많이 사용되고 있다. ⑥ 베어링강: 베어링강은 내마멸성과 강성이 특히 큰 것이 요구되며, 가장 많이 사용하는 표준 조성으로는 1.0% C, 1.5% Cr의 고탄소-크롬강이다. ⑦ 자석용강: 보자력과 잔류 자기가 크고, 투자율이 작은 것이 필요하다. - 담금질 경화형 영구 자석강: 탄소강을 고온으로 가열하여 오스테나이트 조직으로 만든 다음 급랭시키고, 100℃ 부근에서 뜨임하면 보자력이 크고 안정된 마아텐 자이트 조직의 담금질 경화형 자석재료가 된다. - 석출 경화형 영구 자석강: 고온에서 높은 용해도를 가지는 고용체를 급랭하여 과포화 강자성 고용체를 만든 다음, 뜨임 처리하여 과포화의 용해 성분을 미립자로 석출시키면, 이로 인하여 생긴 공간 격자의 응력에 의하여 매우 큰 보자력을 가지는 자석강으로 된다. - 미분말 자석 재료: 고운 가루로 된 재료를 집합체로 만들어 강한 자성을 얻는 재료로, 분말 자석과 산화 금속 자석이 있다. ⑧ 철심용 강: 순철, 규소강, 철-규소-알루미늄 합금 및 철-니켈 합금 등은 투자율과 전기 저항이 크고, 보자력, 히스테리시스 등이 작아 전동기, 발전기 및 변압기 등에 쓰이는 철심의 재료로 사용된다. ⑨ 전기 저항용 합금: 내열성 및 전기 비저항이 크고 연성이 풍부하며, 고온 강도가 큰 특성이 필요하다. - 니켈-크롬계 합금: 전기 저항이 크고 내식성과 내열성이 매우 좋으므로 1100℃ 정도의 고온까지 사용되며, 일반적으로 니크롬이라고 한다. - 철-크롬계 합금: 값이 비싼 니켈 대신에 철과 알루미늄을 사용한 전열합금으로, 내열성과 전기 저항을 높이기 위하여 2-6%의 알루미늄을 첨가한 것이다. 니켈-크롬게 합금에 비하여 전기저항이 높으며, 내식성, 내열성이 우수하여 최고 1200℃까지 사용할 수 있다. ⑩ 불변강: 주위 온도 변화에 의하여 재료가 가지고 있는 열팽창 계수나 탄성 계수 등의 특성이 변화하지 않는 강을 말한다. - 인바(Invar): 0.2%C 이하, 35-36%Ni, 약 0.4%Mn의 조성으로, 주로 줄자, 표준자, 시계추 등에 쓰인다. - 엘린바(Elinvar): 36%Ni, 12%Cr, 나머지는 철의 조성으로, 탄성율은 온도 변화에 의해서도 거의 변화하지 않으며, 시계의 유사, 지진계 및 정밀기계의 주요 재료에 사용된다. 4. 주 강 (1) 주강의 성질과 조직 주강은 압연재나 단조품과 같은 수준의 기계적 성질을 가지고 있으면서도 주철 주물과 비슷한 방법으로 얻을 수 있다. 1) 주강의 특성 - 탄소 주강의 강도는 탄소량이 많아질수록 커지고 연성은 감소하게 되며, 충격값도 떨어지며 용접성도 나빠진다. 여기에 망간의 함유량이 증가하면 인장강도가 커지나 탄소에 비해 그 영향은 크지 않다. - 주강은 주철에 비하여 기계적 성질이 우수하고, 용접에 의한 보수가 용이하며, 단조품이나 압연품에 비하여 방향성이 없는 것이 특징이다. 2) 주강의 조직: 주강은 철-탄소계 합금으로 탄소의 함유량이 주철에 비해 낮으며 보통 1.0% 이하이다. 3) 주강의 열처리: 주강품은 주조 상태로서는 조직이 억세고 취약하기 때문에 주조한 다음 반드시 풀림 열처리를하여 조직을 미세화 시킴과 동시에 주조할 때 생긴 응력을 제거하여 사용한다. (2) 주강의 종류와 용도 1) 보통 주강 - 탄소주강이라고도 하며, 탄소의 함유량에 따라 0.2% 이하의 저탄소 주강, 0.2-0.5%의 중탄소 주강, 그 이상의 고탄소 주강으로 구분한다. - 보통주강에는 규소, 망간, 알루미늄 또는 티탄 등이 탈산제로 소량 첨가되어 있다. - 보통주강은 철도, 조선, 광산용 기계 및 설비, 그리고 구조물 및 기계부품 등의 기계재료로 사용된다. 2) 합금 주강 - 니켈 주강: 니켈의 첨가로 연신율의 저하를 막고, 강도와 인성을 증가시킴과 동시에 내마멸성이 좋아진다. 철도용, 선박용 설비, 광산 토목 기계용 등으로 이용된다. - 크롬 주강: 크롬의 첨가로 강도와 내마멸성이 높아진다. 분쇄 기계와 석유 탐사용 기계 부품으로 많이 사용된다. - 니켈-크롬 주강: 니켈-저크롬 주강은 인장강도, 연성, 내충격성 등이 좋으므로, 기어, 압연 롤러 등에 널리 이용되고 있다. - 망간 주강: 열처리에 의하여 니켈-크롬 주강과 비슷한 기계적 성질을 가지고 있으므로, 제지용 기계 부품과 롤러의 재료로 이용된다. 5. 주 철 (1) 주철의 성질과 조직 - 백주철(white cast iron): 파면이 백색인 주철로 흑연의 생성이 없고 탄소가 화합 탄소인 시멘타이트로 구성되어 있다. - 회주철(gray cast iron): 탄소의 전부가 흑연으로 변한 것이며 파면의 광택이 회색으로 나타나는데, 주로 주물의 두께가 두껍고 규소량이 많은 경우나 응고시 냉각속도가 느린 경우에 회주철이 된다. 1) 주철 조직의 특징 - 주철은 Fe-C계 평형 상태도상으로는 탄소를 2.11-6.67% 함유하는 합금으로 규정하고 있으나, 실제 사용되는 주철은 2.11-4.0%의 범위로 한정되어 있다. - 주철 중의 탄소는 용융 상태에서는 전부 균일하게 용융되어 있으나, 응고될 때 급랭하면 탄소는 시멘타이트로, 서냉시에는 흑연으로 석출된다. - 흑연이 많을 경우에는 파단면이 회색을 띤 회주철로, 흑연이 적고 화합 탄소로 존재할 경우에는 백주철, 회주철과 백주철이 혼합되어 있는 경우에는 반주철이 된다. 2) 주철 조직의 상과 특징 ① 흑연: 인장강도를 약하게 하나 흑연의 양, 크기, 모양 및 분포 상태는 주물의 특성인 주조성, 내마멸성 및 절삭성, 인성 등을 좋게 하는데 크게 영향을 끼친다. ② 시멘타이트: 주철의 상 중에서 가장 단단하며 경도가 1100 정도이다. 주철 중에 시멘타이트가 많이 존재하는 백주철이 되면 매우 단단하고 절삭성이 현저히 저하된다. ③ 페라이트: 철을 주체로 한 고용체로서 주철에 있어서는 규소의 전부, 망간의 일부 및 극히 소량의 탄소를 포함하고 있다. ④ 펄라이트: 단단한 시멘타이트와 연한 페라이트가 혼합된 상으로 그 성질은 양자의 중간 정도가 된다. 3) 주철의 조직도 - 탄소 함유량을 세로축, 규소 함유량을 가로축으로 하고, 두 성분 관계에 따라 주철의 조직이 어떻게 변화하는가를 나타낸 실용적인 선도를 마우러(Maurer)의 조직도라 한다. 4) 흑연의 모양과 분포 - A형은 표준형의 흑연으로 균일한 분포의 편상 구조이며 기계적 성질이 우수하다. - B형은 장미꽃 형태의 분포이며 기계적 성질이 나쁘다. - C형은 미세한 흑연 중에 조대한 초정 흑연이 혼합되어 있다. - D형은 미세한 공정 흑연으로 강도 및 내마멸성이 나쁘다. - E형은 수지 상정 간의 편석 형태의 분포를 하고 있으며, 강도는 높지만 굴곡성이 부족하다. 5) 주철의 성질 ① 물리적 성질: 비중은 규소와 탄소가 많을수록 작아지며, 용융 온도도 낮아진다. 또 흑연편이 클수록 자기 감응도가 나빠진다. 투자율을 크게 하기 위해서는 화합 탄소를 적게 하고, 유리 탄소를 균일하게 분포시키는 것이 좋다. 또 규소와 니켈의 양이 증가함에 따라 고유 저항이 높아진다. ② 화학적 성질: 염산, 질산 등의 산에는 약하나 알카리에는 강하다. 또 물에 대한 내식성이 매우 좋기 때문에 상수도용 관으로 사용한다. ③ 기계적 성질 - 경도: 페라이트가 많은 것은 HB=80-120, 백주철의 경우에는 HB=420 정도이다. - 인장강도: 회주철의 인장강도는 보통 98-440MPa 범위이다. - 압축강도: 주철의 특징은 압축강도가 크다는 점이며, 인장강도의 3-4배 정도로 보통 주철에서는 4배 정도이다. - 충격값: 주철은 깨지기 쉬운 것이 큰 결점이다. 그러나 고급 주철은 어느 정도 충격에 견딜 수 있다. - 내마멸성: 주철에서는 조직 중 흑연이 윤활제 역할을 하고, 흑연 자신이 윤활유를 흡수, 보유하므로 내마멸성이 커진다. ④ 고온에서의 성질 - 주철의 성장: 주철은 A1 변태점 이상의 온도에서 장시간 방치하거나 다시 되풀이하여 가열하면 점차로 부피가 증가되는 성질이 있는데, 이러한 현상을 주철의 성장이라고 한다. - 주철의 내열성: 주철은 400℃ 까지는 상온에서와 같은 내열성을 가지나, 400℃가 넘으면 강도가 점차 저하되고 내열성도 나빠진다. 내마멸성은 고온에서도 우수하므로 자동차와 내연기관 등의 실린더 및 라이너, 피스톤 및 링 재료로 많이 사용되고 있다. ⑤ 주조성 - 유동성: 화학 성분이 일정할 때에는 용해와 주입 온도가 높을수록 유동성이 좋으나, 불필요한 고온 용해는 여러 가지 역기능을 가져오게 되므로 피하는 것이 좋다. - 수 축: 주입 후 냉각 응고시에는 온도의 강하에 따라 수축이 일어난다. 주조시 에는 수축에 의하여 내부 응력이 생기고 이로 인해 균열과 수축 구멍 등의 결함이 생긴다. - 감쇠성: 물체에 흡수된 진동이 점차 작아지는 현상을 감쇠능이라 하며, 회주철은 흑연이 있어 진동의 감쇠능이 좋다. 따라서 진동을 많이 받는 기계의 부품 재료로 많이 쓰인다. ⑥ 피삭성: 절삭 가공에서 흑연의 윤활 작용과 절삭 칩이 쉽게 파쇄되는 효과가 있어 주철의 절삭성은 매우 좋다. 그러나 경도와 강도가 높아지면 절삭성은 떨어진다. 6) 여러 원소의 영향 ① 탄소: 탄소 함유량 4.3%까지 범위 안에서는 탄소 함유량의 증가와 더불어 용융점이 저하되며, 주조성이 좋아진다. ② 규소: 주철의 질을 연하게 하고 냉각시 수축을 적게 하는데 영향을 끼친다. ③ 망간: 황과 화합하여 황하망간으로 되어 용해 금속 표면에 떠오르며, 적은 양은 주철 재질과는 무관하다. 망간 함유량이 증가함에 따라 펄라이트는 미세해지고 페라이트는 감소한다. ④ 황: 망간이 적을 때에는 황화철로 편석하여 균열의 원인이 된다. ⑤ 인: 인은 주철속에 들어가면 용융점이 저하되어 유동성이 좋아지나 탄소의 용해도가 저하되어 시멘타이트가 많아지면서 단단하고 취약해지므로 보통 주물에는 0.5% 이하가 좋다. 7) 그 밖의 원소 ① 니켈: 페라이트 속에 잘 고용되어 있으면 강도를 증가시키고 펄라이트를 미세하게 하여 흑연화를 증가시킨다. 또 내열, 내식 및 내마멸성을 증가시킨다. ② 크롬: 흑연 함유량을 감소시키는 한편 미세하게 하여 주물을 단단하게 한다. ③ 구리: 적은 양은 흑연화 작용을 약간 촉진시키며 인장강도와 내산, 내식성을 크게한다. ④ 마그네슘: 흑연의 구상화를 일으키며, 기계적 성질을 좋게한다. (2) 주철의 종류와 용도 1) 보통주철 - 조직은 주로 편상 흑연과 페라이트로 되어 있는데 약간의 펄라이트를 함유하고 있다. - 기계 가공성이 좋고 값이 싸므로 일반 기계부품, 수도관, 난방용품, 가정용품, 농기구 등에 쓰이며, 특히 공작기계의 베드, 프레임 및 기계 구조물의 몸체 등에 널리 쓰인다. 2) 고급주철 - 강력하고 내마멸성이 있는 인장강도 245MPa 이상인 주철을 고급주철이라 한다. - 미하나이트주철: 연성과 인성이 대단히 크며, 두께의 차에 의한 성질의 변화가 아주 적은 특징이 있으며, 용도로서는 피스톤 링에 가장 적합하다. 3) 합금주철: 주철에 특수 원소를 첨가하여 보통주철보다 기계적 성질을 향상 시키거나 내식성, 내열성, 내마멸성, 내충격성 등의 특성을 가지도록 한 주철이다. ① 고력합금 주철: 일반 공작 기계 및 자동차 주물에는 보통 주물에 0.5-2.0%의 Ni를 첨가하거나 여기에 약간의 크롬과 몰리브덴을 첨가하여 강도를 높인 것으로, 강인성이 풍부하며 내마멸성도 우수하여 크랭크축, 캠축, 실린더 압연용 롤러 등에 쓰인다. ② 내마멸성 주철: 주철은 내마멸성이 좋은 재료이나, 더욱 향상시키기 위하여 크롬, 몰리브덴, 구리 등의 원소를 단독 또는 복합하여 소량을 첨가하면 내마멸 성이 향상된다. ③ 내열주철: 보통 주철은 400℃정도의 고온까지는 강도가 거의 유지되므로 내연 기관의 실린더 등에 많이 이용된다. 그러나 보다 고온에서는 성장 현상이 일어 나므로 내산화성, 내성장성 및 고온 강도 등을 개선한 내열 주철이 사용된다. ④ 내산주철: 회주철은 물이나 산류 등에 백주철보다 침식되기 쉬운데 반하여 내산 주철은 흑연이 미세하거나 오스테나이트 조직이므로 내산성이다. 4) 특수 용도 주철 ① 가단주철: 주철의 결점인 여리고 약한 성질을 개선하기 위하여 먼저 백주철의 주물을 만들고 이것을 장시간 열처리하여 탄소의 상태를 분해 또는 소실시켜 인성 또는 연성을 증가시킨 것이다. - 백심가단주철: 백선 주물을 산화철 또는 철광석 등의 가루로 된 산화제로 싸서 900-1000℃의 고온에서 장시간 가열하면 탈탄 반응에 의하여 가단성을 부여시킨 것이다. 강도는 흑심 가단주철보다 다소 높으나 연신율은 작다. - 흑심가단주철: 백선 주물을 풀림 상자 속에 넣어 풀림로에서 가열, 2단계의 흑연화 처리를 행하여 제조된다. - 펄라이트 가단주철: 흑심가단주철의 2단계 흑연화 처리 중 1단계만 처리 후 500℃ 전후로 서냉하고, 다시 700℃ 부근에서 20-30시간 유지하여 필요한 조직과 성질로 조절한 것으로, 그 조직은 흑심 가단 주철과 같다. ② 구상 흑연 주철: 용융 상태의 주철 중에 마그네슘, 세륨, 또는 칼슘 등을 첨가 처리하여 흑연을 구상화한 것으로, 노듈러 주철, 덕타일 주철 등으로 불린다. 강인하고 주조 상태에서 구조용 강이나 주강에 가까운 기계적 성질을 얻을 수 있어, 그 사용 범위가 급속도로 증가하고 있다. ③ 칠드주철보통 주철보다 규소 함유량을 적게 하고 적당량의 망간을 가한 쇳물을 주형에 주조할 때, 경도를 필요로 하는 부문만 칠 메탈을 사용하여 빨리 냉각시키면 그 부분만 백선화되어 단단한 칠층을 형성시킨 주철을 말한다. - 칠 현상에 미치는 각 원소의 영향: 탄소는 칠 깊이를 감소시키나 경도를 증가 시킨다. 규소는 함유량이 많아지면 칠층이 얇아진다. - 칠드주물: 필요한 부분에만 금형을 배치한 모래형에 주입하여 금형에 접촉된 부분만 급랭에 의하여 경화되는 칠드주철로 하고, 그 내부는 본래의 연한 조직으로 남게 하는 주물을 칠드 주물이라 한다. 5) 주철의 열처리 - 주철 풀림은 주조 응력을 제거하기 위한 저온 풀림과 주철을 연화 후 절삭성을 향상시키기 위한 고온 풀림이 있다. - 주조 후 장기간 외기에 방치하여 두면 주조 응력이 없어지는 일이 있는데, 이를 자연 시효라 한다. 
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| Toal 65 |
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