제 6 장 특수강 ( 합금강 )

1. 제6장 특수강(합금강)

2. 특수강(합금강) 특수강이란? 탄소강에 다른 원소를 1개 또는 2개 이상을 첨가한 것으로 합금강(alloy steel)이라고도 부른다.

3. 특수강의 분류와 합금원소의 영향 • 특수강의 분류 합금원소의 함유량에 따라 • 고특수강 • 저특수강 성분에 따라 • 니켈강 • 망간강 • 텅스텐강 • 몰리브덴강

4. 특수강의 분류 용도에 따라 • 구조용 특수강 • 공구용 특수강 • 내부식-내열용 특수강 • 특수용도용 특수강

5. 합금원소의 영향 합금원소를 첨가하는 중요한 목적 강철을 경화시킬 수 있는 깊이를 증가시켜 기계적 성질을 개선하기 위해 높은 강도와 연성을 유지하기 위해 높은 온도와 낮은 온도에서의 기계적 성질을 개선하기 위해 내부식성, 내고온성, 내산화성 등을 개선하기 위해 내마모성 및 피로 특성 등의 특수한 성질을 개선하기 위해

6. 원소의 특성 • 니켈(Ni)：강성과 인성, 내부식성, 내산성, 저온 충격값을 증가시킨다. • 크롬(Cr)：함유량이 적어도 강도와 경도를 증가시키며, 함유량이 많아지면 내부식성, 내마모성 및 자경성을 크게 증가시키는 것 이외에, 탄화물의 생성을 쉽게 하여 내마모성도 증가시킨다.

7. 원소의 특성 • 텅스텐(W)： 함유량이 적으면 크롬과 거의 비슷한 작용을 하지만, 함유량이 많아지면 탄화물 생성을 쉽게 하여 경도와 내마모성을 크게 증가시킨다. 특히, 고온 강도와 경도를 증가시킨다. • 몰리브덴(Mo)：담금질 깊이를 크게 하고, 크리프 저항과 내부식성을 증가시킨다. 또 뜨임 취성을 방지한다.

8. 원소의 특성 • 규소(Si)：함유량이 적으면 강도와 경도를 조금 향상시키나, 함유량이 많아지면 내마모성을 크게 증가시키고, 전자기적 성질도 개선시킨다.

9. 구조용 특수강 • 기계를 구성하는 주요부품 또는 구조물을 제작하는데 사용하는 강철 재료 • 인장강도, 탄성한도, 연신율, 단면수축률, 충격 값, 피로한도 등의 기계적 성질이 우수하여야 한다. • 주조성, 단조성, 절삭성 등의 가공성도 좋아야 한다.

10. 강인강(强靭鋼) 볼트, 너트, 축, 기어 등에 사용되며 탄소 함유량은 0.28~0.48% 정도 니켈강(Ni steel) • 강성과 인성, 열처리성, 내마모성, 내부식성 등을 향상시키기 위해 탄소강에 니켈을 첨가시킨 것 • 용도는 기어, 스핀들, 크랭크축, 추진축 등에서 사용

11. 크롬강(Cr steel) • 크롬은 Fe3C 중에 녹아 들어가 (FeㆍCr)3C를 형성하여 경도를 증가시켜 내마모성을 향상시킨다. • 결정입자는 인장강도, 항복점을 증가시키며, 인성이 크다. • 임계 냉각속도를 느리게 하여 공기 중에서 냉각하여도 경화되는 자경성이 있다. • 크롬 2% 이하의 저탄소 크롬강은 침탄용 강으로, 고탄소 크롬강은 베어링, 줄, 다이스 등으로 이용 • 크롬 12% 이상의 저탄소인 것은 매우 안정된 피막을 형성하므로 내부식강, 내열강으로 이용

12. 니켈-크롬강(Ni-Cr steel, SNC) • 니켈은 페라이트 기지의 인성 증가를, 크롬은 탄화물에 의한 경도를 증가시킨다. • 강성과 인성이 있고 연신율 및 단면수축률이 크게 감소되지 않고 강도가 큰 특성이 있어 대표적인 구조용 강철로 사용

13. 크롬-몰리브덴강(Cr-Mo steel) • 니켈-크롬강에서 니켈 대신 몰리브덴을 적은 양 첨가하여 성질을 향상시킨 것 • 크롬 이외에 몰리브덴을 함유하면 강철의 경화성능이 커지고, 뜨임 취성도 적어지므로 고온 가공성이 좋고, 가공 면이 깨끗하여 얇은 강철판이나 파이프 제조에 많이 사용 • 각종 축(shaft), 기어, 강력 볼트 등에도 사용

14. 니켈-크롬-몰리브덴강(Ni-Cr-Mo steel) • 구조용 니켈-크롬강에 0.3% 정도의 몰리브덴을 첨가하면 강성과 인성을 증가시킬 뿐만 아니라, 담금질한 경우에는 질량 효과를 감소시키고, 뜨임 취성을 방지하는 효과가 크다. • 엔진의 크랭크축, 강력 볼트, 기어 등에 사용

15. 망간강 (Mnsteel) 망간은 탄소강에 자경성을 주며, 많은 양을 첨가한 망간강은 공기 중에서 냉각하여도 쉽게 마르텐사이트나오스테나이트 조직으로 된다. (1) 저망간강 선박, 차량, 건축, 교량 등 일반 구조용 강철로 사용 (2) 고망간강 내마모성과 내충격성이 크고, 특히 인성이 크다.

16. 공구용 특수강 • 공구재료로서의 구비조건 ① 상온과 높은 온도에서 경도가 높을 것 ② 내마모성, 강성과 인성이 클 것 ③ 열처리와 공작이 쉬울 것 ④ 값이 쌀 것

17. 합금 공구강(STS) 탄소 공구강에 특수원소로서 크롬, 텅스텐, 망간, 니켈, 바나듐 등을 1종류 또는 2종류 이상 첨가하여 성능을 개선한 것

18. 고속도강(SKH) 고속도강은 절삭 공구강의 일종이며, 500~600℃까지 가열하여도 뜨임에 의해서 연화하지 않고, 또 높은 온도에서도 경도의 감소가 적은 것

19. 소결 초경합금 소결 초경합금은 WC, TiC, Tac등의 금속 탄화물을 코발트(Co)로 소결한 비철 합금 스텔라이트(stellit, 주조합금 공구재료) • 절삭능력이 고속도강의 1.5~2.0배 정도 큼 • 충격에 의해 쉽게 파손되는 큰 결점이 있음

20. 세라믹스(ceramics) • 세라믹스는 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 결합제를 사용하지 않고 소결시킨 공구이다. • 내열성이 가장 높고, 고온경도 및 내마모성은 크나 비자성, 비전도체이며 충격에 약하다. • 용도는 고온절삭, 고속 정밀가공, 강자성 재료 가공용이다.

21. 내부식 및 내열 특수강 내부식강 페라이트계열스테인리스강(고 크롬계열) • 크롬 13%인 것과 크롬 18%인 것이 대표적 • 내부식성이 크다.

22. 내부식강 오스테나이트계열스테인리스강(고 크롬, 고 니켈계열 • 크롬 18%, 니켈 8%인 것이 가장 대표적 • 내부식성과 내산화성이 크다. • 가공성이 좋다

23. 내부식강 마르텐사이트계열스테인리스강(고 크롬, 고 니켈계열 • 높은 강도와 경도를 목적으로 조정

24. 특수 목적 특수강 쾌삭강 강철에 황(S), 납(Pb) 등의 특수원소를 첨가하여 절삭할 때, 칩(chip)을 잘게 하고, 피삭 성능을 향상시킨 것 스프링강

25. 특수 목적 특수강 불변강 인반(invar)강 줄자, 표준 자, 시계 추 등의 재료로 사용된다. 슈퍼 인반(super invar, 초인바)강 정밀기계 부품 재료로 사용된다.

26. 불변강 엘린바(elinvar) 줄자, 표준 자, 시계 추 등의 재료로 사용된다. 코엘린바(coelivar) 온도변화에 따른 탄성률 변화가 매우 작고, 공기나 물 속에서 부식되지 않는 특성이 있다.

27. 제7장 주철(Cast Iron)

28. 주철의 분류

29. 주철의 개요 주철은 강철보다 탄소함유량이 높기 때문에 강철에 비해 인장강도는 낮고, 취성이 크며, 소성변형이 되지 않는 단점이 있으나 주조성능이 우수해 복잡한 형상을 쉽게 주조할 수 있고 값이 싸 널리 사용된다.

30. 주철의 조직 주철의 특성 ① 용융점이 낮고, 유동성이 좋다. ② 압축강도는 크나 인장강도가 부족하다. ③ 가단성‧전성 및 연성이 적고, 취성이 크다. ④ 마찰저항이 크며, 값이 싸다. ⑤ 녹이 잘생기지 않는다. ⑥ 내마모성이 크고, 절삭성능이 좋다. ⑦ 가공은 가능하나, 용접성이 불량하다.

31. Fe-C 평형 상태도 • 아공정 주철(hypo eutectic cast iron) • 과공정 주철(hyper eutectic cast iron) • 공정주철(eutectic cast iron)

32. Fe-C계 평형 상태도

33. 주철의 조직선도 마울러의 조직도

34. 주철의 조직선도

35. 주철의 종류와 조직

36. 흑연형상의 모형도 (a) 공정상 흑연 (b) 편상 흑연 (c) 괴상 흑연 (d) 장미형 흑연 (e) 문어형흑연 (f) 구상 흑연

37. 주철의 기계적 성질 • 회주철의브리넬 경도는 페라이트가 많은 것이 80~120 정도 • 펄라이트 주물은 170~220, • 열처리하거나 합금 주철의 경우는 250~300 정도, • 백주철은 420 정도 • 회주철의 인장강도는 10~25kgf/mm2이며, • 압축강도는 약 56~110kgf/mm2이다. • 굽힘 강도는 1.5~2.0, • 연신율은1% 이하이며, • 충격값은0.3~0.6kgf‧m/cm2이다.

38. 주철의 종류 • 보통주철 • 고급주철 • 특수주철

39. 보통주철 • 회주철이 대표적이며, • 인장강도가 98~196MPa(10~25kgf/mm2) 정도이며, • 성분은 탄소 3.2~3.8%, 규소 1.4~2.5%, 망간 0.4~1,0%, 인 0.3~0.8%, 황 0.01~0.12% 정도 • 기계 가공성이 좋고 값이 싸다.

40. 고급주철 • 편상 흑연 주철 중에서 인장강도가 245MPa(25kgf/mm2) 정도 이상인 주철을 말한다. • 조직은 흑연이 미세하고 활 모양으로 구부러져 고르게 분포되어 있다. • 미하나이트 주철은 • 연성과 인성이 매우 크고, • 두께 차이에 의한 성질 변화가 매우 작다 • 피스톤 링에 가장 적합하다.

41. 특수주철 가단주철(malleable cast iron) (1) 흑심 가단주철 저탄소, 저규소의 백주철을 풀림 상자 속에서 열처리하여 시멘타이트를 분해시켜 흑연을 입상(粒狀)으로 석출시킨 것

42. 특수주철 가단주철(malleable cast iron) (2) 백심가단주철 백주철을 적철광 및 산화철 분말과 함께 풀림 상자에 넣고 900~1000℃에서 40~100시간 가열하여 시멘타이트를탈탄시켜 주철에 가단성을 부여한 것

43. 특수주철 가단주철(malleable cast iron) (3) 펄라이트가단주철 흑심 가단주철 공정에서 제1단계의 흑연화 처리만 한 후 955℃정도까지 가열하여 뜨임 탄소를 구상화하고, 시멘타이트가오스테나이트 내에 용해되도록 7시간 정도 유지하며, 2시간 안에 900℃로 노(爐) 속에서 냉각시킨 후 급속히 공기 중에 냉각한 것

44. 특수주철 구상 흑연주철(nodular cast irom) • 주조성능, 가공성능 및 내마모성이 우수 • 인장강도가 주철의 종류 중에서 가장 높고 • 인성, 연성, 가공성능 및 경화성능이 강철의 성질과 비슷하다.

45. 특수주철 칠드 주철(chilled cast iron, 냉경 주철) 보통주철보다 규소 함유량을 적게 하고, 적당한 양의 망간 쇳물을 금형이나 칠 메탈(chill metal)이 붙어 있는 모래형에 주입하여 필요한 부분만 급랭시킨 것

46. 합금원소의 영향 첨가되는 원소의 영향 구리(Cu) 경도가 증가하고, 내마모성이 개선되며, 내부식성이 향상된다. 크롬(Cr) 흑연화를 방지하여 탄화물을 안정시킨다.

47. 합금원소의 영향 니켈(Ni) 주물의 두꺼운 부분의 조직이 거칠어지는 것을 방지하며, 얇은 부분에서 칠(chill)이 발생하는 것도 방지한다. 몰리브덴(Mo) 흑연을 미세화하고 강도와 경도 및 내마모성이 증가한다. 두꺼운 주물의 조직을 균일화한다.

48. 제8장 비철금속 및 그 합금

49. 알루미늄 및 그 합금 알루미늄의 개요 알루미늄 및 알루미늄 합금의 특징 비중이 2.7로 작고, 용융점은 600℃ 정도이다. 전성과 연성이 좋다. 표면에 산화 막이 형성되어 있어 내부식성이 우수하다. 열전도성 및 전기 전도성이 구리 다음으로 좋다. 두랄루민은 비강도가 연강의 약 3배 정도이다.

50. 알루미늄의 성질 알루미늄의 물리적 성질 전기 전도성은 구리(Cu)의 65% 정도 가장 유해한 원소 순서 티탄(Ti) > 망간(Mn) > 아연(Zn) > 구리(Cu) > 규소(Si) > 철(Fe)