제 9장 강주물 강괴(billet)와 강주물 차이점 제 9장 강주물 강괴(billet)와 강주물 차이점 1) 강주물은 단조나 압연 등의 공정을 행하지 않으므로 기포 발생 시 강괴보다 큰 영향을 미친다. 따라서 Killed강을 사용 2) 강주물은 고온균열의 영향을 미치는 원소 특히 S의 성분이 적어야 한다. 3) 비금속개재물도 상대적으로 적어야 한다. 4) 강주물은 주물표면의 요철 등이 노치효과로 인해 강구조물보다 사용응력이 낮다. 5) 따라서 강주물은 일정한 결함이 발생한다는 전제하에 설계를 하여야 한다. 킬드강 (killed steel) : 규소 또는 알루미늄과 같은 강한 탈산제(脫酸劑)로 탈산한 강.   강을 만들 때에, 녹은 강 속에 알루미늄·규소를 첨가하고 탈산처리하여 속의 산소를 전부 제거해버리면, 주형에 부어 강괴를 만들 때에 배출되는 가스가 남아 있지 않으므로 아주 조용히 굳는다. 이 때문에 강괴 전체에 성분이나 여러 성질이 균일해져 좋다. 그러나 완전히 탈산을 하지 않으면, 강괴가 굳을 때에 가스가 방출되어 림드 강이라고 하는 것이 된다. 보통 제강 때에 탈산 정도에 따라 킬드·세미킬드·림드의 세 종류로 분류한다.

주물용 강에 대한 합금 성분의 영향 1. 탄소       - 인장강도. 피로강도. 내마모성 증가, 연신율이나 내충격성 저하 2. 규소 - 알루미늄 다음으로 강력한 탈산제, Mn만으로 탈산이 불충분한 경우 0.2~0.4% 합금, Si가 너무 낮으면 Pin hole발생 가능성 3. 망간 - 규소보다 약한 탈산제로서 용강 중 산화 정도를 조절해 주는 완충 작용, - 강 중의 S와 결함하여 고온균열 감소. C. Si와 더불어 강도 및 소입성 증가, 탄소강 주강 0.5%~0.7%, 저합금강 1~1.5% 첨가 4. 인(P) - 고온균열 증가, 고급주강에는 0.03% 이하로 관리 5. 유황(S) - 고온균열에 가장 나쁜 원소, Ti, Al, Mn 등의 효과를 감소 - 상한치가 0.05% 이하이나 낮을 수록 좋다.

6. 동(Cu)       - 1% 이하로 사용, 적열취성의 원인, 낮은 융점의 Cu가 강의 결정입계 를 따라 고온균열 가능성 7. 알루미늄 - 가장 강력한 탈산제로 출강 전 또는 출강 중 Ladle에 첨가 - Pin hole이나 비금속 개재물 발생 억제, 연신율 향상 - 너무 많이 사용하면 용강 표면이 공기와 접촉 산화알루미늄막 형성 유동성 불량 초래 - 질소가 많을때도 AlN이 결정입게예 석출되어 인성 8. 티탄(Ti) - 산소, 유황, 탄소와 강한 친화력 - 탈산작용은 Pin hole방지 - 초정의 결정립 미세화 - 일정량 이상의 Ti는 탄소와 결합하여 탄소의 합금원소의 효과를 감소

9. Ni, Cr, Mo, W, V       - 주조성을 나쁘지 않게 하면서 강도 향상 10. 희토류 금속(Rare earth metal) - 주기율표 제3족인 스칸듐·이트륨 및 원자번호 57에서 71인 란탄계열의 15원소를 합친 17원소의 총칭으로 대개 은백색 또는 회색 금속 - 란탄(La), 세륨(Ce) 등은 알루미늄과 Ca 등과 비슷한 효과로 강의 정화작용 11. 산소(O) - 제강과정 중 주요한 역할(발열반응) - 주조 시 유동성 저하 - 수소 또는 탄소와 더불어 Pin hole 형성 12. 질소 (N) - 응고 시 기포내의 압력을 상승시키므로 적을수록 좋다. - 주강상태에서 저온균열 발생 가능성

비금속 개재물 (Non-metallic inclusion) 광석에 플럭스(용제)를 첨가해 용융제련을 할 때에 용제의 작용에 의해서 생기는 비금속적 조성의 물질, 일반적으로 SiO2, Al2O3 ,TiO2 등으로 구성(피로강도, 인성, 내식성 저하) 보통 강재의 비금속개재물은 체적비(體積比)로 0.1% 정도 함유하고 있지만, 그 존재량(存在量)을 대폭 저하시킨 것을 청정강(淸淨鋼)이라고 함

SEM Image & EDX C B A A B C Element Weight% C K 20.35 O K 15.70 Al K 2.07 Si K 3.17 Mn K 42.79 Fe K 15.92 Element Weight% C K 12.29 O K 64.56 Na K 2.75 Mg K 1.45 Al K 6.34 Si K 11.66 Element Weight% C K 5.45 O K 63.79 Mg K 3.18 Al K 8.60 Si K 16.29 Mn K 2.69

Ingot 수축공(Shrinkage cavity) : 액상금속이 응고 할 때 수축에 의해 생기는 결함. - 외부로부터 내부로 응고하므로 주로 내부에 형성.

응고 과정

연강 및 고장력강 미세조직 (A) Mild steel(X100) (B) TMCP steel(X100)

회주철 백주철 2 1)검은색 편상이 흑연 2)Matrix 는 Pearlite 3)흰 부분은 공정조직 1)검은부분은 Austenite에서 변태한 Pearlite 2)흰부분은 Cementite 3)벌집형상의 모양은 시멘타이트와 오스테나이 트의 공정조직(레데뷰라이트) 백주철은 탄소가 시멘타이트로 되어 있고 회주철은 흑연으로 존재, 원인은 냉각속도와 합금성분으로 결정되며 냉각속도가 빠를수록 시멘타이트가 많고 느릴수록 흑연이 많음. 2

구상흑연주철 2 페라이트형 펄라이트형 Bull’s-eye 형 1)검은형상이 흑연 2)Matrix 는 Ferrite 3)펄라이트형에 비해 인장 강도는 낮으나 10%정도의 연신율과 절삭성이 우수 1)검은형상이 흑연 2)Matrix 는 Pearlite 3)인장강도가 우수 1)검은형상이 흑연 2)주위에 흰 부분 페라이트 3)Matrix 는 Pearlite 4)내열성과 내마모성이 우수 구상흑연주철(nodular casting) : 보통 주철에 나타나는 흑연은 편상으로 나타나는데 비해 흑연이 구상으로 나타나는 주철, 1947년 H.모로 등은 세륨(Ce)을 첨가하면 흑연이 구상으로 존재하는 것을 발견. 비슷한 시기 미국에서도 Mg을 첨가하면 구상화가 된다는 것을 확인. 그 후 Ca, Si등을 첨가하여도 구상화 된 다는걸 발견 TS : 50-70kg.mm2, 10-20% elongation, HB : 200) 2

13. 수소(H)       - Pin hole 형성 - 저온균열 발생 가능성이 가장 높게 하는 원소 14. Pb, Sn, As, Sb, Bi - 고온균열 발생 가능성 연성파면(dimple fracture) 취성파면(cleavage fracture)

강주물의 열처리 조직 및 성질 주방상태 : 주조 후 응고 냉각 한 것을 열처리 하지 않은 상태 즉 주고 그대로의       주방상태 : 주조 후 응고 냉각 한 것을 열처리 하지 않은 상태 즉 주고 그대로의 조직, 강주물에서 주방상태로 사용하는 경우는 없음 1) 초기 상태의 오스테나이트가 조대화 되어 있으므로 변태 후의 Ferrite와 Pearlite 조직도 조대 2) 변태 후 Ferrite는 큰판상 및 Widmanstatten 조직이 쉽게 형성 3) 주형의 냉각속도에 따라 퍼얼라이트 내부조직의크가 및 페라이트 중의 불순물의 존재여부가 결정 4) 주방상태의 제품 충격시험 시 벽개파면(Cleavage fracture)가 나타남.

Fe-Fe3C 평형 상태도

<공석 조성> <아공석 조성> <과공석 조성>

Heat Treatment of Steels Types of Heat Treatment? Normalizing (N) Quenching and Tempering (QT) Stress Relieving and Post-Weld Heat Treatment (PWHT) Surface Hardening

Modern Steel Manufacturing Thermo-Mechanical Controlled Processing (TMCP) Controlled rolling followed by accelerated cooling 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Temperature (℃) N QT TM water quenching Accelerated cooling A3 Austenitizing Tempering

Heat Treatment of Steels Normalizing (N) Normalizing consists of heating a steel to a temperature 30~50 ℃ above the transformation temperature (A3), holding to ensure complete austenitization, and sub- sequent cooling in still air.

Heat Treatment of Steels What’s the benefit of Normalizing ? Improvement of mechanical properties by grain structure refinement Homogenization, for instance to give more even response to subsequent quench hardening Improvement of machinability

Heat Treatment of Steels Quenching and Tempering (QT) The purpose of quenching is to cause transformation hardening of the steel by producing a martensitic microstructure. Tempering implies that a quench-hardened steel is reheated to a temperature below the A1 temperature in order to improve its ductility and toughness. In more recent years QT treatment has also been applied to high strength structural materials with good weldability.

Heat Treatment of Steels Stress Relieving and Post-Weld Heat Treatment (PWHT) Stress relieving and post-weld heat treatment (PWHT) are virtually identical types of heat treatment The primary objective is to reduce the level of residual stresses in the part under consideration For PWHT of modern structural steels the temperature range is narrower, typically 550~590 ℃

Heat Treatment of Steels Surface Hardening To improve the wear resistance and fatigue properties of components Build-up or addition of a new surface layer (weld overlays, thermal spraying, electrochemical plating) Surface and sub-surface modification of microstructure and/or chemical composition without any intentional build-up or increase of part dimensions (case hardening, induction hardening, flame hardening, nitriding)

Various microstructure (A) Martensite (B) Bainite (C) Ferrite & Pearlite (D) Pearlite

Normalizing Ferrite Pearlite Magnification ×500 Etching reagent　3％ Nital Approx.10s） Composition　 C 0.46％，Si 0.24％，Mn 0.69％，P 0.02％，S 0.022％ Heat treatment　930℃Xl h　Air cool (Normalizing） Hardness　150 to 200 HB Tensile strength　Approx. 588N/・（60・f/・） Elongation　Approx. 22％

Annealing Cementite Magnification ×200 Etching reagent　3％ Nital（Approx. 10s） Composition　 C 1.16％，Si 0.24％，Mn 0.46％，P 0.013％，S 0.017％ Heat treatment　950℃×2h Furnace cool（Anneaing） Hardness　220 to 250 HB

Annealing Ferrite Cementite Magnification ×500 Etching reagent　3％ Nital（Approx. 8s） Composition　 C 0.88％，Si 0.28％，Mn 0.36％，P 0.020％，S 0.013％ Heat treatment　900℃X5h　Furnace cool（Anneaing） Hardness　180 to 200 HB

Quenching / Tempering Magnification ×500 Etching regent　3％ Nital（Approx. 15s） Composition　 C 0. 88％，Si 0.28％，Mn 0. 36％，P 0.02％，S 0. 013％ Heat treatment　850℃×30min. Water Quenching，100℃×30min. Tempering Hardness　66.5 HRC

열처리 후 조직       주방상태에서는 dendrite 편석이 심하다. 일반적으로 탄소량 및 합급성분이 많 을수록 취성, 편석, 잔류응력이 커진다. 1) 균일화 소둔 - Dendrite 편석을 경감 목적 - 조대할수록 균일화가 쉽지 않다. - Dendriter는 주물 냉각속도가 늦을수록 조대하지만 냉각속도가 늦으면 고 온에서 확산하는 시간이 길기 때문에 편석의 농도차는 감소한다. - 이 두가지 영향에 의해 열처리 온도와 유지시간이 결정 - 고온에서 장시간 균질화열처리는 오스테나이트 결정립이 조대해져 나쁘므 로 다시 열처리를 실시하여 결정립을 미세화

2) 결정립 미세화(소준) 주방상태, 고온에서 균질화 및 용접부의 결정립은 조대하다. 이것을 미세화 시키면 기계적 성질 특히 연신율 및 충격치가 향상 된다. 3) 응력제거 소둔 - 주조 및 용접 후 잔류하는 응력은 1회의 소둔이나 소준으로 제거 - 잔류응력은 피로강도 충격저항에 나쁜 영향 - 열처리 온도는 보통 550 ~ 650℃ 실시 4) 소입 및 소려 5) 기타 표면열처리

9.5 주강 주강품은 화학성분에 따라 탄소강 주강품, 저합금강 주강품 및 고합급강 주강품으로 분류 고합금강 주강품은 스테인리스강 주강품, 내열강 주강품, 고 Mn갈 주강품으로 구분 탄소강 주강품은 탄소량에 따라 - 0.2% 이하의 저탄소강 주강 - 0.2 ~ 0.5%의 중탄소강 주강 - 0.5% 이상의 고탄소강 주강 Ex) SC37 은 인장강도가 37 kg/mm2 이상의 주강(책 참조)

주요 합금강 주강 내열성, 내식성, 내마모성 등 기타의 특수성질을 필요로 할 때 Ni, Cr, Mo, W, V을 첨가 하거나 Si나 Mn을 다량으로 첨가한 특수강 망간 주강 - 0.9 ~ 1.4% 망간을 함유한 저망간 주강과 11.0 ~ 15.0%를 함유한 고망간 주강이 있다.저망간 주강은 열처리 후 Pearlite 또는 Sorbite 조직으로 각종 구조재에 사용 크롬 주강 - 크롬은 페라이트의 강도를 높여주며 복합 탄화물을 만들어 경도 상승 - 고크롬 주강은 스테인리스강에 포함 니켈 주강 - 주강의 강인성을 높인 목적으로 1.0 ~ 5.0% 첨가 - 기어 나 차축에 이용

4) 니켈 –크롬강 - 저합금 니켈-크롬강은 강하고 질긴 강인 강으로 가장 많이 사용 - 인장강도가 크고 피로한도가 높아 자동차, 항공기 부품 및 압연 roll에 이용 5) 니켈-크롬-몰리브덴 주강 - 니켈-크롬강은 템퍼취성이 생기므로 이것을 계량할 목적으로 Mo 0.2~ 0.5% 첨가 - 강인하고 내마모성이 크므로 압연롤에 사용 6) 스테인리스 주강과 내열강 주강 - 크롬과 니켈을 합금한 주강 - 오스테나이트계와 페라이트계가 폭넓게 사용

Stainless steel의 종류별 특징 강 종 AISI 조성 특 성 자성 가공성 내식 내산화 고온 강도 저온 강도 소입성 용접 열처리 Martensite 410 13Cr-0.1C 유 ○ △ 예열 후열 Ferrite 430 18Cr-0.1C ◎ 무 Austenite 304 18Cr-8Ni ⊙ Precipitation Hardening 631 16Cr-7Ni-1Al Dulpex계 2205 2507 18~30Cr-4~6Ni-2~3Mo

Schaeffler diagram Spec. : AISI C Mn Cr Ni 304 (A) 0.08 max 2.0 18-20 8-12 410 (M) 0.15 max 1.0 11-13 - 430 (F) 0.12 max 16-18