제 11장 금속합금 강의 종류에 대한 이해 주철의 종류와 미세구조, 기계적성질 비철합금의 특성과 응용분야 소성변형 이용한 성형방법 주조기술의 종류 열처리 기술 경화능의 정의 석출경화의 이해

철 합금의 분류도

11.2 철 합금 철이 많이 쓰이는 이유 단점 풍부하다 저렴하게 생산 및 가공 광범위한 영역의 기계적 성질 낮은 내부식성 상대적으로 높은 밀도 낮은 전기전도도

강 – 저 중 고 탄소강 저탄소강 고강도 저합금강 (HSLA steel) 가장 널리 사용, 0.25% 미만의 탄소농도 페라이트와 펄라이트 구조 비교적 연하고 약함, 우수한 연성과 인성 기계가공성과 용접성 우수, 생산비 저렴 자동차 몸체, I-빔 등 구조용재, 파이프, 깡통 대략 275 Mpa 항복강도, 500 Mpa 인장강도, 25% 연성 고강도 저합금강 (HSLA steel) 특수한 저탄소강

고강도 저합금강 고강도 저합금강 (HSLA steel) 구리, 바나듐, 니켈, 몰리브덴 총 10% 첨가 저탄소강에 비해 높은 경도 열처리에 의해 경화됨 480 Mpa 이상의 인장강도 연성, 성형성, 기계가공성 우수 순탄소강에 비해 부식에 대한 내성 우수 다리, 탑, 압력통, 고층건물의 보조기둥

중탄소강 중탄소강 탄소함량 0.25 - 0.60% 의 탄소강 열처리에 의한 기계적 성질향상 템퍼링되어 사용됨 템퍼링된 마르텐사이트의 미세구조 경화능이 낮다. 따라서 매우 빠른 급냉속도 얇은 부위에서만 열처리효과 크롬, 니켈, 몰리브덴 첨가로 열처리효과 증대 열차바퀴, 철로, 기어, 크랭크축, 고강도 구조재 고강도, 내마모성 및 인성이 요구되는 분야

합금의 명칭법 SAE (Society of Automotive Engineers) AISI (American Iron and Steel Institute) ASTM (American Society for Testing and Materials) 위의 기관에서 합금의 분류와 명칭결정 AISI/SAE 표기법 – 4 개의 숫자 처음 두숫자 : 합금의 농도 뒤의 두숫자 : 탄소의 농도 예) 1060 : 10-순탄소강, 60-탄소량 0.6%

고탄소강 고탄소강 탄소량 0.6 – 1.4 % 탄소농도 탄소강 중에서 가장 강하고 낮은 연성 경화되고 템퍼링되어 사용 극히 높은 내마모성 요구될 때 사용 크롬, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴 첨가 위의 함금원소와 탄소가 결합하여 매우 강하고 내마모성 좋은 탄소화합물 형성 칼날, 면도날, 톱날, 스프링, 공구강, 다이강

스테인레스 강 스테인레스 강 대기중 내부식성(니켈, 몰리브덴 첨가) 우수 크롬이 11% 이상 필요 높은 온도나 가혹한 환경서 사용 산화에 강하고 기계적 성질의 열화가 적기 때문 최고 허용온도 1000 ℃ 가스터빈, 고온 스팀보일러, 열처리로 비행기, 미사일, 원자력발전고 부품

주철 주철 탄소함량이 2.14 % 이상 (실제 3.0 – 4.5 %) 쉽게 용융(1150 – 1300 ℃), 주조 가능, 취약 시멘타이트는 준안정상이며 환경에 따라 철과 탄소(흑연, graphite)로 분리됨 Fe3C → 3Fe (α 페라이트) + C (graphite) 회주철, 구상주철, 백주철, 가단주철

회주철(gray cast iron) 검은 흑연박편은 알파페라이트 상내에 존재한다 탄소 2.5-4.0% 실리콘 1.0-3.0% 흑연이 박판형태로 존재 회색의 외관 인장력에 약하고 깨지기 쉬워 진동에너지 흡수에 효과적 마찰에 대한 내성우수 용융상태에서 유동성 좋아 복잡한 형태의 주물 가능 가장 값싼 금속재료

구상(연)주철 (ductile cast iron) 검은 흑연구상입자가 알파페라이트 상내에 존재한다 회주철에 마그네슘과 세륨 첨가 구상 형태의 흑연 형성 일반적으로 펄라이트 구조이나 700℃ 에서 장시간 열처리 페라이트 기지 회주철 비해 단단, 연성 우수 강에 상응하는 기계적 특성 380 – 480 Mpa 인장강도 10 – 20 % 연성 밸브, 펌프동체, 크랭크축, 기어

백주철(white cast iron) 흰 시멘타이트 영역은 펄라이트에 둘러 쌓여있다 낮은 실리콘 농도의 주철 (1.0%미만)의 급속냉각 파단면 백색의 외관 기계가공이 불가능할 정도로 강하고 취성이 높다 강한표면과 연성 불필요 분야 이용 압출기의 롤러 가단주철 생산의 중간과정

가단주철(malleable cast iron) 장미형의 검은 흑연입자가 α-페라이트 내에 존재한다 백주철을 800-900 ℃ 에서 장시간 가열하면 시멘타이트 분해 흑연생성 미세구조는 구상주철과 비슷 높은 강도와 상당한 연성 연결축, 자동차의 변속기어, 기차, 잠수함 등 중장비의 플랜지 파이프의 이음새, 밸브부품

(a)강과 (b)회주철의 상대적인 진동흡수 능력의 비교

11.3 비철합금 구리와 그 합금 황동 (brass) 청동 (bronze) 베릴륨구리 순수구리: 매우 연하고 높은 연성, 기계가공이 어렵고 냉간가공 능력 우수, 높은 내부식성 황동 (brass) 구리 + 아연 의복장식, 라디에이터, 악기, 동전 청동 (bronze) 구리 + 주석, 알루미늄, 실리콘, 니켈 황동보다 단단하고 좋은 내부식성 베릴륨구리

베릴륨구리 베릴륨구리 1400 mpa 이르는 높은 인장강도 우수한 전기적 성질, 내부식성, 내마모성 1.0-2.5% 베릴륨 첨가, 높은 제조 단가 제트기 착륙기어 베어링, 부싱, 스프링, 수술 혹은 치과도구

알루미늄과 그 합금 밀도 2.7 g/㎤ (강 7.9) 높은 전기 및 열전도성, 좋은 내부식성 높은 연성, 성형가공 용이 약점- 용융점 660 ℃ 이 낮다 비행기 동체, 캔, 버스차체, 피스톤, 매니폴더 구리, 마그네슘, 실리콘, 망간, 아연 첨가 냉간가공과 합금으로 기계적성질 향상 내부식성 저하 수반

알루미늄과 그 합금 새로운 알루미늄 합금 Mg, Ti 첨가 비강도 우수- 운송체 구조재료 알루미늄-리튬 합금 우주항공산업 이용 낮은 밀도와 높은 탄성 뛰어난 피로와 저온 강도 성질

마그네슘과 그 합금 밀도 1.7 g/ ㎤, 비행기 부품 비교적 연하고 낮은 탄성계수 6.5*10^6 상온에서 소성변형 어렵다 가공은 주조나 200-350 ℃ 사이의 열간가공 낮은 용융온도 651 ℃ 해양분위기에서 부식에 약하다 미세한 분말은 공기 중 쉽게 점화 휴대용톱, 가위, 핸들과 조종대 지지축 노트북, 캠코더, 핸드폰

티타늄과 그 합금 비교적 낮은 밀도 4.5 높은 용융점 1668 ℃, 탄성계수 연성이 좋고 쉽게 단조, 기계가공 약점: 고온에서 다른 재료와 화학반응성 특수 정련, 용융, 주조 기술 필요 – 고가 상온에서의 내부식성 우수 비행기 구조물, 우주선, 석유 및 화학산업

금속가공 기술의 분류도

(a) 단조 (b) 압연 (c) 압출 (d) 인발 금속 소성 변형

11.5 주조 사형주조 (sand casting) 다이주조 (die casting) 가장 널리 사용, 모래를 주형재료 자동차의 실린더블록, 소화전, 큰 파이프 부속품 다이주조 (die casting) 두개의 영구적인 강주형 또는 다이 사용 압력이 가해진 상태에서 응고시킴 빠른 주조속도 가능, 생산비 저렴 하나의 다이 수천번 사용 비교적 작은 형체와 아연, 알루미늄, 마그네슘과 같이 용융점 낮은 금속에만 사용

주조 인베스트먼트 주조 (investment casting) 연속주조 (continuous casting) 주형틀을 왁스나 플라스틱과 같이 용융점 낮은 재료로 제작 정밀한 치수, 우수한 마감재 요구될 때 보석, 치과 크라운, 가스터빈, 제트엔진 회전바퀴 연속주조 (continuous casting) 주조와 압연을 동시에 수행 사각형이나 원형 단면형상 갖는 연속 주관

11.6 분말야금과 용접 분말야금(powder metallurgy PM) 용접 (welding) 금속분말을 압축하고 가열하여 더욱 밀도가 높은 물체로 만드는 기술 높은 용융 온도를 갖는 주조하기 어려운 금속에 적용 정밀치수 요구부품 제작- 부싱, 기어 용접 (welding) 아크, 가스, 땜질, 납땜용접 레이저 용접

레이저용접 강한 레이저 빔을 열원으로 사용 장점 비접촉 방법 대상물의 기계적 변형을 피함 공정속도가 매우 빠르며 자동화가 용이 에너지투입 국부적으로 작아 열영향부 최소화 용접부위가 작고 정밀제어 가능 다양한 금속과 합금에 적용가능 모재보다 더 우수한 강도의 접합부위 생성

11.7 열처리, 어닐링 공정 어닐링 (annealing) 완전어닐링 고온으로 장시간 유지시킨 후 서서히 냉각 완전 (full) 어니일링과 중간(process) 어니일링 완전어닐링 아공석강과 공석강을 오스테나이트와 페라이트 경계보다 약 40 ℃ 높은 오스테나이트 영역으로 가열해서 필요한 시간 유지시킨 후 상온까지 서냉 (보통 노랭) 과공석강의 경우 보통 공석온도보다 40 ℃ 높힌 온도에서 γ화 시킨다

어닐링 중간어닐링 Stress relief annealing 이라고도 한다 냉간가공으로 인한 내부응력을 제거해 줌으로써 냉간가공한 저탄소강을 부분적으로 연화시키고 연성을 증가시킨다 보통 탄소량이 0.3% 이하인 아공석강에 적용 공석온도 아래인 550-650 ℃ 에서 이루어진다

노르말라이징 노르말라이징 (normalizing) 템퍼링 (tempering) 강을 γ 영역까지 가열했다가 공기중 냉각 목적 : 결정립을 미세화 하기 위해 강도를 높이기 위해 균일한 조직을 얻기 위해 냉각속도를 조절하지 않아도 되므로 경제적 템퍼링 (tempering) 마르텐사이트 조직의 강을 공석온도보다 낮은 온도에서 가열하여 좀더 연하고 인성이 있는 강으로

스페로다이징 스페로다이징 (spheroidizing) 공석선 아래 온도에서 행한다 세멘타이트가 뭉쳐 스페로이다이트 입자형성 스페로이다이트 강은 최고의 연성 쉽게 가공되고 최고의 연성

공석 영역의 철-철탄화물 상태도 탄소강의 열처리 온도 구간

11.8 강의 열처리 경화능 합금이 주어진 열처리에서 마르텐사이트 형성으로 인해 경화되는 능력을 가르키는 용어 경도와는 다르며 시편의 내부로 들어갈수록 감소되는 경도의 감소율을 수치적으로 나타낸 것 높은 경화능을 갖는 강합금은 표면 뿐 아니라 내부전체에 걸쳐 마르텐사이트를 형성하여 경화될 수 있음을 의미

Jominy 급냉시편의 개략도

급랭 끝에서 거리에 따른 로크웰 C 경도값 경화능 곡선의 전형적인 모양

11.9 석출경화 일명 “시효경화” : 시간에 따라 경도증가 금속의 모재상 내부에 미세하고 균일한 2 차 상의 입자를 형성함으로써 금속의 경도와 강도를 증가, 미세입자의 형성을 수반 열처리 – 용체화 열처리 (급냉) - 석출 열처리

11.9 석출경화