Metallic Materials - Steel

Presentation on theme: "Metallic Materials - Steel"— Presentation transcript:

1 Metallic Materials - Steel
금속재료 - 철강 Metallic Materials - Steel 강릉대학교 금속재료공학과 정 효 태

2 철강의 분류 철기시대의 시작 청동기시대에 동광석과 착각하여 발견 산불 등으로 철광석이 자연 환원된 것을 채취
운석을 채취 등등으로 시작하였다는 설이 있으나, 초기에는 철광석을 장작을 태워 녹이었고, 이후 목탄을 사용하였다. 온도를 높이기 위해 풍구를 사용하고 간단한 노(爐)를 사용하였다. 이후, 현재와 유사한 제강, 제련법은 근대에 이르러 사용되었다. 14세기초 목탄을 사용하는 용광로로 선철을 처음 제작 18세기 목탄 대신 코크스(Cokes) 사용 선철에서 강철만들기 1784년 영국 Henry Cort 교련법(Puddle Process) 1856년 영국 Bessemer 강철대량생산(벳세머 전로) 1864년 영국 Siemens의 평로제강법 1954년 오스트리아 Linz와 Donawitz의 공장에서 사용한 산소전로(지명에 따라 LD전로)

3 철의 성질 지구의 구성원소 철의 장단점 산소>규소>알루미늄>철>…. 금속생산량의 95%이상을 차지
원료가 풍부하다. 대량생산이 쉽다. 강도, 인성, 연성 등이 우수하다. 주조, 가공, 열처리를 통해 다양한 특성을 얻는다. 무겁다. 부식이 잘된다. 표면처리(도금, 페인틍), 스테인레스 개발, 경량화 합금개발 가능

4 철의 성질 순수한 철은 용융점이 1535℃이며, 비등점은 약2450℃, 비중은 7.868g/cm3이다. 순수한 철의 강도는 매우 낮으며, 약간의 불순물이 첨가되면, 강도는 증가하고, 탄소강이나 합금강과 같이 미량의 합금원소를 첨가하면 급격하게 강도가 증가한다. 철의 종류 인장강도(kg/mm2) 항복강도(kg/mm2) 연신율(%) 정대정련철 19.7 4.9 전해철(진공용해) 24.6 ~ 28.0 7.0 ~ 14.0 40 ~60 주조철(Armco) 28.8 12.7 47 철의 종류 화학조성(%) C Mn P S Si Cu Ni O2 N2 Armco 주조철 0.012 0.017 0.005 0.025 trace - 전해철 0.006 0.004 H2 전해철 0.028 0.003 0.0012 0.0001

5 철의 성질 3가지 동소체 알파(α)철, 감마(γ)철, 델타(δ)철
768℃를 기준으로 알파철을 두 가지로 분류, 768℃가 큐리온도이므로 이보다 낮은 온도에서는 자성특성을 나타내며, 높은 온도에서는 비자성체의 특성을 갖게 된다. 이를 구분하여 비자성 알파철을 베타(β)철이라고 하기도 한다. 일반적으로 순수한 철에 미량의 탄소가 고용된 상태의 알파철을 페라이트(ferrite), 델타철을 δ-페라이트(δ-ferrite), 감마철은 오스테나이트(austenite)라고 부른다. 철의 동소체 결정구조 격자상수(Å) 온도범위 알파(α) BCC 2.86 (20℃) ~ 910℃ 감마(γ) FCC 3.65 (980℃) 910 ~ 1403℃ 델타(δ) 2.93 (1450℃) 1403 ~ 1535℃ 밀도 g/cm3, 융점 1535℃, 비등점 2450℃, 원자번호 26, 원자량 55.85

6

7

8 철강의 분류 철강재료는 순수한 철이 각종 화학성분, 즉, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 등을 포함하고 있다. 고순도의 철은 연하기 때문에 구조재로 사용하기에는 부적합하다. 탄소의 함유량이 적을수록 연하고 변형이 쉬움 탄소량이 증가할수록 경도와 강도는 증가하지만 탄성과 연신율은 감소 경향을 보임 주철과 강은 탄소와 철의 합금이다. 철에 0.3% 이하의 탄소가 함유된 것을 보통강이라고 부르고 0.7~1.3% 정도 탄소가 함유된 것을 공구강이라고 한다. 공구강은 담금질 열처리가 잘 되기 때문에 쉽게 강화시킬 수 있다. 감마철에 용해 가능한 최대 탄소량은 약 2%이며 이것보다 탄소를 많이 함유한 것은 강이라고 하지 않고 주철이라고 부른다. 주철 은 주조용 철합금으로 2~4%의 탄소와 1~3%의 규소를 함유하며, 탄소의 분포에 따라 백주철(White iron), 회주철(Gray iron), 가단주철(malleable iron), 구상흑연주철(ductile iron)으로 구분한다.

9 대정제방법으로 99.99%의 순철을 제조할 수 있으나 공업용 순철은 통상 99.9% 이하이다.
구 분 성 분 성질 선철(주철) C 2.0 ~ 4.5 % Si 0.5 ~ 2.0 % Mn 0.5 ~ 2.0 % P 0.01 ~ 0.1 % S 0.02 ~ 0.5 % 인성이 낮아 단조가 곤란함 용융점이 낮고 유동성이 좋음 강 C 0.02 ~ 2.0 % Si 0.01 ~ 0.3 % Mn 0.3 ~ 0.8 % P 0.01 ~ 0.05 % S 0.01 ~ 0.05 % 강도 및 인성이 높음 가공성이 양호함 순철 C 0.02% 이하 기계적 성질이 낮음 용접, 단접성 우수함 탄소가 % 함유된 강은 실용성이 거의 없다. 철강의 분류 순철 (Pure Iron) 상온에서 연성, 전성, 용접성이 우수하며 탄소강에 비해서 내식성이 우수하다. 그러나 너무 연해서 용도가 한정되어 생산량이 매우 적다. 전해철, Armco 철, 카아보닐철 등 대정제방법으로 99.99%의 순철을 제조할 수 있으나 공업용 순철은 통상 99.9% 이하이다. 선철 (Pig Iron) 용광로(고로)에서 철광석을 녹여 만든 철로서 철의 5대 원소(C, Si, Mn, P, S)가 많고 단단하지만, 강하여 부서지기 쉽다. 그러므로 주물제작은 가능하나 가공은 어렵다. 선철은 주물로도 이용하지만, 대부분 강을 만들기 위한 재료로 사용된다. 용광로에서 나와 녹아 있는 상태의 선철을 용선이라고 한다. 강 (Steel) 선철을 제강로에 넣어 탄소나 기타 성분을 감소시켜 정련한 것이 강이다. 강은 질기고 늘어나는 성질이 있어 가공성이 우수하다. 또한 강도도 매우 높다. 강은 탄소함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 구분한다. 강에 특수원소등을 첨가하여 내열강, 내마모강 등을 만드는데 이것을 특수강이라고 부른다.

10 철강의 분류 제품의 강종별 분류 보통강 - 일반탄소강 특수강 - 공구강 : 탄소공구강, 합금공구강, 고속도공구강
- 구조용강 : 기계구조용 탄소강, 구조용 합금강 - 특수용도강 : 스프링강, 베어링강, 스테인리스강, 내열강, 쾌삭강, 피아노선, 고장력강, 고망간강 등

11 철강의 분류 탄소강 분류 아암코철(Armco Iron): 공업용 순철
극연강(Very Mild Steel): 탄소함량이 0.12%이하의 가공성이 좋은 연한 강이며, 전신선, 박판 등의 용도로 사용된다. 연강(Mild Steel): 탄소함량 0.12 ~ 0.30%인 탄소강으로 일반구조용 형강, 강판, 수도관, 철사 등으로 사용된다. 경강(Hard Steel): 탄소함량 0.30 ~ 0.50%인 탄소강으로 차축, 차륜, 기어, 스프링으로 사용된다. 최경강(Very Hard Steel): 탄소함량 0.50 ~ 0.90%인 탄소강으로 차축, 레일, 강선, 스프링 등으로 사용된다. 탄소공구강(Carbon Tool Steel): 탄소함량 0.90 ~ 1.30%인 탄소강으로 각종 공구류 등의 강한 재료로 사용된다. 또는 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 구분하기도 하며 탄소함량에 따른 열처리조건으로 다음과 같이 용도를 구분하여 사용한다.

12 조성, 용도에 따라 다양한 분류기준이 있으며 그 중 가장 널리 쓰이는 것은 AISI-SAE와 ASTM 분류이다.
철강의 분류 열처리 조건에 따른 탄소강 분류 탄 소 함 량 특 징 0.06%~0.10% C 열처리 하지 않는 강 0.10%~0.25% C 열처리를 통하여 강화시킬 수 있는 강, 0.10%C 이하의 탄소강에 비하여 연성은 낮아지나 강도를 증가시킬 수 있다. 그러나 담금질과 뜨임 열처리시 비용이 많이 소요되므로 침탄용으로 주로 사용한다. 0.25%~0.55% C 담금질과 뜨임 열처리에 의해 효과적으로 강도를 향상시킬 수 있으므로 가장 널리 사용된다. 0.55%~1.00% C 성형성 및 용접성이 떨어지므로 제한된 용도로 사용한다. 조성, 용도에 따라 다양한 분류기준이 있으며 그 중 가장 널리 쓰이는 것은 AISI-SAE와 ASTM 분류이다.

13 철강의 분류 (1) AISI-SAE 분류 (American Iron and Steel Institute - Society of Automotive Engineers) ● 적용: 열연하고 냉간가공된 봉재, 선재 이음매 없는 관(seamless pipe), 단조용 반제품 ● 탄소강에서 탄소함량이 강도를 결정하므로 탄소함량을 표시 ● 4자리 숫자 ● 합금강에서는 앞의 두 자리 숫자를 10에서 합금원소에 따라 바꾼다. (2) ASTM 분류 (American Society for Testing and Materials) 판재 등에 적용하며, 화학조성, 기계적 성질 값, 가공방법, 열처리방법 까지 표시한다.

14 철강의 분류 미세합금강 (Microalloyed steel)
Nb, Ti, V 과 같은 탄화물, 질화물 형성원소를 미량(0.1wt%이하) 첨가하면 저렴한 생산비용으로 우수한 기계적 성질을 얻는다. 이러한 기계적 성질의 향상원인은 다음과 같다. 1) 미세한 아결정립 구조를 형성하여 페라이트의 결정립 크기를 미세화한다. 2) 탄화물, 질화물 형성원소의 첨가로 탄화물, 질화물이 석출된다. 3) 페라이트가 석출강화 된다. 이상강 (Dual Phase steel) 새로운 고강도저합금강(HSLA, High Strength Low Alloy steel)로서 연한 페라이트 기지에 20% 이상의 강한 마르텐사이트 입자가 분포하는 미세조직을 갖는다. 같은 고강도 합금강에 비해 이상강은 높은 인장강도와 연속항복거동, 낮은 항복강도, 큰 연신율을 나타낸다. 이상강은 0.11~0.12%C 탄소강에 Mn, Si을 합금원소로 하여 조건에 따라 Cr, Mo, V를 첨가한 강으로서 720oC~780oC에서 열처리하여 오스테나이트와 페라이트의 혼합 미세조직을 얻은 후 담금질하여 페라이트와 마르텐사이트의 2개의 상이 혼합된 조직을 만든 것이다. 이때 미량의 베이나이트, 퍼얼라이트, 잔류 오스테나이트도 존재한다.

15 철강의 분류 탄소강 AISI-SAE분류 AISI-SAE No. % C % Mn 1006 0.08 max. 0.25~0.40
1010 0.08~0.13 0.30~0.60 1015 0.13~0.18 1020 0.18~0.23 1025 0.22~0.28 1030 0.28~0.34 0.60~0.90 1035 0.32~0.38 1040 0.37~0.44 1045 0.43~0.50 1050 0.48~0.55 1055 0.50~0.60 1065 0.60~0.70 1070 0.65~0.75 1075 0.70~0.80 0.40~0.70 1080 0.75~0.88 1085 0.80~0.93 0.70~1.00 1090 0.85~0.98 1095 0.90~1.03 0.30~0.50 P, max. S, 0.05 max. 철강의 분류 탄소강 AISI-SAE분류

16 철강의 분류 특수강, 합금강 탄소강: 철과 탄소를 주성분으로 소량의 P, S, Mn, Si, Cu 등이 함유된 강
합금강: 탄소강에 약 5%이하의 합금원소(Ni, Cr, Mo, Mn, Si, V, Co, Cu, Pb 등)가 함유된 강, 일부 합금강은 50% 정도의 합금원소를 함유하기도 한다. 탄소강의 한계 ● 약 100,000psi 이상의 강도를 얻으려면 인성(toughness)과 연성(ductility)이 심하게 저하된다. ● 큰 단면적의 재료는 완전히 마르텐사이트 변태를 시킬 수 없다. ● 마르텐사이트 변태시 필요한 급냉에 의해 형상이 뒤틀어지거나 균열이 생긴다. ● 저온에서 충격에 약하다 ● 부식이 잘 된다. ● 고온에서 산화가 잘 된다.

17 철강의 분류 합금원소의 영향 경화능 향상에 따른 기계적 성질향상 강도, 연성을 유지하면서 뜨임(템퍼링)온도를 높임
고온 또는 전온에서 기계적 성질 향상 내부식성과 고온산화 성질을 향상 내마모성, 피로 등의 성질을 향상 특수강을 정의하면 일반탄소강에 비하여 1종 이상의 합금원소를 첨가하여 특수한 성질을 부여한 강, 특수한 제강법을 통하여 불순물을 극히 낮은 수준으로 제어한 강, 특수한 용도에 적합한 열처리를 통하여 소정의 성능을 발휘하는 강, 품질상으로 균일하고 요구 특성에 대한 재현성이 보증되는 강을 넓은 의미에서 특수강이라고 할 수 있으며, 좁은 의미에서는 합금강만이 특수강이라고 할 수 있다. 합금원소가 5%이하의 것을 저합금강, 그 이상을 고합금강이라 한다. 특수강을 분류하면 크게 형상에 따라, 강종에 따라, 합금원소에 따라 분류할 수 있다. 형상별로는 조강류(봉강, 형강, 선재), 판재류, 강관, 주단강으로 구분하고, 강종별로는 공구강, 구조용강, 특수용도강으로 분류하며 합금원소별로는 망간강, 크롬강, 텅스텐강, 보론강, 니켈강, 니켈크롬강, 몰리브덴강 등이 있다.

18 특수강의 분류-합금원소별 분류 망간강(Manganese Steel)
강에 망간을 다량 함유시켜 강하고 경하게 만들고 황의 해를 막아주도록 한 합금강을 말한다. 망간을 1~2% 함유하는 저망간강은 고장력강으로 수요가 증가하고 있으며 11~15%의 망간을 함유하고 있는 고망간강은 주요 주강으로서 내마모부품에 사용된다. 망간은 일반강에도 0.25%~1.00% 정도 첨가되는 원소로서 특히, 1.6%~1.9% Mn을 첨가한 합금을 망간강이라고 하며, 용접성이 우수한 고강도 합금강이다. 망간이 2%이상 첨가되면 취성이 발생한다. 12% Mn, 1.1% C의 화학조성을 갖는 Hadfield의 망간강은 상온에서도 오스테나이트 조직을 나타내며 내마모성이 매우 우수한 합금강이다. 크롬강(Chrome Steel) 강에 내마모성과 내식성을 향상시키는 크롬을 다량 함유시킨 합금강이다. 중탄소강에 1% 전후의 크롬을 첨가한 강으로 열처리에 의한 경화능을 증가시키고 탄화물 형성한다. 스프링, 베어링의 용도로 사용된다. BCC 구조를 가진 Cr은 강력한 페라이트 안정화 원소이다.

19 특수강의 분류-합금원소별 분류 텅스텐강(Tungsten Steel)
경도를 높이고 고온강도를 갖는다. 텅스텐은 공구강용 합금원소로는 가장 중요한 것이지만 그 단독으로는 별로 사용하지 않고 크롬이나 바나듐과 함께 사용되는 경우가 많다. 니켈강(Nickel Steel) 강에 인성과 내충격성, 내식성을 향상시키는 니켈을 다량 첨가한 강이다. 니켈크롬강(Nickel-Chrome Steel) 니켈과 크롬의 상승효과에 의하여 강의 인성, 내식성, 내열성을 향상시킨 강이다. 니켈 1.0~3.5%, 크롬 0.5~1.0%를 함유하는 구조용 강이다. 크롬과 니켈은 담금질성을 향상시키는 첨가원소이나 니켈을 이 정도 함유함으로써 뜨임상태에서의 기계적 성질이 안정되므로 오래전부터 사용된 강인강이다. 니켈크롬몰리브덴강(Nickel-Chrome-Molybdenum Steel) 구조용 니켈크롬강에 몰리브덴을 미량 첨가해서 담금질 성을 한층 개선하고 뜨임에 의한 연화저항성을 크게 하며 불림취성을 작게 만든 강이다. 탄성영역을 증가시키고 경화능, 내충격성, 피로저항을 향상시킨다.

20 특수강의 분류-합금원소별 분류 니켈-규소-크롬-몰리브덴강
니켈-크롬-몰리브덴강에 규소를 첨가하여 강도와 인성을 증가시킨 강이다. 크롬-몰리브덴강 경화능을 향상시킨 강으로서 유냉(oil quenching)으로도 경화시킬 수 있다. 몰리브덴강(Molybdenum Steel) 강도와 내열성을 향상시킨 합금강으로서 Mo 0.25%에서 최적의 강도, 인성, 경화능 마르에이징 강(Maraging steel) 매우 낮은 탄소함량의 고강도 강으로서 철-니켈 마르텐사이트에 시효강화를 위한 치환형 원소를 첨가한 강이다. 마르에이징 강의 이름은 마르에이징 강을 만드는 공정으로부터 Mar(tensite) Age (harden)ing 비롯된 것이다. 주요 합금원소는 18% Ni에 Co, Mo, Ti, Al을 첨가한다.

21 특수강의 분류-용도별 분류 구조용강 주로 기계 및 건축, 교량, 선박, 차량의 구조물용으로 강도를 중시하여 제조된 강으로서 필요에 따라 용접성을 중시하여 제조된 강재이다. 기계구조용 탄소강: 탄소 0.08~0.61% 규소 0.15~0.35%, 망간 0.30~0.90% 함유하며, 다른 합금원소를 함유하지 않은 고급 탄소강을 말한다. 기계부품의 소재로 사용한다. 구조용 합금강: 기계구조용 탄소강과 용도는 같지만 탄소강의 성질을 향상시키기 위해 탄소, 규소 이외에 합금원소를 첨가한 합금강을 말한다. 첨가원소에 따라 소입성보증강, 크롬강, 망간강, 망간-크롬강, 니켈-크롬강, 크롬-바나듐강, 크롬-몰리브덴-바다듐강 등으로 구분된다.

22 특수강의 분류-용도별 분류 공구강 (Tool Steel)
금속 또는 비금속의 절삭, 소성가공용 등의 각종 지그, 공구로 사용하는 강철의 총칭으로 용도가 넓고 요구 성능이 다양하므로 종류가 매우 많다. 탄소공구강: 0.6~1.5%의 탄소를 함유하는 공구강으로 각종 드릴, 쇠톱 , 칼줄, 금형 및 가정용 업무용, 공업용 공구로 사용된다. 탄소공구강은 가격이 저렴하고 사용용도가 넓어 편리하지만 주요원소가 탄소뿐이어서 경화능이 낮고 경도를 높이기 위해서는 급랭하여야 하므로 담금질균열이나 변형이 생길 수 있다. 합금공구강: 탄소강에 망간, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 합금원소를 첨가한 공구강 탄소강에 비해서 경화성, 절삭성능, 내충격성, 내마모성, 불변형성, 내열성 등을 필요에 따라 개선한 강으로 절삭공구, 가공다이스 프레스 형틀, 쇠톱 등에 사용된다. 고속도공구강: 고탄소강에 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 코발트 등의 합금원소를 비교적 다량으로 첨가하고, 절삭공구 및 금형 등에 쓰이는 공구강을 말한다. 특히 고속 절삭에 적합하며, 마찰열에 의한 고온에 잘 견디는 이유로 고속절삭용, 난삭재 절삭용, 기타 각종 공구용을 사용된다. 일반적으로 함유성분에 따라서 텅스텐계와 몰리브덴계로 나뉜다.

23 특수강의 분류-용도별 분류 공구강 (Tool Steel)
금속 또는 비금속의 절삭, 소성가공용 등의 각종 지그, 공구로 사용하는 강철의 총칭으로 용도가 넓고 요구 성능이 다양하므로 종류가 매우 많다. 절삭공구, 내충격공구, 냉간금형용 공구강: 탄소 이외에 2~3%의 첨가원소를 함유하고 있다. 합금원소는 기지에 고용되기도 하고 탄화물을 형성함으로써 여러 가지 특성을 발휘한다. 주로 금형, 다이스 등 냉간금형용, 나사절삭다이스, 절단기 등 절삭공구용, 끌, 헤딩다이스 등 내충격공구용등에 사용되며 그밖에 롤, 측정용구 등으로 사용된다. 중공강: 주로 착암기용 로드에 쓰이는 속이 빈 봉강을 말한다. 단면모양은 원형, 6각형 등이며, 강종은 주로 탄소공구강, 강인강, 침탄강 등이 사용되며 광산, 건설공사의 암반 굴착기 용 봉으로 쓰인다. 열간공구강: 열간강도를 높이기 위해 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등 합금원소를 5%이상 첨가시킨다. 내산화성, 열간피로강도, 내용손성 등을 향상시키고 수명향상에 기여한다.

24 특수강의 분류-용도별 분류 특수용도강 ● 스프링강:
탄소계, 실리콘 망간계, 망간 크롬계, 크롬 바나듐계 등의 강철로서 스프링 성능을 부여하는 강이다. ● 베어링강: 높은 경도와 내마모성, 내식성, 인성 등 베어링 특성을 갖게 하기 위하여 크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나듐 등을 첨가한 합금강으로 롤링 베어링, 롤러 등에 사용되는 강이다. 고속으로 변동하는 반복하중에 견디어 내는 필요성에서 높은 피로강도와 내마멸성이 요구되어 강철의 청정도와 조직의 균일성을 중요시하여 제조된다. ● 내열강: 고온에서도 산화나 침식을 받지 않고 강도를 유지하기 위하여 크롬, 니켈 몰리브덴, 텅스텐, 코말트, 망간, 규소 등을 첨가한 고합금강이다. 또한 합금원소의 총량이 50%를 넘는 경우는 일반적으로 초내열합금 또는 내열합금, 초합금이라고 부른다. ● 쾌삭강: 강재를 선반으로 선삭할 경우 피절삭성을 향상시키기 위해 인, 황 납, 칼슘 등을 단독 또는 복합으로 첨가하여 피삭성을 부여한 강철로서 기계구조용 및 기타 구조재로 사용된다.

25 특수강의 분류-용도별 분류 특수용도강 ● 피아노선재:
탄소함유량 0.60~0.95%의 고탄소강 선재로 패턴팅 처리 후 신선하여 피아노선, 오일템퍼선, pc강선, PC강연선 제조용으로 쓰인다. ● 고장력강: 일반구조용 강재 이상의 강도를 가지며 용접성, 노치인성, 가공성, 내식성이 뛰어난 강재이다. ● 고망간강: 망간 10~20%, 탄소 0.6~1.4%를 함유한 고합금강으로 오스테나이트 조직을 나타내는 비자성의 합금강이다. ● 냉간압조용 탄소강: 탄소 0.53% 이하의 탄소강으로 탈산의 방법에 따라 림드강, 킬드강, 알루미늄 킬드강 등이 있다. ● 질화강: 알루미늄 1%, 크롬 1.5%, 몰리브덴 0.2% 정도를 함유하는 일종의 표면경화강으로 질화처리에 의해 표면을 경화시킨 강으로 우수한 기계적 성질을 갖고 있다.

26 특수강의 분류-용도별 분류 특수용도강 ● 보론강(붕소강):
구조용 강에 고가의 원소인 크롬, 몰리브덴 대신에 0.002~0.003%의 붕소를 첨가하여 담금질성을 향상시킨 강으로 내마모강 등에 사용되었으나 최근에는 고장력강으로 성장하고 있다. 인성과 내충격성이 우수하고 고강도, 고경도, 내마모성을 갖는 강이다. 스테인레스강: 최소 12% 이상의 크롬이 포함되면 표면에 부동산화피막이 형성되어 탁월한 내부식성을 나타낸다. 니켈을 첨가하면 오스테나이트를 상온까지 유지시킴으로써 내부식성의 향상뿐만 아니라 연성 및 성형성을 향상시킨다. 몰리브덴의 첨가는 염소존재하의 내부식성을 향상시키며, 알루미늄은 고온에서의 내산화성을 향상시킨다. Fe-Cr 상태도에서 오스테나이트 영역이 폐곡선을 이루며 σ상이 존재한다. 크롬은 BCC구조로 페라이트 안정화 원소이다. 12%이상의 크롬이 함유되면 오스테나이트 영역이 축소되어 폐곡선형태가 되어 냉각시 오스테나이트-페라이트 변태 없이 냉각된다. 저온에서 Fe-Cr합금은 완전고용체가 아니고 σ상이 존재한다. σ상은 tetragonal 결정구조로서 강하고 취성을 갖는다.

27 특수강의 분류-용도별 분류 스테인레스강의 분류 1) 페라이트 스테인레스강 (Ferritic stainless steel)
11~30% Cr, 0.12% 이하의 C와 소량의 합금원소가 함유되어 있다. 오스테나이트-페라이트 변태가 없으며 열처리가 불가능하다. (405, 409, 430, 434, 436, 442, 446) 2) 마르텐사이트 스테인레스강 (Martensitic stainless steel) 12~17% Cr, 0.1~1.0% C와 소량의 합금원소를 첨가한다. 마르텐사이트 조직이며 열처리 가능하다. (403, 410, 414, 420, 422, 431, 440A, 440B) 3) 오스테나이트 스테인레스강 (Austenitic stainless steel) 6~12% Ni을 포함하며 상온에서 오스테나이트를 유지하므로 열처리는 불가능하다. 연성과 내식성이 우수하다. (301, 302, 304, 304L, 309, 310, 316, 316L) 4) PH 스테인레스강 (Precipitation hardening stainless steel) 10~30% Cr, Ni, Mo을 함유하였으며, 석출강화 상은 Cu, Al, Ti, Nb 등을 첨가하여 얻는다. 고강도이며 고온 강도가 우수하다. 5) Duplex 스테인레스강 (Duplex stainless steel) 페라이트 스테인레스강과 오스테나이트 스테인레스강이 혼합된 조직으로 두 스테인레스 강의 중간상태를 나타낸다.

28 합금강의 AISI-SAE분류 AISI-SAE No. (XX-탄소함량) 주요 합금 원소 비 고 13XX Mn 1.75
1330, 1340 고강도 볼트 15XX Mn 1.00 23XX Ni 3.50 25XX Ni 5.00 31XX Ni 1.25, Cr 0.65 33XX Ni 3.50, Cr 1.55 40XX Mo 0.20 / Mo 0.25 41XX Mo 0.20, Cr 0.95 / Mo 0.12, Cr 0.50 / Mo 0.30, Cr 0.80 4118, 4130, 4140 압력용기, 비행기구조물 43XX Mo 0.25, Cr 0.50, Ni 1.80 4340 착륙기어 44XX Mo 0.53 46XX Mo 0.25, Ni 1.80 / Mo 0.20, Ni 0.85 4620, 4820 트랜스미션기어, 축, 체인핀 47XX Mo 0.20, Ni 1.05, Cr 0.45 48XX Mo 0.25, Ni 3.50 50XX Cr 0.40 51XX Cr 0.80 / Cr 0.88 / Cr 0.95 / Cr 1.00 5160 스프링강 51XXX Cr 1.03 52XXX Cr 1.45 E52100 볼, 롤베어링 61XX Cr 0.60, V 0.13 / Cr 0.95, V 0.15 6150 밸브, 스프링 86XX Ni 0.55, Cr 0.50, Mo 0.20 87XX Ni 0.55, Cr 0.50, Mo 0.25 88XX Ni 0.55, Cr 0.50, Mo 0.35 92XX Mn 0.85, Si, 2.00 93XX Ni 3.25, Cr 1.20, Mo 0.12 94XX Ni 0.45, Cr 0.40, Mo 0.12 97XX Ni 0.55, Cr 0.17, Mo 0.20 98XX Ni 1.00, Cr 0.80, Mo 0.25 접두어 E: 전기로 제조, X: 성분이 다른 것 접미어 H: 경화능 요구 만족조건 xxBxx 붕소(Boron)첨가강, xxLxx 납(Lead)첨가강

29 합금강의 용도별 분류

30 철강의 제조법 강의 완제품 제조공정 1) 철산화물의 선철로의 환원과정 (제철법 또는 제선법)
고로(blast furnace)에서 코크스를 환원제로 사용하여 3.0%~4.5% C를 함유한 선철(pig iron)을 제조 2) 제강과정: 과잉의 탄소를 제거하는 과정 선철(pig iron), 철, 고철(steel scrap)을 원재료로 하여 basic oxygen furnace 또는 electric arc furnace를 사용하여 제강한다. 합금강(alloy steel)의 경우는 탄소를 제거한 후, Mn, Cr, Mo, Ni, V 등의 합금원소를 첨가하여 제조한다. 3) 주조(Casting) 강의 조성을 완성한 후 제강로에서 주형틀 또는 레이들(ladle)에 부어 응고시킨다. 연속주조의 경우는 tundish(reservoir)에 붇는다. 합금원소나 탈산제를 첨가하기도 한다.

31 강의 완제품 제조공정 4) 압연, 단조 주물은 용해온도 이하로 재가열하여 장시간 유지 후 열간압연 또는 열간단조하여 원하는
형태를 만들어 반제품을 제조한다. 연속주조의 경우에는 연속주조한 후의 재료가 바로 반제품이다. 5) 기계적 처리(Mechanical Treatment) 반제품을 열간압연, 냉간압연, 단조, 압출, 인발 등으로 가공하여 판(plate), 판재(sheet), 봉재, 관, 구조재 등의 완제품을 만든다. 6) 열처리(Heat Treatment) 기계적 처리가 끝나 제품의 재료 물성을 원하는 상태로 만들기 위하여 다양한 열처리를 한다.

32 강의 완제품 제조공정 이와 같이 철을 만드는 순서는 제선-제강-(주조)-압연 순서로 이어지며 공정에 필요한 설비를 경제적이고 합리적으로 배치함으로써 생산능률을 높이는 한편 수송비를 절약하고 열효율을 좋게 하는 등의 생산산비 절감을 고려하여 모든 공정을 하나의 장소에서 이루어지도록 하는 제철법을 일관제철법이라고 한다.

33

34

35

36 제철법(제선법) 고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 공정이지만 철광석을 사전 처리하는 소결이나 코크스를 만드는 과정도 포함하여 넓은 의미의 제선이라 한다. (1) 용광로(고로, blast furnace)사용 고로는 거대한 노를 말하며 본체는 길쭉한 원통형으로 바깥쪽은 두터운 철판으로 되어 있고 안쪽은 내화벽돌로 두껍게 쌓여 있다. 노의 높이는 40~50m 정도이며 부속설비까지 포함하면 100m를 넘는다.

37 제철법(제선법) (2) 제선원료 철광석: 자철광(magnetite, Fe3O4) 적철광(hematite, Fe2O3)
갈철광(limonite, 2Fe2O3․3H2O) 일반적으로 적철광과 자철광을 사용한다. 우수한 철광석은 철분이 풍부하고 동시에 환원성이 좋으며, 황, 인, 구리와 같은 유해성분이 적은 것이 좋다. 코크스(Cokes): 여러 종류의 원료탄을 분쇄 소결하여 제조하는 것으로서 1)철광석의 환원제인 탄소의 공급, 2) 열원, 3) 통기성 유지의 역할을 한다. 용제(flux): 철광석 내의 암석분이나 코크스 내의 산화규소(SiO2)를 슬래그(slag)로 만들어 제거하는 역할을 한다. 주로 석회석(limesteon, CaCO3)을 사용한다. 석회석은 900oC이상에서 CaCO3 → CaO + CO2 로 분해되고 여기서 CaO 가 암석분이나 산화규소와 결합하여 슬래그를 형성한다. 슬래그는 비중이 철보다 작으므로 용탕에서 뜨게 되며, 쉽게 제거할 수 있게 된다.

38

39

40

41 제철법(제선법) (3) 용광로내의 환원반응 용광로에 철광석, 코크스, 용제를 넣고 코크스를 연소시키면 1500oC 정도의 고온에서 CO 가스가 발생하고 CO 가스가 철광석을 환원시킨다. 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 FeO + CO → Fe + CO2 3~4.5% C의 선철(pig iron)이 제조된다.

42 제강법 제선공정을 거처 나온 선철은 탄소 함유량이 많고 상당량의 인, 황 규소와 같은 불순물이 함유되어 있어 경도가 높고 취약한 성질이 있다. 이러한 선철을 잘 늘어나면서 강니한 강으로 만들려면 다시 정련하여 탄소의 양을 줄이고 유해한 불순물을 제거하여야 한다. 2.3.1 Basic Oxygen Process(BOP) - LD전로법(LD Converter) ● 용선(liquid pig iron, 선철의 용융상태)과 고철(steel scrap, 최대 30%까지)을 원재료로 하여 전로에 넣고, 산소를 전로 위 또는 아래에서 관(lance)을 통하여 불어 넣어준다. 전로 내에서는 불어 넣은 산소에 의해 아래의 반응이 일어나고 2Fe + O2 → 2FeO FeO + C → Fe + CO ● 탄소가 산화되며, 유사한 반응으로 다른 불순물 성분(Mn, Si. S. P)도 산화되어 슬래그로 제거되므로 탄소 및 불순물의 함량이 줄어든다. ● 산화반응이 시작되면 바로 슬래그 형성 용제(limestone, CaCO3)도 첨가하여 슬래그를 형성시키며, 산화 반응은 매우 빠르고 산화반응을 통하여 열이 공급되므로 외부 열원이 필요없다. 또한 BOP 전로 아래에서 아르곤과 질소 혼합가스를 불어넣어 산소와 용선을 섞어줌으로써 반응을 촉진시키기도 한다.

43

44

45

46 제강법 2.3.2 Electric Arc Process(전기로법)
● 고철을 재활용할 수 있고 산소를 사용하지 않으므로 Cr, Mo, W등과 같이 쉽게 산화되는 합금원소를 많이 함유하는 특수강 제조에 이용된다. ● 정밀한 온도조절이 가능하다. ● 전기로는 제강시 특히 고철용해시에 막대한 전력이 소요된다. BOP 후 주조(Casting)하는 중간과정에서 다음의 2가지 공정을 사용한다. 레이들(Ladle) 정련법 진공 탈가스 (Vacuum Degassing)

47

48 제강법 레이들(Ladle) 정련법 레이들은 고로의 용선을 주형틀로 이동시키는 이동수단이다. 즉 고로에서 용선을 담아내어 주형틀까지 이동하는 용기이다. 용선을 레이들에 옮긴 후 정련한다. 산소와 황 성분을 낮추어 더 깨끗한 강을 생산할 수 있다. 장점 1. 온도조절이 쉽다: 가열용 전극을 삽입하거나 알루미늄 첨가재를 넣음으로써 연속주조에 이상적인 온도로 조절할 수 있다. 2. 조성이 균질하다: 아르곤 가스로 용강을 교반하여 강의 화학조성을 균질하게 한다. 3. 탈산 처리가 쉽다: 산소는 연속주조 제품의 표면에 blow hole, pin hole이 형성되게 하는데, 이 산소를 제거하기 위하여 정확한 양의 알루미늄을 탈산제로 첨가함으로서 정밀한 탈산공정조절이 된다. 4. 합금원소 첨가 및 조절이 쉽다: 조성 조절이 쉽다. 5. 탈황 처리가 쉽다 6. 잔류 황 및 산화물의 형상을 칼슘이나 희토류 원소를 첨가하여 조절할 수 있다. (2) 진공 탈가스 (Vacuum Degassing) 레이들 정련법과 함께 사용 진공+아르곤 가스를 이용하여 레이들 속의 용강을 진공챔버 쪽으로 끌어올리고 올라온 용강에 산소를 불어 넣음으로써 탄소를 산화시켜 CO로 제거한다. 극저탄소강을 제조할 수 있다(0.002wt% C) 수소함량을 낮출 수 있다.

49

50 (Individual Ingot Casting)
주조법 BOP, 전기로법 용선 레이들 정련 진공 탈가스 연속주조 (Continuous Casting) 용융상태 개별주조 (Individual Ingot Casting) (1) 연속주조 (Continuous Casting) 용강 레이들을 주조대로 이동하여 용강을 tundish에 주입하여 tundish 바닥의 출탕구로 용강을 부으면 수냉되고 있는 주형틀에서 용강의 표면이 먼저 응고한다. 주형틀을 벗어난 주괴는 로울러를 통하여 진행하면서 물을 뿌려서 내부까지 응고시킨다. 이후 로울러로 밀어서 연속적인 긴 슬래브(slab)형태의 반제품을 생산한다. 연속주조법은 생산비를 절감하고, 제품의 품질향상, 생산성 향상, 에너지 절감, 공해의 감소 등의 장점이 있다. (2) 개별주조( Individual Ingot Casting) 레이들에서 경사진 주형틀에 부어서 응고시킨 후 주형틀에서 분리하여 열처리한다.