◉ 철강 재료의 분류 ◉
여러가지 방법에 의해 분류 할 수 있지만 화학성분에 의한 분류법 으로 분류하면 불가피하게 수반되는 미량의 분순물을 고려하지 않고서 0.025%Ｃ 를 경계로 하여 이보다 Ｃ%가 적은것을 순철, 이보다 Ｃ%가 많은 것을 강(steel)이라한다. Ｃ%만을 조절하고 특별히 합금원소를 가하지 않은 것을 탄소강 또는 보통강이라 부른다.
탄소이외의 합금원소 즉 Ｍn, Ｃr, Ｎi, Ｍo, Ｗ 등을 특별히 첨가한 것을 특수강 또는 합금강이라 부른다.
탄소강은 비교적 염가로써 고강도를 얻을 수 있지만, 이와 같은 성질만 으로 모든 공업적 응용에 충족시켜 주지는 못한다. 일반적으로 탄소강은 다음과 같은 한계성을 같은 한계성을 갖고있다.
① 인성과 연성을 감소시킴없이 10,000psi 이상의 강도를 얻을 수 없다.
② 큰 부품의 조직을 완전한 마르텐사이트로 할 수 없다. 즉, 경화능이 작다.
③ 중탄소강을 완전한 마르텐사이트 조작으로 하기 위해서는 급속냉각이 필요한데, 이러한 냉각속도에서는 변형이나 균열을 유발시킬 수 있다.
④ 저온에서의 충격저항성이 낮다.
⑤ 공업적 환경에 대한 내식성이 좋지 못하다.
⑥ 고온에서 쉽게 산화된다.
위와 같은 탄소강의 한계를 극복하기 위해서는 탄소강에 합금원소를 첨가시켜야만 한다. 따라서 탄소강에는 얻을 수 없는 특수한 성질을 나타내기 위하여 1종이상의 합금원소를 첨가한 강을 특수강(special steels) 또는 합금강(alloy steels)이라고 한다.
〔1〕 강에서의 특수원소의 작용
(１) 오스테나이트 형성원소
C,Ni 및 Mn은 이 부류에 속하는 가장 대표적인 원소들이다. Ni이나 Mn을 충분히 많이 첨가하면 심지어 실온에서 조차도 오스테나이트계 강이 된다. 이러한 보기로서는 13% Mn, 1.2% Cr 및 1%c를 함유한 해드필드강(Hadfield steel)을 들 수 있다. 이러한 강에 있어서 Mn과 C는 다같이 오스테나이트를 안정화시키는 작용을 한다. 또 하나의 예로써는 18%Cr과 8%Ni을 함유한 오스테나이트계 스테인레스강이 여기에 속한다.
( 2 ) 페라이트형원소
이 부류에 속하는 가장 대표적인 원소는 Cr, Si, Mo, W과 Al이다. 13%이상 Cr을 함유한 고체상태 Fe-Cr합금은 초기융점까지의 전 온도구역에서 페라이트조직이 나타난다. 페라이트계강의 또 다른 경우는 변압기용 판재로 사용되는 재료이며, 이것은 약 3% Si를 함유한 저탄소강이다.
( 3 ) 탄화물형성원소
몇가지 페라이트형성원소들은 동시에 탄화물형성원소로서도 작용한다. 아래에 열거한 원소들의 탄소에 대한 친화력은 Cr, W, Mo, V, Nb, Ta, Zr 순으로 크게 작용한다. 탄화물 중에서 일부의 탄화물은 특수 탄화물로 취급 되기도 한다. 즉 Cr7C3, W2C, VC, Mo2C와 같은 비철함유 탄화물들이 여기에 속한다. 이중(double) 또는 복합탄화물(complex carbides)이라고 불리어지는 것은 Fe4W2C등과 같이 Fe와 탄화물형성원소를 동시에 포함하고 있는 것을 말한다.
일반적으로 고속도강과 열간가공용 공구강 등은 M6C, M23C6 및 MC로 표시되는 3가지 형태의 탄화물을 포함하는데, 여기서 기호 M은 모든 금속원소를 총괄적으로 나타낸다.
따라서 M6C는 Fe4W2C, Fe4Mo2C를 나타내며 M23C6는 Cr23C6를, MC는 VC나 V4C3를나타낸다.
( 4 ) 입자생성에 미치는 효과
0.03에서 0.10%범위에 속하는 소량의 Al, Nb, Ti 및 V는 오스테나이트화 온도에서 입자성장을 제어하는 중요한 역할을 한다. 이러한 원소들은 심하게 분산된 탄화물, 질화물, 질탄화물(Al은 지화물로만 존재)로 존재하므로 이들을 고용시키기 위해서는 상당한 고온이 필요하기 때문이다.
미세입자 표면경화강을 생산할 때 얻은 효과는 용강에 적당량의 Al을 첨가하므로써 얻어진다. 실제로는 일차적으로 산소함량을 적당한 수준까지 낯추고, 그 다음에 Al을 강의 질소함량에 해당되는 양만큼 첨가한다. 강을 냉각시킴에 따라 AIN 입자의 분산이 일어나게 되고 그 결과 강은 일반적으로 사용되는 열처리 온도에서 입자성장에 견디게 된다.
( 5 ) 공석점에 미치는 효과
A1점은 오스테나이트 형성원소가 첨가되면 강하되고, 페라이트형성 원소에 의해 상승된다. 공석조성을 갖는 크롬강을 갖는 크롬강은 공석탄소강보다 높은 오스테나이트화 온도가 필요한 반면, 3%Ni 강은700℃ 이하에서도 이미 오스테나이트화하기 시작한다.
이러한 현상은 강이 A1 부근의 온도에서 사용될 때 실용상 대단히 중요한 의미를 갖는다.
( 6 )마르텐사이트 생성온도에 미치는 효과
C0를 제외한 대다수의 합금원소는 마르텐사이트 생성종료온도, 즉 100% 마르텐사이트가 형성되는 온도인 M1점과 함께 마르텐사이트 생성개시온도인 Ms점을 다같이 강하시킨다.
0.5%이상의 탄소를 함유하는 대부분의 강은 M1점이 상온 이하이다. 이것은경화후 이러한 강이 어느 정도의 잔류 오스테나이트를 항상 함유하고 있다는 것을 의미한다.
〔２〕 저 합 금 강
특수강 중에서도 특히 구조용으로 사용되는 것은 인장강도, 연성한계,연신율 등의 기계적 성질이 우수하고 또한 가공성이 좋아야 한다. 이러한 목적을 위해서 Ｎi , Ｃr, Ｍn, Ｍo, Ｂ 그 외의 다른 원소를 소량 첨가함으로써 높은 강도와 인성을 함께 가지는 강으로 만들 수 있다. 이러한 저합금강 중에서도 가장 대표적인것으로 Ｃr-Ｍo강, Ｎi-Ｃr강, Ｃr강, Ｎi-Ｃr-Ｍo강 등이 있다.
①Cr-Mo강
이강종은 Cr(0.9～1.20%)외에 Mo을 소량(0.15～0.30%) 함유하고 있으므로 경화능 ,
템퍼링 연화저항성도 크며, 템퍼링 취성의 경향도 비교적 적은 편이다.
강인성에는 Ni-Cr강이 가장 많이 사용되어 왔으나, 값이 비싼 Ni 대신에 Mo을 첨가하므로써 우수한 성질을 얻을 수 있기 때문에 Ni-Cr강의 대용강으로서 자동차용 크랭크축, 볼트 및 기어류에 주로 사용되고 있다.
표 2-1은 Cr-Mo강의 종류를 나타낸다.
열처리는 830～880℃에서 템퍼링한다. 템퍼링취성의 경향은 크지 않으나, 템퍼링 후에는 수냉하는 편이 낫다. Cr 강과 동일한 인장강도를 얻기 위해서를 템퍼링온도를 상승시켜도 되므로 인성이 우수하다.
한편 침탄강은 850～900℃에서 유냉하여 1차 �칭, 800～850℃에서 유냉하여 2차 �칭하고, 150～200℃에서 템퍼링한 후 공랭한다.
표 2-1 Cr-Mo강의 종류
|
기 호 |
화 학 조 성 |
비 교 | ||||
|
KS |
JIS |
C |
Mn |
Cr |
Mo | |
|
SCM 415 |
SCM 21 |
0.13～0.18 |
0.60～0.85 |
0.90～0.20 |
0.15～0.30 |
침탄강 |
|
SCM 420 |
SCM 22 |
0.18～0.23 |
0.60～0.85 |
0.90～0.20 |
0.15～0.30 |
침탄강 |
|
SCM 421 |
SCM 23 |
0.17～0.23 |
0.70～1.00 |
0.90～1.20 |
0.15～0.30 |
침탄강 |
|
SCM 430 |
SCM 2 |
0.28～0.33 |
0.60～0.85 |
0.90～1.20 |
0.15～0.30 |
강인강 |
|
SCM 432 |
SCM 1 |
0.27～0.37 |
0.60～0.85 |
1.00～1.50 |
0.15～0.30 |
강인강 |
|
SCM 435 |
SCM 3 |
0.33～0.38 |
0.60～0.85 |
0.90～1.20 |
0.15～0.30 |
강인강 |
|
SCM 440 |
SCM 4 |
0.38～0.43 |
0.60～0.85 |
0.90～1.20 |
0.15～0.30 |
강인강 |
|
SCM 445 |
SCM 5 |
0.43～0.48 |
0.60～0.85 |
0.90～1.20 |
0.15～0.30 |
강인강 |
|
SCM 822 |
SCM 24 |
0.20～0.25 |
0.60～0.85 |
0.90～1.20 |
0.35～0.45 |
침탄강 |
② Ni-Cr강
Ni-Cr강은 구조용 특수강의 시초로서 병기용 특수강에 주로 사용되었으나 현재는 Cr-Mo강, Ni-Cr-Mo강의 출현으로 그 사용량이 감소하고 있다.
Ni을 첨가하면 강도를 증가시키면서도 인성을 해치지 않기 때문에 우수한 합금원소로서 간주되며, 또한 Ni 첨가로써 경화능이 더욱