챕터 4. 특수강(합금강)

챕터 4. 특수강(합금강)

 

1. 특수강

 특수강이란 탄소강에 Ni, Cr, Mo, Si, Mn 등의 원소를 한 가지 이상 첨가하여 기계적 성질을 향상한 것(=합금강)

 

 (1) 합금 원소의 주요 역할

     - 오스테나이트의 입자조정

     - 변태 속도 변화

     - 소성 가공성의 개량

     - 황 등의 해로운 원소 제거

     - 기계적, 물리적, 화학적 성질 개선

     - 결정입도의 성장 방지

     - 내식성, 내마멸성의 증대

     - 단접 및 용접이 용이

     - 담금질 성의 향상

 (2) 특수강의 분류(용도)

     (1) 구조용 특수강 : 강인강, 표면경화용강, 쾌삭강

     (2) 공구용 특수강 : 합금공구강, 고속도강

     (3) 특수용도용 특수강 : 스테인리스강, 내열강, 내마멸용강, 베어링강, 영구자석 용강·규소강·자석강

 (3) 각 원소가 특수강에 미치는 영향

     - Ni : 강인성, 내식성, 내산성 증가, 담금질성 증대, 페라이트조직 안정화

     - Mn : 적은 양일 때 Ni와 같음, 함유량 증가 시 내마멸성이 커짐, 황에 의하여 일어나는 취성 방지

     - Cr : 경도, 강도, 내식성, 내열성, 내마멸성 증대

     - W : 적은 양일 때 Cr과 같음, 탄화물 만들기 쉬움, 경도 커짐, 내마멸성 커짐, 고온 경도 강도 커짐.

     - Mo : W과 거의 같지만 효과가 2배, 담금질 깊이 큼, 크리프 저항, 내식성 커짐, 뜨임 취성 방지

     - V : Mo과 비슷함, 경화성은 Mo보다 더 큼, 단독으로 사용하지 않고 크롬 또는 크롬-텅스텐과 함께 사용해야 효과 발생

     - Cu : 석출 경화를 일으키기 쉽고, 내산화성을 나타낸다.

     - Si : 적은 양은 다소 경도와 인장강도를 증가, 함유량이 많아지면 내식성과 내열성 증가, 전자기적 성질 개선

     - Co : 고용 경도와 고온 인장강도를 증가, 단독 사용하지 않음

     - Ti : 규소나 바나듐과 비슷, 부식에 대한 저항을 증가시켜 탄화물을 만들기 쉬움.

2. 특수강의 종류와 용도

(1) 구조용 특수강

     기계부품 및 구조물에 사용, 기계적 성질, 단조성, 피 절삭성, 용접성과 같이 가공성이 좋아야 한다.

 

  1) 강인강 : 탄소강에 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 원소를 첨가.

     1) Cr 강 : 탄소강에 Cr(0.9~1.2%)을 첨가한 합금, Cr에 의한 양호한 담금질성과 뜨임 효과로 기계적 성질 개선

                 Cr은 강도 증가, 내열성, 내식성, 내마멸성이 좋아짐

     2) Ni-Cr강 : 연신율 및 충격값의 감소가 적고 경도, 열처리 효과가 크다.

                    800℃에서 담금질 600℃에서 뜨임 하면 강인한 소르바이트 조직이 된다.

     3) Ni-Cr-Mo강 : 구조용 특수강 중에서 가장 우수한 대표적인 강.

                          Ni-Cr강에 Mo을 0.15~0.17% 첨가하면 내열성 및 담금질 효가 향상, 담금질 경화 좋아짐

                          Mo 첨가로 뜨임 메짐이 감소

     4) Cr-Mo강 : 담금질이 쉽고, 뜨임 메짐이 작아 Ni-Cr강과 더불어 많이 사용됨.

                     열간 가공이 쉽고 다듬질 표면이 아름다우며, 용접성이 좋고, 고온 강도가 크다.

     5) Mn강 

      - 저 망간강 : 듀콜강, 펄라이트조직으로 Mn 1~2%

      - 고 망간강 : 하드필드강, 오스테나이트조직으로 Mn 10~14%

  2) 표면경화용강 : 내부의 강도와 표면 경도를 겸비한 재료가 요구될 때 사용

     1) 침탄용강 : 보통 저탄소강이 사용되나 우수한 성능이 요구될 때에는 Ni, Cr, Mo, W, V등을 함유하는 특수강이 쓰임.

                     기계가공을 하고 침탄 작업 후 1차, 2차 담금질을 하고 200℃ 이하의 온도에서 뜨임.

     2) 질화용강 : 탄소강은 질화에 의한 표면경화가 잘 되지 않으므로 Al, Cr, Mo 등을 함유한 특수강 사용.

                     Cr, Mo는 재료의 기계적 성질을 좋게 함, Al은 질화층의 경도 증가.

     3) 쾌삭강 : 생산성을 높이고 가공 재료의 피절삭성, 제품의 정밀도 및 절삭공구의 수명을 향상하기 위해 S, Pb, P, Mn을 첨가하여

                   개선한 구조용 특수강. 

     4) 스프링강(SPS) : 탄성한도가 높아 주로 스프링을 만듦. 

                            탄성한도, 피로 한도, 크리프 저항, 인성 및 진동이 심한 하중, 반복 하중 등에 잘 견딤.

                            0.5~1.0% C의 고탄소강과 Si-Mn강, Si-Cr강, Cr-V강, Mn-Cr강 등의 특수강에 쓰임.

                            Cr-V는 소형 스프링 재료에 사용하며 Si-Mn강에 비하여 피로한계가 높고, 탈탄이 적음.

 (2) 공구용 특수강

     절삭성, 내충격성, 내마멸성, 불변형성 등의 목적에 알맞은 특성을 가진 재료로 만들어짐.

     - 상온 및 고온에서 경도가 커야 함.

     - 가열에 의하여 경도 변화가 작아야 함.

     - 강인성과 마멸 저항이 커야 함.

     - 열처리가 쉬워야 함.

     - 가공이 쉽고 저렴해야 함.

     - 마찰계수가 작아야 함.

     - 제조, 취급, 구입이 용이해야 함.

  1) 고속도강(SKH)

     500~600℃ 고온에서도 경도가 저하되지 않고 내마멸성도 커서 고속절삭의 공구로 적당하다.(= 하이스(H.S.S))

     - 텅스텐고속도강 : 주성분이 0.8%C, 18%W, 4%Cr, 1%V로 된 고속도강

     - 몰리브덴고속도강 : 3.0~10% Mo을 함유한 고속도강

  2) 주조 경질 합금

     열처리를 하지 않아도 충분한 경도를 가짐. Co를 주성분으로 Co-Cr-W-C합금인 스텔라이트가 있다.

  3) 소결 초경합금(=초경합금)

     탄화텅스텐(WC), 탄화티탄(TiC), 탄화탈탄(Tac) 등의 분말에 Co분말을 결합제로 하여 혼합한 다음, 금형에 넣고 가압 성형한 것을

     800~1000℃에서 예비 소결 한 뒤 가공하고, 수소기류 중에서 1300~1600℃로 가열, 소결시키는 분말 야금법으로 만들어짐. 

     고온 경도는 초경합금, 고속도강, 탄소공구강 순

  4) 게이지강 

     게이지는 내마멸성과 내식성이 우수하며, 가공이 쉽고, 열팽창계수가 작아야 함.

     1.0% C 이하의 탄소강에 Mn, Cr, W, Ni 등을 첨가한 저합금강이 많이 쓰임.

     블록 게이지와 같은 측정기는 1.0% C 탄소강에 Cr, Mn, W을 소량 첨가하여 제조된 불수축강.

  5) 세라믹

    세라믹은 도기라는 뜻이고 점토를 소결한 것이다. 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하고, 여기에 Cu, Ni, Mn을 첨가한 분말로 된 결합제

    고온 경도, 내마모성, 내식성, 내산화성을 가지지만 충격에 약하다.

 (3) 특수용도용 특수강

  1) 스테인리스강(STS)

     현재까지 공업용, 가정용으로 널리 이용되는 녹슬지 않는 강이다.

     탄소공구강에 Cr 또는 Ni을 다량 첨가하여 내식성을 향상시킨강으로 Cr 12% 이상은 스테인리스강 12% 이하는 내식강이다.

  2) 내열강

     고온에서도 강의 경도, 인장강도 등을 좋게 하기 위해 특수 원소를 첨가한 강. 주성분은 Cr, Ni 및 Si이다.

  3) 베어링강

     높은 강도, 경도, 내구성과 탄성한계 및 피로한도가 요구된다.

  4) 자석강(SK)

     항공기, 자동차 등의 점화장치, 전신전화기 및 계기류에 이용된다. 자석재료는 자심재료와는 반대로 보자력 및 잔류자기가 크고

    투자율이 적어야 한다.

  5) 비자성강

     변압기, 차단기, 발전기의 커버, 배전반에 사용되며 Ni의 일부를 Mn으로 대치한 Ni-Mn강, Ni-Cr-Mn강 등이 사용된다.

  6) 불변강 

     주위 온도가 변화하여도 재료의 선팽창계수나 탄성률 등의 특성이 변하지 않는 강.

     - 인바 : Fe-Ni 36% 합금으로 상온에서 선팽창계수가 적고 내식성이 좋다. 용도로는 줄자, 표준자, 시계 추, 온도조절용 바이메탈.

     - 엘린바 : Fe-Ni 36%-Cr 12% 합금으로 탄성률은 온도 변화에 의해서도 거의 변하지 않음. 탄성 불변 의미를 가짐

                  용도로는 고급시계, 정밀저울 등 정밀계기.

     - 플래티나이트 : Fe-Ni 44~48% 합금으로 전구의 도입선으로 사용

     - 초인바 : Fe-Ni 29~40%-Co 5% 합금 인바보다 선팽창계수가 더 적다.

     - 코엘린바 : 엘린바에 Co를 첨가한 합금. 공기나 물속에서 부식되지 않음. 용도로는 스프링, 태엽, 기상관측용 기구

KS강재기호와 명칭

 

참고 : SM35C - SM : 기계구조용 탄소 강재

                    35C : 탄소 함유량 0.35%

        SC350 - SC : 탄소강 주강품

                   350 : 최저 인장강도 350N/mm^2

 

공기업 시험 기출문제

STC1 : 1.3~1.5% C

STC2 : 1.1~1.3% C

STC3 : 1~1.1% C

STC4 : 0.9~1% C