기계직 스터디 필수미션

합금은 기존 금속에 다른 금속을 합성하여 만든 금속을 말한다 .

합금강(특수강)은 탄소강(강)에 특수 원소를 1개 이상 첨가하여 탄소강에서 얻을 수 없는 특수한 성질(내식성, 내열성, 내마모성, 인성, 자성, 내산성 등)을 부여하고 기존 탄소강의 강도 및 경도 등의 기계적 성질을 개선시킨 강을 말한다.

 

특수 원소란 합금강(특수강)에 특수한 성질을 부여할 목적으로 탄소강(강)에 첨가하는 원소를 특수 원소 또는 합금원소라고 한다. 일반적으로 특수한 성질들을 가지고 있는 비철금속 원소 등을 말한다. (니켈, 크롬, 바나듐, 망간, 규소, 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄)

 

합금강(특수강)을 사용하는 목적

합금강을 만들기 위해 탄소강에 여러 가지 특수 원소를 첨가시키면 일반적으로 용융점이 감소된다. 용융점이 낮아지면 열을 가할 경우 고체에서 액체로 쉽게 녹을 수 있다. 액체가 쉽게 되면 복잡한 형상을 가진 쥬형틀에 쉽게 흘려보낼 수 있다. 흘려보낸 상태에서 액체 상태의 재료를 냉각시켜 응고시키면 복잡한 형상을 가진 제품을 만들 수 있다. (주조과정)

내식성, 내열성, 내마멸성, 담금질 효과 등이 상승한다.

기계적, 화학적, 물리적 성질 등이 향상된다. (강도, 경도를 증가시키는 특수 원소를 첨가할 경우 기계적 성질이 향상되고, 내식성을 증가시키는 특수 원소를 첨가할 경우 화학적 성질이 향상된다.)

결정립의 성장을 방지할 수 있다. 결정립이 고온에서 열을 받아 점점 성장하게 되면 강도, 경도 등의 기계적 성질이 나빠지게 된다. 망간을 첨가하면 망간이 고온에서 결정립의 성장을 억제시켜준다.

용접성, 단접성이 좋아진다. 니켈이나 망간을 첨가하면 인성이 향상되어 깨지는 성질인 취성을 방지할 수 있어 단접성이 좋아진다.

황과 같은 해로운 원소를 제거할 수 있다. 망간을 첨가하면 망간이 황과 결합하여 황이 철과 결합하는 것을 방해한다.

변태 속도를 변화시킬 수 있다. 니켈은 변태 온도를 낮추고 변태 속도를 느리게 한다. 크롬, 텅스텐, 올리브댄은 변태 온도를 높이고 변태 속도를 느리게 한다.

오스테나이트 결정 입자 크기를 조정할 수 있다.

 

탄화물은 특수 원소를 탄소강에 첨가하면 특수 원소와 탄소강에 있는 탄소가 서로 만나 결합하여 만들어진 것을 말한다.

고온에서도 안단하며(고온 경도가 높으며) 고온에서도 연하게 연화되지 않고 단단함을 유지할 수 있기 때문에 빠른 속도로 절삭하는 공구의 재료(절삭 공구)로 사용될 수 있다.

 

합금강(특수강)에 첨가하는 특수 원소의 영향

대부분의 특수 원소들은 강도, 경도, 내식성은 기본적으로 개선시켜준다.

고온에서도 단단함을 유지시켜주는 탄화물을 만들어내는 특수 원소들은 고온 경도를 높여준다.

 

규소를 탄소강에 첨가하면 인장, 강도, 경도, 내식성, 내열성, 전자기적 성질 등이 개선된다. 탄성한계까 증가한다. 내열성이 증가하여 재료가 고온에서도 잘 견딜 수 있다. 전자기적성질이 증가하엿 전기와 자기장이 서로 상호작용하는 성질이 개선된다. 탄성한계가 증가하여 재료가 원해 형상으로 ᅟᅩᆯ아오려는 현상인 탄성이 일어날 수 있는 범위가 넓어진다.

 

니켈을 탄소강에 첨가하면 강인성, 내식성, 내산성, 내열성, 담금성 등이 증가한다. 저온 충격치, 내충격성을 증대시킨다. 오스테나이트 조직을 안정화시킨다. 오스테나이트 조직이 다른 조직으로 변하지 못하게 오스테나이트 조직을 그대로 유지시켜주는 것을 오스테나이트 조직 안정화라고 한다.

망간은 기본적으로 니켈과 거의 비슷한 작용을 한다. 추가적으로 망간 첨가시 가공경화능력이 우수해진다. 적열직성을 방지하며 고온에서 결정립이 성장하는 것을 방지한다. 끈끈한 성질인 점도를 부여하며 인성을 증가시킨다. 가공경화능력이 우수해진다. 외부로부터 충격을 받거나 힘을 받으면서 사용하는 도중 점점 더 단단해지는 특징이 있다.

 

구리 첨가시 내산화성이 증가되고, 내식성이 증가하여, 압연시 균열과 고온취성의 원인이 되기도 한다.

 

황은 탄소강에서 적열취성을 일으키기 떄문에 해롭다. 그러나 황은 절식성을 향상시키기 떄문에 필수적으로 황을 많이 첨가시켜야 한다. 절삭성이 향상되면 절식이 잘되는 강인 쾌삭강이 된다.

 

크롬을 첨가하면 강도, 경도, 내식성, 내열성, 내마멸성이 개선된다. 하지만 크롬 4%이상 첨가시 단조성이 저하된다. 크롬을 첨가하면 자경성이 증가한다. 또한 고온경도가 높아지고, 부식에 견딜 수 있는 성질인 내식성도 증가한다. 페라이트 조직을 안정화시킨다.

 

텅스텐은 크롬과 거의 비슷하다. 탄화물을 만들기 쉽다. 고온에서의 강도, 경도를 증가시킨다.

 

몰리브덴은 텅스텐과 거의 비슷하고 그 효과가 텅스텐의 약 2배이다. 고온경도를 높여준다. 담금질성을 좋게한다. 경도, 내마멸성, 강인성, 내식성, 크리프 저항 등을 증가시킨다. 뜨임칙성(메짐)을 방지한다.

 

바나듐은 몰리브덴과 거의 비슷하다. 단단하게 만드는 경화성은 몰리브덴보다 훨씬 좋다. 강력한 탄화물을 형성한다. 절삭 능력을 증대시킨다.

 

티타늄은 부식에 대한 저항 성질이 가장 크다. 고온 경도를 높여준다.

 

코발트는 그 자체가 기본적으로 높은 온도에서 인장 강도와 경도가 높은 특징이 있다. 코발트는 고온 인장강도와 고온 경도를 증가시킨다. 점결제(접착제) 역할을 한다.

자경성(기경성)은 자연히 경화되는 성질을 말한다. 단소강(강)에 특수 원소를 첨가하여 가열한 후 빠르게 냉각시키지 않고 공기중에서 서서히 냉각시켜 자연히 마텐자이트 조직을 얻어 담금질 효과(경화)를 얻을 수 있는 성질이다. 자경성이 큰 금속은 크롬, 망간, 니켈이고, 자경성 작은 금속은 몰리브덴, 텅스텐 등이 있다.

 

담금질성은 담금질이 잘되는 성질이고 담금질성을 개선시키는 효과가 큰 순서로 나열하면 붕소, 망간, 몰리브덴, 인, 크롬, 규소, 니켈, 구리 순이다.

 

합금강의 종류로는 구조요합금강, 공구용합금강, 특수용도용 합금강이 있다.

 

구조용합금강은 토목, 건축, 교량, 선박, 차량, 기계등 그 외 각종 구조물의 구성부품으로 사용되는 것으로 주로 강도를 유지하는 목적으로 사용되는 특수강을 말한다. 탄소강을 보다 강하고 질기게 만들기 위해 크롬, 니켈, 망간, 몰리브덴 등의 특수 원소를 첨가하여 열처리를 한 강이다. 강인강, 쾌삭강, 표면경화용강, 스프링강 등이 있다.

 

강인강은 강인성을 높인 강이다. 자경성(기경성)이 큰 금속을 강에 첨가하면 강, 경도가 향상된다. 인성을 증대시켜주는 특수 원소를 강에 첨가해서 인성을 증대시킨다.

 

강인강 중 니켈, 크롬강은 전기가 흐르면 열, 빛이 발산되며 큰 힘(물리적 힘)을 받는 곳에 사용된다. 뜨임 메짐(뜨임하여 서냉할 경우 점성을 잃는 성질) 발생 시 몰리브덴 첨가하여 해결할 수 있다.

강인강 중 니켈, 크롬, 몰리브덴 강은 강도, 경도, 내식성, 내열성, 담금질성 등을 개선시킨 강이다. 뜨임 메짐이 현저하게 감소된 강이다.

강인강 중 크롬, 몰리브덴 강은 열간 가공이 쉽고, 다듬질 표면이 매끄럽고 아름답다. 용접성이 좋고, 담금질이 우수하다. 고온강도가 크다.

강인강 중 크롬강은 강도, 경우, 내식성, 내열성, 내마멸성 등을 개선시킨 강이다. 경화가 용이하다.

강인강 중 니켈강은 인성, 내식성, 내열성 등이 향상된 강이다. 질량 효과가 적다.

강인강 중 크로만실강은 구조용강으로 인장강도, 인성이 크다. 고온단조, 용접, 열처리가 용이하다. 철도용,단조용, 크랭크축, 차축에 사용된다.

강인강 중 망간강은 저망간강, 고망간강으로 나뉜다. 망간이 0.8에서 2.0% 함유되어 있다. 필라이트 조직 상태이고, 항복점, 인장강도가 우수하다. 일반 구조용 등에 사용된다. 기계쩍 성질, 전연성(전성+연성)이 우수하다. 고망간강은 망간이 11에서 14%함유되어 있다. 오스데나이트 조직이다. 고인성으로 연성이 풍부하여 내충격성이 우수하다. 강인성(강도+인성), 내마모성(내마멸성)이 우수하다. 가공경화성이 현저히 높다. 열팽창계수가 크고, 열전도성이 작다. 기차레일 교차점, 광산기계의 파쇄장치, 불도저의 앞날 재료, LNG 저장탱크 등에 사용된다.

 

쾌삭상은 잘 잘리는 성질은 절삭성을 향상시켜 만든 강이다. 절삭성을 향상시키는 방법으로는 강재를 자동 서난 등의 공작기계로 자동 절삭할 때 절삭성을 향상시키기 위해서는 칩을 연속시키지 않고 (집처리가 용이하며 자동화 양산 가공, 무인화가 가능) 절삭저항을 줄여주는 역할을 하는 성분을 필요로 하게 된다. 이러한 역할을 하는 것에 대표적으로 황 원소가 있따. 황은 절삭성을 향상시킨다.

 

그러나 강속에 황 성분이 많아지면 고온에서 인성이 저하되어 취성이 커지는 적열취성을 일으킨다. 적열취성으로 인해 재료가 잘 깨져서 가공성이 저하된다. 이럴 경우 망간을 첨가하면 해결된다.

 

쾌삭강의 용도는 대량 생산이 필요한 소형볼트, 나사, 자동차 부품, TV부품 등에 사용된다. 주로 복잡한 형상이나 치수 정밀도가 필요한 정밀부품 제작에 사용된다.