작성일 : 17-02-18 10:18
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[재질] 합금원소 첨가에 따른 강의 성질변화!!
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글쓴이 :
관리자
 조회 : 5,185
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제강과정에서 강의 제 성질을 향상시키기 위해 고의로 첨가한 합금원소도 있지만,이 이외의 선철,Scrap 등의
원료로부터 혼입되는 미량의 잔류원소들 중에서 Cu,Ni,Co,Sb,As,W,Mo,Sn 등은 제강시에 거의 제거할수 없는 원소로서 강의 치환경으로 고용돼있고, 강의 성질을 변화시키기 위해서는 비교적 다량첨가가 필요하다.
또한 C,H,N 등의 원소들로서, 강에 침입형으로 고용해서 미량존재로도 강의 성질에 큰 영향을 미친다. 따라서 본절에서는 강에 함유된 여러가지 원소들이 강의 제성절에 미치는 영향을 요약하여 서술하였다.
(1) 탄소(C)
탄소는 강의 강도를 향상시키는데에 가장 효과적이고 중요한 원소로서, 오스테나이트에 고용하여 퀜칭시 변형유발 가능성을 크게 한다. Fe,Cr,Mo,V 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성하므로써 강도 및 경도를 향상시킨다.
(2) 망간(Mn)
탄소강에는 보통 0.35~1.0% 정도의 Mn이 함유되어 있다. 이 Mn의 일부는 강 속에 고용되며,나머지는 강 속에 함유되어 있는 S와 결합하여 비금속게재물(nonmetallic inclusion)인 MnS를 결정립내에 형성하는데, 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시에 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 이MnS의 형성으로써 강 속의 S의 양이 감소되므로 결정립계에 형성되는 취약하고 저융점화합물인FeS의 형성을 억제시킨다.
한편 Mn에 의해서 펄라이트가 미세해지고, 페라이트를 고용강화시키므로써 탄소강의 항복강도를 향상시킨다.
또 퀜칭시 경화깊이를 증가시키지만, 많은 양이 함유되어 있을때는 퀜칭 균열이나 변형을 유발시킨다. 그리고 Mn
은 강에 점성을 부여하므로 1.0~1.5%Mn이 첨가된 강을 강인강이라고 부르며,특히 1.3%C,13%Mn이 함유된
오스테나이트 강을 Hadfield라고 부르며 옛날로부터 유명한 강이다. 단Mn은 강의 내산성및 내산화성을 저해하는 원소이다.
(3)황(S)
강 속에 함유되어 있는 S는 보통 Mn과 결합하여 MnS개재물을 형성한다. 그러나 강 중의 Mn의 양이 충분치 못할 때에는 Fe와 결합하여 FeS를 형성하기도 하는데, 일반적으로 이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기
때문에 열간및 냉간가공시에 균열을 일으킬수 있다.따라서 해로운 FeS 개재물의 형성을 피하기 위해서는 Mn:S의 비를 보통 5:1로 하고있다. 일반적으로 Mn,Zn,Ti,Mo 등의 원소와 결합하여 강의 피삭성을 개선시킨다.
(4)인(P)
P는 강 속에 균일하게 분포되어 있으면 별 문제가 없으나,보통 Fe3P의 해로운 화합물을 형성한다.이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림처리를 하여도 균질화되지 않고 단조,압연 등의 가공을 하면 길게 늘어난다. 충격저항을 저하시키고,템퍼링취성을 촉진하며, 또 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키는 원소로 취급되나 일반적으로는 불순물로서 간주된다.
(5)규소(Si)
강 속의 Si는 선철과 탈산제에서 잔류되는 것으로, SiO2와 같은 화합물은 형성하지 않는한 페라이트 속에 고용 되므로 탄소강의 기계적성질에는 큰 영향을 미치지 않는다. 또한 P는 강한 탄산제이고 ,4.5%첨가량까지는 강도를 향상시키지만 2%이상 첨가시에는 인성을 저하시키고 소성가공성을 해치므로 첨가량에 한계가 있다.
한편 템파링시 연화저항성을 증대시키는 효과도 있다.
(6)질소(N)
강 중의 잔휴하는 질소량은 용해원료,용해방법에 따라서 현저하게 변화된다. 일반적으로 질소는 극히 미량 존재로도 강의 기계적성질에 큰 영향을 미치는데 인장강도, 항복강도를 증가시키고 연신율을 저하시킨다.특히 충격치의 감소 및 천이온도의 상승은 현저하다. 질소는 탄소와 동일하게 침입형원소이고 강중에서 확산속도가 빠르고 또한 페라이트에 대해서 초대 약 0.1%(580도C)로 부터 0.003%정도(상온)까지 연속적으로 용해도
변화를 나타내는 등 다른 잔류원소와는 틀리는 큰 특징이 있다. 이때문에 강은 각조의 취성이나 시효경화성을 나타낸다. 퀜칭시에 일어나는 퀜칭시효,냉간 가공에 의한 변형시효, 그리고 200~300도C에서의 청열취성에
의해서 강의 인장강도,항복강도는 증가하고 충격치는 저하해서 강의 취화를 일으킨다. 특히 극연방 박판의
deep drawing 가공시에 표면에 주름이 발생하는 현상은 주로 질소의 변형시효에 의한것이다.이것을 안정화
시키기위해서는 질소와 친화력이 큰 Al,Ti,Zr,V,B 등을 첨가하므로써 이들의 취화현상을 방지한다. 또 질소는
다른 합금원소와 결합하여 질화물을 형성하므로 강의 여러 성질에 영향을 미친다. AIN이 강중에 미세하게 석출되어 있으면 오스테나이테의 결정립을 미세하게되어 세립강의 제조가 가능하고, 이외에 Ti,Zr,V,Nb 등도 질화물을 형성하여 결정립을 미세하게 만든다. 그러나 AIN도 다량 존재하면 고온인성을 크게 해치고 , 특히 단조시에는 오스테나이트 입계에 AIN이 석출하여 입계취성을 일으킨다. 또한 AIN의 석출에 의해 고온크르프강도도 저하된다.
(7)수소(H)
수소는 원자반경이 극히 작으므로 Fe격자중에 N,C등과 동일하게 침입형으로 고용되어 있고, 강중에서는 다른 원소에 비해서 확산속도가 매우 빠르므로 강속을 자유로이 이동할수 있다. 또 수소는 백점, 헤어크랙, 선상조직 및 용접시 비드 균열 등 여러가지 결함의 원인으로 된다. 이러한 결함의 방지 또는 제거를 위하여 최근에는
진공용해 또는 진공처리에 의해 탈수소를 행하고 있으므로 제강과정에서 생긴 수소에 의한 결함은 감소되고있다.
(8)산소(O)
산소는 거의 Fe에 고요되지 않기때문에 강중에서는 주로 비금속개재물로서 존재하며, 이들중 SiO2,Al203,
Cr203,TiO2 등은 Fe에 대해서 고용도를 갖지 않지만 FeO,MnO등으 고온에서 약간 고용한다. 특히 이들 비금속개재물은 강의 기계적성질, 피로특성등을 저하시킨다. 순도가 높은 FeO 합금에서는 산소함유량의 증가와 함께 충격천이온도는 현저하게 상승하지만, 순철에 소량의C,Mn등이 존재하면 그 영향은 거의 사라진다. 산소는 다량으로 함유되어 있으면 강으 침탄시 이상조직의 원인으로됨과 동시에 경화능을 저하시키고 , 가열에 의한 오스테나이트의 결정립을 성장을 촉진시킨다.
(9)구리(Cu)
Cu는 광석 등으로부터 쉽게 혼입되므로 강에는 보통0.1~0.3%정도 함유되어 있다. Cu를 함유한 강에서는 열간가공성이 문제로 되는데, 특히 0.5%이상 함유되어 있을 때에는 적열취성(red brittleness)의 원인으로 된다.
이것은 고온 가열시에 ,Fe보다 Cu의 산화속도가 작으므로 강표면에 편재하여 열간 가공중에 강재 내부로
침투하기 때문이지만, Ni나 Mo의 첨가로서 이 현상을 현저히 개선할수 있다. 또한 Cu는 비교적 소량 함유되어
있어도 대기 및 해수중에서 강의 내식성을 현저하게 향상시킨다. Cu와 P가 공존할 경우 내식성향상에 더욱
효과적이다.한편 0.4%Cu의 미세석출에 의한 석출경화효과도 나타나므로, 실제로 스테인리스강에서는 Cu를
4%가량 첨가석출시켜서 강력 스테인리스도 만들고 있다.
(10)비소(As)
As는 제선제강과정에서 제거하는 것이 거의 불가능하고,또 강재의 재질향상을 위해서 As를 인위적ㅇ로 첨가하는 겅우는 거의 없다고 보아도 좋다. 즉As는 0.2%정도 이상에서는 충격치를 현저하게 저하시키고, 충격천이온도를 상승시킴과 함께 강의 열간가공성을 해치고 적열취성을 일으킨다. 그러나 이러한 악영향은 보통강에 함유되어 있는 정도의 As량에서는 거의 문제시 되지 않는다고보아도 좋다.
(11)알루미늄(Al)
Al는 강탄산제로서 유효하나 첨가량이 많으면 강을 취약하게 함으로 탄산, 탈질용으로서는 0.1%이하로 첨가하는 것이 보통이다. 질화물인 AIN은 미세석출하여 강의 결정립미세화에 효과적이므로 이것을 이용해서 극미세결정립을 갖는 강인강을 제조할수 있다. 또한 고온산화방지 및 내유화성에 극히 효과적이다.
(12)붕소(B)
미량첨가(0.0005~0.0003%)로서 경화능을 현저히 증가시킨다. 과잉 첨가되면 Fe3B를 형성하여 적열취성을 일으킨다.
(13)코발트(Co)
대부분의 합금원소는 고량첨가로써 강의 경화능을 향상시키지만 Co는 예외로서 그반대의 경향을 나타내고
또 고가이므로 일반적인 강에는 사용하지 않고 자석,고급 절삭공구 , 내열재료등에 첨가해서 성질을 개선하는데 사용하고 있다. 특히 강의 고온강도를 개선하는데에 효과적이다.
(14)크롬(Cr)
13%까지 첨가로서 오스테나이트 영역을 확장시킨다. 염가이고, 다향첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다. 10%이상 첨가하면 스테인리스강으로되고 내산화성을 향상시키고 내유화성을 개선하므로 구조용강 공구강 스테인리스상및 내열강의 거의 전부에 함유되어 있는 가장 중요하고 보편적인 합금원소이다.
단 Cr첨가량이 많게되면 비자성의 취약한 상이 나타난다. Cr은 또한 저온취성과 수소취성을 방지하는 효과가 있지만 템퍼링취성은 조장한다.
(15)몰리브덴(Mo)
Mo는 0.1~0.3%정도의 첨가로써 Ni의 10배까지 경화능을 향상시키는 효과가 있으므로 템퍼링취성을 방지하여 템퍼링취화저항성을 부여한다. 또한 탄화물을 형성하므로 고급절삭공구의 합금원소로도 우수한 효과를 나타내며 결정립조대화온도를 상승시킨다. 경화능에 관해서는 Mo단독보다는 Cr과 병용하면 더욱 효과적이다.
값이 비싸다.
(16)니켈(Ni)
Ni은 강의 조직을 미세화시키고 오스테나이트나 페라이트에도 고용이 잘되므로 기지를 강화시킨다. 또 Cr 이나 Mo과의 공존하면 우수한 경화능을 나타내어 대형강재의 열처리를 용이하게 한다. Ni는 오스테나이트 안정화원소이므로 Cr과의 조합으로 오스테나이트계 스테인리스강 내열강을 형성한다. 강의 저온인성을 현저히 개선시키며 용접성 가단성 을 해치지 않는다. 또한 Ni은 C나N의 확산을 느리게 하므로 내열강의 열화를 방지하고 팽창율,강성율,도자율등의 점에서도 특징이 있다. 즉 Fe-36%Ni강은 상온부근에서의 열팽창계수가 0에 가까우므로 전자재료및 특수재료로서의 용도는 넓다. 따라서 Ni은Cr과 함께 가장 중요하고도 보편적인 합금원소이다.
(17)티타늄(Ti)
Ti은 O,N,C,S및H등 어느 원소와도 강한 친화력을 나타내고 특히 탈산 탈질 및 탈유에 흔히 사용된다.탄화물형성능도 Cr보다 강하고 결정립을 미세화시키기때문에 스테인리스강이나 절삭공구강의 개량에 이용된다.
또한 타금속원소와도 화합물을 형성하여 석출경화효과가 현저하므로 석출경화형 스테인리스강이나 영구자석등에 이용된다.
(19)주석(Sn)
Sn은 scrap으로부터 혼입되어 제강과정에서는 거의 제거되지 못하는 원소로서 페라이트에서는 약 8%까지
고용한다. 일반적으로 Sn은 강의 인장강도 항복강도를 증가시키고 연신율 충격치를 감소시키는등 P의 영향과 유사한점이 많지만 P만큼 현저하지는 않다. 그러나Sn은 열간가공시의 적열취성 템퍼링취성 저온취성 등의 원인으로되고 내식성에 약간의 이점이 있기는 하지만 일반적으로 강에는 유해한 원소이다.
(20)칼슘(Ca)
강력한 탈산제이다. 용강중에서 기화하여 폭발하기 쉬우므로 Ca-Si,Ca-Si-Mn등의 상태로 첨가하여 비금속개재물의 상태 및 분포의 조정을 행한다.
(21)니오븀(Nb)
강력한 결정립 미세화원소로서 결정립 조대화온도를 상승시킨다. 경화능을 저하시키며, 템퍼링 취성을 감소시킨다.
(22)텔루륨(Te)
강의 피삭성을 증대시키며 열간가공성을 해친다.
(23)납(Pb)
강의 피삭성을 향상시킨다.
(24)바나듐(V)
탄화물 형성능이 커서 미립탄화물을 만들어 강의 조직을 미세화시키므로 고장력강으로부터 각종 공구강에 이르기까지 많이 사용되고 있다. 템파링연화저항성도 Mo이상으로 좋다. 고온강도도 대폭향상시키지만 산화물인V205는 증기압이 높아서 고온증발하므로 첨가량에 한계가 있다.
(25)텅스텐(W)
W는 고가이고 비중이 커서 편재하기 쉬우므로 구조용강에는 거의 첨가되지 않지만 경화능을 향상시키고 Fe4W2C또는 Fe3W3C형의 탄화물을 형성하므로 공구강 특히 절삭공구강에 이용되고, 18%W-4%Cr-1%V강은 고속도강으로서 유명하다. 또 W이 함유된 자석강도 있다.
(26)지르콘(Zr)
N,C,S및 H와의 친화력은 Ti보다 더욱 강하게 받아들이기 때문에 이들 원소의 고정에 흔히 이용되고 있다.
백점의 발생도 0.2~0.3%첨가로 완전히 방지할수 있다고 알려져있다.
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