Transcript 기계재료(철강1)
제2장 철 강 재 료 산업설비자동화 제1절 철강재료의 기초 ◈ 철(Fe : iron) ►회백색의 광택을 가진 금속 원소(탄소, 규소, 알루미늄 다음으로 많은 금속) ► 철은 순수한 금속 상태로 공업재료에 활용되는 경우가 적음 ► 철광석에는 적철광, 자철광, 갈철광, 황철광 등 ► 철광석의 세계적인 주요 산지는 미국, 브라질, 오스트레리아, 중국 등 ► 각종 합금원소를 첨가 기계적 특성 및 금속학적 특성 산업설비자동화 ◈ 철강의 제조 산업설비자동화 ◈ 제강법 산업설비자동화 ◈제강법 산업설비자동화 ◈제강법 산업설비자동화 2. 철강의 분류 ◈ 선 철(pig iron) 철강의 원료인 철광석을 용광로에서 철 성분만 분리 시킨 것. ① 선철의 용도: 90%강 제조(선철을 제강로에서 탈탄 및 탈산), 10% 주철제조(선철을 용선로 용해) ② 선철의 탄소량 : 2.5∼4.5%C ③ 선철의 종류 : 백, 회, 반선철(탄소의 존재형태에 따라) 산업설비자동화 ◈ 철강의 분류 산업설비자동화 ◈강 괴 1) 림드강(rimmed steel) ① 평로, 전로에서 제조된 것을 Fe-Mn으로 불완전 탈산시킨 강 ② 과잉 산소와 탄소가 반응하여 기공, 편석이 생기며 제조비가 저렴 2) 킬드강(killed steel) ① 평로,전기로에서 제조된 용강을 Fe-Mn, Fe-Si, Al 등으로 완전 탈산 강 ② 상부 확대형 주형 위에서 주입하고 표면에 헤어크랙이 생기기 쉬움 * 헤어크랙 : H2 가스에 의해서 머리칼 모양으로 미세하게 갈라진 균열 3) 세미 킬드강(semikilled steel) ① Al으로 림드와 킬드강의 중간 탈산, ② 용접 구조물에 사용하며 기포나 편석이 없음 산업설비자동화 ◈강 괴 산업설비자동화 ◈강 괴 산업설비자동화 ◈ 철강재료의 분류 산업설비자동화 ◈ 순철의 특성과 용도 - 불순물 원소의 함유량이 극히 적은 철로써 탄소 함유량이 0.02% 이하 - 공업용 순철은 자기재료나 특수목적의 합금강 원료로 사용 - 탄소함량이 낮아 기계재료로는 부적합 ► 순철의 화학조성 산업설비자동화 ► 순철의 성질 산업설비자동화 ► 순철의 조직 산업설비자동화 제2절 탄소강 ◈ 탄소강과 철강의 5대 원소 ►탄소강(carbon steel) : Fe(순철)에 탄소( C )를 0.02~2.1% 함유 - 탄소강의 5대 함유 원소 : C, Si, Mn, P, S 등이 존재 ►탄소(carbon) - 탄소강의 항복강도(내력), 인장강도 증가 - 연신율, 단면수축율, 연성 감소 - 취성 증가 산업설비자동화 ►탄소 이외의 원소가 미치는 영향 산업설비자동화 ◈ 탄소강의 용도 산업설비자동화 ◈ Fe – C 상태도 ► 변태 : 온도에 따라 상이 고체-액체-기체로 변화 ① 동소 변태 : 고체 내에서 원자 배열이 변하는 것. (가)성질의 변화가 일정 온도에서 급격히 발생 (나)동소 변태의 금속: Fe, Co, Ti, Sn 산업설비자동화 ► 순철의 변태(동소변태, 자기변태) 산업설비자동화 ► 순철의 변태 산업설비자동화 ◈ 정출(crystallizion) : 금속이 액체상태에서 고상으로 변화 ◈ 석출(precipitation) : 금속이 고용체로 부터 새로운 상으로 변 화 산업설비자동화 ② 자기변태 : 원자 배열은 변화가 없고, 자성만 변하는 것. 산업설비자동화 ◈ Fe-C 계 평형상태도 산업설비자동화 産業設備自動化 5. Fe-C 계 평형상태도 산업설비자동화 5. Fe-C 계 평형상태도 산업설비자동화 5. Fe-C 계 평형상태도 산업설비자동화 ◈ 철강의 열처리와 조직 가. 철강의 열처리 (1).열처리 개요 - 금속을 적당한 온도에서 가열, 냉각 등으로 특별한 성질을 부여 하는 것 ►조직을 미세화하고, 기계적 특성을 향상 ►열간가공된 강의 결정립 미세화 ►내부응력의 완화 및 변형의 감소 ►표면 경화 등 강의 성질을 변화 ►기계적성질의 개선(강도, 연성, 내피로성, 내마모성, 내충격성 등) (2)열처리의 분류 ①일반열처리 : 담금질, 뜨임, 풀립, 불림, ②항온열처리 : 항온풀림, 항온뜨임, 항온풀림, 항온담금질 ③표면경화처리 : 화염 경화법, 고주파 경화법, 침탄법, 질화법, 청화법, 금속침투법, 하드페이싱 등 산업설비자동화 산업설비자동화 (가). 풀림(Annealing) :소둔(燒鈍) 단조, 주조, 기계가공에서 생긴 내부 응력제거, 열처리에 의해 경화된 재 료 및 가공 경화된 재료의 연화를 목적으로 강재를 A 3. 2. 1 변태점보다 30-50℃ 높게 가열한후 일정시간 유지한 뒤 노냉하는 열조작 1) 풀림의 목적 (가) 잔류응력의 제거 및 경도의 저하 (나) 절삭성의 향상 및 냉간가공성의 개선 (다) 결정조직의 조정 및 성분의 균일화 (라) 기계적, 물리적, 기타 금속학적 성질의 개선 2) 풀림의 종류 ►완전풀림, 항온풀림, 확산풀림, 구상화풀림, 연화풀림, 응력제거풀림 등 산업설비자동화 그림. 풀림온도 범위 산업설비자동화 (나). 불림 (Normalizing) : 소준(燒準) 가공의 영향을 제거하고 결정립을 미세화하고 기계적 성질을 향상시켜 강을 표준상태로 하기 위하여, A3. 2. 1 변태점 또는 Acm 선보다 30-50 ℃ 높게 가열한 후 공냉. 1) 불림의 목적 (가) 가열조직의 미세화, 내부응력제거, 피삭성 개선 (나) 결정조직, 물리적, 기계적성질 표준화. 2) 불림처리 한 강의 성질 (가) 결정립 및 조직이 미세화되며 섬유 조직이 없어지고 담금질성 향상. (나) 강도, 경도, 연율, 인성이 증가하고 주조 과열조직이 개선 (다) 불림후 Ac1점 바로 위로부터 공냉, 유냉시 강인성이 양호하다. 산업설비자동화 다. 담금질(Quenching) : 소입(燒入) (1)담금질의 개요 강을 Austenite 상태 즉 A3,2,1 변태점보다 30-50℃정도 높은 온도로 일정시간 가 열 한 후 물이나 기름중에 급냉시켜 얻는 방법 (2)담금질 목적 : 강도와 경도증가(Martensite 조직을 얻기 위한 것) (3)담금질 조직 (냉각속도에 따라 Austenite, Martensite, Troostite, Sorbite 가있다.) ① Austenite - 강을 A1 점 이상으로 가열하였을 때 얻어짐. - 비자성체, 전기저항이 크고, 강도 낮음, HB 155 정도임. ② Martensite - α-Fe에 C를 과포화 상태로 되어있는 α-고용체. - 강을 AC1 점 이상온도에서 수중 담금질하면 나타남 - 침상조직, 부식저항이 큼, 경도와 인장강도가 대단히 크며 취약함 - 강자성체, HB 600-700 산업설비자동화 ③ Troostite - Martensite조직보다 냉각속도를 조금 적게 했을 때 나타남. - 강 유냉시 500℃에서 생기는 결정상 조직 - Martensite조직을 300-400℃에서 뜨임했을 때 나타남. - Ferrite와 극히 미세한 Cementite와의 기계적 혼합물이며 HB 420 정도이다. - 부식되기 쉽고 절삭력을 가진 절삭공구용 ④ Sorbite - Troostite 보다 냉각속도를 적게했을 때 나타난다. - 큰강재는 유냉시, 작은강재는 공냉시에 나타낸다. - Martensite조직을 600℃에서 뜨임 했을 때 나타낸다. - 경도, 강도는 Troostite 보다 작으나 인성과 탄성을 동시에 필요로 하는 곳 에 사용한다. - HB 270이며 미세한 입상탄화물의 조직이며 가공경화가 가장적은 조직이다. 산업설비자동화 산업설비자동화 라. 뜨임 (Tempering 燒戾) : 소려(燒戾) 1) 뜨임의 개요 담금질한 강의 경도를 약간 낯추고, 인성을 증가시키기 위하여 적당한 온도(A1점이하)로 재가열하여 서냉하는 열 조작 2) 뜨임온도와 성질 ① 뜨임온도가 높을수록 강도, 경도가 감소하며, 연율, 단면 수축율이 증가한다. ② 고탄소강의 뜨임 온도는 200℃ 내외의 저온 뜨임하여 소입 경화로 생기는 변태 응력을 제거한다. ③ 구조용강의 뜨임온도는 500-600℃로 고온 뜨임하여 조직을 솔바이 트화해 탄성과 인성을 부여 3) 뜨임의 목적 담금질한 강의 강인성 부여함 (저온뜨임=내부응력제거, 고온뜨임=인성증가) 산업설비자동화 산업설비자동화 나. 탄소강(C: 0~6.67%)의 표준조직 산업설비자동화 ◈ 탄소강의 열처리 및 조직 산업설비자동화 산업설비자동화 ◈ 강의 온도에 따른 성질 취 성 재 료 저온취성 철 강 온 도 특 성 상 온 이 경도와 인장강도는 증가하나 연신율, 충격값이 감소 하 한다. P가 많은 상 온 상온취성 강 P는Fe3P로 결정입자를 조대화 시키고 경도,인장강도 를 증가시키나 연신율을 감소시키며,특히 상온에서 충격값이 감소되며 냉간가공시 균열이 생긴다. 청열취성 강 철 200300℃ 상온보다 연신율은 저하하고 강도가 높아진다. 시효경화에 의함. Ni-Cr강 뜨임취성 Cr강 Mn강 500650℃ 담금질한 뒤 뜨임하면 충격값이 감소한다. 0.3% Mo를 첨가하거나 소량의 V,W등을 첨가하여 뜨임 메짐을 방지한다. S는 FeS로 존재 가열하면 용해되어 강의 결정 사이의 응집력을 파괴하고 고온에서 단조 압연시 균열이 생 S가 많은 적 열 상 적열취성 긴다. 강 태 Mn을 첨가하면 MnS로 제거되어 S의 고온메짐을 방지 할수있다. 産業設備自動化 ◈ 구조용 강 산업설비자동화 산업설비자동화 ◈ 고장력 강(高張力鋼) : 인장강도가 490Mpa(50kgf/mm^2) 이상 ► 개요 : 탄소강에 탄소를 증가시키면 강도, 경도가 증가, 신율이 감소. 따라서 용접시 열영향부(HAZ)의 경화로 취약, 균열 및 파괴의 원인 - 고장력강(High Tensile Steel) : 소량의 합금첨가로 용접성 향상 - 대형탱크, 교량, 빌딩 등 중요 구조물의 제작에 사용 ► 고장력강의 분류 - 50kgf급 HT : Si-Mn계 Al킬드강으로 압연한 그대로 사용 - 60kgf급 HT : 50kgf급 HT에 Ni, Cr, V 등 첨가, 강도와 연성을 향상 - 80kgf급 HT : 저탄소강에 Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, B 등을 첨가 - 100kgf급 HT : 80kgf급 HT에 Ni, Cr함유량을 다소 많이 함유 産業設備自動化 4. 합금강 1. 합금강의 개요 산업설비자동화 5. 기계구조용 저합금강 ◈ 개요 기계구조물의 중요부위에 사용되는 재료로 항복강도와 인장강도가 크 고, 기계가공성이 양호한 강(Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr강, Cr-Mo강, Mn강, Mn-Cr강 등) ►니켈 크롬강(SNC-) : 중탄소강에 Cr(0.5~1%), Ni(1~3.5%)을 첨가 롤러, 캠, 핀 등의 재료로 쓰이며, 뜨임취성 감수성이 우수 ►니켈-크롬-몰리브덴강(SNCM-) : Ni-Cr강에 Mo(0.3~0.7%)을 첨가 강도 및 인성이 높고 기계적성질이 우수 - 축, 기어, 크랭크축 등 ►크롬강(SCr-) : 중탄소강에 Cr(0.9~1.2%)을 첨가 경도가 높고 내마모성이 우수 – 차축, 볼트너트, 암(Arm) 등 ►크롬-몰리브덴강(SCM-) : 크롬강에 Mo(0.15~0.3%)을 첨가 담금질 성능 향상 및 뜨임취성 감소 – 볼트너트, 암, 크랭크축 등 ►망간강(SMn-) : 중탄소강에 Mn(1.2~1.65%)을 첨가 탄소강에 비해 기계적성질 우수 및 가격 저렴 – 축(shaft)의 재료 ►망간-크롬강(SMnC-) : 망간강에 Cr(0.35~0.7%)을 첨가 담금질 성능과 고온강도 향상 – 축류와 기어의 재료 산업설비자동화 7. 표면경화용 강 ◈ 개요 기계구조용 재료에서 내마모성을 요구하는 경우 재료의 표면을 단단 하게 경화시키는 것 ►침탄경화강(침탄법) : 고체침탄법(목탄, 코크스 등 : 900~950 ℃), 액 체침탄법(KCN, NaCN 등), 가스침탄법 (메탄, 에틸렌 등), 등에 의해 강재의 표면에 탄소를 침투하여 금속의 표면만을 경화시키는 것 ►질화경화강 : 탄소강을 500~550 ℃의 암모니아(NH3) 가스중에서 장시 간 가열하면 질소가 표면에 침투하여 질화물이 형성 경화되는 방법 ►기타 표면경화법 : 화염경화법, 고주파 경화법, 청화법(침탄질화법) 산업설비자동화 ◈ 내식재료 산업설비자동화 ◈ 스테인리스강의 성분계 분류 ►200번 계열 : 크롬-니켈-망간계(오오스테나이트계) ►300번 계열 : 크롬-니켈계(오오스테나이트계) ►400번 계열 : 크롬계(마텐자이트 및 페라이트계) ►600번 계열 : 크롬-니켈계(고강도 석출경화계) 산업설비자동화 스테인리스 강 산업설비자동화 스테인리스 강 산업설비자동화 産業設備自動化 産業設備自動化 産業設備自動化 ◈ 내열재료 가. 개요 ►보일러, 증기발생기, 발전용기기, 증기터빈, 가스터빈 등 고온에서 사용되는 재료로 저합금강 (철강계) 및 스테인리스강을 포함한 고합금강(비철금속계) 産業設備自動化 産業設備自動化 産業設備自動化 産業設備自動化 ◈ 공구재료 1. 공구재료의 개요 ►금속을 절삭, 전단 등의 가공시 사용되는 재료로, 탄소공구 강, 합금공구강, 초경합금강, 특수공구재료 등 2. 탄소공구강(carbon tool steel) : C를 0.6~1.5%함유하여 인 성 및 내마모성이 우수하고 가격이 저렴 産業設備自動化 ◈ 공구재료 産業設備自動化 ◈ 공구재료 産業設備自動化 ◈ 공구재료 産業設備自動化 ◈ 공구재료 産業設備自動化 ◈ 공구재료 産業設備自動化 ◈ 기타 기계재료 産業設備自動化 ◈ 기타 기계재료 産業設備自動化 ◈ 주강과 단강 1. 주강(Cast steel) ► 개요 : 강을 주형에 주입해 응고시킨 재료로서, 응고 후 표면 의 수정작업과 열처리를 실시하여 완성된 강주물을 의미 ► 탄소강 주강품 : 탄소(C )의 함유량이 0.4% 이하의 주강품 주조 후 풀림 또는 불림처리 한 상태로 철도차량, 선박, 기계 부품 등의 재료로 사용 ►저합금강 주강품 : 탄소강에 Mn, Cr, Ni 등을 함유한 주강품으 로 탄소주강품에 비하여 강도와 인성 및 내마멸성이 우수 2. 단강(Forged steel) ►소성가공법 중 단조에 의해 만들어 진 것을 단강품, 그재료를 단강이 라함(열간단조), 강도 및 인성이 우수 ► 자유단조(소량생산)와 형단조(대 량생산) 産業設備自動化 형단조 제품 産業設備自動化