특 수 강
1. 특수강의 개요
特殊鋼(special steel)이라 함은 탄소강에 한 가지 또는 그 이상의 특수원소(제3성분)를 합금시켜서 특수한 性質을 갖게 한 강을 말하며, 때로는 합금강(alloy steel) 이라고도 부른다. 합금용 특수원소에는 Ni, Cr, Mn, W, Co, V, Si 등이 있다.
위에서 말한 바와 같이, 탄소강에 適當한 다른 원소를 合金하면 그 본래의 여러 가지 성질이 향상 改善되는 이외에 많은 새로운 特性이 나타난다. 보기로서 Cr을 합금한 경우, 1%이하의 소량을 첨가하여도 침탄강이나 구조용강으로서 그 性質이 뚜렷하게 개선되어 탄소강을 능가하게 되며, 3%의 첨가에 의해서 자석강으로 되고, 13%의 첨가에 스테인리스강으로 된다. 표 4·20은 특수강에 添加되는 원소의 特性을 표시한 것이다.
보통 특수강의 탄소 함유량은 0.25∼0.55% 정도이다. 특수강은 또 저합금강과 고합금강으로 分類할 수 있는데, 저합금강이라 함은 특수원소를 1% 내지 수%까지 첨가한 강을 말하며, 고합금 강이라 함은 특수원소의 添加量이 10%이상인 경우를 말한다. 저합금강은 강도를 필요로 하는 機械部品 材料 또는 表面硬化 材料등으로 사용되며, 고합금강은 내식, 내열, 내마모 및 기타 특수목적용 재료로 사용된다
표 4·20 강 중의 특수원소의 일반 특성
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원 소 명 |
특 성 |
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각 원 소 의 특 성 |
Ni Cr Mo Mn Si V, Ti, Zr |
인성 증가, 저온 충격 저항 증가 내마모성, 내식성 증가 뜨임 취성 방지 고온 강도 증가, 경도 증가 전기 특성 양효, 내열성 양호 결정립도 조정 |
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원소 들의 공통 특성 |
P, Si, Mn, Mi, Cr, Cu, W, Mo V, Mo, Mn, Cr, Ni, W, Cu, Si Al, V, Ti, Zr, Mo, Cr, Si, Mn V, Mo, W, Cr, Si, Ni, Mn W, Ti, Cr, V, Mo |
페라이트 기지 강화성 담금질 효과 향상성 오스테나이트 결정 성장 방지성 뜨임 저항성 탄화물 형성성과 경도 향상성 |
내열, 내마모 및 기타 특수목적용 재료로 사용된다.
2. 구 조 용 강
그림 4·27와 같이 γ-Fe과 Ni은 면심입방구조의 結晶이므로모든 비율로 고용체를 만든다. Ni25%에서 加熱時와 冷却時의 변태 차이가 500℃ 정도이므로 Ni 5∼30% 합금을 非可逆鋼이라 한다. Ni의 자기 변태점은 Fe30%까지는 점차 增加해서 600℃에서 최대로 되며 다시 강화하여 Fe70%에서는 상온에 달한다.
그림 4·27 Fe-Ni 상태도 그림 4·28 Fe-Cr의 상태도
Ni은 인장강도, 항복점, 경도, 충격치 등을 上昇시키며 연신율이 감소하지 않으므로 강인한 강을 만든다. 담금질하면 150∼200㎜ 정도로 경화가 깊어지므로 材料의 中心部까지 열처리 효과를 얻도록 한다. 또한 탄소강의 저온취성을 防止시키는 효과도 있다.
① 저Ni 펄라이트강 : 0.2%C, 1.5∼5% Ni강은 침탄강으로 使用하며 0.25∼0.35%C 1.5∼3% Ni강은 담금질하여 각종 機械部品으로 사용한다. 침탄한 것은 자동차축, 치차, 체인, 레버, 스핀들, 저널, 강력볼트, 너트, 크랭크축 등의 강인성과 내마모성을 요하는 材料로 사용한다. 또한 포신재, 차축, 교량재, 교통 기관의 部品으로 쓰인다.
② 고 Ni 오스테나이트강 : 25∼30% Ni강은 오스테나이트 組織이므로 강도와 탄성한계는 낮으나 압연성, 내식성 등이 좋고 충격치도 크므로 기관용 밸브, 스핀들, 보일러관등에 쓰이고 비자성용강으로도 使用된다. 10∼25% Ni강은 마텐자이트 조직을 가진다. 저 Ni강의 경우 인장강도는 50∼70㎏/㎟, 내력 30∼45㎏/㎟, 연신율 25∼30%, HB150∼190, 단면 수축율 55∼60%의 機械的 性質을 나타낸다.
그림 4·28과 같이 Fe과 Cr은 모든 비율로 고용체를 만들며 Cr의 添加로 A4점은 강하하고 A3점은 다소 강하하다가 다시 上昇하여 A4점과 합친다. Cr강의 특성은
① 경화층이 깊고 마텐자이트조직을 安定化하며 자경성(self hardening)이 있어 공냉으로 쉽게 마텐자이트 조직이 된다. 500℃에서도 트루스타이트(troostite) 조직이 되며 뜨임해도 잘 풀리지 않는다.
② Cr4C2, Cr7C3등의 탄화물이 형성되어 내마모성이 크고 오스테나이트의 成長을 沮止하여 조직이 미세하고 강인하며 내식성, 내열성도 높다.
③ Ni, Mn, Mo, V 등을 添加하여 구조용으로 사용하고 W, V, Co등을 첨가하여 공구강으로도 사용한다.
1∼2% Cr, 1∼1.2% C강은 베어링, 단조용롤러, 인발다이스, 줄(file) 등에 쓰이며 0.18% C이하, 1∼2% Cr강은 표면 경화용강으로 使用한다. Cr강은 Cr의 탄화물이 많이 석출하여 펄라이트의 경도가 增加하며 마모성이 개선되고 유중 담금질 效果도 좋아지나 단조는 어려워진다. 담금질은 830∼880℃에서 유냉하고 580∼680℃로 뜨임하며 취성을 防止하기 위하여 수냉처리한다. Cr강의 KS 기호는 Scr 1∼22종으로 표시하며 21종 이상은 150∼200℃에서 공냉 뜨임한다(부록 1(2) 참조).
(3) Ni-Cr강
Ni은 페라이트를 강화하고 Cr은 탄화물을 석출하여 組織을 치밀하게 한다. 즉 강인하고 점성이 크며 담금질성도 높다. 수지상 조직이 되기 쉽고 강괴가 냉각 중에 헤어크랙(hair crack)을 發生시키며 뜨임취성이 생기므로 800∼880℃에서 유냉 담금질하고 550∼650℃에서 뜨임한 후 수냉 또는 유냉한다. 뜨임 취성은 560℃ 부근에서 Cr의 탄화물이 석출하고 Mo이나 V등을 添加하면 감소된다. Mo이 첨가되고 Ni이 많을수록, Cr과 C가 적을수록 저온 취성은 減少한다. 인장강도가 75∼100㎏/㎟ 이상의 고장력강이며 연신율 12∼22%이상, 충격치 8∼12(㎏·m/㎠), HB212∼388을 나타내고 KS SNC1∼22종으로 表示한다. 用途는 봉, 판, 관, 선재 및 단조품, 병기재료, 볼트, 너트, 치차, 피스톤핀, 캠 크랭크축 등의 자동차 부품으로 널리 使用된다. Ni의 함량은 1∼3.5%, Cr 0.5∼1%정도이며 Mn 0.35∼0.8%, C 0.27∼0.4% 함유된다. SNC 21종 이상은 850∼900℃에서 1차 유냉하고 750∼800℃에서 2차 유냉한 후 150∼200℃에서 공냉으로 뜨임한다(부록 1(4) 참조).
Ni-Cr강에 1% 이하의 Mo을 添加하면 기계적 성질 및 열처리 효과가 개선되고 질량효과를 減少시킨다. 또한 내식성과 점성이 增加하여 단련, 압연이 쉽고 스케일 분리가 잘 되므로 表面이 매끄러워진다. 뜨임온도는 Ni-Cr강보다 50∼70℃ 높게 하며 뜨임 취성도 Mo의 효과로 감소한다. Mo의 添加量은 주로 0.15∼0.7%정도이며 인장강도가 85∼110kg/㎟이상의 고장력강이다. 충격치는 6∼10kg·m/㎠이고 KS기호 SNCM1∼26종으로 크랭크축, 터빈의 날개, 치차, 축, 강력볼트, 핀, 롤러용, 베어링 등에 사용된다. 21종 이상은 표면경화용강으로도 쓰인다(부록 1(5) 참조).
Cr강에 0.15∼0.35%의 Mo를 添加하여 펄라이트 조직의 강으로 한 것으로 뜨임취성이 없고 용접도 쉽다. Ni-Cr강과 類似하며 C0.27∼0.48%, Cr0.9∼1.2%를 함유한다. KS기호 SCM1∼24종으로 나타내며 830∼880℃에서 유냉한 후 550∼650℃로 뜨임한다. 22종 이상은 1차(850∼900℃), 2차(800∼850℃) 유냉하고 150∼200℃에서 공냉으로 뜨임한다. 인장강도 80∼110kg/㎟ 이상의 고장력강이며 HB235∼410정도이다. 用途는 각 종축, 치차, 강력볼트, 암, 레버 등으로 사용한다. 충격치는 4∼11(kg·m/㎠)이며, 연신율 10∼15%, 내력 70∼90kg·㎟이다(부록 1(3) 참조).
그림 4·29와 같이 Mn은 Fe와 전비율로 고용체를 만들며 A3점은 급감하여 4.5% Mn에서 A2점과 합치고 14% Mn에서 상온에 공냉해도 달한다. Mn을 다량 含有한 강은 마텐자이트 및 오스테나이트 조직이 된다.
그림 4·30의 Ⅰ및 Ⅱ구역만이 工業用 材料로 사용되며 Ⅰ구역의 Mn강을 듀콜(ducol)강 이라하고 펄라이트 조직으로서 Mn 1∼2%이고 C0.2∼1% 범위이다. 인장강도가 45∼88kg.㎟이며 연신율은 13∼34%이고 건축, 토목, 교량재 등의 一般 構造用으로 사용된다. Ⅱ구역은 하드필드(hardfield)강이라고 하며 오스테나이트 조직의 Mn강이다. Mn 10∼14%, C 0.9∼1.3%이므로 경도가 높아서 내마모용 材料로 쓰인다. 이강은 고온에서 취성이 생기므로 1000∼1100℃에서 수중 담금질 하는 수인법(Water toughing)으로 인성을 賦與한다. 용도는 치차, 교차, 레일 등에 쓰이며 내마모성을 요하고 全體가 취성이 없는 재료에 適合하다. 듀콜강의 담금질은 820∼850℃에서 유냉하며 500∼600℃ 또는 150∼200℃에서 공냉 뜨임한다. 하드필드강을 수인 처리하면 오스테나이트 조직이 되므로 절삭이 可能해 진다.
그림 4·29 Fe-Mn의 상태도 그림 4·30 Mn강의 조직도
크로만실(Chromansil)이라고도 하며 Cr 0.5%, Mn 0.9∼1.2%, Si 0.8%, C 0.1∼0.4%의 저렴한 구조용강으로 내력, 인장강도, 인성이 크고 굽힘, 프레스가공, 나사, 리벳작업 등이 쉽다. 또한 고온단조, 용접, 열처리가 容易하므로 철도용, 단조용, 크랭크 축, 차축 및 각종 자동차부품 등에 널리 사용된다.
Ni-Cr강의 Ni대신 Mn을 添加한 강으로 질량 효과가 크며 인성이 좋고 강도는 Ni-Cr강 보다 낮다.
탄소강에 Mo 0.15∼0.8%첨가시키면 인장강도, 탄성한도가 增加한다. 다소 취성은 있으나 열처리 효과를 깊게하고 뜨임취성이 감소되며 내마모성이 증가한다. 고온에서 점성이 크므로, 단련, 압연이 쉽고 용접과 절삭이 잘 된다. Cr 0.12∼1.6%, Ni 1∼5%가 첨가되기도 하며 C0.1∼1.3%의 範圍에서 합금된다. 항공기, 자동차용 구조재, 병기, 치차, 볼베어링, 내열재료, 침탄재, 단조재 등에 使用되며 Mo 1.6∼2.5%인 것은 자석강으로 쓰인다.
B는 탄소강에 添加되면 극소량(0.02%정도)으로도 Mn, Ni, Cr, Mo의 첨가를 모두 생략할 수 있을 정도의 담금질 경화능을 나타낸다. B는 산소와 질소와의 친화력이 크므로 Zr, Ti, Al등을 製造時 첨가하여 탈산, 탈질소 처리를 한다. B의 효과는 저탄소강일수록 크며 C0.9%에서는 그 효과가 消滅된다. 내마모성 재료로 적합하다.
Ti강은 내식, 고온저항이 크고 황산, 염산 등에는 침식되나 희석된 염산, 질산에는 강하다. Ti은 C, S, O, N, H 등과 강력한 친화력을 가지므로 鋼 製造時 O, H, N 등을 제거하여 편석방지 또는 입도조정을 위하여 添加된다. C, B, Si등과 고온에서 작용시키면 경도가 높은 化合物을 만들며 Cr-Ni강에 첨가하면 초강력 내열합금을 만든다. 크리프 강도가 향상되며 고온 파괴 응력을 增加시키므로 제트엔진의 연소실 材料로 사용된다. Ti은 석출 경화성이 크고 영구자석 및 Ni(基) 내열합금에 첨가하며, Ti탄화물은 초경 공구재료로 쓰인다.
고장력강은 인장강도 50kg/㎟이상, 항복강도 32kg/㎟이상의 강으로서 인성, 용접성, 내후성 등을 一般構造用 강보다 향상시킨다. 비조질형과 조질형으로 分類되며 인장강도 200kg/㎟이상으 것은 초고장력강이라 한다. 土木, 건축, 선박, 化學設備, 압력용기, 압력관, 각종산업기계, 차량 등의 각 分野에서 파이프류, 棒, 板, 형재료로 使用되며 대부분 용접 구조용으로 이용된다. 비조질 고장력강의 강화기구는 ① 합금원소 添加에 의한 연강의 페라이트 고용강화 ② 미량 합금원소 添加에 의한 結晶粒 미세화 및 석출강화 ③ 제어압연에 의한 강인화 등이 있다. 조질(refining)이란 강의 결정입자를 熱處理나 機械加工에 의하여 미세화시켜 점성, 인성을 증가시키는 작업을 말한다.
ⅰ. 비조질형 고장력강 : 열간압연한 그대로 불림처리한 후 뜨임하며, 인장강도 70kg/㎟ 이하의 Si-Mn계의 SM 50C가 가장 많이 使用된다. 값이 싸고 항복비(항복강도/인장강도)가 낮으며 加工性은 좋으나 용접성이 좋지 않다.
ⅱ. 조질형 고장력강 : 담금질, 뜨임처리에 의하여 강도를 增加시킨 강으로서 Si-Mn계의 HT50, HT80, HT100등이 있다. 비조질강에 비하여 탄소와 합금원소를 減少할 수 있어 용접성도 좋고 미세조직을 나타내므로 인성이 우수하다.
(1) 침탄용강 : 저탄소 Ni강, Cr강, Ni-Cr강 21∼22종, Ni-Cr-Mo강 21∼24종 등이 있으며 具備條件은 다음과 같다. ① 0.25% 以下의 탄소강 일 것 ② 장시간 가열해도 結晶粒이 성장하지 않고 여리게 되지 않을 것 ③ 경화층은 내마모성, 강인성을 가지며 경도가 높을 것 ④ 기공, 흠집, 석출물 등이 경화중에 없을 것 ⑤담금질 응력이 적고 200℃이하의 低溫에서 뜨임할 것 등이다.
(2) 질화용강 : Al, Cr, Mo, Ti, V중 2종 이상의 성분을 함유한 材質이 사용되며 Si 0.2∼0.3%, Mn 0.4∼0.7%가 標準이다. 최근에는 Al 1∼2%, Cr 1.5∼1.8%, Mo 0.3∼0.5%강을 널리 사용하나 高價이므로 Cr-Mo강도 사용된다. 경화층의 경도는 Hv 650∼1150을 나타낸다.
3. 공 구 용 강
탄소공구강의 短點을 보강하기 위하여 Cr, W, Mn, Ni, V 등을 첨가하여 경도, 절삭성 단조, 주조성 등을 改善한 강으로 C 0.45%이므로 담금질 효과가 完全하다. Cr은 담금질 효과를 증대하고 W은 경도와 고온경도를 上昇시키므로 내마모성은 증가한다. NI은 인성을 부여하며, 합금공구강으로는 W-Cr강이 널리 使用된다.
담금질 변형이 적고 1000℃ 까지의 내열성이 있으므로 내연기관의 밸브로 쓰이며 Cr 첨가로 담금질 경도가 높아서 공구강으로도 使用된다. Si 1.5%, Cr 1%, C 1%, Mn 0.5% 정도 含有되며 유중 담금질한다. 내연기관용은 Si, Cr 함량이 각각 3%이상이다.
C 0.9%∼1.2%, W 0.6∼3.5% 강은 커터, 木工具, 드릴, 톱 등으로 사용하며 C 0.4∼0.7%에 W 1∼3% 총신, 단조용 다이스로, W 6∼12% 고온 다이스로 C 1∼1.4%에 W 3∼24%의 강은 인선용 다이스로 使用한다.
소량의 V은 강중에서 탈산작용을 하며 경도를 현저히 增加시킨다. 또한 인장강도, 탄성한도는 증가시키며 인성의 감소는 적으나 多量 함유되면 취성이 생긴다. C 0.2%∼0.4%, V 0.4∼1%, Cr 1∼3%, Mn 1.5%∼2% 첨가된 것은 절삭공구, 커터, 탭, 다이스, 드릴 등에 使用된다.
Co는 Ni과 類似하며 공구강, 자석강, 내열합금, 경질합금 등에 添加한다.
고속도 공구강에는 Co 5∼20%, 주조경질합금에는 Co 40∼55% 첨가된다.
표 4·21은 각종 합금공구강의 成分과 用途를 나타낸 것이다. 합금공구강의 열처리는 750∼800℃에서 유냉풀림한 후 830∼880℃에서 유냉 담금질하며 150∼200℃로 뜨임처리한다. 뜨임경도는 HRC 40∼63이상 된다.
표 4·21 합금공구강
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기 호 |
화 학 성 분 (%) |
용 도 | ||||||
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C |
Si |
Mn |
P, S |
Ni |
Cr |
W | ||
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STS 1 STS 2 STS 3 STS 4 STS 5 STS51 STS 7 STS 8 |
1.30∼1.40 1.00∼1.10 0.90∼1.00 0.45∼0.55 0.75∼0.85 0.75∼0.85 1.10∼1.20 1.30∼1.50 |
< 0.35 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 |
< 0.50 < 0.80 < 0.90 < 0.59 〃 〃 〃 〃 |
<0.030 〃 〃 〃 〃 〃 〃 〃 |
― ― ― ― 0.70∼1.30 1.30∼2.00 〃 ― |
0.50∼1.00 0.50∼1.00 0.50∼1.00 0.50∼1.00 < 0.50 〃 0.20∼0.50 0.20∼0.50 |
4.00∼5.00 1.00∼1.50 0.50∼1.00 0.50∼1.00 ― ― 2.00∼2.50 ― |
바이트,커터,콜드 드로잉 다이 탭, 드릴, 커터, 쇠톱날, 다이 게이지, 다이, 탭 끌, 펀치, 스냅 띠톱날, 원판톱날 띠톱날, 원판톱날 쇠톱날 줄 |
고속도강은 절삭공구강의 一種으로서 500∼600℃까지 가열해도 뜨임효과에 의해 연화되지 않고 高溫에서도 경도의 감소가 적은 것이 특징이다. 18% W-4% Cr-1% V-0.8∼0.9%C의 조성으로 된 18-4-1형 고속도 공구강과 6% W-5% Mo-4% Cr-2% V-0.8∼0.9%C의 6-5-4-2형이 널리 使用된다. 열처리는 1250℃에서 담금질하고 550∼600℃에서 뜨임처리하여 2차 경화시킨다. 석출경화형 탄화물은 W2C, W4C3, M3C등이며 Mo계 고속도강에서는 Mo2C가 주체이다.
W계 고속도강은 SKH2가 표준형이고 여기에 Co를 增加하여 材質을 향상시켰으며 Mo계는 가격이 싸고 비중이 작으며 인성이 큰 것이 W계보다 우수한 점이다. 또한 담금질 온도도 낮고 熱電度도 좋다. V은 VC 탄화물을 형성하며 결정립의 조대화를 저지하고 내마모성을 향상시킨다. Co는 오스테나이트조직에 고용되어 담금질에 의해서 오스테나이트를 多量으로 잔류시키므로 경도를 감소한다. 고속도강에서 2차 경화는 담금질 상태에서 잔류 오스테나이트가 탄화물을 석출하여 마텐자이트로 변태한다.
Mo계 고속도강은 탈탄에 注意해야 하며, 고속도강을 연화하려면 약 900℃로 加熱하고 700∼750℃로 유지한 후 노중에 넣어 60분간 유지하고 600℃ 이하에서 공냉시킨다. 이때 HB310 이하이므로 機械加工이 용이하다.
고속고강의 고온경도는 초경합금보다는 낮고 탄소공구강보다는 높으며 600℃까지는 HB650∼700 정도이고 600℃ 이상에서는 급감하여 800℃가 되면 HB200이하로 된다. 고속도강은 1250∼800℃까지는 임계구역으로서 유중 급냉하여 Ar' 변태(트루스타이트)시키며 300℃ 이하는 위험구역이므로 공냉하여 1차 Ar" 변태(마텐자이트)시킨다. 또 뜨임할 때도 300℃ 이하에서는 위험 구역이 되므로 공냉하여 2차 Ar 변태시킨다.
(1) 다이스강(dies steel)
다이스으 種類는 절삭용과 비절삭용으로 구분할 수 있으며 冷間加工用과 熱間加工用 다이스로도 분류된다. 냉간가공용 다이스강 종류로는 Cr강, W-Cr강, Ni-Cr-Mo-강, Cr-Mo-V강, 고Cr-Mo-V강, 고Cr-Mo-V강, 고C-고Cr강, 고C-고Cr-Mo-V강, 고C-Cr-고V강, 고C-고Cr-Co강, 고C-고Cr-W강, 고C-고W-Cr강의 A∼M종까지 使用된다.
한편 열간가공용 다이스강 종은 저W-Cr-V강, 중W-Cr-V강, 고W-Cr-V강, Cr-Mo-V강, Cr-Mo-W-V강, 중Mo-Cr-V강, 중Mo-Cr-V강, 중Cr-Mo-V강, 저Cr-Mo-V강, Ni-Cr-W-Mo-V강, Mn-Cr강, 저Ni-Mn-Cr-Mo강 등의 0∼Y2종이 使用되고, KS기호는 STD이다. 이들 강재를 풀림처리한 후 다이스 형을 만들고 다음에 담금질, 뜨임처리하여 사용한다.
(2) 게이지용강(gauge steel)
각종 정밀계측기 및 精密部品으로 사용되는 강으로서 ① 내마모성이 크고 HRC55이상의 경도를 가질 것 ② 담금질에 의한 변형 및 균열이 적을 것 ③ 장시간 경과해도 치수의 변화가 적고 선팽창계수는 강과 비슷하며 내식성이 우수할 것 등의 특성이 요구된다. C0.85∼1.2%, W0.5∼3.6, Mn0.9∼1.45%의 합금강의 實用되고 있으며 담금질 경화재는 시효에 의한 변화가 있으므로 장시간 뜨임 처리한다.
(3) 시효경화합금(age hardening alloy)
시효경과에 의해 充分한 경도는 부여할 공구강으로서 548합금(Fe-W-Co계 합금)등이 있다. 이외에 Fe-Mo-Co강, Fe-W-Cr강, Fe-W-Mo강, Fe-W강, Fe-Mo강 및 W-Co강도 시효경화한다. 이들 材料는 내열성이 우수하고 壽命이 길다. 담금질 후는 경도가 감소하여 機械加工이 쉽고 뜨임하여 경도를 높인다. 석출경화성이 크므로 자석강으로 사용된다. 담금질은 1300∼1350℃에서 수냉하며 뜨임은 600∼650℃에서 행한다. 뜨임경도는 HRC 60∼70이고 1000∼1100℃에서 단조한다. 단 W-Co계 합금은 1400∼1450℃에서 주조하여 650℃로 뜨임한다.
(4) 주조경질합금(casted hard metal)
주조한 상태로 연삭하여 사용하는 공구재로서 熱處理하지 않고 충분한 경도를 얻는 Co40∼55%, Cr15∼33%, W10∼20%, C2∼5%, Fe<5% 이하의 주조합금이다.
단조가 불가능하며 HB550∼700℃로서 600℃까지는 거의 경도의 減少가 없다. 고온저항이 크고 내마모성이 우수하며 각종 절삭공구 및 내마모, 내식, 내열용 部品材料로 사용되며 상품명으로는 스텔라이트(stellite)라고 한다.
1) 스테인리스강
1913년 H. Breary가 발견한 이래 현재까지 工業用, 家庭用으로 널리이용되는 녹슬지 않는강으로서 페라이트계, 마텐자이트계, 오스테나이트계 및 석출경화형 합금이 개발되었다. Fe에 Cr12%이상 첨가된 것을 不誘鋼(stainless steel)라 하며 Cr12% 이하인 것은 耐蝕鋼(corroision resisting steel)이라 한다. Cr강이 내식성을 갖는 것은 Cr2O3의 피막이 鋼表面에 형성되어 材料內部를 보호하기 때문이다(부록 6 참조).
Cr12∼17%, C0.2%이하 含有된 페라이트 조직의 강으로서 ① 表面이 잘 연마된 것은 공기나 물 중에서 부식되지 않으며 ② 유기산과 질산에는 침식하지 않으나, 염산, 황산 등에는 침식된다. ③ 오스테나이트계에 비하여 내산성이 낮으며 ④ 담금질 상태의 것은 내산성이 좋으나 풀림상태 또는 표면이 거친 것은 부식되기 쉽다. C0.1%이하 Cr12∼17%의 크롬강으로서 페라이트 조직의 것은 스테인리스철이라 하며 연하여 단조가 용이하므로 강도와 용접성이 중요하지 않은 自動車部品, 化學工業用 裝置 등에 많이 사용된다. 스테인리스강은 열전도가 낮으므로 서열, 서냉하여 균열을 방지한다. Cr17% 이상의 고크롬강은 고온에서 장시간 가열하면 475℃ 부근에서 경도가 上昇하여 취화하는데 이것을 475℃ 취성이라 한다. 또한 45∼52% Cr강은 700∼800℃에서 경도를 상승시키는 σ상이 생겨 σ취성도 發生한다. 취성이 잆는 강은 내식성이 저하하나 열처리하여 회복시킬 수 있다.
Cr12∼18%, C0.15∼0.3% 첨가된 마텐자이트 조직의 강으로서 13% Cr강이 대표적이다. 950∼1020℃에서 담금질하여 마텐자이트 조직으로 한다. 500℃ 이상에서도 강도, 경도가 급감하고, 연성은 급증한다. 常溫에서 강자성을 가지며 값도 저렴하나 내식성은 最低이다. 단조는 1000℃ 정도에서 가능하며 機械加工을 위한 연화는 760∼790℃에서 서냉한다. 담금질 후 뜨임은 100∼300℃ 또는 650∼720℃에서 행하여 뜨임시 500℃까지는 특수 탄화물의 석출로서 인장강도, 항복점이 增加하며 연신율은 감소한다.
Cr은 16∼18%, Ni 1∼3% 함유한 마텐자이트 조직의 스테인리스강을 S 80이라고 한다. 이 강의 내식성을 改良시키는 방법으로는 ① 탄소량의 감소와 크롬량의 증가 ② 니켈, 몰리브덴의 첨가 등이 있다. Mo, V, Nb을 첨가한 12% Cr계는 550℃ 이하에서 오스테나이트강보다 인장강도, 내력, 크리프강도가 높고 내열성도 우수하다. 증기터빈의 날개밸브, 펌프축, 볼트, 너트, 가스터빈 및 제트엔진의 날개, 노부품, 항공기부품, 로켓트연소실, 칼, 의료용 기구 등에 쓰인다.
이 강은 내식성이 스테인리스강 중 가장 높고 非磁性이다. 화학적 조성은 Cr16∼26%, Ni 6∼20%, 나머지 Fe로 되어 있으나 Cr 18%-Ni8%의 18-8 스테인리스강이 代表的이다. 이것은 내식성과 내충격성, 機械 加工性이 우수하고 선팽창 계수가 보통강의 1.5배, 열, 전기 전도도가 1/4 정도이다. 단점은 염산, 염소가스, 황산 등에 약하고 결정입계 부식이 發生하기 쉬운 점이다. 용접은 비교적 잘 되며 가공성도 좋다.
입계 부식이 發生하는 것은 강의 예민화(Sensitize)라 하며 용접 후 내식성을 減少시킨다. 입계부식의 原因은 결정입계 부근의 Cr원자가 C원자와 結合해서 70% Cr이하의 Cr탄화물(Cr4C)을 형성하므로 결정입계 부근의 조직은 Cr12% 이하의 농도가 되어 그 부분이 結晶粒의 內部組織에 비하여 양극적으로 작용하는데 있다.
입계 부식의 防止法으로는 ① 고온으로 가열한 후 Cr탄화물을 오스테나이트 조직 중에 용체화하여 급냉 시킨다. ② 탄소량을 減少시켜 Cr4C탄화물의 발생을 저지시킨다. ③ Ti, V, Nb 등을 첨가하여 Cr4C대신 Tic, Nbc, V4C3 등의 탄화물을 발생시켜 Cr의 탄화물화를 감소시킨다. Ti, V, Nb등을 첨가하여 입계부식을 저지시킨 것을 安定化되었다고 한다. 내식강으로서 안정화한 강을 1100∼1250℃에서 급냉하여 탄소가 용체화된 상태로 存在할 때 약 600℃로 단시간에 가열하면(Cr, Fe) 23C6가 석출하여 입계 부식을 일으킨다. Mo, Si, Nb, Ti등을 첨가한 18-8강은 경하고 취약한 σ상을 生成시키기 쉬우므로 유의해야 하며 σ상은 페라이트 조직에서 발생하므로 Ni등을 첨가하여 安定한 오스테나이트 조직으로 하는 것이 좋다. Ni 12∼13% 첨가한 강은 가공경화 속도가 감소되므로 강한 冷間加公이 가능하다. 영하처리(sube zero teratment) 온도의 가공에 의해서 마텐자이트 조직이 많이 나타나므로 400℃정도로 가열하게 괴면 스트레인시효가 발생해서 인장강도, 항복점 등이 매우 增加한다. 18-8강의 탄소함량은 0.08∼0.2% 정도이며 절삭성을 개량하려면 S, P, Se등을 添加하고, 내산화성의 개량에는 Cr, Ni을 증가하거나 Si을 첨가한다. 또한 내산성의 개량은 Mo, Cu등을 첨가하고, 가공경화성 억제는 Ni량을 증가하며 가공 경화성 촉진은 Ni량을 저하시킨다.
溫度上昇에 따라 강도는 저하되지 않으며 내식성을 가지는 PH형(precipitation hardening type) 스테인리스강으로서 기지조직에 적당한 탄화물을 석출 분산시켜 材質을 강화한다. PH형 스테인리스강의 종류는 다음과 같다.
1050℃에서 용체화처리하여 오스테나이트 단상으로 한 후 공냉시켜 120℃ 이하에서 마텐자이트로 변태시키고 500∼550℃에서 30분간 시효처리한 강이다. Cr17%, Ni7%, Ti0.7%, C0.07%, Al0.2%, Si0.1%, Mn0.5%와 Fe이 合金된 것으로 인장강도 150kg/㎟, 연신율 10%, HB500 정도이다.
암코(Armco) 회사 제품으로 Cu를 강화제로 첨가하여 내식성, 강도가 높으므로 단조재, 구조재로 사용한다. 熱間加工性이 좋으므로 1180∼1210℃에서 단조하며 960℃ 이상에서 단조 후 공냉, 유냉하면 용체화 처리를 하지 않아도 된다. 실온까지 냉각하면 마텐자이트가 발생하므로 大型, 複雜型製品 등에는 단조 후 풀림처리하여 변형, 균열을 방지한다.
이 강에 Si 1∼2%를 첨가하면 유동성이 증가하고 강력한 내식 주물이 된다. Cr 16∼18%, Ni 4%, Cu 4%, C 0.05%, Cd 0.3%, Si 1%이하, Mn 1%이하 나머지 Fe의 조성을 가지며 인장강도 140kg/㎟, 연신율 10%, HRC42 정도이다.
경화제로 Al을 사용하며 마텐자이트 조직이 나타나지 않는 강으로 페라이트를 少量 함유한 오스테나이트 조직이므로 연하고 成形 加工性이 우수하다. 1030∼1050℃로 가열후 수냉 또는 공냉하는 용체화 처리를 하고 500℃에서 시효 처리한다. 석출경화는 오스테나이트 조직 중에 Ni, Al 화합물을 석출하고 Cr 17%, Ni 7%, Al 1.2%, C 0.07%, Si 1%이하, Mn 1%이하와 Fe의 합금이다.
마모에 강한 단조합금으로 밸브, 펌프, 기어등에 사용하며 1090℃에서 수냉하는 용체화 처리로 오스테나이트와 45%의 페라이트 조직으로 이루어진 강이다. 500℃에서 Be의 석출경화가 發生하며 입계부식을 방지하기 위하여 저탄소화 한다. Cr 19%, Ni 10%, Mo 3%, Be 1.5%, C 0.05%, Si 3%, Mn 0.6%와 Fe의 합금이다.
板, 선재 등에 사용되며, 高溫强度, 내식성, 성형성이 양호하므로 항공기 재료에도 쓰인다. 17-7PH와 같은 용체화처리, 냉간가공에 의해서 마텐자이트화 및 석출경화하여 높은 경도를 얻을 수 있다. Cr 15%, Ni 7%, Mo 2.3%, Al 1.2%, C 0.07%, Si 1%이하 Mn 1%이하와 Fe의 합금으로 인장강도 160kg/㎟, 연신율 5%를 나타낸다.
내식성과 강도 이외에 透磁率이 낮은 용도에 適合하여 1140℃에서 열간 가공한 후 1120℃에서 수냉하여 오스테나이트화하고 700℃에서 탄화물, 인화물이 석출한다. Cr 17%, Ni 10%, P 0.25%, C 0.12%, Si 0.4%, Mn 0.6%의 Fe합금으로 인장강도 100kg/㎟, HRC30정도이다.
1120℃에서 용체화 처리하여 오스테나이트와 페라이트의 2상 組織으로 되고 480℃에서 8시간 가열하여 페라이트 중에 σ상을 석출시켜 경화한다. 마모를 수반한 부식과 진동에 강하다. Cr 20%, Ni 9%, Mo 4%, Cu 3%, C 0.04%, Si 3%, Mn 1%의 Fe合金이다.
고 Ni의 초고장력강이며 140∼210kg/㎟의 인장강도와 높은 인성을 가진다. 경화방법은 PH형과 같으며 용체화 처리로 마텐자이트 중에 合金元素를 고용시키고 400∼500℃에서 시효 경화한다. Ti과 Al이 강화작용하며 17-7 PH와 비슷한 熱處理를 한다. Ni 12∼25%이며 Cr, Co, Mo, Ti, Al, Nb 등의 원소와 함유되었다.
그림 4·31 18-8강의 가열에 의한 입계부식도 그림 4·32 18-8강의 입계부식 조직
耐熱鋼은 ① 고온에서 O2, H2, N2, So2 등에 침식되지 않고 탈탄, 질화되어도 변질되지 않도록 化學的으로 안정하며 ② 고온에서 기계적 성질이 우수하고 조직이 안정되어 온도 급변에도 내구성을 유지하며 ③ 반복응력에 대한 피로강도가 크며 냉간, 열간가공 및 용접, 단조 등이 쉬울 것 등의 구비조건을 갖추어야 한다.
고온 변형 시험으로는 크리프(creep)시험과 럽취(rupture) 시험법이 利用된다. 내열성을 증가시키려면 Cr을 첨가하며 Si, Al, Ni, Mo, W, V, Ti 등은 내열강도를 증가시키기 위해서 添加한다. Cr은 고온산화를 방지하며 Al2O3, SiO2 등도 내열성을 향상시킨다. Ni-Cr강은 Co를 첨가하여 700∼800℃의 내열강도를 增加시킨다. 초내열강은 초합금(super alloy)이라하며 900℃ 이상에서 장시간 사용하기 위해 서멧(cermet)을 피복시킨다. Cr계 내열강은 페라이트 조직이며 Ni, Mn등을 첨가하면 오스테나이트 조직이 된다.
서멧은 내열성이 있는 安定함 化合物과 금속의 조합에 의해서, 고온도의 화학적 부식에 견디며 비중이 작으므로 고속회전하는 機械部品으로 사용할 때 원심력을 감소시킨다. 초내열 합금의 종류는 <표 4·32>와 같다.
팀켄 16-25-6, 19-9DL 등의 초내열합금은 오스테나이트계로서 1250℃에서 용체화 처리 후 석출경화를 일으키는 600∼750℃에서 20%의 소성가공을 하며 고온크리프성을 向上시킨다. Mn 1%, C 0.4%와 Fe 합금으로 오스테나이트 조직이며 고온강도, 내식성 등이 우수하고 내충격성도 높다. 또 960℃에서 유냉하여 탄화물을 오스테나이트 조직중에 均一하게 분포시켜 사용한다.
표 4·22 초내열합금의 종류와 성분
|
급별 |
합급명 |
C (%) |
Mn (%) |
Cr (%) |
Ni (%) |
Co (%) |
Mo (%) |
W (%) |
Cb (%) |
Fe (%) |
|
A A B B C C - |
19-9DL 팀켄 16-25-6 N-155 S-495 하스텔로이"B" 비타리윰 인코넬"X" |
0.25 0.10 0.36 0.4∼0.5 0.05 0.22 0.05 |
0.50 1.35 1.54 <1.0 0.59 0.66 0.60 |
19.00 16.72 21.00 14.00 - 27.42 15 |
9.00 25.30 20.8 20.0 65.10 2.84 73 |
0.2Ti - 20.55 - - 62.20 F=1.0 |
1.25 6.25 3.0 4.0 2.86 5.5 - |
1.20 - 2.18 4.5 - - - |
0.3 - 0.98 4.0 - - 1 |
잔 〃 〃 〃 4.71 0.70
|
내열합금 KS기호는 STR로 나타내며 저합금 내열강으로는 Mo강, Cr-Mo강, Mo-V강, Cr-Mo-Ni강, Cr-Mo-Ni강, Cr-Mo-V강, Cr-Mo-W-V강 등이 있다. 스테인리스강으로서 내열재로는 H46, Rex448, HGT4, TAF 등의 마텐자이트계와 Cr-Ni-W강, Cr-Ni강, Cr-Ni-Si강 등 오스테나이트계가 있다. 기타 내열합금으로는 인코넬(inconel), 인칼로이(incaloy), 레프랙토리(refractory), 디스칼로이(discaloy), 우디멧(udimet) 및 하스텔로이(hastekkoy) 등이 있으며 새로운 超合金이 계속·개발되고 있다.
溫度變化에 따라 열팽창계수, 탄성계수 등이 변하지 않는 것으로 그 종류는 다음과 같다.
(1) 인바(invar)
Ni 35∼36%, C 0.1∼0.3%, Mn 0.4%와 Fe의 合金으로 열팽창계수가 1.2×10-6(20℃에서)이며 내식성도 크다. 바이메탈 시계전자, 줄자, 계측기의 부품 등에 사용한다.
(2) 슈퍼인바(superinvar)
Ni 30.5∼32.5%, Co 4∼6%와 Fe의 合金으로 열팽창 계수는 0.1×10-6(20℃에서)이다.
(3) 엘린바(elinvar)
Fe 52%, Ni 36%, Cr 12% 또는 Ni 10∼16%, Cr 10∼11%, Co 26∼58%와 Fe의 합금이며 열팽창계수가 8×10-6, 온도계수 1.2×10-6 정도로 고급시계, 정밀저울 등의 스프링 및 정밀기계부품에 사용한다.
(4) 코엘린바(Coelinvar)
Cr 10∼11%, Co 26∼58%, Ni 10∼16%와 Fe의 합금으로 온도변화에 대한 탄성률의 변화, 극히 적고 공기중이나 수중에서 부식되지 않는다. 스프링, 태엽, 기상관측용 기구의 부품에 사용된다.
(5) 플라티나이트(platinite)
Ni 40∼50%와 Fe의 합금으로 열팽창계수가 5∼910-6이며 전구의 도입선으로 사용된다. 또한 코버트(kovert), 페르니코(fernico) 등도 이 종류의 합금이다.