철계 합금의 종류와 철계합금의 마르에이징 및 강도조절과 템퍼링 열처리

철계 합금은 구조용 금속으로서 널리 사용되고 있는 주철과 강이 포함되게 됩니다.

이러한 철과 강은 특성에 따라 여러 종류로 나뉘게 되는데, 미량의 합금 원소를 이용한 추가 합금은 입자 미세화, 석출 또는 고용체 효과 등으로 강화 효과를 보게 됩니다.

철과 강의 종류를 이야기 해보도록 하겠습니다.

그 전에 철-탄소의 상태도를 보도록 하시지요.

위의 상태도는 굉장히 필수적으로 눈에 익어야 할 상태도입니다.

철과 탄소의 함량, 온도에 따른 상의 모습을 볼 수가 있습니다.

상태도를 읽는 방법에 대해서는 블로그의 상평형도 분석 카테고리에서 포스팅 하였습니다.

 

먼저 주철은 2% 이상의 탄소와 1~3% 의 Si를 포함한 철을 의미합니다.

회주철은 박편 형태의 흑연을 함유하여 인장 응력에 의해 균열을 쉽게 야기합니다. 박편은 떨어져나간 조각 같은 느낌입니다. 각질 조각들 같은 느낌으로 흑연이 함유되어 흑연에 의해 색이 회색이므로 회주철 입니다. 회주철의 단면을 확대한 것을 생각해보면,

위의 그림같을 것입니다.

연성 주철은 구상 형태를 띄는 흑연이 존재하는 것입니다. 구상형태의 흑연이 있으므로 구상주철이라고도 합니다. 연성주철이라는 이름에 맞게 연성을 띕니다. 연성주철의 단면을 확대한 것을 생각하면,

위의 그림과 같을 것입니다.

백추철은 용융상태에서 급냉하여 얻는 주철로 과잉 탄소는 시멘타이트 형태로 나오게 됩니다.

위의 그림에서 생각해 보면, 급냉을 통해 탄소함량이 2%이상이므로 시멘타이트 형태의 탄소가 나오게 되는 것입니다.

가단추철은 백주철을 열처리를 통해 연성 주철과 유사하게 만든 주철입니다.

 

탄소강은 1%이하의 탄소를 함유한 철을 의미합니다. 탄소의 함량에 따라 저,중,고탄소강으로 나뉘며 탄소 함량이 높은 경우에는 퀜칭과 템퍼링을 통해 강도를 상당히 증가시킬 수 있습니다. (마르텐사이트 형성, 석출경화 효과) 이는 마르텐사이트가 많을 경우 높은 강도를 가지게 되지만, 연성이 하락하므로 템퍼링으로 강도를 약간 낮추면서 연성을 적당히 맞추는 것입니다.

소량의 원치않는 불순물도 함유하고 있습니다.

0.3~0.6%의 탄소를 함유할경우 중탄소강,

0.7~1%의 탄소를 함유할 경우 고탄소강이라고 하고, 

탄소가 많아지면 많아질 수록 강도가 높아질 것입니다.

 

저합금강은 물성개선이나 공정에 대한 반응성을 위해서 5% 이내의 합금 성분을 첨가한 강을 의미합니다. 황을 넣으면 가공성이 개선되고 몰리브데늄이나 바나듐을 넣으면 입자가 미세화 됩니다.

고강도 저합금강은 낮은 탄소함량과 페라이트-펄라이트 미세조직을 가져서 고강도를 보입니다.

 

스테인레스 강은 크롬과 니켈의 함량에 따라 마르텐사이트, 페라이트, 오스테나이트계로 나뉘며 내부식성이 강하며 연성과 인성이 좋습니다. 석출경화형 스테인리스강은 내부식성과 내열성이 요구되는 고강도용 재료로 사용됩니다.

스테인레스 강은 최소 10%이상의 크롬을 함유하며 우수한 내부식성을 가집니다.

마르텐사이트계 스테인레스강은 15%이하의 크롬을 함유하며 공구류로 사용합니다.

페라이트계스테인레스강은 17~25%의 크롬 함유로 내부식성이 요구되는 건축 및 장식용 용도 제품에 사용됩니다.

오스테나이트계스테인레스강은 10~20%니켈과 17~25%의 크롬 함유로 뛰어난 연성과 인성을 나타냅니다.(오스테나이트상을 가지면 연성과 인성이 좋습니다)

석출경화형스테인레스강은 석출경화된 강종으로 내부식성과 내열성이 요구되는 고강도용 용도에 적용됩니다.

 

공구강은 특수한 합금과 제조공정으로 높은 경도와 내마모성을 가진 강종으로 주로 절삭공구가 기계부품 제조에 사용됩니다. 이름 그대로 공구로 사용되는 강을 의미하지요. 

 

마르에이징 강 은 이름 그대로 마르텐사이트 경화와 에이징을 통한 석출경화를 통해 높은 강도와 인성을 가진 강을 의미합니다.

 

이러한 철과 강의 명칭은 미국 철강협회 (AISI), 자동차기술자협회 (SAE) 등의 기관에서 다양한 철과 강에서 요구되는 화학 조성과 기계적 성질등을 나타내기 위해서 특정 기준을 정하는데,

명칭은 4자리 숫자로 표현하며, 앞의 2자리는 탄소이외의 합금함량을, 뒤의 두자리는 탄소함량을 소수점 두자리 %로 표시하게 됩니다. 또한 UNS시스템은 영문자와 5자리 숫자를 사용하여 표기하게 되는데, 앞의 영문자는 합금 분류를 표시하며 주철은 F ,  탄소및 저합금강은 G ,  특수목적강은 K , 스테인레스강은 S, 공구강은 T로 표현합니다.

외울때는 주철은 철 F라고 생각하며 스테인레스는 S 공구는 tool 이므로 쉽게 T로 외울 수 있습니다 특수목적강 K와 탄소및 저합금강 G는 그냥 외워볼 수 있습니다.

이제 그 예시를 보겠습니다 니켈계의 강에서 46XX는 Ni 0.85또는 1.82, Mo0.25가 함유된 강으로 정의되어 있습니다. (외우기는 불가능) 이렇듯 앞 두자리는 탄소이외의 합금함량에 따라 정해진 숫자가 있고, 뒤에 0.45%의 탄소가 있다면 4645라고 표시할 수 있겠습니다 예를들어 1%의 탄소가 있다면 46100으로 표시할 수 있겠습니다.

 

이러한 강들에서, 템퍼링은 열처리를 통해 인성과 연성을 살짝 높여 사용하기 좋게 만들어 놓는 것이고, (너무 취성이면 곤란하므로) 이때 강도는 살짝 하락합니다. 대신 마르에이징 효과를 주어서 강도를 높이며 템퍼링을 통해 적당히 맞추는 공정이 이루어지는 것입니다. 퀜칭은 가열을 한뒤 급랭을 하여 경도를 높이는 것입니다. (물 등에 담궈서)

 

비철금속의 경우 강과 달리 마르텐사이트를 얻을 수 없기 때문에 강화의 방법을 다른 방법을 사용해야 합니다.

이 경우 석출경화나 냉간가공, 합금첨가 등을 통해 고강도를 얻을 수 있습니다.

 

알루미늄을 첨가한 것을 알루미늄합금이라고 하며 4자리 숫자로 명시하며  첫 숫자는 주요 합금원소, 그뒤의 숫자는 합금내역을 나타냅니다. 

티타늄을 첨가한 것을 티타늄 합금이라고 하며 밀도는 알루미늄보다 크지만 강의 60%수준이고, 용융 온도가 강보다 높고 고온 물성이 탁월합니다. 고용체강화를 사용한 것을 \(\alph\)합금, 복잡한 다상 및 석출경화를 사용한 것을

\(\beta\)합금 혹은 \(\alpha+\beta\)합금이라고 합니다.

구리 합금은 전기 전도성, 내부식성이 좋고, 성형하기 쉽습니다.

마그네슘 합금은 낮은 밀도로 가볍습니다. 하지만 부식특성이나 강도가 낮습니다.

초합금은 550도 이상에서 사용하는 특수 내열합금으로, 주요 합금원소는 니켈과 코발트 원소입니다. 우수한 고온강도와 크리프 특성을 나타냅니다.