탄소강 및 합금강
탄소강
(1) 탄소강의 분류
1) 탄소강은 용도에 따라 탄소 구조용 강재와 탄소 공구강의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.
탄소 구조용 강재는 다양한 엔지니어링 구조물 및 기계 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 엔지니어링 구조물에 사용되는 탄소강은 일반적으로 용접성이 우수하고 열처리를 하지 않는 저탄소강으로 열간 압연 상태 그대로 사용됩니다.
기계 부품용 탄소강은 일반적으로 탄소 함량이 0.6% 미만이며 기계적 특성이 우수하여 사용 전에 열처리가 필요합니다.
탄소공구강은 다양한 절삭 공구, 측정 공구, 금형 등을 만드는 데 사용됩니다. 탄소 함량이 높고 적절한 열처리를 거치면 높은 강도, 경도 및 내마모성을 나타냅니다.
2) 탄소 함량에 따라 탄소강은 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다:
- 저탄소 강철: C<0.25%;
- 중탄소강: C=0.25% ~ 0.60%;
- 고탄소강: C>0.60%.
3) 탄소강은 유황(S)과 인(P)의 품질 비율에 따라 4가지 등급으로 분류할 수 있습니다:
- 일반 강철: S≤0.050%, P≤0.045%;
- 고품질 강철: S≤0.035%, P≤0.035%;
- 고급 품질의 강철: S≤0.020%, P≤0.030%;
- 프리미엄 품질의 강철: S≤0.015%, P≤0.025%.
4) 제련 방법에 따른 분류.
제련에 사용되는 용광로 유형에 따라 탄소강은 화로강, 컨버터강, 전기로강으로 나눌 수 있습니다. 제련 중 탈산 공정에 따라 탄소강은 킬드강, 세미 킬드강, 림강, 특수 킬드강으로 분류할 수도 있습니다.
탄소강 등급, 특성 및 응용 분야
1) 일반 탄소 구조용 강재. 탄소 구조용 강재라고도 하며, 등급은 항복 강도(Q)를 나타내는 문자, 항복 강도의 수치, 품질 등급 기호, 탈산법 기호 순으로 구성되며, 예를 들어 Q235AF와 같은 순서로 표시됩니다. 일반 탄소 구조용 강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도에 대한 예는 표 1-5에서 확인할 수 있습니다.
2) 고급 탄소 구조용 강재. 고급 탄소 구조용 강재의 등급은 두 자리 숫자로 표시되며, 이는 강재의 평균 탄소 함량을 백분율로 1만 분의 1로 나타낸 수치입니다.
예를 들어, 강철 45는 평균 탄소 함량이 0.45%인 고급 탄소 구조용 강철을 나타냅니다. 고급 탄소 구조용 강재의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도에 대한 예는 표 1-6에서 확인할 수 있습니다.
표 1-5: 일반 탄소 구조용 강철의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 적용 사례
| 등급 | 레벨 | 화학 성분(%)은 다음보다 크지 않아야 합니다. | 탈산 방법 | 기계적 특성 | 사용 예 | ||||||
| Wc | WMn | Wsi | Ws | Wp | σs/MPa | σb/MPa | δ5 (%) | ||||
| Q195 | -- | 0.12 | 0.5 | 0.3 | 0.040 | 0.035 | F, Z | 195 | 315~430 | 33 | 작은 하중을 견디는 구조 부품(리벳, 와셔, 앵커 볼트, 코터 핀, 타이로드, 나사산 철근 등), 스탬핑 및 용접 부품 |
| Q215 | A | 0.15 | 1.2 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F, Z | 215 | 335~450 | 31 | |
| B | 0.045 | ||||||||||
| Q235 | A | 0.22 | 1.4 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F, Z | 235 | 370~500 | 26 | 박판, 프로파일, 볼트, 너트, 리벳, 타이로드, 기어, 샤프트, 커넥팅로드 등, Q235C, Q235D는 중요한 용접 구조 부품으로 사용할 수 있습니다. |
| B | 0.20 | 0.045 | |||||||||
| C | 0.17 | 0.040 | 0.040 | Z | |||||||
| D | 0.035 | 0.035 | TZ | ||||||||
| Q275 | A | 0.24 | 1.5 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F, Z | 275 | 410~540 | 22 | 열쇠, 체인, 타이로드, 회전축 등 중간 하중을 견디는 부품, 스프로킷볼트 및 나사산 철근 등입니다. |
| B | 0.21 | 0.045 | Z | ||||||||
| C | 0.2 | 0.040 | 0.040 | Z | |||||||
| D | 0.035 | 0.035 | TZ | ||||||||
참고:
1. 표의 기호: A, B, C, D는 품질 등급을 나타내고, F는 끓는강을, Z는 킬드강을, TZ는 특수 킬드강을 나타냅니다.
2. δ₅는 인장 시편의 게이지 길이가 직경의 5배, 즉 L임을 나타냅니다. 0 =5d0 .
표 1-6: 고품질 탄소 구조용 강철의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 적용 사례
| 등급 | 화학 성분(%) | 기계적 특성(이상) | 사용 예 | |||||||
| Wc | WSi | WMn | σb/MPa | σs/MPa | δ(%) | ψ(%) | HBW (열간 압연) | dK (J/m²) | ||
| 08 10 | 0.05~0.11 0.07~0.13 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.35~0.65 0.35~0.65 | 325 335 | 195 205 | 33 31 | 60 55 | 131 137 | 다양한 형태의 스탬핑, 타이로드, 개스킷 등 | |
| 20 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.35~0.65 | 410 | 245 | 25 | 55 | 156 | 타이로드, 리프팅 링, 후크 등 | |
| 35 | 0.32~0.39 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | 530 | 315 | 20 | 45 | 197 | 샤프트, 볼트, 너트 등 | |
| 40 45 | 0.39~0.44 0.42~0.50 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.50~0.80 0.50~0.80 | 570 600 | 335 355 | 19 16 | 45 40 | 217 229 | 6×105 5×105 | 기어, 크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 커플링, 샤프트 등 |
| 60 65 | 0.57~0.65 0.62~0.70 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.50~0.80 0.50~0.80 | 675 710 | 400 420 | 12 10 | 35 30 | 255 255 | 스프링, 스프링 와셔 등 | |
3) 탄소 공구강.
탄소 공구강의 등급은 문자 T와 숫자로 표시됩니다. 문자 T는 탄소 공구강을 의미하며, 숫자는 강재의 평균 탄소 함량을 천분의 1로 표시합니다.
예를 들어, T10은 평균 탄소 함량이 1.0%인 탄소 공구강을 나타냅니다. 고급 프리미엄 탄소 공구강은 T10A와 같이 등급 번호 뒤에 "A"가 붙습니다. 탄소 공구강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도에 대한 자세한 내용은 표 1-7을 참조하세요.
표 1-7: 탄소 공구강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 응용 분야
| 등급 | 화학 성분 (%) | 열처리 가열 온도/°C | 경도 HRC | 사용 예 | |||||
| Wc | WSi | WMn | WS | WP | 담금질 | 템퍼링 | |||
| T7 | 0.65~0.74 | ≤0.40 | 800~820 (물 냉각) | 180~200 | 60~62 | 해머헤드, 톱, 드릴 비트, 끌 등 | |||
| T8 | 0.75~0.84 | ≤0.40 | 780~800 (물 냉각) | 180~200 | 60~62 | 펀치, 목공 도구 등 | |||
| T10 T10A | 0.95~1.04 | ≤0.35 | ≤0.40 | <0.03 | <0.035 | 760~780 (물 냉각) | 180~200 | 60~62 | 탭, 다이, 톱날, 대패날, 작은 펀치 등이 있습니다. |
| T13 T13A | 1.25~1.35 | ≤0.40 | 760~780 (물 담금질) | 180~200 | 60~62 | 파일, 측정 도구, 스크레이퍼 등 | |||
합금강
탄소강의 고급 형태인 합금강은 특정 합금 원소를 첨가하여 활용도와 가공성을 향상시킵니다.
일반적으로 첨가되는 합금 원소에는 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 티타늄, 붕소 및 희토류 원소가 포함됩니다. 이러한 원소는 강철의 전반적인 기계적 특성, 경화성, 열 안정성 및 내식성을 향상시킬 수 있습니다.
(1) 강철에서 합금 원소의 역할
1) 고용체 강화: 대부분의 합금 원소는 페라이트에 다양한 정도로 용해되어 강철의 강도와 경도를 높이는 동시에 가소성과 인성을 감소시킬 수 있습니다.
Mn, Cr, Ni와 같은 일부 합금 원소는 적절한 비율로 배합하면 페라이트를 강화할 뿐만 아니라 강철의 인성을 향상시켜 전반적인 기계적 특성이 우수해집니다.
2) 이차 상 강화: 합금 원소와 탄소의 친화력이 철과 탄소의 친화력보다 크면 페라이트에 용해 될뿐만 아니라 합금 탄화물과 탄화물을 형성 할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 모두 강도와 안정성이 높기 때문에 강철의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시킵니다.
3) 입자 정제 강화: 강한 탄화물을 형성하는 V, Ti, Nb, Zr 및 강한 질화물을 형성하는 Al과 같은 원소는 안정적인 탄화물 및 질화물 입자를 생성할 수 있습니다. 이러한 입자는 오스테나이트 입자의 성장을 억제하고 페라이트 입자를 정제합니다. 미세 입자 강철은 특히 강철의 인성을 크게 향상시키는 데 있어 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다.
4) 강철의 경화성 증가: Co를 제외한 오스테나이트에 용해되는 모든 합금 원소는 과냉각 오스테나이트의 안정성을 증가시켜 등온 변환 곡선을 오른쪽으로 이동시키고 강철의 임계 냉각 속도를 감소시킬 수 있습니다.
따라서 동일한 담금질 매체에서 냉각할 때 더 큰 경화 층 깊이를 얻을 수 있으며, 동일한 경화 층 깊이를 원하는 경우 냉각 용량이 낮은 담금질을 사용하여 공작물의 담금질 응력을 줄여 변형과 균열을 최소화할 수 있습니다.
5) 강철의 내열성 향상: 합금 원소는 강철의 템퍼링 공정에 큰 영향을 미칩니다.
일반적으로 합금 원소는 템퍼링 중에 마르텐사이트가 분해되기 쉽고 탄화물 성장을 방해하며 이러한 변형이 발생하는 온도를 높입니다. 이로 인해 강철 경도 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 내열성이 향상됩니다.
6) 강철에 특정 특수한 성질을 부여합니다: 강철에 특정 합금 원소를 일정량 첨가하면 강철의 구조와 특성이 고유하게 변화하여 스테인리스강, 내열강, 내마모강과 같은 특수한 특성을 가진 합금강이 탄생합니다.
(2) 합금강의 종류
합금강은 용도에 따라 구조용 합금강, 공구용 합금강, 특수 성능강으로 분류할 수 있습니다. 합금강은 합금 원소의 함량에 따라 저합금강(wM<5%), 중간 합금강(wM=5%~10%), 고합금강(wM>10%).
(3) 구조용 합금강의 명칭, 기계적 특성 및 응용 분야
구조용 합금강에는 엔지니어링 구조물 및 기계 제조용 강재가 포함됩니다. 구조용 합금강의 명칭은 일반적으로 평균 탄소 질량 분율(1만 분의 1로 표시) + 합금 원소의 기호 + 합금 원소의 질량 분율(백분율로 표시)로 구성되지만 예외도 있습니다.
일반적으로 사용되는 구조용 합금강의 명칭, 기계적 특성 및 용도의 예는 표 1-8에서 확인할 수 있습니다.
표 1-8: 일반적으로 사용되는 구조용 합금강의 명칭, 기계적 특성 및 용도의 예
| 철강 카테고리 | 등급 | 열처리 온도/°C | 기계적 특성 | 사용 예 | |||
| 담금질 | 템퍼링 | σb／MPa | σs／MPa | δ5（％） | |||
| 저합금 고강도 구조용 강재 | Q345 Q390 | - | - | 510~660 530~680 | 345 390 | 22 20 | 교량, 선박, 압력 용기 등 |
| 합금 침탄강 | 20Cr 20CrMnTi | 880(물, 오일) 860(오일) | 200 200 | 834 1079 | 539 834 | 10 10 | 기어, 피스톤 핀, 자동차(트랙터) 변속기 기어 등 |
| 합금 담금질 및 강화 강철 | 40Cr 35CrMo | 850 (오일) 850 (오일) | 500 550 | 1000 1000 | 800 850 | 9 12 | 공작 기계 스핀들, 크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 기어 등 |
| 합금 스프링 스틸 | 60Si2Mn 50CrVA | 850 (오일) 850 (오일) | 480 500 | 981 1274 | 785 1127 | 5(δ10) 10(δ10) | 자동차(트랙터)의 리프 스프링, 코일 스프링 등 |
1) 저합금 고강도 구조용 강재. 이 유형의 강재는 저탄소강에 소량의 합금 원소(wM <5%)를 첨가하여 만든 강재입니다. 일반적으로 엔지니어링 구조물에 사용되며 상대적으로 낮은 강도를 유지하지만 가소성, 인성 및 용접성이 우수합니다. 가격이 저렴하고 일반적으로 열간 압연 상태로 사용되며, 강도를 높이기 위해 필요한 경우 정규화 처리를 거칩니다.
저합금 고강도 구조용 강재는 주로 교량, 선박, 보일러, 고압 용기, 송유관 및 대형 철골 구조물 제조에 사용됩니다.
2) 합금 침탄강. 합금 침탄강은 침탄 처리 후 사용되는 합금강을 말합니다. 이 유형의 강철은 탄소 질량 비율이 낮아(0.15%~0.25%) 공작물의 코어가 높은 강도와 인성을 가지며, 침탄 및 저온 템퍼링 후 표면은 높은 경도(58~64HRC)와 내마모성을 나타냅니다.
합금 침탄강은 주로 자동차 및 트랙터 변속기의 기어, 내연 기관의 캠샤프트 등 높은 내마모성과 동적 하중 지지가 필요한 부품의 제조에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 합금 카부라이즈강에는 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi 등이 있습니다.
3) 합금 강화 강철. 이 유형의 강철은 일반적으로 탄소 함량이 0.25%~0.45%입니다. 담금질 및 고온 템퍼링(강화) 후 강화 소르바이트 구조를 형성하여 강철에 고강도와 인성의 좋은 조합을 제공합니다.
주로 자동차 및 트랙터의 커넥팅로드, 변속기 샤프트, 공작 기계 스핀들, 기어, 캠 등과 같이 상당한 교번 하중과 다양하고 복잡한 응력을 견디는 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 합금 강화강에는 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo 등이 있습니다.
4) 합금 스프링 스틸. 합금 스프링 강은 다양한 스프링 및 탄성 부품 제조에 사용되는 합금강의 종류를 말합니다. 이 유형의 강철은 일반적으로 0.50%-0.65%의 탄소 질량 분율을 가지며 Mn, Si, Cr 및 V와 같은 합금 원소를 포함합니다.
담금질 및 중온 템퍼링 후 강화된 트루스타이트 구조를 형성하여 높은 탄성 한계와 항복 강도를 나타냅니다. 일반적으로 사용되는 합금 스프링강으로는 65Mn 및 50CrV 등이 있습니다.
(4) 합금 공구강의 등급, 기계적 특성 및 응용 분야
절삭 공구강, 금형강, 측정 공구강을 포함하는 합금 공구강은 탄소 공구강에 합금 원소를 첨가하여 형성됩니다. 합금 공구강의 등급은 일반적으로 강철의 평균 탄소 질량 비율(퍼밀리지로 표시) + 합금 원소 기호 + 합금 원소 함량으로 구성됩니다.
탄소 질량 비율이 1.0%를 초과하는 경우 등급에 표시되지 않습니다. 일반적으로 사용되는 합금 공구강의 등급, 열처리 상태 및 용도에 대한 예는 표 1-9를 참조하세요.
1) 합금 절삭 공구강. 합금 절삭 공구강은 선반 공구, 밀링 커터, 드릴 비트, 탭, 다이 등과 같은 다양한 절삭 공구를 제조하는 데 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 합금 절삭 공구강에는 저합금 절삭 공구강과 고속 공구강이 있습니다.
저합금 절삭 공구강은 일반적으로 탄소 질량 분율(wC) 0.75% ~ 1.45%입니다. 열처리 공정에는 담금질과 저온 템퍼링이 포함됩니다. 이 유형의 강철의 최대 작동 온도는 300°C를 초과하지 않습니다.
저속 절삭 공구 또는 대패, 탭, 다이, 드릴 비트 등과 같이 내마모성이 높은 공구를 제조하는 데만 사용됩니다. 저합금 절삭 공구강의 일반적인 등급에는 9SiCr, CrWMn 등이 있습니다.
고속 공구강은 고탄소 고합금강의 일종으로 탄소 질량 분율(wC) 0.7% ~ 1.6%이며 다량의 W, Cr, Mo, V 및 기타 합금 원소를 함유하고 있습니다. 고속 공구강의 열처리에는 담금질에 이어 여러 번의 고온 템퍼링이 포함되어 강화 마르텐사이트 + 카바이드 구조가 생성됩니다.
일반 템퍼링 후 경도는 일반적으로 63~66HRC로 우수한 내열성을 보여줍니다. 고속 공구강으로 만든 공구는 600°C의 절삭 온도에서도 약 60HRC의 높은 경도를 유지하므로 고속 절삭에 적합합니다. 일반적인 등급으로는 W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2 등이 있습니다.
표 1-9: 일반적인 합금 공구강 재종, 열처리 조건 및 응용 분야 예시
| 강철의 종류 | 성적 | 열처리 및 경도 | 사용 예 | |||
| 담금질 | 템퍼링 | |||||
| 가열 온도 / ℃ | 경도 HRC | 가열 온도 / ℃ | 경도 HRC | |||
| 저합금 공구강 | 9SiCr CrWMn | 860~880(오일 담금질) 820~840(오일 담금질) | ≥62 ≥62 | 150~200 140~160 | 60~62 62~65 | 탭, 다이, 리머 등 |
| 고속 공구강 | W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 | 1280(오일 담금질) 1220(오일 담금질) | 60~65 ≥64 | 560 560 | 63~66 64~66 | 밀링 커터, 선삭 공구, 드릴 비트, 대패 등 |
| 핫워크 다이 스틸 | 5CrNiMo 3Cr2W8V | 830~860(오일 담금질) 1050~1100(오일 담금질) | ≥47 >50 | 530~550 560~580 | 30~47 45~48 | 대형 단조 금형, 핫 프레스 다이, 핫 전단 블레이드, 다이 캐스팅 다이 등 |
| 냉간 가공 다이 스틸 | Cr12 Cr12MoV | 950~1000(오일 담금질) 1020~1040(오일 담금질) | 62~65 62~63 | 180~220 160~180 | 60~62 61~62 | 감기 펀칭 다이, 트리밍 다이, 와이어 드로잉 다이, 테두리 다이, 비즈 다이 등 |
2) 합금 다이 스틸. 합금 금형강은 열간 가공 금형강과 냉간 가공 금형강으로 나뉩니다.
열간 단조 금형강은 각종 열간 단조 금형, 열간 압출 금형, 다이캐스팅 금형 등을 제조하는 데 사용되며 작업 중 캐비티 표면 온도가 600℃ 이상이고 냉간 금형강은 각종 냉간 펀칭 금형, 냉간 헤딩 금형, 냉간 압출 금형, 와이어 드로잉 금형 등을 제조하는 데 사용되며 작동 온도가 300℃를 넘지 않습니다.
냉간 가공 금형강의 탄소 질량 비율은 다음과 같습니다.c ≥1.0% 이상 및 첨가된 합금 원소는 매트릭스를 강화하고 탄화물을 형성하며 강철의 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있습니다. 담금질 및 저온 템퍼링 후 냉간 가공 금형강은 강화된 마르텐사이트 및 입상 탄화물 구조를 얻습니다. 일반적으로 사용되는 냉간 가공 금형강에는 Cr12, Cr12MoV 등이 있습니다.
열간 가공 다이강의 탄소 질량 분율은 일반적으로 0.3%~0.6%이며, 첨가된 합금 원소는 강철의 경화성, 내열성 및 열 피로 저항성을 향상시킬 수 있습니다.
담금질 및 고온 템퍼링 또는 중온 템퍼링 후 열간 가공 금형강은 강화 소르바이트 또는 강화 트루스타이트 구조를 얻습니다. 일반적으로 사용되는 열간 가공 금형강에는 5CrNiMo, 3Cr2W8V 등이 있습니다.
(5) 특수 성능 강재
특수 성능 강재란 고유한 사용 특성을 가진 강재를 말합니다. 특수 성능 강재에는 여러 종류가 있지만 이 섹션에서는 기계 산업에서 일반적으로 사용되는 스테인리스강, 내열강, 내마모강에 대해서만 소개합니다.
1) 스테인리스 스틸.
스테인리스 스틸은 대기 또는 부식성 매체에 저항할 수 있는 강철을 말합니다. 일반적인 유형으로는 12Cr13 마르텐사이트계 스테인리스강, 10Cr17 페라이트계 스테인리스강, 18-8 크롬-니켈 오스테나이트계 스테인리스강이 있습니다.
마르텐사이트계 스테인리스강은 높은 기계적 특성과 상대적으로 낮은 내식성을 요구하는 제품에 자주 사용되며, 페라이트계 스테인리스강은 질산, 질소 비료, 인산 산업 및 고온에서 산화 방지 재료로 널리 사용되며, 오스테나이트계 스테인리스강은 산업에서 가장 널리 사용되는 스테인리스강 유형이지만 입계 부식을 방지해야 합니다.
2) 내열성 강철.
내열강은 고온에서 높은 화학적 안정성과 열강도를 유지하는 강철을 말합니다. 화학적 안정성은 고온에서 다양한 화학적 부식에 견디는 강철의 능력을 말하며, 열강도는 고온에서 강철의 강도 성능을 말합니다.
일반적으로 사용되는 내열강에는 펄라이트 내열강, 마르텐사이트 내열강, 오스테나이트 내열강이 있습니다.
펄라이트계 내열강은 450~550°C의 온도에서 작동하며 주로 보일러 강관 등 전력 장치에서 부하가 적은 부품 제조에 사용되며, 마르텐사이트계 내열강은 550~600°C의 온도에서 작동하며 주로 터빈 블레이드, 디젤 엔진 배기 밸브 등의 제조에 사용되며, 오스테나이트계 내열강은 600~700°C의 온도에서 작동하며 850°C까지 올라갈 수 있으며 주로 제트 엔진 터빈 및 배기관 제조에 사용된다. 일반적인 내열강으로는 12Cr1MoV, 42Cr9Si2, 4Cr13Ni8Mn8MoVNb 등이 있습니다.
3) 내마모성 강철.
내마모성 강철은 일반적으로 충격 하중을 받아 충격 경화되는 고망간 강철을 말합니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다. c =1.0%-1.3%, w Mn =11%-14%. 주조된 후 열처리 후 완전히 오스테나이트 구조로 만들어져 인성과 내마모성이 우수합니다.
일반적인 고망간강에는 ZGMn13, ZGMn13Cr2 등이 있습니다. 고망간강은 굴삭기 버킷, 탱크 트랙 등과 같이 큰 충격이나 압력을 견디는 부품을 제조하는 데 널리 사용됩니다. 또한 고망간강은 추운 기후에서도 잘 부서지지 않아 추운 지역에서 사용하기에 적합합니다.
비철금속 및 합금
알루미늄 및 알루미늄 합금
순수 알루미늄은 은백색, 면 중심의 입방 결정 구조를 가지며 동소 변형이 없습니다. 낮은 융점(660℃), 낮은 밀도(2.7g/cm)가 특징입니다.3), 낮은 강도(σb=80MPa), 높은 가소성(ψ=80%), 우수한 전기 및 열 전도성.
따라서 순수 알루미늄은 하중을 견디는 구조물에는 적합하지 않습니다. 주로 전선, 케이블, 강도가 낮은 기구 및 다양한 알루미늄 합금을 제조하는 데 사용됩니다. 순수 알루미늄은 화학적으로 활성이며 표면에 견고하고 조밀한 산화막을 형성하는 경향이 있어 공기 및 담수에서 우수한 내식성을 제공합니다.
알루미늄 합금은 가공 특성에 따라 변형 알루미늄 합금과 주조 알루미늄 합금으로 나눌 수 있습니다. 그림 1-41은 알루미늄 합금의 분류도를 보여줍니다. 점 D의 왼쪽에 있는 합금은 가열 시 가소성이 좋은 단상 고체 용액으로 존재하며, 압력 가공에 적합합니다.
이를 변형 알루미늄 합금이라고 합니다. 점 D의 오른쪽에 있는 합금은 합금 원소의 질량 비율이 더 크고 공융 구조를 가지며 용융 온도가 낮고 유동성이 우수하여 주조에 적합합니다. 이러한 합금은 주조 알루미늄 합금.
변형 알루미늄 합금은 일반적으로 시트, 바, 튜브, 와이어, 프로파일 및 단조품과 같은 다양한 반제품으로 가공됩니다. 변형 알루미늄 합금 중 Al-Mg 및 Al-Mn 계열 합금은 대부분 단상 구조를 가지며 열처리로 강화할 수 없습니다. 내식성, 용접성, 가소성이 우수할 뿐만 아니라 저온 성능이 우수한 것이 특징입니다.
이러한 특성으로 인해 항공우주와 같은 분야에서 유망한 합금입니다. Al-Cu-Mg 및 Al-Cu-Mn 계열 합금은 노화 경화 능력이 강하고 강도가 높지만 내식성과 용접성이 떨어집니다. 주로 구조용 부품으로 사용됩니다. Al-Mg-Cu-Zn 계열 합금은 알루미늄 합금 중 실온 강도가 가장 높지만 고온에서 빠르게 연화되고 내식성이 떨어집니다.
주로 무거운 하중을 받는 중요한 구조물이나 부품에 사용됩니다. Al-Mg-Si-Cu 및 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 계열 합금은 열가소성, 주조성이 우수하고 기계적 특성이 비교적 높습니다. 주로 복잡한 항공우주 및 계기 부품에 사용되며 내열 합금으로도 사용할 수 있습니다.
Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu 및 Al-Cu-Mg-Fe-Ni 계열 알루미늄 합금은 모두 열처리로 강화할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 변형 알루미늄 합금의 예, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도는 표 1-10에 나와 있습니다.
표 1-10: 일반적으로 사용되는 변형 알루미늄 합금의 예(명칭, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도 포함)
| 카테고리 | 코드 | 화학 성분(%) | 열처리 이론 | 기계적 특성 | 애플리케이션의 예 | |||||
| WCu | WMg | WMn | WZn | σb/MPa | δ(%) | 경도 HBW | ||||
| 녹슬지 않는 알루미늄 합금 | 5A05 | 4.5~5.5 | 0.3~0.6 | M | 270 | 23 | 70 | 중간 하중 부품, 리벳 및 용접된 오일 탱크, 오일 파이프 등 | ||
| 3A21 | 1.0~1.6 | 130 | 23 | 30 | ||||||
| 단단한 알루미늄 합금 | 2A01 | 2.2~3.0 | 0.2~0.5 | CZ | 300 | 24 | 70 | 중간 강도 및 100°C 이하의 작동 온도 리벳 소재 | ||
| 2A11 | 3.8~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~0.8 | 420 | 18 | 100 | 프레임, 프로펠러 블레이드, 리벳 등과 같은 중간 강도 구조 부품 및 구성 요소. | |||
| 2A12 | 3.8~4.9 | 1.2~1.8 | 0.3~0.9 | 470 | 17 | 105 | 프레임, 빔 등과 같이 150°C 이하에서 작동하는 고강도 구성 요소 및 부품 | |||
| 초경량 알루미늄 합금 | 7A04 | 1.4~2.0 | 1.8~2.8 | 0.2~0.6 | 5~7 | CS | 600 | 12 | 150 | 항공기 빔, 트러스, 보강 프레임, 랜딩 기어 등과 같은 주요 하중 지지 구조물. |
| 단조 알루미늄 합금 | 2A50 | 1.8~2.6 | 0.4~0.8 | 0.4~0.8 | 420 | 13 | 105 | 복잡한 형상 및 중간 강도 단조품과 다이 단조품 등 | ||
| 2A70 | 1.9~2.7 | 1.4~1.8 | 440 | 12 | 120 | 고온에서 작동하는 복잡한 단조품 및 구조 부품, 내연기관 피스톤 등이 있습니다. | ||||
| 2A14 | 3.9~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~1.0 | 480 | 19 | 135 | 단순한 형상 및 고하중 단조품과 다이 단조품 등 | |||
참고: M-어닐링, CZ-퀜칭 + 자연 노화, CS-퀜칭 + 인공 노화.
구리 및 구리 합금
순수 구리의 밀도는 8.94g/cm³이고 녹는점은 1083℃입니다. 면 중심의 입방정 결정 구조를 가지며 동소성이 없습니다. 순수 구리는 전기 전도성, 열 전도성 및 내식성이 우수합니다. 순수 구리는 연성은 좋지만 강도와 경도가 낮아 구조용 재료로 직접 사용하기에는 부적합합니다.
전도성 및 열 전도성 재료, 부식 방지 장치를 제조하는 데 자주 사용되며 구리 합금을 만들기 위한 원료로도 사용할 수 있습니다. 순수 구리는 열처리를 통해 강화할 수 없습니다. 다양한 화학 성분에 따라 구리 합금은 황동, 청동, 백동의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
(1) 황동
아연을 주원소로 하는 구리 합금을 황동이라고 합니다. 화학 성분에 따라 황동은 단순 황동과 특수 황동으로 나눌 수 있습니다. 단순 황동은 구리와 아연의 이원 합금입니다. 아연의 질량 비율이 30%에서 32% 사이인 경우, 그 구조는 단상 황동으로 알려진 면 중심의 입방 α 고체 용액입니다.
이 유형의 황동은 단조성, 용접성 및 주석 도금 능력이 우수합니다. 아연의 질량 비율이 32%를 초과하는 경우(45% 이하), 그 구조는 α+β 이중 상 구조이며 이중 상 황동으로 알려져 있습니다.
이 황동은 고온 연성이 우수하여 열간 가공에 적합합니다. 일반 황동의 명칭은 "H+번호"로 구성되며, 여기서 H는 황동을 의미하고 번호는 구리의 질량 비율을 나타냅니다. 예를 들어, H80은 80% 구리와 20% 아연이 포함된 일반 황동입니다.
특수 황동은 구리-아연 합금에 다른 합금 원소를 첨가하여 형성됩니다. 아연 외에도 납, 알루미늄, 망간, 주석, 철, 니켈, 실리콘 등이 일반적인 합금 원소입니다. 이러한 합금 원소를 추가하면 황동의 강도, 내식성 및 내마모성이 향상됩니다.
특수 황동은 첨가되는 주요 합금 원소에 따라 납 황동, 알루미늄 황동, 망간 황동 등으로 나눌 수 있습니다. 특수 황동의 명칭은 "H+주 합금 원소 기호 + 구리의 질량 비율 + 주 합금 원소의 질량 비율"로 구성됩니다.
예를 들어, HPb59-1은 59% 구리와 1% 납의 질량 비율을 가진 특수 황동을 나타내며 나머지는 아연입니다. 일반적으로 사용되는 황동의 명칭, 화학적 조성, 기계적 특성 및 적용 사례는 표 1-11에 나와 있습니다.
(2) 브론즈
청동은 아연과 니켈을 제외한 주요 합금 원소가 포함된 구리 합금을 말합니다. 청동은 "Q+주 합금 원소 기호 + 주 합금 원소의 질량 분율"로 구성됩니다. 주조 청동인 경우 지정 앞에 "Z"가 추가됩니다. 청동은 일반 청동과 특수 청동으로 나눌 수 있습니다.
표 1-11: 일반적으로 사용되는 변형 알루미늄 합금의 대표 명칭, 화학적 조성, 기계적 특성 및 응용 분야 예시
| 카테고리 | 등급 | 화학 성분 (%) | 기계적 특성 | 적용 사례 | |||||||
| WCu | WPb | WSi | WAl | WMn | σb/MPa | δ(%) | 경도 HBW | ||||
| 일반 황동 | H90 | 88~91 | 320 | 52 | 53 | 코팅 및 장식 등 | |||||
| H68 | 67~70 | 660 | 3 | 150 | 카트리지 케이스, 콘덴서 튜브 등 | ||||||
| H62 | 60.5~63.5 | 600 | 3 | 164 | 와셔, 스프링, 나사 등 | ||||||
| 특수 황동 | 납 황동 | HPb59-1 | 57~60 | 0.8~1.9 | 650 | 16 | 140 | 핀, 나사 및 기타 스탬핑 또는 가공된 부품 | |||
| 알루미늄 황동 | HAl59-3-2 | 57~60 | 2.5~3.5 | 650 | 15 | 150 | 고강도, 화학적으로 안정적인 부품 | ||||
| 망간 황동 | HMn58-2 | 57~60 | 1.0~2.0 | 700 | 10 | 175 | 선박 및 약한 전기 사용용 부품 | ||||
일반 청동은 주석(Sn)을 주요 합금 원소로 하는 주석 청동을 말합니다. 주석의 질량 분율은 주석 청동의 성능을 결정하는 핵심 요소입니다. Sn 질량 분율이 5%~7%인 주석 청동은 가소성이 가장 우수하여 냉간 및 고온 변형 가공에 적합합니다. Sn 질량 분율이 10%를 초과하는 주석 청동은 강도는 높지만 가소성이 낮아 주조에만 적합합니다.
주석 청동은 대기, 해수 및 무기 염 용액에서는 우수한 내식성을 나타내지만 암모니아, 염산 및 황산에서는 내식성이 떨어집니다.
특수 청동은 Sn이 포함되지 않은 청동을 말합니다. 주요 합금 원소에 따라 알루미늄 청동, 베릴륨 청동, 실리콘 청동 등으로 나눌 수 있습니다. 알루미늄 청동은 알루미늄 질량 분율이 5%~10%로 화학적 안정성이 높고 내식성 및 내마모성이 우수하며 강도와 가소성이 높고 가공성이 좋습니다.
주로 바닷물이나 고온에서 작동하는 고강도 내마모성 부품에 사용됩니다. 베릴륨 청동의 베릴륨 질량 분율은 1.7% ~ 2.5%입니다. 용액 강화 및 시효 경화가 가능하며 높은 강도, 내마모성, 내식성, 전기 및 열 전도성을 지니고 있습니다.
또한 자성이 없고 충격 시 스파크가 발생하지 않는 특수한 특성을 가지고 있어 정밀 기기의 탄성 부품이나 모터의 방폭 부품에 주로 사용됩니다. 실리콘 청동은 실리콘 질량 비율이 3% ~ 4.6%로 주석 청동보다 기계적 특성이 높고 주조 및 냉/열처리 성능이 우수합니다.
실리콘 청동에 니켈을 첨가하면 강도와 내마모성을 크게 향상시킬 수 있으며, 주로 항공 산업과 장거리 가공 전화선, 전력선 등에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 청동의 브랜드 번호, 화학 성분, 기계적 특성 및 적용 사례는 표 1-12에서 확인할 수 있습니다.
(3) 니켈 실버
백동이라고도 하는 니켈은은 주로 니켈로 구성된 구리 합금의 한 종류를 말합니다. 일반 니켈은과 특수 니켈은의 두 가지 유형으로 나뉩니다.
표 1-12: 일반적인 청동 등급, 화학 성분, 기계적 특성 및 용도의 예
| 카테고리 | 등급 | 화학 성분(%) | 기계적 특성 | 사용 예 | ||||||
| WSn | WAl | WSi | 기타 | σb/MPa | δ(%) | 경도 | ||||
| 일반 브론즈 | QSn4-3 | 3.5~4.5 | Zn: 2.7~3.3 | 350~550 | 4~40 | 60~160 HBW | 신축성 있는 요소, 내마모성, 안티 자기 부품 | |||
| QSn6.5-0.1 | 6.0~7.0 | P: 0.10~0.25 | 350~450 | 60~70 | 70~90 HBW | 접촉 부품, 스프링, 내마모성 부품 | ||||
| 스페셜 브론즈 | 베릴륨 브론즈 | QBe2 | Be:1.8~2.1 Ni:0.2~0.5 | 500~850 | 3~40 | 90~250 HV | 중요한 스프링, 탄성 요소 베어링 등 | |||
| 실리콘 브론즈 | QSi3-1 | 2.7~ 3.5 | Mn: 1~1.5 | 80~180 HV | 부식성 매질에서 작동하는 스프링 및 부품 | |||||
구리와 니켈만 함유한 일반 니켈은은 강도가 좋고 가소성이 뛰어납니다. 냉압 및 열압 가공이 모두 가능합니다. 내식성이 우수하며 온도 저항 계수가 작고 전기 저항이 높습니다.
주로 선박 기기 부품, 화학 기계 부품, 의료 장비 등의 제조에 사용됩니다. 니켈은의 등급은 "B + 니켈의 평균 질량 분율"로 구성됩니다. 예를 들어 B19는 니켈 함량이 19%인 일반 니켈은을 나타냅니다.
특수 니켈은은 니켈은에 다른 합금 원소를 첨가하여 생산됩니다. 니켈은의 특성과 용도는 첨가되는 합금 원소의 종류에 따라 달라집니다. 예를 들어, 망간의 질량 비율이 높은 망간 니켈은은 열전대 전선, 측정기 등을 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, BZn15-20은 실리콘 함량이 15%이고 아연 함량이 20%인 특수 니켈은을 나타냅니다.
티타늄 및 티타늄 합금
순수 티타늄의 밀도는 4.5g/cm³이고 녹는점은 1667°C이며 동소성을 거칩니다. 882.5°C 이하에서 순수 티타늄은 α-Ti로 알려진 밀집된 육각형 결정 구조를 갖습니다. 882.5°C 이상에서는 β-Ti라고 하는 몸체 중심의 입방정 결정 구조를 갖습니다.
순수 티타늄(α-Ti)은 상대적으로 낮은 탄성 계수, 우수한 내충격성, 높은 비강도, 우수한 가소성을 가지고 있지만 기계적 특성이 불순물에 매우 민감합니다.
티타늄 합금의 주요 특징은 고강도, 저밀도, 우수한 내열성 및 내식성입니다. 하지만 가공성이 떨어지고 마모에 민감하며 상대적으로 가격이 높다는 단점이 있습니다. 티타늄 합금은 어닐링 구조에 따라 α형(TA), β형(TB), α+β형(TC)으로 분류됩니다.
일반적으로 사용되는 티타늄 합금의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도의 예는 표 1-13에 나와 있습니다.
(1) α-타입 티타늄 합금
α형 티타늄 합금의 어닐링 구조는 단상 α 고용체이며 열처리로 강화할 수 없습니다. 이 합금은 안정적인 구조, 우수한 내식성, 우수한 가소성 및 성형성을 가지고 있습니다. 또한 용접 성능과 저온 특성도 우수합니다.
일반적으로 항공기 스킨, 프레임, 엔진 컴프레서 디스크 및 블레이드, 터빈 케이스, 초저온 용기 등을 제조하는 데 사용됩니다.
표 1-13: 일반적으로 사용되는 티타늄 합금의 예, 화학적 조성, 기계적 특성 및 응용 분야
| 카테고리 | 등급 | 화학 성분 그룹 | 열처리 | 실온 기계적 특성 | 고온 기계적 특성 | 사용 예 | |||
| σb/MPa | δ(%) 이상 | 테스트 온도/℃ | 즉시 힘 /MPa | 지구력 강도 ① /MPa | |||||
| 알파 티타늄 합금 | TA28 | Ti-3Al | 어닐링 | 700 | 12 | 500℃ 이하에서 작업 미사일 연료와 같은 부품 탱크, 항공기 터빈 케이스 등 | |||
| TA5 | Ti-4Al-0.005B | 어닐링 | 700 | 15 | |||||
| TA6 | Ti-5Al | 어닐링 | 700 | 12~20 | 350 | 430 | 400 | ||
| 베타 티타늄 합금 | TB2 | Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al | 담금질 | 1000 | 20 | 350℃ 이하에서 작업 컴프레서 블레이드와 같은 부품 샤프트, 디스크 및 기타 고하중 회전 부품, 항공기 부품 등 | |||
| 담금질 + 에이징 | 1350 | 8 | |||||||
| 알파 + 베타 티타늄 합금 | TC1 | Ti-2Al-1.5Mn | 어닐링 | 600~800 | 20~25 | 350 | 350 | 350 | 400℃ 이하에서 작업 특정 고온 강도를 가진 엔진 부품, 저온 로켓, 미사일 액체 수소 연료 탱크 등과 같은 부품. |
| TC2 | Ti-4Al-1.5Mn | 어닐링 | 700 | 12~15 | 350 | 430 | 400 | ||
| TC3 | Ti-5Al-4V | 어닐링 | 900 | 8~10 | 500 | 450 | 200 | ||
| TC4 | Ti-6Al-4V | 어닐링 | 950 | 10 | 400 | 630 | 580 | ||
| 담금질 + 에이징 | 1200 | 8 | |||||||
100시간 이상 일정 온도를 유지한 후 ①유지 강도 표시 재료는 시간 경과에 따른 응력 값을 나타냅니다.
(2) 베타 티타늄 합금
베타 티타늄 합금은 베타 상 어닐링 구조를 가지고 있습니다. 담금질을 통해 준안정 베타 상 티타늄 합금을 얻을 수 있습니다. 이러한 합금은 열처리를 통해 강도를 높이고 실온 강도가 높으며 냉간 성형 특성이 우수합니다. 그러나 이러한 합금은 밀도가 높고 구조가 충분히 안정적이지 않으며 내열성이 좋지 않습니다. 베타 티타늄 합금은 주로 스프링, 패스너, 두꺼운 단면 부품과 같이 고온이 필요하지 않지만 고강도가 필요한 항공기 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
(3) 알파 + 베타 티타늄 합금
알파 + 베타 티타늄 합금의 어닐링 구조는 알파와 베타 티타늄 합금의 특성을 결합한 (알파 + 베타) 상입니다. 포괄적인 기계적 특성이 뛰어나며 가장 널리 사용되는 티타늄 합금입니다. 예를 들어 TC4(Ti-6Al-4V)는 항공우주 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
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