일반적인 금속 종류와 용도에 대한 필수 가이드

I. 비합금강

비합금강은 철-탄소 합금을 말합니다._c <2.11%, Si, Mn, S, P 등과 같은 소량의 불순물을 함유하고 있습니다. 새로운 철강 분류 기준이 시행되기 전에는 탄소강(약칭 탄소강)이라고 불렸습니다. 다양한 산업 분야에서 일반적으로 사용되는 소재입니다.

1. 비합금강의 분류

비합금강을 분류하는 방법에는 크게 세 가지가 있습니다:

(1) 탄소 함량 기준

저탄소강(w_c <0.25%), 중간 탄소강(0.25%≤w)_c ≤0.60%) 및 고탄소강(w_c >0.60%).

(2) 주요 품질 등급 기준

일반 품질의 비합금강(w_s ≤0.040%, w_p≤0.040%), 일반 품질 비합금강 및 특수 품질 비합금강을 제외한 고품질 비합금강 및 특수 품질 비합금강 (w_s ≤0.020%, w_p ≤0.020%).

(3) 강철 사용 기준

탄소 구조용 강재, 비합금 공구강, 주조 탄소강으로 나뉩니다.

또한 제련 시 용강의 탈산 정도에 따라 림강, 킬드강, 특수 킬드강으로 나뉘며, 제강 시 용강의 탈산 정도에 따라 림강, 킬드강, 특수 킬드강으로 나뉩니다.

2. 비합금강의 등급, 특성 및 주요 용도

(1) 탄소 구조용 강철 비합금 기계 구조용 강철

1) 일반 탄소 구조용 강재

일반 탄소 구조강의 등급은 "Q+숫자+품질 등급+탈산법 기호"로 표시됩니다. "Q"는 "항복 강도"를 나타내는 중국어 병음의 첫 글자이고 "숫자"는 최소 항복 강도를 나타내며 품질 등급은 A, B, C, D로 표시되며 A 등급이 가장 낮고 D 등급이 가장 높습니다.

탈산 방법 기호는 림강, 킬드강, 특수 킬드강의 경우 각각 F, Z, TZ입니다. 일반적으로 킬드강 및 특수 킬드강(Z 및 TZ)의 기호는 생략할 수 있습니다. 예를 들어 Q235AF 등급은 항복강도 ≥235MPa의 A등급 림강을 나타냅니다. 일반 탄소 구조용 강재의 등급, 특성 및 주요 용도는 표 1에 나와 있습니다.

표 1 일반 탄소 구조용 강철의 등급, 주요 특성 및 용도

2) 고품질 탄소 구조용 강철

고품질 탄소 구조용 강철의 등급은 일반적으로 탄소 평균 질량 비율을 만 분의 1 단위로 나타내는 두 자리 숫자로 표시됩니다. 예를 들어 35강은 평균 탄소 질량 비율이 0.35%인 고품질 탄소 구조용 강재를 나타냅니다.

강철의 망간 질량 분율이 높은 경우(0.7%≤W_Mn ≤1.2%)의 경우, 등급 뒤에 망간(Mn)의 화학 원소 기호가 추가됩니다(예: 35Mn). 고품질 탄소 구조용 강철의 등급, 특성 및 주요 용도는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 고품질 탄소 구조용 강재의 등급, 특성 및 주요 용도

(2) 비합금 공구강

탄소 공구강의 탄소 질량 비율은 0.65%에서 1.35% 사이이며, 모두 고품질 또는 고급 고품질 탄소강입니다. 이 유형의 강철은 경도가 높고 내마모성이 높으며 주로 톱날, 줄 등을 만드는 등 공구, 측정 도구 및 금형 제작에 사용됩니다.

비합금 공구강의 등급은 "T + 숫자"로 표시됩니다. 그 중 "T"는 "탄소"를 뜻하는 중국어 병음의 첫 글자로, 숫자는 강철의 평균 탄소 질량 비율의 천 분의 1을 나타냅니다. 고급 고품질 비합금 공구강인 경우 숫자 뒤에 기호 "A"가 추가됩니다.

예를 들어, T8은 평균 탄소 질량 비율이 0.8%인 고품질 비합금 공구강을 나타내고, T8A는 평균 탄소 질량 비율이 0.8%인 고급 고품질 비합금 공구강을 나타냅니다. 비합금 공구강의 일반적인 등급, 특성 및 주요 용도는 표 3에 나와 있습니다.

표 3 비합금 공구강의 일반적인 등급, 특성 및 주요 용도

(3) 주조 탄소강

주조 탄소강("주강"이라고 함)의 등급은 "ZG + 두 개의 숫자 그룹"으로 표시됩니다. "ZG"는 "주강"의 중국어 병음 약자이며, 첫 번째 숫자 그룹은 최소 항복 강도 값을 나타내고 두 번째 숫자 그룹은 최소 인장 강도 값을 나타냅니다. 예를 들어 ZG230-450은 항복 강도가 230MPa 이상이고 인장 강도가 450MPa 이상인 주조 탄소강을 나타냅니다.

일반 엔지니어링용 주조 탄소강의 탄소 질량 비율은 0.15%에서 0.60% 사이입니다. 주조 탄소강은 주로 고강도와 인성이 필요하고 형상이 복잡하며 압력 가공 방법으로 성형하기 어려운 주강 부품을 만드는 데 사용됩니다. 주조강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 주요 용도는 표 4에 나와 있습니다.

표 4 주조 탄소강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 주요 용도

II. 저합금강 및 합금강

탄소강에 일정량의 합금 원소를 의도적으로 첨가하여 얻은 강철을 저합금강 및 합금강이라고 합니다. 합금강에서 일반적으로 첨가되는 합금 원소는 망간(w ≥1%), 실리콘(w ≥0.5%), 크롬, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 바나듐, 알루미늄, 구리, 티타늄, 니오브 및 희토류 원소 등이 있습니다.

이러한 원소는 강철의 기계적 특성과 경화성을 향상시키고 강철의 공정 성능을 개선하거나 특정 특수 물리적 및 화학적 특성을 얻을 수 있으므로 적용 범위가 크게 확장됩니다. 합금강은 합금 구조강, 합금 공구강, 특수 목적강으로 나눌 수 있습니다.

1. 저합금 고강도 구조용 강철

저탄소강을 기본으로 소량(≤5%)의 합금 원소를 첨가하여 만든 강재입니다(w_c <0.2%)로 표시되며, 등급은 "Q+번호"로도 표시됩니다. 그 의미는 일반 탄소 구조용 강재의 의미와 동일하며, 예를 들어 Q345는 최소 항복 강도가 345MPa인 저합금 고강도 구조용 강재를 나타냅니다.

등급 뒤에 문자 A, B, C, D, E가 있으면 품질 등급을 나타내며, 예를 들어 Q345B는 최소 항복 강도가 345MPa인 B등급 저합금 고강도 구조용 강철을 나타냅니다.

저합금강은 일반적으로 열간 압연 어닐링(또는 정규화) 상태에서 사용됩니다. 강도는 일반 저탄소강보다 10% ~ 20% 높기 때문에 저합금 고강도강이라고 합니다.

가소성, 인성, 용접성 및 내식성이 우수합니다. 현재 교량, 차량, 선박, 건물, 컨테이너 등에 널리 사용되고 있습니다. 주요 목적은 구조물 자체의 무게를 줄이고 사용의 신뢰성과 내구성을 보장하는 것입니다. 일반적으로 사용되는 저합금 고강도 구조용 강의 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 용도는 표 1-7에 나와 있습니다.

표 5 저합금 고강도 구조용 강의 일반적인 등급, 화학적 조성, 기계적 특성 및 주요 용도

2. 합금 구조용 강철

합금 구조용 강재에는 주로 합금 침탄강, 합금 담금질 및 강화강, 합금 스프링강, 압연 베어링강 등이 포함됩니다.

(1) 합금 침탄강

합금 침탄강은 저탄소강에 크롬, 망간, 니켈, 티타늄, 바나듐 등과 같은 합금 원소를 첨가하여 만듭니다. 등급은 "두 자리 숫자 + 합금 원소 기호 + 숫자"로 표시됩니다.

처음 두 개의 "숫자"는 강철의 평균 탄소 질량 분율의 1만 분의 1을 나타내고, 원소 기호는 강철에 포함된 합금 원소를 나타내며, 원소 기호 뒤의 "숫자"는 평균 함량 비율을 나타냅니다. 합금 원소의 평균 함량이 1.5% 미만인 경우에는 원소 기호만 표시하고 숫자는 표시하지 않으며, 합금 원소의 평균 질량 분율이 1.5%~2.5%, 2.5%~3.5% 등인 경우에는 원소 뒤에 2, 3 등을 각각 표시하도록 규정하고 있습니다.

예를 들어, 20Mn2는 합금 침탄강에서 평균 탄소 질량 분율이 0.20%이고 평균 망간 질량 분율이 2%임을 나타냅니다. 고품질 합금 구조용 강철인 경우 18Cr2Ni4WA와 같이 등급 끝에 "A" 기호가 추가됩니다.

합금 침탄강은 일반적으로 침탄, 담금질 및 저온 템퍼링 후에 사용됩니다. 주로 높은 표면 경도, 높은 강도, 높은 내마모성 및 코어의 높은 인성이 필요하고 충격 하중(변속기 기어, 기어 샤프트, 피스톤 핀 등)을 견딜 수 있는 부품에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 합금 침탄강의 등급, 조성, 기계적 특성 및 용도는 GB/T3077-2015(합금 구조용 강)에서 확인할 수 있습니다.

(2) 합금 담금질 및 강화 강철

합금 담금질 및 강화강은 일반적으로 담금질 및 강화 처리 후 사용되는 중간 탄소 합금강을 말하며 탄소 질량 분율은 0.25%에서 0.50% 사이입니다. 합금 담금질 및 강화강의 등급 표시 방법은 합금 침탄강의 등급 표시 방법과 동일하며 "두 자리 + 합금 원소 기호 + 숫자"를 사용합니다.

합금 담금질 및 강화강은 주로 메인 샤프트, 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 볼트, 중요 기어 등과 같이 높은 경도, 우수한 가소성 및 인성을 필요로 하는 중요 부품에 사용됩니다. 일부 부품에도 높은 표면 경도와 내마모성이 필요한 경우 담금질 및 템퍼링 처리 후 표면 유도 가열 담금질 및 저온 템퍼링 처리를 할 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 합금 담금질 및 강화강의 등급, 조성, 열처리 및 특성은 GB/T3077-2015(합금 구조용 강재)에서 확인할 수 있습니다. 널리 사용되는 합금 담금질 및 강화강에는 40Cr, 40MnVB, 30CrMnSi, 20MnVB, 12CrNi3 등이 포함됩니다.

(3) 합금 스프링 스틸

다양한 스프링 또는 탄성 부품을 제조하는 데 사용되는 합금강을 합금 스프링강이라고 하며, 탄소 질량 비율은 일반적으로 0.45%에서 0.70% 사이입니다. 합금 스프링강의 등급 표시 방법은 합금 침탄강의 등급 표시 방법과 동일하며 "두 자리 + 원소 기호 + 숫자"를 사용합니다.

일반적으로 사용되는 합금 스프링강의 등급, 조성, 열처리, 특성 및 용도는 GB/T1222-2007(스프링강)에서 확인할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 것은 자동차, 트랙터, 기관차 및 높은 응력을 받는 기타 중요한 스프링의 코일 스프링과 리프 스프링 제조에 널리 사용되는 60Si2Mn과 같은 실리콘-망간 합금 스프링강입니다.

(4) 롤링 베어링 스틸

구름 베어링의 구름 요소(볼, 롤러, 니들) 및 링을 제조하는 데 사용되는 합금강을 구름 베어링 강이라고 하며, 탄소 질량 분율은 일반적으로 0.95%에서 1.15% 사이로 담금질 후 고탄소 마르텐사이트를 얻어 구름 베어링 강이 고경도와 고강도를 갖도록 합니다.

구름 베어링 강재의 등급은 "G + Cr + 숫자"로 표시됩니다. "G"는 "압연"을 나타내는 중국어 병음의 첫 글자이고 "Cr"은 크롬의 원소 기호이며 "숫자"는 강철의 평균 크롬 질량 분율의 천 분의 1을 나타냅니다. 예를 들어 GCr15는 압연 베어링 강재의 평균 크롬 질량 분율이 1.5%임을 나타냅니다.

압연 베어링 강의 크롬 질량 분율은 일반적으로 0.40%에서 1.65% 사이입니다. 크롬의 기능은 강철의 경화성을 개선하고 분산 탄화물을 형성하여 강철의 내마모성과 접촉 피로 강도를 향상시키는 것입니다. 대형 베어링의 경우 강철의 경화성을 더욱 향상시키기 위해 망간 및 실리콘과 같은 원소도 추가됩니다.

현재 중국에서 가장 널리 사용되는 압연 베어링 강재는 GCr15(주로 중소형 베어링 제조에 사용)와 GCr15SiMn(주로 대형 베어링 제조에 사용)입니다.

구름 베어링 강은 그라인더 스핀들, 냉간 펀칭 다이, 리드 스크류, 정밀 측정 공구 등과 같이 내마모성이 높고 피로 강도가 높은 부품을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 압연 베어링강의 등급, 조성, 열처리 및 특성은 GB/T 18254-2016(고탄소 크롬 베어링강)에서 확인할 수 있습니다.

3. 합금 공구강

다양한 공구를 제조하는 데 사용되는 합금강을 합금공구강이라고 합니다. 합금강은 비합금 공구강에 적절한 양의 합금 원소를 첨가하여 만든 강입니다. 이 유형의 강철은 비합금 공구강보다 경도, 내마모성 및 인성이 높으며 특히 경화성, 경화성, 열경도 및 템퍼링 안정성이 우수합니다. 따라서 단면이 크고 모양이 복잡하며 고성능이 요구되는 공구를 제조하는 데 사용할 수 있습니다.

합금 공구강은 용도에 따라 측정 공구강, 내충격성 공구강, 열간 가공 금형강, 냉간 가공 금형강, 플라스틱 금형강 등으로 나뉩니다. 등급 표시 방법은 탄소 함량 표시 방법이 다르다는 점을 제외하면 합금 구조용 강재의 등급 표시 방법과 유사합니다. 언제 _c ≥1%인 경우 탄소 함량이 표시되지 않습니다._c <1%, 단일 숫자는 강철의 평균 탄소 함량의 천분의 1을 나타내는 데 사용됩니다.

예를 들어, Cr12MoV는 w_c ≥1%, w_Cr =12% 및 w _Mo , w_v <1.5% 합금 공구강. 또 다른 예로 9SiCr을 들 수 있는데, 이는 w_c =0.9%, w_Si , w_Cr <1.5% 합금 공구강. 합금 공구강은 모두 고급 강재이므로 등급 끝에는 "A" 기호가 표시되지 않습니다.

(1) 냉간 가공 다이 스틸

차가운 조건에서 금속의 냉간 스탬핑, 냉간 압출 및 냉간 인발용 금형 제작에 사용되는 강재를 말합니다. 높은 경도, 높은 내마모성, 충분한 강도 및 인성을 가지고 있으며 경화성이 우수하고 담금질 변형이 적어야 합니다. 이 유형의 강철은 담금질 및 템퍼링 후에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 냉간 가공 금형강의 등급, 열처리, 특성 및 용도는 표 6에 나와 있습니다.

표 6 일반적으로 사용되는 냉간 가공 금형 강종, 열처리, 특성 및 용도

(2) 열간 가공 다이강

열간 단조 금형강은 열간 단조 금형을 만드는 데 사용되는 강철을 말합니다. 압출 다이및 압력 하에서 뜨거운 금속 또는 합금을 형성하는 다이캐스팅 금형에 사용됩니다. 열간 가공 금형강은 고온(400~600℃)에서 작업하며, 작업 중 큰 충격 하중을 견딜 뿐만 아니라 금형 캐비티 내 뜨거운 금속의 흐름으로 인한 상당한 압축 응력, 인장 응력, 굽힘 응력, 심한 마찰을 견뎌야 합니다.

따라서 열간 가공 금형강은 고온에서 충분한 경도, 강도, 인성 및 내마모성을 유지해야 합니다. 또한 이러한 유형의 강철은 작동 중에 뜨거운 금속에 의해 가열되고 냉각 매체(물, 오일, 공기)에 의해 냉각되는 과정이 반복되므로 부피 변화가 발생하고 열 피로가 발생하기 쉽습니다.

열간 가공 금형강의 탄소 질량 비율은 일반적으로 0.3%에서 0.6% 사이로, 중간 탄소 합금강입니다. 일반적인 열간 가공 금형강의 등급으로는 5CrMnMo 및 5CrNiMo가 있습니다. 후자는 전자보다 경화성이 우수하며 다른 특성은 비슷합니다. 5CrMnMo는 중소형 열간 금형 제작에 적합합니다. 단조 다이는 중대형 열간 단조 금형 제작에 적합하며, 5CrNiMo는 중대형 열간 단조 금형 제작에 적합합니다. 일반적인 다이캐스팅 다이강의 등급으로는 3Cr2W8V 등이 있습니다.

(3) 플라스틱 몰드 스틸

플라스틱 금형강은 200℃ 이하의 저온 가열 조건에서 미세 분말 또는 입상 플라스틱을 모양으로 압착하는 금형을 만드는 데 사용되는 강철을 말합니다. 플라스틱 제품의 성형 방법에 따라 플라스틱 성형 금형은 다이캐스팅 금형, 압출 금형, 사출 금형, 성형 금형, 블로우 성형 금형 등으로 나눌 수 있습니다.

작동 중에 금형은 지속적으로 가열되고 가압되며 유해 가스에 의해 어느 정도의 마찰과 부식을 받습니다. 따라서 플라스틱 금형강은 200℃에서 충분한 강도와 인성, 높은 내마모성 및 내식성, 우수한 가공성, 광택성, 용접성 및 열처리 공정 성능이 요구됩니다. 현재 일반적으로 사용되는 플라스틱 금형강은 3Cr2Mo, 3Cr2MnNiMo 등이 있습니다.

(4) 측정 공구 및 절삭 공구용 강재

측정 도구는 마이크로미터, 게이지 블록, 플러그 게이지, 캘리퍼 등 기계 공학에서 가공 정확도를 제어하기 위해 사용하는 측정 도구를 말합니다. 측정 도구는 사용 중에 측정 대상 부품과 자주 접촉하기 때문에 마모와 충격을 받을 수 있습니다. 따라서 측정 공구의 작동 부품은 높은 경도(62~65HRC), 높은 내마모성, 높은 치수 안정성, 충분한 인성을 갖춰야 합니다.

게이지 블록 및 플러그 게이지와 같이 정확도가 높고 모양이 복잡한 정밀 측정 도구를 만드는 데 9SiCr 및 기타 강철을 사용하는 경우가 많습니다. 또한 합금 침탄강 또는 베어링강(GCr15)은 높은 정밀도가 필요하지 않지만 침탄 및 담금질 처리 후 내충격성이 필요한 측정 도구를 만드는 데 사용할 수 있으며, 때로는 냉간 가공 공구강(CrWMn)도 정밀 측정 도구를 만드는 데 사용됩니다.

4. 특수 성능 강의 등급, 특성 및 용도

특수목적강은 특수한 물리적, 화학적 특성과 특정 기계적 특성을 가진 합금강을 말합니다. 여기에는 스테인리스강, 내열강, 내마모강 등이 포함됩니다.

(1) 스테인리스 스틸

스테인리스강은 대기 부식, 산, 알칼리 부식 또는 기타 매체 부식에 견딜 수 있는 합금강을 말합니다. 스테인리스강의 주요 특징은 크롬 함량이 10.5% 이상이고 탄소 함량이 1.2%를 초과하지 않는 녹과 부식에 대한 저항성입니다.

스테인리스강은 금속학적 구조에 따라 페라이트계 스테인리스강, 마르텐사이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 오스테나이트-페라이트계 스테인리스강, 침전 경화 스테인리스강 등 다양한 유형으로 분류됩니다. 일반적으로 사용되는 스테인리스강의 등급, 조성, 열처리 및 특성은 GB/T1220-2007(스테인리스 스틸 바)에서 확인할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 스테인리스 스틸의 종류와 등급은 다음과 같습니다:

1) 페라이트 스테인리스 스틸

페라이트 스테인리스 스틸은 세 가지 유형이 있습니다:

• 06Cr13Al, 022Cr12 등과 같은 Cr12 유형, Cr13 유형은 일반적으로 자동차 배기 밸브 등의 내열강으로 사용됩니다.
• 10Cr17, 10Cr17Mo 등과 같은 Cr17 유형은 주로 화학 장비의 용기 및 파이프 라인에 사용됩니다.
• 008Cr27Mo, 008Cr30Mo2 등과 같은 Cr27~30 유형은 강한 산성 부식에 강한 강재입니다.

2) 마르텐사이트 스테인리스 스틸

마르텐사이트계 스테인리스강의 주요 등급은 12Cr13, 20Cr13(탄소 함량이 낮은)으로 주로 터빈 블레이드, 의료기기 등 높은 기계적 물성과 낮은 내식성이 요구되는 부품에 사용되며 30Cr13, 40Cr13(탄소 함량이 높은)은 유압 프레스 밸브와 단단하고 내마모성이 강한 의료 수술 도구, 측정 도구, 스테인리스강 베어링 및 스프링에 주로 사용됩니다.

3) 오스테나이트 스테인리스 스틸

오스테나이트계 스테인리스강에는 06Cr19Ni10, 12Cr18Ni9가 있으며, 주로 높은 내식성이 필요한 부품과 화학 장비 및 파이프 라인과 같이 냉간 변형 후 용접이 필요한 경부하 부품을 만드는 데 사용됩니다. 또한 계측 및 발전 산업에서 비자성 내식성 부품을 만드는 데 사용할 수도 있습니다. 이 유형의 강재는 주로 냉간 변형 가공을 통해 강도가 증가하며 열처리로 강도를 강화할 수 없습니다.

(2) 내열성 강철

내열강은 화학적 안정성이 우수하거나 고온에서 강도가 높은 특수 성능의 강철을 말합니다. 내열강의 일반적인 등급은 다음과 같습니다: 10Cr17은 라디에이터, 용광로 부품, 오일 노즐과 같이 900°C 이하의 산화에 강한 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 42Cr9Si2 및 40Cr10Si2Mo는 일반적으로 배기 밸브 및 고온 배기가스 부식과 충격 및 마모에 노출되는 기타 부품을 만드는 데 사용됩니다(따라서 밸브 강이라고도 함).

크롬과 니켈 함량이 높아 보일러, 터빈, 내연기관, 열처리 용광로 등의 부품에 널리 사용되는 내열강인 06Cr19Ni10 및 45Cr14Ni14W2Mo는 내열강으로, 일반적으로 보일러, 터빈, 내연기관, 열처리 용광로 등의 부품에 사용됩니다.

(3) 내마모성 강철

내마모성 강철은 내마모성이 높은 강철을 말합니다. 예를 들어 강한 충격 하중에서만 경화되는 고망간강은 일반적으로 탄소 함량이 1.0%~1.3%, 망간 함량이 11%~14%입니다.

고망간강을 1000~1100°C로 가열하고 용액 처리를 하면 단상 오스테나이트 구조를 얻을 수 있습니다. 이때 경도는 높지 않습니다(약 180~220HBW). 고압에서 강한 마찰이나 충격을 받으면 공작물 표면의 오스테나이트가 빠르게 소성 변형을 일으켜 변형 경화 및 마르텐사이트 변형을 일으켜 표면 경도가 크게 증가(약 550HBW 이상)하고 내마모성이 향상됩니다.

표면 경화층이 마모되면 새로 노출된 표면도 동일한 변형을 거쳐 내마모성을 얻게 됩니다. 고망간강의 압력 가공 및 절단 가공은 매우 어렵기 때문에 일반적으로 부품에 직접 주조하여 용액 처리 후 사용합니다.

고망간강은 주로 탱크 및 트랙터용 트랙, 굴삭기 버킷 이빨, 불도저 블레이드, 철도 턴아웃, 분쇄기 턱 등 마찰이 심하고 충격이 강한 조건에서 작동하는 부품에 사용됩니다. 등급은 GB/T 5680-2010 "오스테나이트 망간강 주물"(예: ZG100Mn13)에 명시되어 있습니다.

III. 주철

주철은 탄소와 실리콘 함량이 높은 철-탄소-실리콘 합금군을 말하며 망간, 황, 인과 같은 불순물도 상당량 함유하고 있습니다. 주철에서 탄소는 주로 흑연의 형태로 존재합니다. 탄소가 흑연의 형태로 침전되는 과정을 흑연화라고 하며, 일반적으로 흑연화 정도에 따라 주철의 종류, 구조 및 특성이 달라집니다.

주철의 기계적 성질은 강철보다 떨어지지만 공융에 가까운 조성을 가진 주철은 녹는점이 낮고 유동성이 좋아 주조성이 우수하고 내마모성, 진동 감쇠성, 가공성이 뛰어납니다. 또한 생산 공정과 장비가 간단하고 비용이 저렴하여 주철은 가장 널리 사용되는 금속 재료 중 하나입니다.

1. 주철의 분류

주철의 다양한 탄소 형태에 따라 주철은 다음 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다:

(1) 회색 주철

탄소는 레데부라이트 구조가 없는 흑연 형태가 전부 또는 대부분이며, 파단 표면은 짙은 회색입니다. 산업에서 사용되는 대부분의 주철은 이러한 유형의 주철입니다.

(2) 흰색 주철

이러한 유형의 주철의 흑연화 과정은 완전히 억제됩니다. 페라이트에 용해된 소량의 탄소를 제외하고 모든 탄소는 Fe₃C의 형태로 존재합니다. 파단 표면이 은백색이고 단단하며 부서지기 쉬워 기계 가공이 어렵습니다. 따라서 산업에서 직접적으로 사용되는 경우는 거의 없습니다. 현재 백주철은 주로 제강 및 가단 주철 블랭크 생산의 원료로 사용됩니다.

(3) 얼룩덜룩한 주철

이러한 유형의 주철의 흑연화 공정은 부분적으로만 실현됩니다. 탄소의 일부는 흑연의 형태로 존재하고 다른 일부는 Fe₃C의 형태로 존재합니다. 파단 표면이 흑백으로 얼룩덜룩하고 매우 단단하고 부서지기 쉬워 가공이 어렵습니다. 따라서 산업에서는 거의 사용되지 않습니다.

회주철은 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 그 성능은 구성 및 매트릭스 구조뿐만 아니라 흑연의 모양과 크기와도 관련이 있습니다. 주철의 다양한 흑연 형태에 따라 주철은 다음 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:

1) 회색 주철

흑연은 플레이크 모양으로 기계적 특성이 좋지 않지만 생산 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 주조 성능이 우수하여 산업계에서 널리 사용되고 있습니다.

2) 가단성 주철

흑연은 클러스터 형태로 회주철보다 기계적 특성이 우수하지만 생산 주기가 길고 비용이 높습니다. 일반적으로 일부 중요한 소형 주물을 제조하는 데 사용됩니다.

3) 연성 주철

흑연은 구형이며 기계적 특성이 가장 우수하고 강도는 비합금강에 가까운 수준입니다. 생산 공정은 연성 주철보다 간단합니다. 연성 주철은 특정 중요 부품을 제조할 때 일부 비합금강과 합금강을 대체할 수 있습니다.

4) 버미큘러 주철

흑연은 회주철과 연성 주철 사이의 기계적 특성을 가진 질상 주철입니다. 비교적 짧은 개발 역사를 가진 새로운 유형의 주철입니다.

2. 회색 주철

(1) 회주철의 구조 및 특성

회주철의 미세 구조는 다양한 매트릭스 구조에 분포된 플레이크 흑연이 특징입니다. 다른 매트릭스 구조에 따라 다음과 같이 나뉩니다:

• 페라이트 회주철(페라이트 매트릭스에 분포된 플레이크 흑연).
• 페라이트계 + 펄라이트계 회주철(페라이트계 및 펄라이트계 매트릭스에 분포된 플레이크 흑연).
• 펄라이트 회색 주철(펄라이트 매트릭스에 분포된 플레이크 흑연).

회주철의 구조는 강철 매트릭스 위에 분포된 플레이크 흑연과 동일합니다. 흑연의 강도, 가소성 및 인성은 매우 낮기 때문에 주철의 균열 및 공극으로 작용하여 모재 금속의 연속성을 파괴하고 플레이크 흑연의 끝 부분에 응력 집중을 유발합니다.

따라서 회주철의 기계적 특성은 비합금강에 비해 현저히 낮습니다. 단조 및 스탬핑에 적합하지 않은 부서지기 쉬운 재료이며 용접성이 좋지 않습니다. 그러나 회주철의 압축 강도는 흑연의 영향을 덜 받고 압축 강도가 강철에 가깝기 때문에 압축 부품을 만드는 데는 적합하지만 인장 부품을 만드는 데는 적합하지 않습니다.

흑연의 존재는 회주철이 비합금강보다 주조성, 내마모성, 진동 감쇠 및 기계 가공성이 우수하고 노치 감도가 낮아 산업에서 널리 사용됩니다.

(2) 회주철의 등급 및 용도

회주철의 등급은 "HT + 숫자"로 구성됩니다. "HT"는 중국어 병음으로 "회주철"의 약자이며, 숫자는 직경 Φ30mm의 단일 주조 테스트 바의 최소 인장 강도 값(MPa)을 나타냅니다. 회주철의 일반적인 등급, 기계적 특성 및 용도는 표 7에 나와 있습니다.

표 7 회주철의 등급, 기계적 특성 및 용도(GB/T 9439-2010에서 발췌)

(3) 회주철의 접종 처리

접종 처리는 용철의 결정화 조건을 변경하기 위해 주입 중에 소량의 접종제(페로실리콘, 칼슘-실리콘 합금 등)를 용철에 첨가하여 미세하고 균일하게 분포된 박편 흑연과 미세 펄리틱 구조를 얻는 방법을 말합니다.

접종 처리는 주물의 각 섹션의 구조와 성능을 균일하고 일관되게 만들고 주철의 강도, 가소성 및 인성을 향상 시키며 회주철의 섹션 감도를 감소시킵니다. 접종 처리 후 주철을 접종 주철이라고 하며, 표 7의 HT300과 HT350은 접종 주철에 속합니다.

(4) 회주철의 열처리

열처리는 회주철의 매트릭스 구조만 변경할 수 있고 흑연의 모양과 분포는 변경할 수 없기 때문에 회주철의 기계적 특성 개선에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

따라서 회주철의 열처리는 주로 주물의 내부 응력을 제거하고 기계 가공성을 개선하며 주물의 표면 경도와 내마모성을 높이는 데 사용됩니다. 일반적인 열처리 방법에는 응력 제거 어닐링(노화 처리), 연화 어닐링(흑연화 어닐링) 및 표면 담금질이 포함됩니다.

3. 연성 철

연성 주철은 용철을 부어 넣기 전에 구상화제와 접종제를 첨가하여 주철의 흑연이 전체 또는 대부분 구형으로 분포되도록 하는 주철의 일종으로, 구상화제와 접종제는 주철의 구상화를 촉진하는 역할을 합니다.

(1) 연성 철의 구조 및 특성

화학 성분, 냉각 속도 및 열처리 방법에 따라 연성 철은 주로 페라이트, 페라이트 + 펄라이트 및 펄라이트 매트릭스 구조를 포함하여 다양한 미세 구조를 가질 수 있습니다. 페라이트 연성 철은 가소성과 인성이 우수하고 펄라이트 연성 철은 인장 강도와 경도가 높습니다(페라이트 연성 철보다 50% 이상 높음). 페라이트 + 펄라이트 매트릭스를 가진 연성 철의 특성은 이 둘의 중간입니다.

정적 하중을 받는 부품에 비합금강을 연성 주철로 대체하는 것은 안전하고 신뢰할 수 있습니다. 현재 산업 및 농업 생산에서 연성 철의 적용은 점점 더 널리 확산되고 있습니다.

(2) 연성 철의 등급 및 용도

연성 철의 등급은 "QT + 숫자-숫자"로 구성됩니다. "QT"는 중국어 병음으로 "연성 철"의 약자이며, 첫 번째 숫자 세트는 인장 강도 값(MPa)을 나타내고 두 번째 숫자 세트는 파단 후 연신율 값을 나타냅니다. 연성 철의 일반적인 등급, 기계적 특성 및 용도는 표 8에 나와 있습니다.

표 8 연성 철의 등급, 기계적 특성 및 용도(GB/T 1348-2009에서 발췌)

(3) 연성 철의 열처리

구상 흑연은 매트릭스에 대한 분할 효과가 작기 때문에 연성 철의 기계적 특성은 주로 매트릭스 구조에 따라 달라집니다. 따라서 열처리를 통해 매트릭스 구조를 개선하면 연성 철의 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 열처리 방법은 기본적으로 강철의 열처리 방법과 동일하며 주로 어닐링, 정규화, 담금질 및 템퍼링, 등온 담금질을 포함합니다.

4. 가단 주철

가단 주철은 백주철을 흑연화 어닐링하여 얻은 응집성 흑연이 있는 주철입니다. 생산 공정은 먼저 백색 주철을 주조한 다음 고온 흑연화 어닐링(가단 어닐링이라고도 함)을 통해 시멘타이트를 분해하여 응집성 흑연을 얻는 과정을 거칩니다.

(1) 가단 주철의 구조 및 특성

가단 주철은 어닐링 후 얻은 매트릭스 구조에 따라 블랙하트 가단 주철(페라이트 가단 주철이라고도 함), 펄라이트 가단 주철, 화이트하트 가단 주철로 분류됩니다.

가단 주철의 흑연은 응집성이 있습니다. 회주철에 비해 연성 주철은 강도와 가소성이 우수하며 특히 저온 충격 성능이 우수합니다. 연성 주철에 비해 비용이 저렴하고 품질이 안정적이며 용철 처리가 간단하고 조직적인 생산에 적합하다는 장점이 있습니다.

연성 주철의 내마모성과 진동 감쇠는 일반 비합금강보다 우수하며 가공성은 회주철에 가깝습니다. 복잡한 형상의 얇은 벽을 가진 중소형 부품과 작동 중 진동으로 인해 높은 인성이 필요한 부품을 만드는 데 적합합니다. 가단주철은 높은 강도, 가소성, 충격 인성 때문에 붙여진 이름이지만 실제로는 단조할 수 없습니다.

(2) 가단 주철의 등급 및 용도

일반적으로 사용되는 연성 주철의 등급은 "KTH+번호", "KTZ+번호" 또는 "KTB+번호"로 구성됩니다. "KT"는 "가단주철"의 중국어 병음 약자입니다. "KTH"는 흑심 연성 주철을, "KTZ"는 펄라이트 연성 주철을, "KTB"는 백심 연성 주철을 나타냅니다. 기호 뒤의 첫 번째 숫자 세트는 인장 강도 값(MPa)을, 두 번째 숫자 세트는 파단 후 연신율 값을 나타냅니다. 일반적으로 사용되는 연성 주철의 등급, 기계적 특성 및 용도는 표 9에 나와 있습니다.

표 9 가단 주철의 등급, 기계적 특성 및 용도(GB/T 9440-2010에서 발췌)

5. 압축 흑연 아이언

압축 흑연 철은 특정 조성의 용철에 적절한 양의 벌레 화제와 접종제를 첨가하여 얻은 벌레 모양의 흑연이 함유 된 주철입니다. 생산 방법과 절차는 기본적으로 연성 흑연철과 동일합니다.

(1) 압축 흑연 철의 등급, 특성 및 응용 분야

압축 흑연철의 흑연은 대부분 벌레 모양이기 때문에 그 구조와 특성은 동일한 매트릭스 구조를 가진 연성 철과 회주철의 중간 정도입니다. 강도, 인성, 피로 강도, 내마모성 및 열 피로 저항성이 회주철보다 높으며 단면 감도도 작습니다. 그러나 가소성과 인성은 연성 주철보다 낮습니다. 압축 흑연 주철의 주조성, 진동 감쇠, 열전도도 및 가공성은 연성 주철보다 우수하며 인장 강도는 연성 주철에 가깝습니다.

압축 흑연철의 등급은 "RuT+번호"로 구성되며, 여기서 "RuT"는 "압축 철"의 중국어 병음 약자이고, 번호는 인장 강도 값(MPa)을 나타냅니다. 압축 흑연철의 등급, 기계적 특성 및 용도는 표 10에 나와 있습니다.

표 10 버미큘러 흑연 주철의 등급, 기계적 특성 및 응용 분야(GB/T 26655-2011에서 발췌)

(2) 버미큘러 흑연 주철의 열처리

버미큘러 흑연 주철의 열처리는 주로 다양한 기계적 특성 요구 사항을 충족하도록 매트릭스 구조를 조정하는 것입니다. 일반적인 열처리 공정에는 정규화 및 어닐링이 포함됩니다. 정규화의 목적은 펄라이트의 양을 늘려 강도와 내마모성을 향상시키는 것이며, 어닐링은 85% 이상의 페라이트가 있는 매트릭스를 얻거나 얇은 벽 영역에서 유리 시멘타이트가 없는 것을 제거하는 것입니다.

6. 합금 주철

합금 주철은 물리적, 화학적, 기계적 특성을 개선하거나 내마모성 주철, 내열성 주철, 내식성 주철과 같은 특정 특수 특성을 얻기 위해 제련 과정에서 일부 합금 원소를 의도적으로 첨가한 주철을 말합니다.

(1) 내마모성 주철

내마모성 주철은 작업 조건에 따라 크게 마찰 방지 주철과 내마모성 주철로 나눌 수 있습니다.

마찰 방지 주철은 작동 중 마모가 적고, 마찰 계수가 낮으며, 열전도율이 우수하고, 가공 기술이 우수해야 합니다. 일반적인 마찰 방지 주철에는 펄라이트 매트릭스가 있는 회주철(마찰 방지 특성이 우수함)과 고인 주철(내마모성이 뛰어나며 선반, 밀링 머신, 보링 머신 베드 및 작업대에 일반적으로 사용됨)이 있습니다.

내마모 주철은 윤활 없이 건조한 마찰 조건에서 작동하는 주물에 사용되며, 균일한 고경도의 구조가 필요합니다. 일반적인 내마모 주철에는 냉각 주철(강도와 내마모성이 높고 특정 충격을 견딜 수 있음), 내마모 백주철(롤 및 바퀴와 같은 내마모성 부품 제조에 널리 사용됨), 중망간 연성 주철(쟁기, 볼 밀용 연삭구, 트랙터 트랙 플레이트 등 충격 부하 및 마모 조건에서 작동하는 부품 제조에 널리 사용됨)이 있습니다.

(2) 내열 주철

주철의 내열성은 주로 고온에서 산화 및 열 성장에 저항하는 능력을 말합니다. 소위 "열 성장"은 고온에서 주철의 부피가 비가역적으로 팽창하는 것을 말하며, 심한 경우 약 10%까지 팽창할 수 있습니다.

주된 이유는 산화 가스가 주철에 침투하여 밀도가 낮고 부피가 큰 산화물을 형성하고, 탄화물이 고온에서 분해되어 밀도가 낮고 부피가 큰 흑연을 생성하며, 가열 및 냉각 중에 주철 매트릭스에 상 변화가 발생하기 때문입니다. 열 성장의 최종 결과는 부품의 변형, 뒤틀림, 균열 또는 파손으로 이어질 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 내열 주물 다리미의 등급, 구성, 작동 온도 및 용도는 국가 표준(GB/T 9437-2009)에서 확인할 수 있습니다.

(3) 부식 방지 주철

내식성 주철은 특정 기계적 특성을 가질 뿐만 아니라 부식성 매질에서 작업할 때 높은 내식성을 요구합니다.

내식성 주철은 석유화학, 조선 등의 산업에서 대기, 해수, 산, 알칼리, 염분 등의 매체에서 자주 작동하는 파이프, 밸브, 펌프, 용기 등의 부품 제조에 널리 사용됩니다. 그러나 내식성 주철은 종류별로 적용 가능한 범위가 정해져 있어 부식성 매체와 작업 조건에 따라 합리적으로 선택해야 합니다. 일반적으로 사용되는 내식성 주철의 성분과 적용 범위는 관련 금속 재료 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.

IV. 비철금속 및 그 합금

비철금속은 비철금속이라고도 하는 강철과 주철을 제외한 다른 모든 금속을 말합니다. 비철금속에는 주로 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 그 합금을 포함한 많은 종류의 비철금속이 있습니다. 비철금속의 제련은 상대적으로 어렵고 비용이 많이 들며, 생산량과 사용량도 철강 소재에 비해 훨씬 적습니다.

그러나 비철금속은 철강 소재가 갖지 못하는 특별한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 따라서 비철금속은 현대 산업에서 없어서는 안 될 소재가 되었습니다. 다음은 산업 생산에 널리 사용되는 알루미늄 합금과 구리 합금에 대한 간략한 소개입니다.

1. 알루미늄 및 그 합금

(1) 산업용 순수 알루미늄(순수 알루미늄이라고 함)

순수 알루미늄은 현재 산업계에서 가장 널리 사용되는 비철금속입니다. 산업용 순수 알루미늄의 순도는 98.8%~99.7%입니다. 순수 알루미늄은 밀도가 2.72g/cm³에 불과하며 은, 구리, 금에 이어 4번째로 높은 전기 및 열 전도성을 가지고 있습니다.

알루미늄은 대기 중 내식성은 우수하지만 산, 알칼리, 염분에 의한 부식은 견디지 못합니다. 순수 알루미늄은 강도가 낮고 가소성이 높으며 강자성이 없습니다. 냉간 및 열간 변형을 통해 다양한 프로파일(전선, 막대, 튜브 등)로 가공할 수 있지만 하중을 견디는 구조 부품으로는 사용할 수 없습니다.

(2) 알루미늄 합금

알루미늄 합금은 알루미늄에 Cu, Si, Mg, Zn, Mn 등의 합금 원소를 적당량 첨가하고 고용체 강화와 같은 방법을 사용하여 얻습니다. 알루미늄 합금은 순수 알루미늄의 낮은 밀도, 우수한 전기 전도도 및 열 전도도를 유지하면서 강도가 높습니다. 일부 알루미늄 합금은 냉간 변형이나 열처리를 통해 강도를 더욱 강화할 수 있어 특정 하중을 견디는 기계 부품을 제조하는 데 적합합니다.

1) 알루미늄 합금의 분류

일반적으로 사용되는 알루미늄 합금은 구성 및 가공 특성에 따라 단조 알루미늄 합금과 주조 알루미늄 합금으로 나눌 수 있습니다. 단조 알루미늄 합금은 가소성이 우수하고 압력 가공에 적합하지만 주조 알루미늄 합금은 공융 구조, 낮은 융점, 우수한 유동성을 가지며 주조에 적합합니다.

2) 알루미늄 합금의 열처리

알루미늄 합금은 동소변형이 없고 강철처럼 마르텐사이트 변형을 통해 강화할 수 없기 때문에 알루미늄 합금의 열처리 원리는 강철과 다릅니다. 알루미늄 합금은 가열 후 단상 고용체 구조를 얻을 수 있으며, 고체 상태에서는 용해도에 변화가 있습니다. 따라서 알루미늄 합금은 담금질 및 노화 처리(용액 노화 처리라고 함)를 통해 강화할 수 있습니다.

알루미늄 합금의 강도는 담금질 후에도 높지 않으며 강도와 경도가 크게 증가하기 전에 일정 기간 실온에 두어야 합니다. 이 현상을 노화 경화라고 합니다. 상온에서 노화시키는 것을 자연 노화라고 하고, 가열 조건(100~200℃)에서 노화시키는 것을 인공 노화라고 합니다. 담금질 및 노화 처리는 알루미늄 합금을 강화하는 주요 방법일 뿐만 아니라 다른 비철금속을 강화하는 중요한 수단이기도 합니다.

2. 구리 및 그 합금

(1) 산업용 순수 구리

순수 구리라고 불리는 산업용 순수 구리의 녹는점은 1083℃입니다. 전기 및 열 전도성(은에 이어 두 번째)이 우수하고 대기 및 담수에서의 내식성이 우수하며 비자성입니다.

순수 구리는 강도와 경도가 낮고 가소성, 인성, 용접성이 우수합니다. 전선, 케이블, 동관 등 전기 산업, 통신 장비, 자성 및 비자성 기기에 적합한 다양한 프로파일로 냉간 및 고온 변형을 통해 가공할 수 있습니다.

(2) 구리 합금

구리 합금은 구리에 실리콘, 아연, 알루미늄과 같은 적절한 양의 원소를 첨가하고 합금 처리를 거쳐 얻습니다. 이러한 합금은 사용 요건을 충족하는 강도와 인성을 가지고 있습니다. 구리 합금은 화학 성분에 따라 황동, 백동, 청동으로 나뉩니다. 생산 방법에 따라 구리 합금은 단조 구리 합금과 주조 구리 합금으로 나뉩니다. 산업에서 가장 널리 사용되는 것은 황동과 청동입니다.

1) 황동

황동은 아연(Zn)을 주원소로 하는 구리 합금으로, 황금색에서 유래한 이름입니다. 황동은 성분에 따라 일반 황동과 특수 황동으로 나뉩니다. 일반 황동은 구리와 아연으로 구성된 이원 합금입니다.

• 언제_Zn <32%는 아연의 질량 분율이 증가함에 따라 황동의 강도와 경도가 증가하고 가소성이 우수하여 일반적으로 냉간 변형 가공에 사용됩니다;
• 언제_Zn 는 30%에서 32% 사이로 가소성이 가장 높습니다;
• 언제_Zn 는 강도가 계속 증가하는 반면 가소성은 다소 감소하며, 이 유형의 황동은 열간 변형 가공에 적합합니다;
• 언제_Zn >45%를 초과하면 황동의 강도와 가소성이 모두 급격히 감소하여 생산에 실질적인 가치가 없습니다.

일반 황동은 생산 방식에 따라 가공 황동과 주조 황동으로 나뉩니다.

특수 황동은 일반 황동에 납(Pb), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 실리콘(Si) 등의 원소를 첨가하여 형성된 구리 합금으로, 이에 따라 납 황동, 알루미늄 황동, 주석 황동, 실리콘 황동 등으로 불립니다.

• 납을 추가하면 기계 가공성과 내마모성이 향상될 수 있습니다;
• 알루미늄을 추가하면 강도, 경도 및 내식성이 향상되고 황동이 갈라지는 경향도 줄일 수 있습니다;
• 실리콘을 추가하면 주조 성능을 개선하고 강도와 내식성을 높일 수 있습니다;
• 주석은 내식성을 향상시키고 응력 부식 균열의 경향을 줄일 수 있습니다;
• 특수 황동에 합금 원소 함유량이 적고 가소성이 높은 경우 가공된 특수 황동이라고 합니다;
• 합금 원소가 더 많이 포함되어 있고 강도와 주조성이 더 좋은 경우 주조 특수 황동이라고 합니다.

2) 브론즈

청동은 황동과 큐프로니켈(구리-니켈 합금)을 제외한 구리 합금입니다. 생산 방법에 따라 가공 청동과 주조 청동으로 나눌 수 있으며, 조성에 따라 일반 청동과 특수 청동으로 나눌 수 있습니다.