왕초보의 철과 강

Ⅰ. 철강재료

1 철강재료의 분류 및 제조법 ■ 탄소함유량에 따른 철강재료의 분류

구분 C (%) 제조법 가공성 기계적 성질

순철 0 - 0.01 전기분해 연하고 우량 연성이 큼

강 0.01 - 1.7 제강로 소성, 절삭 가공 및 용접 가능

강도, 경도가 큼

주철 1.7 - 6.67 Cupola 절삭은 가능하나 용접성은 불량

취성이 큼

※ 실제로 C 1.2 - 2.5 %의 범위는 실용성이 없으므로 생산하지 않음

선철(Pig Iron)의 제조 광산에서 채굴한 철광석을 용광로에서 녹여 낸 상태를 선철이라고 함 생산된 선철의 10-15%는 용해로에서 용해하여 주철로 사용하고 85-90%는 제강로에서 강의 제조에 사용함

Ⅰ. 철강재료

그림 용광로를 이용한 선철의 제조

강(Steel)의 제조 선철 중에는 탄소가 많이 함유되어 있으므로 강도가 떨어짐

Ⅰ. 철강재료

따라서 기계재료로 사용하기 위해서는 선철 중의 탄소함유량을 줄여서 강으로 만들 필요가 있는데 보통 다음과 같은 방법이 사용됨 - 평로 제강법(Open Hearth Process) - 전로법(Converter Process) - 전기로 제강법(Electric Arc Furnace Process) - 유도로법(Induction Furnace Process)

LD 전로 Heroult식 전기로

Ⅱ.순철

주철(Cast Iron)의 제조

용광로에서 생산된 선철을 용선로(Cupola)에서 크크스를 사용하여 용해한 것을 말함 인장강도는 작으나 압축강도가 크고 주조성이 좋으므로 비교적 많이 사용됨

고주파로 단면 2 순철 순철의 화학조성

Ⅱ.순철

순철의 변태(Transformation) 순철은 1539℃에서 응고하여 실온까지 냉각하는 동안 A4, A3, A2 변태 발생

냉각 가열

온도(℃) 변태 상변화 온도(℃) 변태 상변화

1401 Ar4 δ→ γ 1410 Ac4 γ→ δ

898 Ar3 γ→ α 910 Ac3 α→ γ

768 Ar2 약자성 → 강자성 768 Ac2 강자성 → 강약성

※ δ-Fe : BCC, γ-Fe : FCC, α-Fe : BCC

순철의 물리적 성질

Ⅲ.탄소강

순철의 기계적 성질

구분 탄성계수 (kg/mm2)

인장강도 (kg/mm2)

항복응력 (kg/mm2)

연신률 (%)

경도(HB)

값 2.1x104 25 - 26 12 - 14 80 - 85 60 - 65

3 탄소강 3.1 탄소강의 평형상태도

Cementite(Fe3C) 강(Steel) 속의 탄소는 Fe3C(Cementite)의 형태로 존재 탄소 6.67%를 함유한 백색침상의 화합물로서 매우 단단하며 상온 강자성체 Ferrite Ferrite : α-순철(BCC)에 탄소가 녹아 있는 α-고용체 α-고용체의 탄소용해도 : 723℃에서 0.035%, 상온에서 0.01% 탄소의 용해도가 너무 낮아 공업적으로는 거의 순철에 가까움 Austenite Austenite : 1.7%의 탄소를 포함한 γ-고용체(FCC) 탄소 1.7%는 주철과 강의 경계

Ⅲ.탄소강

Ledeburite : C점에 상응하는 γ+ Fe3C의 공정(Eutectic)

Pearlite : S점에 상응하는 공석(Eutectoid) 조직 (α+ Fe3C) ※ 공석과 공정의 차이 : 공정과 공석은 응고를 시킬 때 서로 구별되는 조직을 가진다는면에서는 동일하나 공정은 액상에서 고상으로 변할 때 나타나고 공석은 고상에서 고상으로 변할 때 나타남 공석강(Eutectoid Steel) : 탄소 0.86%의 강 아공석강(Hypo Eutectoid Steel) : 탄소 0.86% 이하의 강 과공석강(Hyper Eutectoid Steel) : 탄소 0.86% 이상의 강

공석강의 현미경 조직

Ⅲ.탄소강 ※ 탄소강의 평형상태도

Ⅲ.탄소강

3.2 탄소강의 성질

탄소강의 기계적 성질 및 조직

조직성질 Ferrite Pearlite Cementite

인장강도 (kg/mm2)

35 90 3.5

연신률(%) 40 10 0

경도(HB) 80 200 800

결정구조 BCC(α고용체) α고용체 + Fe3C의 공석 금속간 화합물

(Fe3C)

탄소강의 조직 및 기계적 성질

Ⅲ.탄소강

※ 탄소강의 고온 성질

Ⅲ.탄소강

망간(Mn) 선철 중에 존재하거나 탈산제의 일부로 잔존한 것이 강에 잔류하여 (0.2 - 0.8%) Ferrite(α-고용체)에 고용되거나 MnS의 형태로 존재 인장강도↑, 연신율 불변, 고온 소성 및 주조성↑ 황(S)에 의한 취성 방지 , 공구강에서는 0.2 - 0.4% 이하로 유지 규소(Si) 선철 중에 존재하거나 탈산제의 일부로 잔존한 것이 강에 잔류하여 Ferrite(α-고용체)에 고용(0.3 - 0.5%) 인장강도↑, 탄성한계↑, 경도↑, 연신율↓, 충격강도↓, 결정 크기↑, 접합성↓ 인(P) Fe와 결함하여 Fe3P 화합물 생성하고 결정이 크고 거칠어짐 Fe3P의 형태로 입계에 편석(Segregation)하여 충격내성을 감소시킴 경도 및 인장강도↑, 연신율↓, 상온취성의 원인 , 공구강에서는 0.025% 이하로 유지 황(S) Mn과 결합하여 MnS을 생성하고 잔류량은 Fe와 결합하여 FeS 생성 FeS는 공정(Eutectic)을 만들어 입계에 망상으로 분포하여 인장강도, 연신율, 충격내성을 저하시킴 FeS는 용융점(1193℃)이 낮아 고온취성의 원인이 되므로 보통 0.03% 이하 유지 동(Cu) 극소량이 Fe에 고용되어 인장강도, 탄성한계, 내부식성 향상 고탄소강에서는 0.25% 정도면 양호

3.3 탄소강 중의 함유원소의 역할