비금속 개재물 (Nonmetallic Inclusion) / 금속화합물

 

 

1. 개요

 

1) 비금속 개재물 개요

 강 중에는 여러 가지 비금속 개재물이 섞여있음 

 

2) 비금속 개재물 구분

• 황화물 (MnS)
• 알루미나계 산화물 (Al2O3)
• 실리케이트 산화물 (SiO2) 
• 구형 산화물 (CaO + Al2O3) 
• 외래성 개재물 
• 산화철 계열(Fe2O3, FeO)
• MnO2, MnO 

분포 형태별 분류

① A계 개재물 (가공으로 점성변형한 것)

황화물계(MnS등), 규산염계 (Si계열) 

 

② B계 개재물 (가공방향으로 집단을 이루어, 불연속적 입상의 개재물이 정렬된 것

Al2O3 등

 

③ C계 개재물 (점성변형하지 않고 불규칙하게 분산하여 존재하는 것

입상산화물들; FeO, MnO, CaO 등..

 

3) 비금속 개재물의 영향

• 재료 내부에 점재하여 인성을 해치므로, 여리고 약해지는 원인이 됨
• 열처시 개재물로부터 균열이 발생하기 쉬움 
• 산화철, 알루미나, 철의 규산염 등은 단조나 압연 중 균열을 일으키기 쉬우며 적열 취성의 원인이 됨 

 

2. 비금속 개재물별 생성 원리 / 영향 

 

1) 슬래그 개재물  

① Al2O3 (알루미나) 

산화 알루미늄. 알루미늄을 공기중에 놔두면 산화알루미늄이 된다 (알루미늄과 산소의 화합물) 

• 초경합금 공구 표면에 코팅해서 사용함 (경도, 내마모성 매우 우수) 
• 액체침탄법시, 염욕에서 침탄질화를 방지하기 위해 제품에 도포
• 주조시 슬래그의 생성원인인데, 슬래그는 코크스의 회분 성분인 SiO2와 Al2O3가 산성슬래그를 형성하고, 노벽의 내장용 내화물이 슬래그를 형성함. 
• 주조시 내화물의 역할도 함(내화물 종류 : SiO2, Al2O3, SiC, Cr2O3, MgO, CaO)
• 탈산제로 주철에 Al을 넣는 이유기도 함 (Al이 O2와 반응하여 Al2O3 형성 → 슬래그로 제거) 
• 코크스의 회분 성분 (무기질)

② SiO2 (실리케이트 산화물, 규산염, 실리카)

"SiC와 구분할 것 (SiC는 탄화규소, 알루미나와 함께 초경합금 등 공구강 코팅에 사용)"

• 탈산제로, Fe-Si를 넣으면 산소와 반응하여 SiO2형성 
• 규사의 주 성분 (규사의 주성분은 실리카, SiO2) 
• 정밀주조 제조시 점결제로 사용 (무수규산, SiO2 기반의 콜로이들 실리카 점결제, 에틸 실리케이트 점결제) 
• 코크스의 회분 성분 (무기질) 
• 내화물로 사용 

침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로

③ 황화물

• FeS(황화철, 철과 결합)
• MnS (FeS와 결합을 막기 위해 Mn 첨가시 형성되는 비금속개재물 

④ MnO (산화망간) 

• 탈산제로 Fe-Mn(페로망간)을 넣으면 Fe와 MnO 형성 
• 액체침탄법시 침탄질화를 방지하기 위해 재료에 SiO2를 도포하기도 함 

⑤ 외래성 개재물

용탕의 재련 과정에서 외부로부터 유입된 이물질 (모래, 흙, 석회암, 도가니 벽돌, 용접봉 등

⑥ 구형산화물 (CaO 등) 

• 기계적 성질 저하
• 취성을 증가, 내식성 감소 
• 탈산을 통해 제거 , 슬래그에 포함되어있기 때문에 슬래그를 확실히 제거 

 

2) 슬래그(slag)란? 

슬래그란, 광재, 용광로, 큐폴라 등에서 광석이나 금속을 녹일 때 용제나 비금속 물질(비금속 개재물), 금속 산화물(금속간 화합물) 등이 쇳물 위로 뜨거나 찌꺼기로 남는 총칭 
열간 가공시 표면에 생기는 얇은 산화막은 스케일이라고  지칭하며 피복아크용접시 용제에 의해 용융지 위에 부상하는 물질도 슬래그이다 

슬래그의 생성원인은 코크스의 회분 성분인 SiO2와 Al2O3가 산성슬래그를 형성하고, 노벽의 내장용 내화물이 슬래그를 형성함. 또한 장입된 Si, Mn, Fe등의 산화물에 의해 FeO, SiO2, MnO 등이 슬래그를 형성하며 강설에 부착된 녹 또는 모래, 조재제 자체가 슬래그가 된다. 

 

3) 스케일이란? 

열간가공시, 혹은 고온에서 열처리시 강의 표면에 산화가 발생해서 생기는 얇은 산화철, 산화막 (금속과 산소가 반응하여 생김)  

• 열전도율 감소
• 표면 결함 발생 (해당 부위에 침탄시 침탄이 덜되어서 향후 균열을 야기할 수 있음) 
• 산화방지 (산화로부터 방지) 
• 가공 공수 및 시간 소모 (스케일 제거를 위한 노력 필요) 

스케일 제거 방법

• 기계적 제거 : 샌드 블라스팅, 와이어 브러싱, 숏피닝 
• 화학적 제거 : 산세척 등 

2024.03.20 - [Mechanical Engineering Study/특수가공] - 숏피닝 (Shot Peening), 숏블라스트, 샌드블라스트, 그리트 블라스트

 

연속주조나, 열간단조시 색이 변한 강의 표면에 생기는 거무튀티한 물질이 스케일

 

4) 물유리란? 규산나트륨 (Na2SiO3, NaSiO2)

물유리가 규산나트륨 수용액임. 
물유리, 혹은 규산나트륨 수용액은 주조, 열처리, 용접 전범위에서 튀어나옴 

• 피복제의 성분 중 하나로 아크 안정제로 사용 
• 피복제의 성분 중 하나로 고착제로 사용 (심선에 피복제를 고착) 
• 액체침탄법시, 염욕에서 침탄질화를 방지하기 위해 제품에 도포 
• CO2 주조시, 규사에 규산나트륨을 4~6% 첨가해서 혼련시켜 조형 후 이산화탄소를 불어넣어 경화시킴. 이때 탄산 나트륨이 생기고 산화 규산의 겔화가 진행되서 사립이 견고하게 결합됨 
• 자경성 주형법 (스스로 경화)에서 자경성 점결제를 첨가하는데, 점결제로 물유리를 사용. (물유리 사용 // 발열 자경성 주형 - 페로실리콘, 칼슘 실리케이트 등을 혼합 // 비발열 자경성 주형 - 경화제로 슬래그를 사용) 

 

아.. CO2 주조시 규산나트륨을 첨가한 다음 혼련했지

사형주조 (Sand Casting), 주조 결함, 도형제, 이형제, 사형 주조 순서, 주물사 세부 이론

5) 탄산나트륨 (Na2CO3) 

규산나트륨과 생긴게 비슷해서 같이 정리

• 탈황제로 사용 

 

3. 금속간 화합물 (Intermetallic Compounds)

 

1) 금속간 화합물의 정의

금속과 금속 사이의 친화력이 클 때, 2종 이상의 "금속"원소가 간단한 원자비로 결합되어 성분 금속과 다른 성질을 가지는 독립된 화합물을 만들때, 이 화합물을 금속간화합물이라 함. 

 

 

2) 금속간 화합물 특징

• 일반적으로 취약(Brittle)함
• 견고함
• 융점이 비교적 높으나, 일부 불안정하여 낮은 온도해서 분해하는 것도 있음 

 

3) 금속간 화합물 종류 

• Fe3C (시멘타이트)
• Cu4Sn 
• Cu3Sn
• CuAl2 (Al-Cu계 알루미늄 합금 (2000계열)의 고용화열처리 후 시효경화시 석출물) 
• Mg2Si
• MgZn2