합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg, Ni, Cu, Cr, Mo...)

 

 

1. 개요

 

1) 합금강(steel)의 정의

C량을 0.5%까지 억제하고 합금원소 첨가하여 기계적 성질과 화학적 성질을 개선한 강 

 

2) 금속재료 특성

• 소성가공이 용이함 
  : 금속결합인 결정체로 구성되어있음
• 비중이 크고, 가공이 용이한것에 비해 강도가 높음 
• 적절한 열처리를 통해 강도나 연성의 성질을 양호하게 하고 기계적 성질, 화학적 성질을 개선할 수 있음 
• 사용 후 용해하여 재활용이 가능하고, 여러 합금원소를 이용해서 다양한 성질의 재료를 만들 수 있음 
• 도금, 표면처리, 도장 등의 적용이 용이함

 

2. 합금원소 종류별 특성 

 

1) 합금 원소 종류

• C (탄소)
• Mn (망간)
• Si (규소)
• S (황)
• P (인)
• Mg (마그네슘)
• Ni (니켈) 
• Cr (크롬)
• Mo (몰리브덴) 
• W (텅스텐) 
• V (바나듐)
• Cu (구리)
• Al (알루미늄)
• B (붕소)
• Co (코발트)
• Ca (칼슘) 
• Nb(니오븀)
• Ti (티탄) 

 

2) 강의 5대 원소별 영향과 특징

① C (탄소) : 퀜칭시 강도, 경도 향상, 기계적 성질 향상 

탄소는 강의 강도를 향상시키는데 가장 효과적이고 중요. 
철에 고용하고, 오스테나이트상태일때 퀜칭 열처리하여 마르텐사이트 조직을 형성시키게 함 

• 퀜칭시 경도, 강도를 향상시킴 
• Fe, Cr, Mo, V등의 원소와 화합하여 (금속간화합물) 탄화물을 형성하여 기계적 성질을 향상시킴 

② Si (규소) : 탈산제역할, 기계적 성질 향상 (인장강도, 경도, 탄성한도), 연신율 및 충격값 감소 

선철과 탈산제에 잔류(탈산제 역할)
SiO2와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트 속에 고용되어 탄소강의 기계적 성질에는 큰 영향을 미치지 않음. 

• 탈산제 역할 (하지만 2% 이상 첨가시 인성이 저하되고 소성가공성을 해쳐 첨가량에 한계가 있음)
• 재료의 인장강도, 경도, 탄성한도를 높임
• 연신율과 충격값은 떨어뜨림 

규소

③ Mn (망간) : 기계적 성질 향상, 자경성, 점섬증가, 고온가공 용이

탄소강에는 보통 0.3~1%의 Mn이 첨가되어있음 
S와 결합하여 비금속개재물 (Nonmetallic Inclusion)을 형성(MnS)
MnS를 형성함으로써, FeS 형성을 막아(저융점화합물) S의 악영향을 억제시킴 

• 탄소강의 항복강도 향상 (펄라이트 미세화) : 기계적 성질 향상
• 자경성을 줌 (쉽게 마르텐사이트조직으로 변태하게 해줌)
• 고온가공, 고온에서 인장강도 및 경도 증가 
• 퀜칭시 경화깊이 증대 (많을때는 퀜칭균열, 변형 야기) 
• 강에 점성 부여 (1~1.5% 함유시 강인강, 13%Mn + 1.3%C 함유된 오스테나이트강을 Hadfield강이라 부름 
• 약탈산제 (Fe-Mn) 페로망간은 망간 및 탄소함유량에 의해 분류하며 보통 주철 중의 망간 함유량을 조정하기 위해 사용, 탈산 및 탈황의 목적으로 사용됨

망간

④ P (인) : 불순물로 분류(인장강도, 연신, 충격치 감소), 피삭성 개선

Fe3P의 해로운 화합물 형성 
극히 취약하고 편석되어있어 풀림처리를 하여도 균질화되지 않음 

• 충격저항 저하
• 템퍼링 취성 촉진
• 피삭성 개선

인회석

⑤ S (황) : 불순물로 분류(인장강도, 연신, 충격치 감소),  피삭성 개선

Mn과 결합하여 MnS를 형성 
Mn의 양이 부족할때는 FeS를 형성하는데, FeS는 결정립계에 그물 모양으로 석출되어 있고 매우 취약하며 용융점이 낮음 
열간 및 냉간가공시 균열 발생 가능 (보통 Mn:S의 비를 5:1) 

• 기계적 성질 악화 (인장력, 연신율, 충격치 감소) 
• Mn, Zn, Ti, Mo등의 원소와 결합하여 강의 피삭성 개선 

황

 

3) 합금 원소별 특징

① Mg (마그네슘) : 구상화제, 접종효과

특수강은 아니지만, 주철 중 흑연의 구상화처리에 사용이 됨 (Ca, Ce, Mg)
첨가시 폭발성이 커서 Fe-Si-Mg, Cu-Mg, Ni-Mg의 형태로 사용
용철에 대한 용해도가 낮아 불균이링 되기 쉬움 

② Ni (니켈) : 기계적 성질, 부식저항, 내열, 오스테나이트 안정화원소 

• Ar1 변태점을 낮게 하고, 인장강도와 탄성한도 및 경도를 높임
• 부식에 대한 저항성을 증가시키고 인성을 해치지 않음 (합금 원소로 가장 좋음) 
• Ni은 강의 조직을 미세화시키고, 오스테나이트나 페라이트에도 고용이 잘되어 기지를 강화시킴
• Cr이나 Mo과의 공존하면 우수한 경화능을 나타내어 대형강재의 열처리를 용이하게 한다. (Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강 사용)
• Ni은 오스테나이트 안정화원소이므로 Cr과의 조합으로 오스테나이트계 스테인리스강, 내열강을 형성
  내열강(Ni은 C,N의 확산을 느리게 하여 내열강의 열화를 방지하며 팽창률, 강성률, 도자율 등도 우수함.
  (Fe-36%Ni강은 상온부근에서의 열팽창 계수가 0에 가까워 사용 용도가 넓음)

니켈

③ Cr (크롬) : 내마모성, 내식성, 내열성, 소입성

임계냉각속도를 감소시켜 담금질이 잘되게 함 
13%까지 첨가함으로써 오스테나이트 영역 확장 
취화를 일으키지 않는 탄화물 형성
10% 이상 첨가시 스테인리스강이 되고, 내산화성, 내식성, 내유화성 향상
구조용강, 공구강, 스테인리스강 및 내열강의 거의 전부에 함유되어있음 

• 내마모성 증가
• 내식성 증가
• 내열성 증가
• 소입성(담금질성) 증가 
• 오스테나이트영역 확장 
• 저온취성과 수소취성 방지하지만 템퍼링취성은 유발함 

크롬

흔히 자동차, 오토바이 등에서 많이 볼수있는 크롬도금

④ Mo (몰리브덴) : 취성 방지, 고온 인장강도 증가, 경도 증가, Ni 대용 역할 

0.1~0.3% 첨가시 Ni의 10배까지 경화능을 향상 
템퍼링 취성 저항성 부여 (Cr과 같이 넣으면 효과적) 
탄화물을 형성하여 고급절삭공구의 합금원소로 우수한 효과 
결정립 조대화 온도 상승 

• 뜨임취성 방지 
• 고온에서 인장강도 증가
• 탄화물 형성하여 경도 증가 
• Ni대용 

⑤ W (텅스텐) : 경화능, 내마모성, 고온경도 ,고온강도 향상

고온에서 인장강도와 경도를 향상시킴
가격이 비싸고 편석을 발생시키기 좋아(비중이 큼) 구조용강에는 잘 사용되지 않음 
경화능 향상, 탄화물 형성하여 절삭공구강에 많이 사용됨 

• 경화능 향상
• 탄화물 형성 

⑥ V (바나듐) : 결정립 미세화, 고온강도 증대, 비조질강 형성 

강의 조직 미세화 (미립탄화물 형성 능력이 큼) 
템퍼링 연화 저항성도 Mo 이상으로 좋음 
일반 탄소강에 첨가시 미세석출을 강화시켜 별도의 조질 열처리를 하지 않고도 원소재 상태에서 조질강과 동등한 강도를 확보 

※ 비조질강 : 열간압연, 열간단조를 불문하고 열간 가공상태 그대로 강을 강화하는 방법, 강에 적당량의 Ti, Nb, V등을 첨가

⑦ Ti (티탄) : 탈산제, 탈질, 경도 향상

O,N,C,S,H등과 강한 친화력을 가지고 있어 탈산, 탈질, 탈유에 흔히 사용됨 
탄화물을 형성하여 경도 향상 
석출경화효과 - 석출경화형 스테인리스강이나 영구자석 등에 이용됨

• 탈산, 탈질역할
• 경도 향상 

⑧ Nb (니오븀) : 비조질강 제조시 첨가, 결정립 미세화

강력한 결정립 미세화원소로서 결정립 조대화 온도를 상승
경화능을 저하시키며, 템퍼링취성을 감소시킨다. 

 

➈ Cu (구리) : 내식성 증대, 기계적 성질 약증대, 취성유발(극복 가능) 

강에 보통 0.1~0.3% 혼입 
고용강화효과, 미세석출에 의한 석출경화효과  

• 내산성, 내식성 현저히 증가 (P가 함께 존재할경우 더욱 효과적)
• 강도 및 경도 약간 증가 (연신율 저하)
• 적열취성 유발 (0.5% 함유시) : Ni, Mo 첨가시 현상을 현저히 개선 가능 

➉ Al (알루미늄) : 고온산화방지, 강탈산제

강탈산제로 작용하나 첨가량이 많으면 강을 취약하게 함 (보통 0.1% 이하로 첨가) 

• 고온산화방지
• 내유화성
• 강탈산제

➉ B(붕소) : 경화능(소입성) 현저히 증가, 적열취성 유발

미량 첨가(0.0005∼0.003%)로서 경화능을 현저히 증가시킨다. 과잉 첨가되면 Fe3B를 형성 하여 적열취성을 일으킨다. 

 

➉ Co(코발트) : 강의 고온강도 개선, 절삭공구 제작시 사용

가격이 비싸 일반적인 강에는 사용하지 않고 자석, 고급절삭공구, 내열재료 등에 첨가
강의 고온강도 개선 

 

➉ Ca(칼슘) : 탈산제

용강 중 기화하여 폭발하기 쉽기 떄문에 Ca-Si, Ca-Si-Mn 등의 상태로 첨가하여 비금속개재물의 상태 및 분포 조정 

 

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