합금강(特殊鋼, Alloy steel, Special steel)

[1] 합금강의 일반적인 성질

1) 합금강의 성질 개선

① 기계적 성질 향상, 내식성, 내마멸성의 증대 및 담금질성 향상시킨다.

② 단접 및 용접이 용이하며, 전자기적 성질의 변화, 결정입도의 성장 방지한다.

③ Austenite의 입자 조정, 변태속도의 변화, 소성가공성을 개량한다.

2) 합금강의 장점

① 인장강도, 경도, 강인성, 피로한도 등 기계적 성질이 개선된다.

② 내식성, 내마멸성, 내고온산화성 개선 및 고온에서 기계적 성질 저하를 방지한다.

③ 결정입자 성장을 방지하고 강의 경화능을 증가시킨다.

④ 열팽창을 적게 하고 보자력을 크게 하며 전기저항을 증대시킨다.

⑤ 담금질효과의 증대 및 담금질경도 저하를 방지한다.

⑥ 열처리 후의 공작성의 저하를 방지하고 단접성 및 용접성을 증가시킨다.

3) 합금강의 단점

① 특수원소가 만드는 탄화물로 고온에서 단단하다.

② 열전도율이 낮아 가열할 때 온도가 고르지 못하다.

③ 표면에 생긴 산화막이 잘 벗겨지지 않는다.

④ 결정조직이 복잡하여 단조, 압연을 할 때 결정파괴가 곤란하다.

4) 특수 원소의 일반적인 성질

(1) Austenite 구역 확대

Fe-C 평형상태도에서 A3변태점을 강하하고 A4변태점을 상승시키는 형태이다.

㉮ Austenite구역 생성형：Ni, Mn

㉯ 공석변태형：C, N, Cu

(2) Austenite구역 축소

Fe-C 평형상태도에서 A3변태점을 상승하고 A4변태점을 강하시키는 형태이다.

㉮ γ구역 폐쇄형：Cr, W, Si, Ti, V, Al, Be, P, As, Zr, Ta

㉯ γ구역 축소형：B, S, O, Ce

[2] 합금의 분류

1) 구조용 합금강

(1) 강인강：Ni강, Cr강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mn강, Mn강, Cr-Mo강 등

(2) 침탄강：Ni강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mn-Mo강

(3) 질화강：Al-Cr강, Cr-Mo강, Al-Cr-Mo강

2) 공구용 합금강

(1) 절삭용강：W강, Cr-W강, 고속도강

(2) 다이스용：Cr강, Cr-W강, Cr-W-V강

(3) 게이지강：Mn강, Cr강, Mn-Cr-Ni강, Mn-Cr-W강

3) 내식용․내열용 합금강

(1) 스테인리스강：고Cr강, 고Cr-Ni강, Cr-Ni-Mo강

(2) 내열강：고Cr강, 고Ni강, Cr-Ni강, Cr-Mo강, Ni-Cr-W강

4) 특수 목적용 합금강

(1) 쾌삭강：Mn-S강, Pb강

(2) 스프링강：Si-Mn강, Si-Cr강, Cr-V강

(3) 철심재료：Si강판

(4) 영구자석강：담금질경화용, 석출경화용, 미립자형

(5) 전기저항용 합금강：Ni-Cr계, Ni-Cr-Fe계, Fe-Cr-Al계

(6) 자석강：Fe-Co-Cr-W계, Fe-Ni-Al계, Fe-Co-Mn계, Fe-Ni-Co계, Fe-Al-Co계

(7) 불변강：Ni강, Ni-Cr강, Ni-Co강

[3] 합금원소의 영향

1) 기계적 성질에 대한 영향

(1) Fe의 경도 증가 원소：Cr>W>V>Mo>Ni>Mn>Si>P

(2) C와 N는 침입형 고용체로서 P 이상으로 경화한다.

(3) 천이온도를 낮게 하는 원소는 Ni, Mn이고, 현저히 높게 하는 원소는 C, P, Si이다.

(4) 고온 Creep강도는 Mo의 효과가 대단히 크다.

2) Ni의 영향

(1) Fe에 고용되어 담금질성이 향상되고 인성이 증가한다.

(2) 인장강도, 항복점, 강인성, 내산성 증가, 연신율, 질량효과가 감소한다.

(3) 용접성, 단접성을 약화시키지 않고 저온취성을 감소시킨다.

(4) Ni이 첨가된 강은 풀림시 Pearlite조직이 미세화되고 Ferrite조직이 강해진다.

(5) Cementite를 불안정하게 하므로 흑연화를 촉진한다.

3) Cr의 영향

(1) 탄소와 결합하여 탄화물을 만들며 내마모성, 내식성, 내열성이 향상된다.

(2) 함유량이 많으면 500~600℃에서 뜨임하여도 경도는 증가한다.

(3) 함유량이 적어도 강도, 경도를 증가시키고, Ferrite조직을 강화한다.

(4) 임계냉각속도가 작고 담금질성이 향상되며 결정입자 크기를 방지한다.

(5) 뜨임취성을 일으키며, Martensite의 뜨임에 의한 연화를 느리게 한다.

4) Mn의 영향

(1) 적열취성을 방지하며 고장력강, 강인강 등의 합금원소로 사용한다.

(2) Cementite를 안정하게 하고 담금질성의 향상이 크다.

(3) 탈산, 탈황 및 고용강화효과가 있다.

(4) 함유량이 많아지면 내마멸성을 크게 증가시키며, 적열취성을 방지한다.

5) Si의 영향

(1) 탈산제(0.4% 이내)이며 Ferrite를 강화하고 탄성한도를 상승시킨다.

(2) 함유량이 적으면 강도, 경도를 조금 향상시키고 많아지면 내마멸성을 크게 증가시키고 전자기적 성질을 개선하며, 히스테리현상, 맴돌이 잔류에 대한 손실이 적다.

6) W의 영향

(1) 고온강도, 경도, 내열성이 증가되고 담금질조직을 안정화시키며 인성이 있다.

(2) 함유량이 적으면 크롬과 거의 같은 작용을 하며 잔류자기 및 보자력이 크다.

(3) 함유량이 많아지면 탄화물 생성을 용이하게 하여 경도, 내마멸성을 증가시킨다.

7) Mo의 영향

(1) 고온에서 크리프강도를 높이는 효과가 있으며 담금질깊이를 깊게 한다.

(2) 열처리효과가 깊게 하고 뜨임취성을 방지하며 P에 의한 저온취성을 방지한다.

(3) 내식성 증가, 인성 향상, 단조, 압연, 용접 및 절삭이 용이하다.

8) Ti의 영향

(1) 제강시 산소, 질소 등의 제거와 편석 방지 및 결정입도를 미세하게 한다.

(2) 담금질성을 향상시키고 탄화물 생성을 용이하게 한다.

(3) 결정입자 사이의 부식에 대한 저항을 증가시킨다.

9) V의 영향

(1) γ구역을 축소하며 내마모성, 고온경도, 인장강도, 탄성한계를 높인다.

(2) 인성을 감소시키며 조직을 미세화시켜 강화한다.

10) Co, Cu, B의 영향

(1) Co：Cr과 함께 사용되어 고온강도와 고온경도를 증가시킨다.

(2) Cu：석출경화가 일어나기 쉽고 내산화성을 증가시킨다.

(3) B：경화능을 향상시킨다.