1. 주강의 종류

   강의 주조품을 강주물, 또는 주강이라고 부른다. 주강은 단조강이나 압연강재와는 달리 소성가공을 하지 않고 사용하므로 그 성질은 용해 및 주조법에 의해서 상당히 영향을 받는다. 주강의 특징으로서는 복잡한 임의의 형상을 자유롭게 구현할 수 있으므로  기계가공 공정을 상당히 감소 시킬 수가 있다. 또한 단조강이나 압연강재에 비해 이방성이 없으므로 단조성이나, 절삭성을 고려하지 않고 재질을 선정할 수 있다. 다량생산이 가능하며 생산비가 저렴한 반면, 종래부터 주강은 신뢰성이 낮고 강인성에서 뒤진다고 인식되어 왔다. 최근에는 용해,주조,열처리기술 등이 진보하여 신뢰성이 상당히 향상되고 있다.

a. 성능별 분류 : 구조용, 고온용, 저온용, 내마모용, 내식용, 내열용으로 구분한다.

 - 저온용 : 상온이하 극저온까지의 사용온도에서 인성을 요하는 구조용강임

 - 고온용 : 보통 550℃까지 사용

 - 내열용 : 600℃이상에서 사용

b. 규격에 의한 분류

  KS, JIS, ASTM등 규격은 대개 a항과 같이 분류하나, 일부는 c항의 화학성분별 분류방법

  도 병용하고 있다.

c. 주강의 화학조성별 분류

Table1. 주강품의 분류예

※주강을 보통주강과 특수주강으로 구별하기도 하는데, 이는 탄소강주강과 합금강주강과의 구별로 보면 된다.

d. 기지조직에 따른 분류

  1. Ferrite기지, 또는 Ferrite＋Pearlite기지로 구성된 것

  2. Martensite기지로 구성된 것

  3. Austenite기지

  4. Ferrite＋Austenite기지,  5. 기타 2∼3相의 혼합기지로 구성된 것

2. 탄소강주강(보통주강)

  탄소강주강은 Carbon을 주성분으로 하고 Si, Mn, P, S 5대 원소로 구성된다.

Mn은 S의 영향을 감소시키기 위해 첨가되기도 하고, Si은 deoxidation을 위해 첨가 되지만 기본적으로는 장입재료로 부터 들어오는 불순물로 간주된다.

S의 주된 source는 Blast furnace(고로) 또는 cupolar(용선로)에서 사용하는 코우크스로부터 들어온다. P,Mn,Si의 주된 source는 flux로 사용하는 철광석  석회석, 환원제로 사용하는 첨가제이다.  Si은 주조품의 유동성(fluidity) 확보를 위해 어느정도 최소량이 필요하다. 타성분, 특히 Cu,Ni 등과 같이 쉽게 산화되기 어려운 원소는 장입재로부터 회수된다. 이 두가지 외에도 Cr,Mo,V등은 Spec.에 따라서 성적서 제출여부를 결정 가능함..

1) 저탄소강주강 : C가 0.2%이하, 철도차량, 자동차부품, 용접구조물등 외에 내마모용으로써 표면침탄경화 기어등에 사용된다.

2) 중탄소강주강 : C가 0.2%∼0.5%범위 이며, 열처리에 의해 우수한 기계적성질이 얻어지는 것과 용접성이 비교적 양호하다는 등의 잇점을 갖고 있는 관계로 보통주강중에서는 사용범위가 가장 넓으며 선박, 철도등의 수송기계, 공작기계, 제철.제강 설비, 토목건설기계, 석유화학공업, 발전관계, 건축 구조물등 모든 분야에 사용되고 있다.

3) 고탄소강주강 :  C가 0.5%이상 이고, 주로 내마모용으로 사용되며 금속가공용의 다이스, 공구, 광산토목기계의 내마모부품으로 사용되고 있다. Table2 에는 탄소주강품, Table3에는 저합금주강품의 용도에 관해 나타냈다.

Table 2. 탄소강주강품의 용도例

3. 합금강주강

 1) 저합금강 주강

  저합금강 주강은 기계적성능 및 물리적성질 그리고 내식성등의 개선을 위하여 Carbon이외에 합금원소를 의도적으로 첨가한 것으로 합금원소 첨가량의 범위는 다음과 같다.

  또한 Co, Cb, Mo, Ni, Ti, W, V, Zr 그밖에도 합금첨가 효과를 얻기 위해  다른 원소들을 첨가할 수도 있다. 합금원소의 첨가효과는 첨가된 원소가 steel내에서 완전히 용해 되어야 극대화 될 수 있다. 만약 어떤 원소가 Fe 또는 steel내에 존재하는 다른 원소와 화합물(compound)를 형성하거나, 형성하려는 경향을 가진다면 합금원소의 첨가효과는 감소 할 것이다. 예를들면 경화능(Hardenability)을 향상시키기 위해 Cr을 첨가하는 경우, Cr carbides가 오스테나이트에 고용 되도록 열처리시 austenite화 온도를 충분히 높여 주어야 한다. 그렇지 못한 경우 Cr과 Carbon의 첨가에 의한 경화능 증가효과는 줄어들게 되는 것이다.

Table 3. 구조용 저합금강 주강품의 용도例

2) 고합금 내마모주강

   재료가 내마모성을 목적으로 사용되는 경우 일반적으로 내마모성은 사용하는 재료의 경도와 관계가 있으며 경도가 증가할수록 마모성은 좋아진다. 그러나 경도증가와 함께 인성이 저하되므로 재질의 선정시에는 반드시 사용조건을 충분히 검토하여 화학성분과 열처리 조건을 결정해야 한다.  내마모주강은 martensite(저합금)계와 austenite계(고망간계)로 분류할 수 있다.

a. Martensite(저합금)계 내마모주강

  토목건설용 기계등에서는 구조물로써 높은 강도와 인성이 필요함과 동시에 표층부 혹은 국부적으로 경도를 높게 함으로써 이 부분의 내마모성을 높이려고 하는 경우가 많다.

이를 위해서 일반적으로는 C함량이 높고 소입성이 좋은 재질인 고장력탄소강, 합금강 중에서 C합량이 0.3%이상의 것을 사용한다.  반면 내마모용 주강관련 KS, JIS등에는 표준재질이 적어서 각 메이커별로 독자적인 규격을 채용하는 경우도 많다.       

Table 4. 고합금 내마모주강, 주물의 분류 물성비교

 b. Austenite계(고망간계)   

  고 Mn강은 발명자의 이름을 따서 Hadfield강 이라고도 부르는 대표적인 내마모강이며 광범위하게 이용되는 非磁性의 austenite기지의 강이다. 이 강의 특징은

① 가공경화성이 매우크며, 이 효과에 의해 고경도의 표면층을 얻을 수 있다는 것과

② 높은 인장강도와 신율을 갖고, 점성이 매우높고 충격에 강하다는 점과

③ 보통주강에 비해 제작공수가 적어도 되며 경제적으로 값이 싸다는 점을 들 수 있다.

  이러한 특성을 이용하여, 커다란 충격하중 하에서 마모되기 쉬운 부분에 내마모부품으로써 이용된다. 대표적인 예로는 철도의 Rail Crossing, 파쇄기용 齒板, Mandrel, 파쇄기용 Hammer, Ball Mill의 Liner 등이 있다.  고망간강의 또하나의 특성은 透磁率이 거의 1에 가까워, austenite계 stainless강과 동등한 非磁性 재료로, Ni, Cr을 합금한 특수 고망간강주강의 경우, 發電機 전자강판의 押金具, 고압 碍子의 지지金具등 에 적용되고 있다. 내마모용 고망간강 주강의 화학조성을 Table 5에 나타냈다. JIS에 5종이 규격화 되어 있고 BS, DIN, ASTM에도 규격화 되어 거의 세계공통규격이다.

이들 규격(Table 5참조)은 모두1.1%C- 13%Mn을 중심으로 하며,

- 延靭性을 중시하여 탄소량을 낮게, Mn량은 높게 규정한 재료와,

- 항복점을 높이기 위해 C를 높게하고, Cr, V을 첨가한 재료 Group으로 형성되어 있다.

  이 중에는 SCMnH 11종의 생산량이 최대이고, 대표적인 재료로 파쇄기부품을 중심으로 범용적으로 채용되고 있다. SCMnH 2종은 Rail Crossing과 고속회전Hammer에 많이 적용되고 있는 재료이다.

Table 5. 고망간강 주강품의 규격(JIS G5131-1991)

a) 화학성분

b) 기계적성질

 ▶ 결정립미세화에 의한 기계적성질의 개선효과

  고망간강 주강의 결정립을, 통상 얻을 수 있는 오스테나이트 결정입도번호 2에서, ＋2정도까지 미세화 하면, 항복, 인장 강도, 신율이 대폭 개선되어, 소성변형에 따른 주조부품의 파손, 탈락사고 방지 및 피로강도 개선에도 효과가 있다는 것이 잘 알려져 있다. 근래  결정립 미세화방법으로 (1) 합금법 (2) 기계적 전자기적 교반법 (3) 열처리법 (4) 저온주조법등이 연구되고 있다.

3) 내식주강

 a. 내식주강의 분류 : 통상적인 조직의 구성으로 보면 Martensite계, Ferrite계, Ferrite- Austenite계, Austenite계, 석출경화계로 구분된다. 그러나 이러한 분류법은 편의상 구분하는 것도 있다는 것에 유의할 필요가 있다.

예를들면 17-4PH강은 Martensite계로 분류하지만, 소위 18-8스텐레스강은 일본에서는 관습적으로 Austenite계로 분류하는 관습이 있음에 반해 미국에서는 Ferrite-Austenite계 또는 Austenite계로도 분류되기도 한다.

Table 6. 내식주강의 종류

 b. 내식주강의 규격 : JIS에서는 23종의 스텐레스강 주강품이 규정되어 있으며, 미국에서는 ASTM A217-83, A351-83, A487-83, A743-83, A744-83, A747-83 등에 용도에 따라 스텐레스주강이 36종으로 규정되어 있다. ASTM은 강종별 명칭을 ACI(Alloy Casting Institute)의 호칭을 채용하였고, 미국에서는 이것을 일반적으로 사용하고 있다.

※ 합금명칭 기호표시  C F- 8 M

                     ④③ ②①  

① 특수원소의 첨가표시(이 경우 Mo)

② 탄소함유량의 상한치 표시(% ×100)

③ 합금의 표준 Cr-Ni 조성을 표시 A→Z의순으로 Ni량이 증가

④ Corrosion resistant의 약자

Table 7에는 Stainless주강에 관한 ACI(ASTM)규격과 강종별 특징을, 그리고 Table 8, 9에는

내식주강의 일반적인 특징 및 용도예를 나타냈다.

Table 7. Stainless주강에 관한 ASTM규격과 강종

Table 8 내식주강의 일반적인 특징 및 용도

Table 9 내식주강의 일반적인 특징 및 용도

4) 내열강주강

  약 650℃이상에서 사용되는 고Cr계 및 고Cr-Ni계의 고합금강주강을 내열주강이라고 부른다. Stainless주강과 거의 동일한 Cr,Ni 함유량인 것도 있는데, 모두 C 및 Si 함유량이 높고 Creep강도와 내산화성의 개선을 목적으로 하는점이 다르다.

 Fe-Cr계: Cr 8∼30%, Ni<10%

 Fe-Cr-Ni계: Cr≥18%, Ni≥8%

 Fe-Ni-Cr계: Cr≥10%, Ni≥23%

a. 내열주강의 특성

  내열주강은 일반적으로 단조재나 압연재처럼 소성가공을 실시하지 않으므로 내열성을 더욱 향상시킬 수 있는 유효한 합금성분의 첨가가 용이하다. 예를들면 C 또는Cr을 높일수 있어서 단조재, 압연재보다도 높은 creep강도 및 파단강도를 얻을 수 있다.

내열주강은 일반적으로 as-cast 상태로 사용된다. 따라서 주조한 그대로의 물리적 기계적성질을 생각해서 용도에 적합한 재질을 선정해야 한다. 또한 내열주강은 보통주강보다도 수축율이 크고, 열전도도가 낮으며 고 Cr계에서는 유동성이 나쁜 관계로 수축, 균열, 탕경등의 주조결함이 생기기 쉬우므로 주조방안에 특히 유의해야 한다.    

b. 내열주강이 구비해야 할 제성질

 ① 표면의 안정성(내산화성과 내식성)

 ② 최고 사용온도에서의 creep강도

 ③ 사용온도 靭性

 ④ 침탄질화에 대한 저항성

 ⑤ thermal fatigue에 대한 저항성

 ⑥ 내마모성 ⑦ 열팽창계수 ⑧ 상온강도

 ⑨ 열전도도 ⑩ 가공성 ⑪ 용접성

 등을 들 수 있는데 모든 조건을 갖춘 만능의 내열강주강은 존재하지 않으므로 사용조건을

 잘 검토하여 용도에 맞는 강종을 가장 경제적으로 선택할 필요가 있다.

c. 내열강주강의 강종 선정의 지침

   강종선정의 지침으로는 상세한 사용조건과 강종의 특징을 잘 살려서 가장 경제적으로 선정해야 하는데, 사용조건으로서 검토해야 할 사항은  

 ① 사용온도(상용온도와 최고온도)  ② 사용분위기의 종류  ③ 연료의 종류

 ④ 주강품과 접촉하는 용융금속 또는 鹽의 종류

 ⑤ 하중의 종류와 크기

 ⑥ 가열방법(연속인가, 단열인가, 단열인 경우에는 온도범위, 주기, 도수 등)

 ⑦ 부품에 생기는 온도구배 ⑧ 팽창계수 ⑨ 마모의 상황

 ⑩ 원하는 수명과 가격 등이다.

 한편, 내열강주강의 선정지침중의 하나로 화학성분에 관해 다음과 같은것을 고려할 수

 있다.

 ① C량이 증가할수록 고온인장강도는 커진다.

 ② Si량이 증가할수록 고온강도는 감소하나 침탄에 대한 저항성은 커진다.

 ③ Cr량이 증가할수록 내식성 내산화성이 커진다.

 ④ Ni량이 증가할수록 고온에서의 인장강도는 어느정도 떨어지나 열충격에 대한 저항성은

    커진다.

 ⑤ Ni량이 증가할수록 침탄되기 힘들게 된다.

Table 10. ACI에 의한 내열강의 분류