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3. 특수강(합금강)

합금강이라고 하며 보통 탄소강에 기계적 성질, 화학적 성질, 물리적 성질을 향상하기 위하여 비철계 금속 Cr, Ni, W, Si, Mn, V, Co 등을 첨가하여 만든 강을 말한다.

(1) 구조용 특수강

[1] 강인강

① Cr강(SCr)
Cr을 0.9-1.2% 첨가하여 강도를 증가시키고 내열성, 내식성, 내마멸성이 우수하여 기어, 캠, 축, 강력 볼트, 너트 등의 재료다.

② Ni-Cr강(SNC)
Ni만을 첨가한 강은 강도는 크나 경도가 낮다. Cr을 첨가하여 경도를 향상시켜서 사용한다. 850°C 에서 담금질하고 600°C 에서 뜸임하면 강인한 소루바이트 조직이 되어 강도를 요하는 동력 전달용 제품으로 사용한다. 백점, 뜨임취성 발생이 심하다. (뜨임취성 방지제: W,Mo,V)

③ Ni-Cr-Mo(SNCM)
Ni-Cr강에 Mo을 0.15-0.7%첨가하여 내열성 및 담금질 효과가 향상되며 뜨임 메짐도 막을 수 있다.

④ Cr-Mo 강(SNC)
담금질이 쉽고 뜨임 메짐이 적으며 열간 가공이 쉽다. 용도는 각종 축, 기어, 강력볼트, 암, 레버 등에 사용된다.

⑤ Mn-Cr 강(SMnC)
Ni-Cr강 중의 Ni대신 Mn 첨가하여 질량효과가 크고 인성이 크다.

⑥ Cr-Mn-Si 강
구조용 강으로서 값이 싸고 기계적 성질이 좋아 차축 등에 널리 사용된다.

⑦ 고력강도 강
인장 강도가 크고 용접성이 좋은 고력 강도강은 대부분 저망간 강(펄라이트 망간강, 듀콜강)이라 한다.

⑧ 고 Mn 강
Mn의 함량이 10-14% 첨가한 강으로 오스테 나이트 망간강 또는 하드필드 망간강이라하며 내마멸성이 우수하고 경도가 크므로 각종 광산 기계, 기차 레일의 교차점, 칠드 클러등에 사용된다.

[2] 표면 경화용 강

① 침탄용 강
＊ 기계구조용 탄소강: SM09Ck, SM15Ck, SM20Ck
＊ Cr 강(SCr): SCr415, SCr420
＊ Cr-Mo 강(SCM): SCM415, SCM418, SCM420, SCM421, SCM822
＊ Ni-Cr 강(SNC): SNC415, SNC815
＊ Ni-Cr-Mo 강(SNCM): SNCM21-23종, SNCM25-26종
＊ Mn 강(SMn): SMn21
＊ Mn-Cr 강(SMnC): SMnC21

② 질화용 강: Al, Cr, Mo 등을 함유한 합금강 사용
＊ Al: 질화층의 경도를 높여준다.
＊ Cr, Mo: 재료의 기계적 성질 증가한다.

[3] 쾌삭강(SUM)

탄소강에 S,Pb,P,Mn을 첨가하여 절삭성을 개선한 구조용 강으로 쾌삭강이라 하며 황계, 황-인계, 황-납계, 황-인-납계가 있다.

(2) 공구용 합금강과 공구 재료

[공구강의 구비조건]

＊ 경도가 크고 높은 온도에서도 경도를 유지하여야 한다.
＊ 내마멸성이 커야 한다.
＊ 강인성이 커야 한다.
＊ 열처리가 쉬어야 한다.
＊ 가공이 용이하고 가격이 싸야 한다.

[1] 탄소 공구강(STC)

0.6-1.5% C의 고탄소강으로 담금질로써 강도와 경도를 개선하고 뜨임에 의해 점성강도를 부여한다.

[2] 함금공구강(STS)

①고탄소강은 일반 공구재료로 사용되지만 고온에서 경도가 떨어진다. 그래서 고속절삭, 강력절삭에는 부적합하다.
② 함금공구강의 탄소공구강의 결점을 보완한 것으로 강에 크롬, 텅스텐, 바나듐, 볼리브맨등을 첨가한 것으로 담금질 효과가 크고 뜨임 취성을 방지한다.
③ 결정입자가 미세하고 경도가 크다.
④ 내마멸성이 우수하다.
⑤ 고온에서 경도가 유지되어 절삭공구형 단조용 공구로 사용

<여러가지 합금원소의 효과>

원소

효 과

Ni

강인성과 내식성 및 내산성을 증가시킨다.

Mn

적은 양일 때에는 Ni과 거의 같은 작용을 하며, 함유량이 증가하면 내마멸성을 커지게 한다.
S에 의하여 일어나는 메짐을 방지하게 한다.

Cr

적은 양의 경도와 인장 강도를 증가시키고, 함유량의 증가에 따라 내식성과 내열성을 커지게 하며, 자경성과 탄화물을 쉽게 만들고 내마멸성이 커지게 한다.

W

적은 양일 때에느 Cr과 거의 비슷하여 탄화물을 만들기 쉽게 하고, 경도와 내마멸성을 커지게 한다.
또, 고온 경도와 고온 강도를 커지게 한다.

Mo

W과 거의 흡사함, 그 효과는 W의 약2배이다. 담금질 깊이를 크게 하고 크리프저항과 내식성을 커지게 한다. 뜨임 메짐을 방지한다.

V

Mo과 비슷한 성질이나 경화성은 Mo보다 훨씬 더 하다.
Cr또는 Cr-W과 함께 사용하여야 그 효력을 크게 발휘한다.

[3] 고속도강(SKH)

고속도강은 500-600°C에서도 경도가 저하되지 않고, 내마멸성도 커서 고속 절삭공구로 적당하다.

※ 담금질 온도: 1250-1300°C, 풀림: 850-900°C

① 종류
(가) 텅스텐 고속도강: W(18%)-Cr(4%)-V(1%)으로 표준 고속도강이라 한다.
고속도강은 담금질 상태보다 550-580°C 에서 뜨임하면 경도가 담금질했을때보다 크게 되는데 이를 고속도강의 2차 경화라 한다.
※ 고속도강의 뜨임 목적: 경도 증가. 열처리 온도: 1300°C

(나) 코발트 고속도강: 용융점이 높아서 담금질 온도를 높여서 성능을 좋게 한다.

(다) 몰리브덴 고속도강: 3-11% Mo을 함유한 고속도강이나 Mo의 증발을 막기위하여 봉사 피복 또는 염욕 가열하고 뜨임 메짐방지
※ 열처리 온도: 1220°C

[4] 주조 경질 합금

① 주조상태의 것을 연마하여 사용, 열처리 하지 않아도 충분히 경도를 가지며 Co-Cr-W-C 주성분인 것을 스텔라이트라 한다.
② 금형에 주입하여 연마성형, 단조, 절삭 불가능하며 고속도강보다 절삭속도는 빠르나 인성은 떨어지고 충격, 압력, 진동 등에 대한 내구력이 약하다.
③ 절삭공구, 다이스, 드릴, 끝, 의료 기구 등의 제작에 사용된다.

[5] 초경합금

① 금속 탄화물의 분말형의 금속원소를 프레스로 성형한 다음 이것을 소결하여 만든 합금이다.
② 절삭공구, 다이, 내열, 내마멸성이 요구되는 부픔에 많이 사용되고 고온 경도가 가장 우수하다.
③ 탄수화물의 종류 Wc, Tic, Tac 이다.
④ 소결 경질 함금은 Wc, Tic, Tac등의 분말에 코발트 분말을 결합재로 하여 혼합한 다음 금형에 넣고 가압, 성형한 것을 800-1000°C 에서 소결 후 희망하는 모양으로 가공하고 이것을 수소기류 중에서 1400-1500°C 에서 소결시키는 분말 야금법으로 제조한다.
⑤ 종류: S 종(강절삭용), D 종(다이스), S 종(주철용)

[6] 세라믹 공구

① Ceramic 이란 ‘도기’라는 뜻으로 점토를 소결한 것이다. 알루미나 ( Al₂O₃) 주성분으로 거의 결합재를 사용하지 않고 소결한 공구로 고속도 및 고온 절삭에 사용된다.
② 성분의 대부분은 알루미나, 금속 첨가물은 구리, 니켈, 망간 등이다.
③ 열을 흡수하지 않아 과열의 염려가 없으며 철과 친화력이 없어 구성날 끝이 안생기며 고속 정밀가공에 적합하다.
④ 내부식성과 내산화성이 있다.
⑤ 비자성체, 비전도체이며 항절력이 초경합금에 비해 1/2배이다.

[7] 다이아몬드 공구

경도가 커서 절삭공구로 사용되며 선반, 보오링용으로 사용되며 정밀절삭 및 비철금속 및 유리절삭 등에 사용된다.

(3) 특수용도 특수강

[1] 스테인리스 강

철강은 값이 사고 강도가 크나 부식이나 녹이 생기는 결점이 있다. 따라서 강 중에 니켈이나 크름을 첨가해주면 내식성이 좋아지면 대기중 수중, 산 등에 잘 견디는 성질을 가지게 되는데 이를 스테인리스 강이라 한다.

① 13 형 스테인리스 강(13% Cr)
(가) 페라이트계 스테인리스 강이라 한다.
(나) 강인성 및 내식성이 있고 열처리에 의해 경화할 수 있다.
(다) 고크롬강이 내식성을 가지는 것은 강의 표면에 크롬산화막이 생겨 이것이 보호작용을 하기 때문이다.
따라서 황산, 염산과 같이 크롬산화막을 침식하는 산에는 내식성을 잃는다.

② 18-8형 스테인리스강(18% Cr – 8% Ni)
(가) Cr, Ni이 많은 것은 내부식성이 크다.
(나) 티탄: 내부식성을 저하시키는 크롬, 탄화물의 형성을 막는다.
(다) 몰리브덴: 내황산성을 높인다.

[2] 내열 강

① 고크롬강은 내열강으로 사용되는데 클롬강은 높은 온도에서 크롬의 산화피막이 나타나며 내부로 산화되는 것을 막는다.
② 산화속도는 온도가 높을수록 빠르므로 크롬의 함유량이 사용온도에 따라 증가하여야 한다.
③ Al이나 Si는 산화알루미늄(Al₂O₃)과 산화규소(SiO₂)를 만드는데 이들도 내열성이 좋다.

[3] 영구 자석 강

자석강은 잔류자기와 항자력이 크고 온도, 진동, 자장의 산란에 의해 자기를 상실하지 않는 영속성이 필요. 처음엔 고탄소강이 사용된다. W, Cr, Co등을 함유한 것이 더욱 좋게 되어 합금 원소 함유강에 사용한다.

※ 비자성강: 오오스테나이트강, 고Mn강, 고Ni강, 18-8 스테인레스강

[4] 규소강

규소강은 자기감웅도가 크고 잔류 자기 및 항자력이 작아 변압기 철심, 교류기계 철심등에 사용된다.

① Si 1%: 연속으로 운전하지 않은 발전기, 전동기 철심
② Si 2%: 발전기의 회전자, 유도 전동기의 회전자
③ Si 2.5%-3.5%: 유도전동기 고정자용 철심, 전동기, 발전기
④ Si 4%: 변압기의 철시, 전화기 등

[5] 베어링 강

① 강도, 경도, 내구성이 필요하며 C 1.0 - Cr 1.2%의 고탄소 크롬강이 사용된다.
② 베어링강은 담금질 후에 반드시 뜨임하여야 한다.

[6] 게이지 강

① 정밀기계, 기구, 게이지 등에 사용된다.
② 내마멸성, 내식성이 좋고 열처리에 의한 신축 및 담금질에 의한 균열이 적고 영구적인 치수 변화가 없어야 한다.
③ 치수 변화 방지를 위해 시효처리하여 200°C 이상의 온도에서 장기간 뜨임해서 사용
④ 녹이 슬지 않을 것

[7] 고니켈 강(불면강)

① 인바아(Invar 36% Ni): 팽창계수가 0.1 x 10^-6으로 정밀 기계부품, 시계 등에 사용
② 엘린바아(Elinvar 36% Ni, 12% Cr): 상온에서 탄성율이 거의 불변, 회중시계의 부품에 사용.
③ 퍼어멀로이(Permalloy C 0.5%, Ni, 12% Cr): 상온에서 탄성율이 거의 불변, 회중시계의 부품에 사용.
④ 플래티 나이트(Platinte Ni42 – 46%, Cr 18%) : Fe-Ni-Co 합금, 전구, 진공관 도선용.