#강의5대원소
탄소가 주철에 미치는 영향
주철에 있어서의 탄소는 시멘타이트와 흑연상태로 존재하며, 주철의 성질을 개선하기 위해서는 이들 2가지 형태의 탄소가 적당히 조합되어 있어야 한다. 이것의 탄소 존재 상태는 다음 인자에 의해서 결정된다.
1. 냉각속도
2. 화학성분 (Si량과 Mn량)
냉각속도는 늦을수록, Si량은 많을수록, 그리고 Mn량은 적을수록 흑연의 양이 많아진다.
시멘타이트는 주철을 단단하고 강하게 하지만, 그 양이 0.9% 이상이 되면 너무 단단하여 여려진다. 한편, 흑연의 양이 많아지면 주철은 무르고 강도가 낮으나, 그 분포 상태 및 형상이 미세해질수록 강도가 높아진다.
Mn의 영향
Mn은 탄소강에 있어서 탄소 다음으로 유용한 원소이다.
Mn은 제강원료로 사용한 선철 중에서 또는 제강시에 탈산, 탈황제로도 첨가되어 그 일부가 강 중에 남아있다.
탄소강 중의 Mn량은 0.2~1.0% 정도이다.
Mn의 일부는 강 중에 고용하고, 나머지는 MnS로서 결정입계에 혼재하고 있으나, MnS는 FeS보다 강에 해롭지 않다.
Mn이 페라이트 중에 고용되면 다음과 같은 영향을 준다.
1. 강의 변태점을 낮추어 담금질의 임계냉각속도를 느리게 함으로써 담금질 효과를 증가시킨다.
즉, 경화능이 대단히 좋아진다.
2. 높은 온도에서의 결정의 성장, 즉 걸칠어지는 것을 감소시킨다.
3. 어느 정도까지는 강의 경도, 강도, 인성을 증가시키는 반면에 연성은 약간 감속한다.
즉, 기계적 성질이 좋아진다.
4. 강의 점섬을 증가시키고 고온가공은 용이하나, 냉간가공에는 불리하다. 공구강에서는 담금질 균열이 생기기 쉬우므로 그 함량을 0.2~04.%로 하고, 유냉시에는 약간 높게 한다. 세미킬드(반경) 강의 단조에는 0.6% 정도, 레일강에는 0.8%, 연강의 경우에는 1.0%까지 함유하는 경우고 있다.
Si의 영향
Si는 선철과 탈산제에서 잔류하게 되며, 보통 1.0~0.35%를 함유한다.
Si가 페라이트 중에 고용하면 다음과 같은 영향을 준다.
1. 강의 인장강도, 탄성한계, 경도를 크게 한다.
2. 연신율과 충격값을 감소시킨다.
3. 결정립을 조대화하고, 소성을 낮게 하여 냉간가공성이 나빠진다.
4. 용접성을 저하시킨다.
P의 영향
원료에 포함되어 있던 불순물이 함유된 것이며, 강 중에서는 2가지의 형태로 존재한다.
하나는 Fe의 일부와 결합하여 인화철(Fe3P)로 석출하여 존재하고, 또 하나는 유리상태의 P으로 철 중에 고용하여 존재한다. 이것이 미치는 영향은 다음과 같다.
1. 결정입자를 조대화 시킨다.
2. 경도와 인장강도를 증가시키고, 연신율을 감소시킨다.
3. P는 특히 상온 이하에 있어서 충격값을 급격히 저하시키고, 가공 시 균열이 발생하기 쉬워 여리고 약한 재질을 만든다. 이것을 상온 취성이라고 한다. 이것을 억제하려면 P의 함량을 0.02% 이하로 하면 취성을 방지할 수 있다.
4. P는 일반 강재 중에서 약 0.06% 이하 포함되어 있으며, 이것이 균일하게 분포되어 있으면 별로 영향을 받지 않으나, 매우 편석되기 쉬운 결점을 갖고 있다. 대부분 인화철 상태로 응고 시 결정입자의 주위에 편석 된다. 또한 Fe3P는 확산속도가 매우 느려 풀림처리를 하여도 편석한 것이 확산되지 않고 단조, 압연을 하면 길게 늘어난다.
P가 농축된 부분에는 MnS, MnO의 슬래그 등이 함께 편석하여, P로 인한 페라이트 띠모양 조직(대상조직)이 된다. 이러한 페라이트의 띠모양 조직 부분을 고스트 라인이라고 한다. P의 해는 탄소가 많을수록 현저하게 나타나며, 공구강은 0.03% 이하, 세미킬드 강은 0.045% 이하, 연강제는 0.06% 이하로 제한한다. 강 중의 P의 분포사항은 염화구리 용액으로 부식시켜 육안 검사로써 쉽게 검출할 수 있다.
S의 영향
강 중의 S는 대부분의 경우 Mn과 결합해서 황화망간 MnS로 존재한다.
이것은 슬래그의 일종으로 비중이 적어 대부분이 용강의 표면에 떠올라 슬래그로 제거되나, 소량은 강 중에 존재한다. 이것이 편석 되어 강재의 약점이 되며, 파괴의 원인이 되기 쉽다. 만약 강 중의 Mn의 양이 충분하지 못할 경우에는 황화철 FeS가 되어 존재한다. 이것은 노란색으로 여리고 약하며, 철과 공정하여 결정립계에 그물모양으로 분포한다. 황이 FeS 상태로 존재하면 다음과 같은 영향을 받는다.
1. S의 함유량이 0.02% 이하일지라도 강의 인장강도, 연신율, 충격값 등이 감소한다.
2. 황화철은 용융점이 낮기 때문에 고온에 있어서 미치는 해는 더욱 크며, 열간 가공 시 균열이 잘 생기게 한다. 즉 1100~1200'C의 온도에서 S의 영향으로 취성을 나타낸다. 이것을 적열취성이라 한다.
일반적으로 공구강이나 열처리를 요하는 강재는 0.03% 이하, 연강은 0.05% 이하로 하는 것이 좋다. 강 중의 S의 분포 상항은 설퍼 프린트법으로 파악할 수 있다. 이 방법은 강재를 H2SO4 용액 중에 침적시켜 브로마이트 인화지로 덮어서 10~20분간 방치한 후 떼어 내면 S와 H2SO4가 반응하여 황화수소 H2S가 발생하여, 인화지에 흑갈색 또는 흑색의 반점이 되게 하여 S의 분포상태와 양을 아는 방법이다.
Cu의 영향
강 중의 구리는 원료 선철 중에 흔희 고용되었던 것으로 탄소량이 많을수록 적게 포함되며, 강에 미치는 영향은 Ni와 흡사하다.
1. A1변태점을 저하시킨다.
2. 인장강도, 경도, 탄성한도 등을 증가시킨다.
3. 내식성을 향상시킨다.
Cu의 양이 0.5% 이하일 경우에는 별로 해롭지 않으며, 그 양이 0.25% 이하이면 열간가공성에는 영향이 없으나, 냉간가공성과 단접성을 해친다.
비금속 개재물의 영향
강 중에는 여러 가지의 비금속 개재물이 섞여 있다. 이것에는 Fe2O3, FeO, MnS, MnO2, Al2O3, SiO2, 등이 있으며, 이것들을 슬래그 개재물이라고도 하며, 일반적으로 강철의 성분표에는 표시되어 있지 않으나, 항상 소량의 비금속 개재물이 함유되어 있으며, 많이 개재되어 있을 경우에는 다음과 같은 영향이 나타난다.
1. 비금속 개재물은 재료의 내부에 점재하여 인성을 해치므로, 여리고 약해지는 원인이 된다.
2. 열처리의 경우에 개재물로부터 균열을 일으키기 쉽다.
3. 산화철 알루미나, 철의 규산염 등은 단조나 압연 중에 균열을 일으키기 쉬우며, 적열취성의 원인이 된다.
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