재료설계실습 제 4 주차 합금설계
목차 I. 합금함량분석하기 Ⅰ-1. 합금성분시료채취기법활용 Ⅰ-2. 분석장비의선정 II. 합금함량조정하기 Ⅱ-1. 합금성분이기계적특성에미치는영향이해 Ⅱ-2. 분광분석방법및장비사용 III. 합금설계표준만들기 Ⅲ-1. 합금원소의역할파악 Ⅲ-2. 합금설계표준서작성 1
I. 합금함량분석하기 Ⅰ-1. 합금성분시료채취기법활용 학습목표 합금성분시료채취기법을활용하여시료를채취할수있다. 원부자재특성에따라원소별합금합량의허용범위및분석기기의오차범위를파악할수있다. 필요지식 1 시료채취 1. 시료채취과정 (1) 시료채취및시료에대한일반적인요구조건을확인한다. (2) 고체합금의경우제품에서시료를채취하고, 용융물합금의경우스푼으로시료를채취한다. (3) 제품시료는시료의상태에따라예비제조를한다. (4) 고체에서채취한예비시료와용융물에서채취한스푼시료및탐침시료는분석용시료로만든다. (5) 분석기기의필요에따라예비처리를거쳐시험시료로준비한다. 2
고체합금 액체합금 [ 그림 1-1] 시료채취과정 3
2. 시료준비 (1) 시료의양 : 용융물로부터얻은분석용시료는불균등성이분석방법의변화에영향을주지않도록화학조성에관하여균일하여야한다. (2) 시료의크기 : 고체질량형태로있는예비시료의치수는선택적인분석방법을사용한다. 필요한재분석을위해서얻을수있는여분의분석용시료가충분하여야한다. (3) 증명 : 분석용시료는유일한증명을지정하고, 필요에따라용융물의가공조건, 예비시료의위치또는시료제품에있는분석용시료를지정한다. (4) 보관 : 분석용시료를분리하고보호하기위해서적당한보관설비를제공한다. 제조하는동안및제조후분석용시료는오염이나화학변화를막는방법으로보관한다. 4
3. 시료의선택 (1) 용융물시료 ( 가 ) 시료는주물제품의시방에따라화학조성을검증하기위해용융물을주조하는동안얻을수있다. ( 나 ) 주물생산을하려는액체금속의분석용시료는제품표준에따라기계적인시험의목적을위해서주조한금속과동일한금속으로부터주조한시험막대또는블록으로부터선택한다. (a) 작은잉곳모양 (b) 원기둥모양 (c) 디스크모양 (d) 직사각형블록모양 [ 그림 1-2] 용융합금의시료채취형태 5
(2) 제품시료 ( 가 ) 예비시료나분석용시료는이용이가능할경우, 제품사용에서나타내고있는위치에서시료제품으로선택한다. ( 나 ) 주조품의분석용시료는주물로주조한막대또는블록으로부터선택한다. ( 다 ) 단조품의분석용시료는단조를실행한처음시작물질이나단조의연장또는추가적인단조로부터얻는다. ( 라 ) 예비시료또는분석용시료의경우, 기계를사용하거나또는절삭용토치를사용하여시료제품으로부터얻는다. ( 마 ) 주조제품으로이루어지는시료채취단위는각주괴를완전히관통하도록구멍을뚫어시료를채취한다. 구멍의위치와수는시료채취가대표성을나타낼수있도록한다. ( 바 ) 분리가가능한주조제품은각시료채취단위의전체단면을절삭또는톱질하여시료를채취한다. 4.. 시료의제조 (1) 예비제조산화에의한변화, 표면의코팅및기름등과같이시료의일부분이화학조성에있어서대표성이떨어지면이러한부분을시료로부터제거하거나표면의오염을제거한다. (2) 재용융에의한제조재용융의공정동안일부성분의부분적인손실이일어날수있다. 성분의일부가선택적인휘발이나분리, 또는조성에있어서일부다른변화를정량적으로알아야하고이것이분석결과에중요한영향을미치지않아야한다. 6
5. 기타시료의제조방법 (1) 중력주조에의해시료제조 ( 가 ) 도가니에 Al 합금을용융시킨다음전기로내에서서냉하여응고시킨다. ( 나 ) 중력주조법으로응고된합금은중앙부분을절단하여준비한다. [ 그림 1-3] 중력주조법에의한시료채취 7
(2) 다이캐스팅법에의한방법 ( 가 ) Al 합금을유도용해한다음다이캐스트주형에주입한다. ( 나 ) 서냉후주형에서분리한다. ( 다 ) 완성된주조품의각부위별로절단하여시료로사용한다. ( 라 ) 합금의종류에따라개량처리를하여사용한다 출처 : 김동현 (2014). Sr 개량처리에의한 ADC 12 종합금의미세조직과인장강도변화에관한연구, 12. 순천향대학교학위논문 [ 그림 1-4] 다이캐스팅법에의한시료채취 8
(3) 스퀴즈주조법에의해시료제조 ( 가. ) Mg 계합금의모합금을보론나이트라이트 (BN) 로코팅된흑연도가니에아르곤가스분위기에서유도용해를한다. ( 나 ) 가로 55 mm, 세로 35 mm, 두께 2~3 mm의관상의시편은물로냉각된스퀴즈주조법을사용하여응고한다. [ 그림 1-5] 스퀴즈주조법에의한제작된시료 9
2 합금함량의허용범위 1. 합금함량의허용범위 (1) 기계구조용탄소강재 탄소함유량이 0.05~0.6% 의것을포함하고있다. < 표 1-1> 기계구조용탄소강재의화학조성 강종 화학성분 (%) C Si Mn P S SM10C 0.08~0.13 0.15~0.35 0.30~0.60 <0.030 <0.035 SM20C 0.18~0.23 0.15~0.35 0.30~0.60 <0.030 <0.035 SM30C 0.27~0.33 0.15~0.35 0.60~0.90 <0.030 <0.035 SM40C 0.37~0.43 0.15~0.35 0.60~0.90 <0.030 <0.035 SM50C 0.47~0.53 0.15~0.35 0.60~0.90 <0.030 <0.035 출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 3752) 10
(2) 내열강 조직에따라페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계, 석출경화계로구분한다. < 표 1-2> 내열강의화학조성 종류 기호 화학성분 (wt.%) C Si Mn Ni Cr W V 비고 오스테나이트계 마르텐사이트계 STR31 0.35~0.45 1.50~ 2.50 <0.60 13.00~15.00 14.00~16.00 2.00~ 3.00 - STR330 <0.15 <1.50 <2.00 33.00~37.00 14.00~17.00 - - STR1 0.40~0.50 3.00~3.35 <0.60 13.00~15.00 14.00~16.00 2.00~ 3.00 - STR600 <0.08 <1.00 <2.00 24.00~27.00 13.50~16.00-0.10~ 0.50 석출경화계 페라이트계 STR446 <0.20 <0.10 <1.50-23.00~27.00 - - P: 0.04 이하, S: 0.030 이하 출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 3731~3732) 11
(3) 니켈황동 7:3 황동에 7~30% Ni 을첨가한합금으로 Ni 10~20%, Zn 15~30% 합금이많이사용된다. < 표 1-3> 양백봉및선의화학조성 기호 Cu Pb 화학성분 (%) Fe Zn Mn Ni 비고 C7451 63.0~67.0 <0.03 <0.25 나머지 <0.05 8.5~11.0 C7521 62.0~66.0 <0.03 <0.25 나머지 <0.05 16.5~19.5 C7541 66.0~64.0 <0.03 <0.25 나머지 <0.05 12.5~15.5 C7701 54.0~58.0 <0.03 <0.25 나머지 <0.05 16.5~19.5 C7941 66.0~64.0 0.8~1.8 <0.25 나머지 <0.05 16.5~19.5 쾌삭양백 출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 5102) 12
(4) Al 합금 3~5% Si 를첨가하면주조성이개선되며금형주조물로사용된다. < 표 1-4>Al 합금봉의화학조성 합금기호 화학성분 (wt.%) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Bi Pb Ti Al 2011 0.40 0.7 5.0~6.0 - - - 0.30 0.20~0.6 0.20~0.6-2014 0.50~1.2 0.7 3.9~5.0 0.4~1.2 0.20~0.8 0.10 0.25 - - 0.15 2017 0.20~0.8 0.7 3.5~4.5 0.40~1.0 0.40~0.8 0.10 0.25 - - 0.15 2117 0.8 0.7 2.2~3.0 0.20 0.20~0.50 0.10 0.25 - - - 2024 0.50 0.50 3.8~4.9 0.30~0.9 1.2~1.8 0.10 0.25 - - 0.15 나 머 지 2030 0.8 0.7 3.3~4.5 0.20~1.0 0.50~1.3 0.10 0.50 0.80~1.5 0.20 0.20 출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 6763) 13
2. 분석기기의오차범위 스파크원자방출분광분석방법에서강의정량분석에대한정밀도는표준편차허용값이하로한다. 정밀도는기기분석용인증물질을연속적으로 6 회이상방출세기를측정하여정량값을구하고, 각각정량값의표준편차로나타낸다. < 표 1-5> 스파크방전원자방출분광분석방법에의한강의병행표준편차허용값 (steel) ( 단위 : %) 성분 성분함유량의범위 병행표준편차허용값 * C 0.013 이상 0.14 미만 3 (0.01308 C% + 0.00045) 0.14 이상 0.49 이하 3 (0.00198 C% + 0.00201) Si 0.10 이상 1.42 이하 3 (0.0094 Si% - 0.00038) Mn 0.12 이상 1.79 이하 3 (0.00508 Mn% + 0.00011) P 0.04 이상 0.038 이하 3 (0.01275 P% + 0.00009) S 0.02 이상 0.041 이하 3 (0.02630 S% + 0.00006) Ni 0.015 이상 4.0 미만 3 (0.00598 Ni% + 0.00034) 4.0 이상 20.6 이하 3 (0.00740 Ni% - 0.00533) Cr 0.011 이상 3.3 이상 15.0 이상 3.3 미만 15.0 미만 25.6 이하 3 (0.00413 Cr% + 0.00043) 3 (0.00148 Cr% + 0.00920) 3 (0.00820 Cr% - 0.09160) Mo 0.010 이상 2.43 이하 3 (0.0603 Mo% + 0.00016) Cu 0.024 이상 0.49 이하 3 (0.00719 Cu% + 0.00025) V 0.010 이상 0.40 이하 3 (0.00413 V% + 0.00009) * 각성분의원소기호 % 는각성분에대하여병행정밀도를구할때얻은정량값 (%) 의평균값출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 1652) 14
수행과제 합금성분시료채취기법활용하기 A. 재료 자료 각종분광분석시험용재료표준시험편세트, 페로니켈 30kg, 아연합금주괴 (30kg) 5개 페로니켈잉곳또는조각 - 샘플링방법 (KS D ISO8050) 아연및아연합금-시료채취방법 (KS D ISO20081) 철합금, 구리합금, 알루미늄합금, 마그네슘합금및페로니켈등각종규격대비표 합금성분함량에따른품질사양 합금의시료채취와시료제조방법 분석장비에관한지식 B. 기기 ( 장비 공구 ) 합금설계재료의규격및제품도면, 컴퓨터및주변기기, 합금시뮬레이션프로그램 진공용해설비, 시료채취용금형, 전기드릴, 선반, 분광분석장비 15
C. 안전 유의사항 보호복, 손보호및안면유리등의개인보호장비착용 시료채취작업후정리 정돈 용해금속의주조시튐에주의 주조시료채취시열에의한손상주의 고체시료채취를위한기계사용시작동방법숙지 시료제조시기름이나오염물등에의한불순물혼입방지 시료제조시파편에의한손상주의 16
D. 수행순서 1 페로니켈의잉곳이나조각으로부터분광분석용시료채취를한다. 1. 시료준비를한다. 시료채취는용융물또는시료제품의평균화학조성을대표하는분석용시료를제공하도록설계한다. (1) 용윰물, 칩또는분말형태로있는분석용시료의양은 100g 정도준비한다. (2) 시료는길이 200mm미만크기의원뿔형이나디스크형태로한다. (3) 지정된증명이분석용시료에남아있도록라벨또는일부동일한표시방법을사용한다. 분석및기록을인용한품목의확인을위해서혼동이생기지않도록시료의증명, 상태및조건을기록한다. (4) 고체질량형태로있는예비시료는보관한다음, 분석용시료는필요할때제조한다. 분석용시료또는고체질량형태로있는예비시료는시험실험실의청결을위해서충분한시간동안유지한다. 17
2. 주조시 1차시료를채취한다. (1) 페로니켈을용해한다. (2) 잉곳은일반적으로원뿔형태로준비한다. (3) 시료를빠르게냉각할수있도록주형은블록형태의구리로제작한다. (4) 균열이나기공이없는작은잉곳이필요한경우페로니켈 1kg당칩이나선형태의 Al로탈산을시킨다. (5) 용융상태의페로니켈을스푼으로시료를채취한다. (6) 각용해물로부터 4~8개의작은잉곳을주조하는동안일정한간격으로채취한다. (7) 작은잉곳의하단부분이수축에의한변형이없고균질하여분석에적합하기때문에바닥에서부터 70mm정도의높이까지분석시료로사용한다. (8) 작은잉곳은디스크로절단한후고체금속의분석을위해사용한다. (9) 여러개의작은잉곳을각각여러차례분석하여정확성을높인다 (10) 정확한분석을위해시료의양을충분히채취한다. ( 단위 : mm) [ 그림 1-7] 페로니켈합금의시료채취형태 (11) 일부작은잉곳의길이가짧거나균열이나기공이있는경우라도분석을 위해용해물로부터 5 개의작은잉곳을준비한다. 18
3. 용해물로부터취한작은잉곳의 2차시료를채취한다. (1) 각각의작은잉곳은카보런덤이나코런덤으로만들어진절단용공구를사용하여지름이작은바닥으로부터약 10~15mm의크기로 2개나눈다. (2) 시료가가열되거나금속의결정구조가변하는것을막기위해물로냉각시킨다. (3) 디스크로잘라낸작은잉곳의절단면을적당하게가공한후금속고체의형광 X선분석이나광학적발광분석에사용한다. (4) 분석할작은잉곳은 2~5개를준비하고, 1개잉곳에서 1~3회의정량을한다. (5) 더큰조각은 2가지방법에서하나를택하여칩으로만든다. ( 가 ) 드릴링 : 새로절단된면이위로향하게하고, 작은잉곳의상위부분에 관이도달되지않을만큼의깊이로드릴링을한다. 드릴구멍의깊이를 약 50 mm정도까지로한다. 지름 20 mm의드릴을사용할경우 100g 정도의 칩이얻어진다. 모든칩을채집해야하는경우그림과같은장치를 사용한다. ( 나 ) 밀링 : 새로절단된표면의원뿔형표면은코런덤또는카보런덤연마기로연마하여깨끗하게한다. 절단면으로부터약 20 mm깊이까지 밀링한다. 이때약 100g 정도의칩이얻어지는데, 모든칩을채집해야 한다. 출처 : KS D ISO8050 [ 그림 1-8] 드릴링에의한칩의채취 19
4. 제품시료를선택한다. 아연합금주괴의경우화학분석을목적으로하는질량 30kg을초과하는시료는다음절차에따라구멍뚫기를한다. (1) 선택한주괴판은앞으로붙여평평하게최대 5개의주괴를집단으로주형에나타난기준으로뒤집어놓는다. (2) 주조자국이각주괴에있어같은방식으로놓이도록한다. (3) 각집단에서앞서배치한직사각형에서가로지르는대각선을그린다. [ 그림 1-9] 주괴의배열. [ 그림 1-10] 주괴의대각선그리기 20
(4) 지름약 15mm초경드릴을이용하여윤활제없이정렬한주괴의대각선상에서각각의주괴의세지점에서구멍을낸다. (5) 구멍을내는간격은대각선상에서개별주괴의짧은면에대해 1/4 되는지점과 3/4 되는지점으로한다. (6) 주괴의구멍뚫을정확한위치에패임 (notch) 이존재한다면가능한제일가까운다른위치를선택한다. (7) 구멍을뚫을때그지점이열에의해산화되지않도록하기위해두께 0.2~0.5mm로구멍을뚫는다. [ 그림 1-11] 주괴의구멍뚫기 21
5. 시료의예비제조를한다. (1) 금속의표면은제조하는동안적용한일부코팅을제거하기위해서적당한수단을사용하여기계가공의한지점에서 완전히벗기도록한다. (2) 기름을제거하는방법이분석의정확성에영향을주지않도록주의하여적당한용매를사용하여금속표면의기름을 제거한다. 6. 시료의재용융에의한제조를한다. (1) 작은조각또는칩의형태로있는시료또는시료제품자체의일부분은상업적으로이용이가능한용융장비를사용하여아르곤분위기에서재용융한다. (2) 시료는물리적인분석방법에적당한지름 30~40 mm및두께 60 mm인디스크로변환한다. (3) 일부형태의재용융장비는디스크원심력의주조를위한설비를결합한다. (4) 재용융을위해서사용하는장비나적용방법은조성의변화가최소의상태이거나없어야한다. (5) 일부변화가있는경우재현성이있도록설계한다. (6) 분석측정의보정을위해서사용한방법은발생할수있는일부변화를고려한다. 22
2 합금함량의허용범위를확인한다. 1. 금형용공구강에서합금함량의허용범위를파악한다. (1) 인터넷에연결하여, KS 표준열람서비스홈페이지 (https://standard.go.kr) 를찾는다. (2) 표준번호검색란에 KS D 3753을입력한다. (3) 아래표에서열간금형용공구강의종류에따른주요성분및 Cr, Mo, W, V의함량허용범위를작성한다 < 표 1-6> 열간금형용공구강의화학조성 23
2. Cu 합금에서합금함량의허용범위를파악한다. (1) 인터넷에연결하여, KS 표준열람서비스홈페이지 (https://standard.go.kr) 를찾는다. (2) 표준번호검색란에 KS D 5101를입력한다. (3) 아래표에서인청동의종류에따른 Pb, Fe, Sn, Zn 및 P 등의함량허용범위를작성한다. < 표 1-7> Cu 합금봉의화학조성 24
3. Al 합금함량의허용범위를파악한다. (1) 인터넷에연결하여, KS 표준열람서비스홈페이지 (https://standard.go.kr) 를찾는다. (2) 표준번호검색란에 KS D 6008을입력한다. (3) 아래표에서주물용 Al 합금의종류에따른 Si, Fe, Cu, Mn 및 Mg 등의함량허용범위를작성한다.. < 표 1-8> 주물용 Al 합금의화학조성 25
4. Mg 합금함량의허용범위를파악한다. (1) 인터넷에연결하여, KS 표준열람서비스홈페이지 (https://standard.go.kr) 를찾는다. (2) 표준번호검색란에 KS D 6016을입력한다. (3) 아래표에서주물용 Mg 합금의종류에따른 Al, Zn, Mn, Zr 및희토류등의함량허용범위를작성한다. < 표 1-9> 주물용 Mg 합금의화학조성 26
Ⅰ-2. 분석장비의선정 학습목표 합금성분함량을파악하기위해최적의장비를선정할수있다. 분석장비를사용하여합금함량분석을실시할수있다. 파악된분석자료를함량조정에반영할수있다. 필요지식 1 정량분석용장비 1. 정량분석기기 (1) 방출분광분석장치 (Emission Spectrochemical Analysis) 전기나열에너지로시료를들뜨게하여발광시켜서, 그때방출되는방출스펙트럼을이용하는분석법이다. 발광분광분석이라고도한다. 가장뛰어난분석법의하나로, 시약이거의필요없을뿐만아니라정성 ( 定性 ) 정량 ( 定量 ) 의양쪽분석을실시할수있는특징이있다. 또한감도 정밀도가모두높고, 분석결과를신속히알수있으므로거의모든원소나이온분석에응용되고있다. 시료에에너지를가하는방법에따라아크분광분석 스파크스펙트럼분석 불꽃분광분석등으로분류하는데, 그밖에도기체방전에의한방법도실시되고있다. 금속고체를그대로또는적당히성형하여시료로사용하고, 전극을사용하거나시료용액을만들고보조전극을사용하여분석목적에따른방출조건에따라방전방출시킨다. 방출스펙트럼을분광기에의해분광시킨다음분석원소에대한각분석선의세기를광전관으로측정하고, 미리표준시료로부터작성한검정곡선을이용하여분석시료의각원소함유량을정량한다. 27
(2) 유도결합플라스마질량분석기 (inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS) 아르곤플라스마로원소를이온화시키고, 질량분석기로이온을분리하여시료중의원소를분석하는데사용되는기기. 질량분석기의일종으로 10 12 이하의작은함량을지니는금속과몇가지비금속원소의농도를측정하는데이용한다. 유도결합플라즈마를이용하여시료를이온화시키고, 해당이온들을질랑분석기를이용하여분리한다. 원자흡수기술 (atomic absorption techniques) 과비교하면 ICP-MS 는빠른속도와정밀도 (precision), 민감도 (sensitivity) 를 지닌다. ICP-MS 에의한분석은유리그릇이나시약의오염물질을추적하는데더욱민감하다. 하지만몇가지이온의존재는다른이온의감지를방해한다. ICP-AES 보다다양한분야에적용할수있으며, 동위원소분류 (isotopic speciation) 를포함한다. 핵기술에적용하는것이 가능하기때문에, ICP-MS 의기기는특별한법령의규제를받는다. 금속에대해높은온도의광원을시료원자의들뜨기원으로사용하므로보다많은시료를들뜨기화, 이온화시켜높는감도를갖는다. ICP-AES( 유도결합플라스마원자방출분광기, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry) : 고온 (6,000K) 의아르곤플라스마로원자를들뜨게하면각원자들은특정복사선을방출하는데이방출복사선의파장및 세기를측정하여특정원소를정량및정성분석하는기기. (3) 원자흡수분광광도계 (atomic absorption spectrophotometer) 원자가고유한파장의빛을흡수하는특성을이용하여시료를정량하는장치. 금속원자를불꽃또는전기로등에의하여높은온도로가열함으로써만들어진기체상태의중성원자를자외선또는 가시광선영역의복사에너지를쬐어줌으로써일어나는복사에너지흡수현상을기초로분석하며, 감도가예민하다. 28
2. 분석용장비의선정 (1) 구성원소의종류를조사하기위해서정성분석을실시하고, 구성원소의함유량을구하기위해서는정량분석을실시한다. (2) 합금중의조성분석및불순물인미량원소의정량분석을행할경우용액분석이적합하다. (3) 합금을칭량한후적당한산에녹여서메스플라스크에일정량수용액으로제조한다. (4) 시료를용해한수용액을구성원소에따라원자흡수분광광도계나유도결합플라스마질량분석기로분석을수행한다. 29
2 합금함량분석 1. 분석기기의검출능력 (1) 방출분광분석법의검출능력 많은원소에대하여분석속도와 1ppb 이하의검출한계가있다. 하나의배열검출기로써전체스펙트럼을높은분리능으로수초내에기록한다. 감도의한계는기기와관심이되는원소에따라변한다. 기기의검출한계는 95% 신뢰도로검출한다.. < 표 1-10> 스파크방전원자방출분광분석방법에의한철및강의정량범위 출처 : 국가표준인증정보시스템 (KS D 1652) 30
(2) 유도결합플라스마분광법의검출능력 주기율표상의거의모든원소 ( 거의 80 개 ) 의분석이가능하며, P, B, W, Zr, V, 희토류원소와같은내화물원소의미량분석이가능하다. 검출한계가비불꽃원자흡광 (flameless atomic absorption) 법보다높고, 원자흡광법과비슷한 1~5% 정밀도를갖는다. 다색화분광기와컴퓨터를이용하여동시에많은원소의분석이가능하다. 검정곡선은 0.1~10ppb 의검출능력을갖고주성분및미량분까지동시정량이가능하다. < 표 1-11> 유도결합플라스마분광법의검출하한 31
(3) 원자흡수분광법의검출능력 감도는수용액에서투과한빛의세기에서 1% 감소를일으키는농도로정의하며, μg /L 로나타낸다. 검출한계는세기가분석바탕용액과묽은용액으로이루어진일련의측정에서표준편차의 3 배에해당하는신호를나타내는원소의농도이며, 신뢰도는 95% 이다. 감도가예민하여 ppb 정도까지의극미량금속원소를정확하게분석할수있다. 감도의한계는기기와관심이되는원소에따라변한다. < 표 1-12> 원자흡광분석의분석선과감도 * 1% 흡수율나타내는농도 32
2. 분석기기의오차요인 (1) 방출분광분석법의오차요인표준시료계의야금학적이력이나비금속개재물의차이에따라영향을미친다. 시료채취방법의부적합, 조제에의한오염등에기인하는분석시료의불량이원인이된다. 검정곡선작성의착오나공존원소영향보정의방법이부적당한경우등정량방법의오차요인이있다. (2) 유도결합플라스마분광법의오차요인높은온도에서원자들은많은복사선을방출하므로분광학적오차요인이있다. 알칼리금속과같이이온화에너지가낮은원소들은검출한계가높으며, 이원소들이공존원소로존재하면이온화의방해요인이된다. (3) 원자흡수분광법의오차요인장치나불꽃의성질에기인하는분광학적간섭이영향을미친다. 시료용액의점성이나표면장력등물리적조건의영향에의하여간섭이일어난다. 원소나시료에의한화학적간섭이영향을미친다. 33
수행과제 분석장비의선정하기 A. 재료 자료 각종분광분석시험용재료표준시험편세트 철및강의스파크방전원자방출분광분석방법 (KS D 1652) 철및강의원자흡수분광법 (KS D 1659) 철및강-니켈, 구리및코발트분석방법-유도결합플라스마원자방출분광법 (KS D ISO13898) 철합금, 구리합금, 알루미늄합금, 마그네슘합금및페로니켈등각종규격대비표 성분분석방법에관한지식 분석장비에관한지식 분석용합금의시료의제조방법 B. 기기 ( 장비 공구 ) 합금설계재료의규격및제품도면, 컴퓨터및주변기기 분석용시료제조설비, 정량분석장비, 공학용계산기 34
C. 안전 유의사항 보호복, 손보호및안면유리등의개인보호장비착용 분석용시료조제작업후정리ㆍ정돈 분석용금속의제조시환기설비작동 분석용금속의제조시용액의튐에주의 분석용시료제조시오염물등에의한불순물혼입방지 분석장비사용시작동방법숙지 35
D. 수행순서 1 합금성분함량을파악하기위해최적의장비를선정한다. 1. 시료분석을위한수행과정을파악한다. (1) 기계구조용탄소강 SM10C의정량분석을위한목적을설정한다, (2) 논문이나교재등의자료를수집하여스크랩한다. (3) 수집한자료를토대로적합한분석법을선택한다. (4) SM10C의시료조제법을조사하고검토한다. (5) 표준시료나확실한시료를사용하여실제장치의조작법을익힌다. (6) 결과가얻어질때까지의상세한측정조건을기록하며, 실제시료에의한데이터를얻는다. (7) 결과를정리하고, 결과가목적에맞지않는경우다시분석을행하거나다른방법을사용할지판단한다. (8) 위의방법을토대로적합한순서를작성한다.( 순서도 ) 36
[ 그림 1-12] 시료분석을위한수행과정 37
2. 시료분석을위한방출분광분석장치를선정한다. 정량원소, 정량범위, 시료의종류나형태에따라들뜸전원장치, 분광기, 설정하는분석선을선택한다. (1) 들뜸전원장치를선정한다. 다양한종류의시료나원소의분석을하기위해서각종들뜸방법을이용한다. 여러가지원소를동시에정량하는경우정량범위에따라들뜸방법이다르다. ( 가 ) 스파크전원장치는비교적다량원소의정량에알맞다. 금속의합금성분, 비교적다량의불순원소정량등에이용한다. ( 나 ) 아크전원장치는시료중의미량성분정량에적합하다. ( 다 ) 저압커패시티 (capacity) 방전장치는회로정수를변화시키면아크에서스파크의들뜸방출기까지단계적으로변화시킬수있고다목적분석에이용할수있다. (2) 분광기를선정한다. ( 가 ) 고분해능분광기는여러선의스펙트럼을방출하는시료의분석에적합하다. Fe, Ti, Ta, U, Zr 등의금속및그합금시료분석에사용한다. ( 나 ) 비교적분해능이낮은분광기는선의수가작은원소스펙트럼을방출하는시료의분석에적합하다, Ag, Zn, Al, Pb, Cd, Cu 및그합금등의분석에사용한다. ( 다 ) 진공형분광계는 C, P, S 등과같이약 200.0 nm이하의단파장분석선을사용할경우에이용한다. 상압형분광계에서는진공형분광게에비해장파장의분석선을사용할수있고, 광원장치가분광계와분리되어있는경우가많으므로용액법등의다목적에적합하다.. ( 라 ) 광전측광식에따른분광계는분광사진기와비교하여여러가지시료중에서몇가지원소를동시에정량하는경우에사용한다. (3) 분석선을선정한다. 정량원소및내표준원소의스펙트럼선은다른원소의선스펙트럼, 띠스펙트럼등의영양이적고 SN 비가큰것을선정한다 38
3. ICP 발광분석법과원자흡수분광법에 의한철강재료의정량범위를파악한다 < 표 1-13> 철강중제원소의 ICP 발광분석법에의한정량하한및원자흡수분광법에의한정량범위 (1) 인터넷에연결하여, KS 표준열람서비스홈페이지 (https://www.standard.go.kr) 를찾는다. (2) 조건검색 / 검색어칸에원자흡수분광법을입력한다.. (3) 우측의표에서철강중에서 Mn, Ni, Cu, Co 등제원소의원자흡수분광법에의한정량범위를작성한다. 39
2 함량분석장비를사용하여합금함량을분석한다. 1. 방출분광분석장치로 SM10C 합금의함량을분석한다. (1) 방출분광분석에적합한시료를준비한다. (2) 시료와대전극을지지대에부착하여측정을한다. 측정조작은자동으로이루어지며결과는기록또는지시된다. (3) 분석시료의측정값으로부터검정곡선을이용하여시료중의정량원소의함유량을구한다. (4) 검정곡선은표준시료를분석시료와동일한조건에서방출하고정량원소함유율과측정값의한계를그래프지도시하여작성한다. (5) 표준시료와분석시료사이에서내부표준원소함유량의차이나공존원소가분석값에편차를주는경우원소의함유량변화에대한정량원소의분석값의편차를미리구해두고검정곡선에서얻어진분석값을보정한다. 2. 유도결합플라스마원자방출분광기로 SM10C 합금의함량을분석한다. (1) 분석시료에적당한방법으로시료처리를행하여시료용액을만든다. (2) 측정조건을결정한다. (3) 시료를순서에맞춰측정한다. ( 가 ) 주전원스위치를넣고유도코일의냉각수가흐르는가를확인한다음기기를안정화시킨다. ( 나 ) 여기원 (RF power) 의전원스위치를넣고아르곤가스를주입하면서테슬라코일에방전시켜플라스마를점등한다. ( 다 ) 점등후약 1 분간플라스마를안정화시킨다. ( 라 ) 수은램프의발광선을이용하여분광기의파장을교정하고분석파장을정확히설정한다. ( 마 ) 적당한농도로조제된표준액 ( 또는혼합표준액 ) 을플라스마에도입하여각원소의스펙트럼선강도를측정하고설정파장의적부를확인한다. 40
3. 원자흡수분광광도계로 SM10C 합금의함량을분석한다. (1) 분석시료에적당한방법으로시료처리를행하여시료용액을만든다. (2) 측정조건을결정한다. ( 가 ) 분석시료및목적원소에가장적당한버너및불꽃을선택한다. ( 나 ) 일반적으로감도가가장높은스펙트럼선을분석선으로사용한다. 시료농도가높은경우에는비교적감도가낮은스펙트럼선을선택한다. ( 다 ) 광원램프의전류값이높으면감도가저하하고, 램프의수명을단축하기때문에광원램프는장치의성능이허락하는범위내에서가능한한낮은전류값으로동작시킨다. ( 라 ) 좋은 S/N비를얻기위하여분광기의슬릿폭은목적으로하는분석선을분리할수있는범위에서가능한한넓게한다. ( 마 ) 시료의성질, 목적원소의감도, 안정성등을고려하여가연성기체및조연성기체의유량과압력을최적값으로설정한다. ( 바 ) 불꽃중에서의시료의원자밀도분포는원소, 불꽃의상태등에따라다르므로불꽃의최적위치에광원으로부터의광속을투과시키도록버너위치등을조절한다 41
(3) 시료를순서에맞춰측정한다. ( 가 ) 전원스위치및관련스위치를넣어측광부를작동시킨다. ( 나 ) 광원램프를점등하여적당한전류값으로설정한다. 다수의광원램프를동시에사용할경우에는미리예비점등시켜두면편리하다. ( 다 ) 가연성기체및조연성기체용기가각각기체유량조절기를통하여버너에파이프로접속되어있는지를확인한다. ( 라 ) 기체유량조절기의밸브를열어불꽃을점화하고유량조절밸브로가연성기체와조연성기체의유량을조절한다. ( 마 ) 분광기의파장눈금을분석선의파장에맞춘다. ( 바 ) 0으로맞춘다. 이때광원으로부터의광속을차단하고용매를불꽃중에분무시킨다. ( 사 ) 100으로맞춘다. 이때광원으로부터의광속차단을해지시킨다. ( 아 ) 시료용액을불꽃중에분무시켜지시한값을읽는다. 지시한값이투과백분율만으로표시되는경우에는보통흡광도로환산한다. 42
(4) 원자흡수분광법의오차요인을파악한다. ( 가 ) 표준시료선택시부적합한선택및조제의잘못여부를파악한다. ( 나 ) 분석시료의처리방법과희석의부적당을확인한다. ( 다 ) 표준시료와분석시료의조성이나물리적 화학적성질의차이를파악한다. ( 라 ) 공존물질에의한간섭을파악한다. ( 마 ) 광원램프의드리프트 (drift) 와열화를확인한다. ( 바 ) 광원부및파장선택부의광학계의조정불량을확인한다. ( 사 ) 측광부의불안정또는조정불량을확인한다. ( 아 ) 분무기또는버너의오염이나폐색을확인한다. ( 자 ) 가연성기체및조연성기체의유량이나압력의변동을확인한다. ( 차 ) 불꽃을투과하는광속의위치조정불량을확인한다. ( 카 ) 검량선의작성잘못여부를파악한다. ( 타 ) 계산의잘못여부를파악한다. 43
3 목표조성합금의장입재료를산출한다 1. 목표조성이 Al-5%Si-5%Cu 인 Al 합금을시료합금으로 300g 을만들때함량을계산한다. (1) 모합금으로 Al-30%Si 를사용한다. (2) 산화손실율은 Al 잉곳이 2%, Cu( 전기동 ) 가 5%, Al-30%Si( 모합금 ) 가 3% 라고가정하고함량을다음단계별로계산하여반영한다. 2. 실제첨가할모합금양을계산한다. Si 목표함량 (%) (1) Si 필요량은목표합금량 에대입하여구한다. (2) 모합금필요량은 Si이모합금에서 30% 함유된것을고려하여, 100 Si 필요량 에대입하여구한다. 모합급의 Si 합금량 100 (3) 모합금의산화손실율이 3% 이므로, 실제모합금첨가량은 모합금필요량 100 100 모합금산화손실율 에대입하여구한다 44
3. 실제첨가할 Cu 양을계산한다. Cu 목표함량 (%) (1) Cu 필요량은목표합금량 에대입하여구한다. 100 (2) Cu 의산화손실율이 5% 이므로, 실제 Cu 첨가량은 Cu 필요량 4. 실제첨가할 Al 잉곳양을계산한다. 100 100 Cu 산화손실율 에대입하여구한다. (1) Al 필요량은목표합금량 Si 함유량 Cu 함유량 모합금필요량중 Al 함유량에대입하여구한다. (2) Al 잉곳의산화손실율이 2% 이므로, 실제첨가해야할 Al 잉곳의양은 Al 필요량 100 100 Al 잉곳산화손실율 에대입하여구한다. 5. Al-Si 모합금, 전기동및 Al 잉곳의장입량을아래표에기록한다. < 표 1-14> 목표조성 Al-5%Si-5%Cu 인 Al 합금의중량 300g 에대한장입 45
II. 합금함량조정하기 Ⅱ-1. 합금성분이기계적특성에미치는영향 학습목표 합금성분이기계적특성에미치는영향을알수있다.. 필요지식 1 철합금의합금성분영향 1. 합금강 (1) Ni의영향오스테나이트구역확대형으로 Fe에고용되어담금질성이향상되고인성이증가한다. 시멘타이트를불안정하게하므로흑연화를촉진시킨다. Ni이첨가된강은풀림시펄라이트조직이미세화퇴고, 페라이트조직이강해진다. 0.5~5.0% Ni를첨가하여구조용및침탄용재료로사용되고저온취성은없다. 강인성, 내산성, 인장강도, 항복점이증가하고, 연신율, 질량효과가감소된다. 용접성, 단접성을약화시키지않고, 페라이트특유의저온취성을감소시킨다. C와친화력이낮으며오스테나이트및페라이트에고용된다. 46
(2) Cr의영향 Cr 양이많으면 500~600 에서뜨임을하여도경도는증가된다. 함유량이적어도강도와경도를증가시키고, 함유량이많아지면내식성, 내열성, 자경성을크게증가시킨다. 임계냉각속도가작고담금질성이향상되며결정입자의크기를방지한다. 뜨임취성을일으키며오스테나이트의뜨임에의한연화를느리게한다. 장시간가열시결정입자가조대해지므로 Al을첨가하여방지한다. C와결합하여탄화물을만들며내마모성, 내식성, 내열성이향상된다. 페라이트조직을강화하지만, 다량첨가할때에는인성이감소된다. (3) Mn의영향시멘타이트를안정하게하며 Cr 보다담금질성향상이크다. 담금질성을향상시키는원소로 1.0% 이상첨가하면결정입자가조대해져취성이증가한다. 함유량이많아지면내마멸성을크게증가시키며또적열취성을방지한다. 탄소강의공석점은 Mn이첨가되면저탄소, 저온쪽으로이동한다. 탈산, 탈황및고용강화효과가있다. 탈탄제로작용하며, 적열취성을방지하고고장력강, 강인강등의합금원소로사용한다. 47
(4) Si 의영항 0.4% Si 이내에서탈산제로작용하며, 페라이트를강화하고, 탄성한도를상승시킨다. 함유량이적으면강도나경도를조금향상시키며, 함유량이많아지면내마멸성을크게증가시키고전자기적성질을개선한다. 맴돌이잔류나히스테리시스현상에대한손실이적어발전기, 변압기등에사용한다. (5) W 의영향 함유량이많아지면탄화물생성을용이하게하여경도와내마멸성을증가시킨다. 고온강도와경도, 내열성이증가되며, 인성이있고담금질조직을안정화시킨다. (6) Mo 의영향 고온에서크리프강도를높이는효과가있고, 담금질깊이를깊게한다. 열처리효과를깊게하고뜨임취성을방지하며, P 에의한저온취성을방지한다. 400 정도까지는고온강도를개선시키며인성을향상시킨다. 인성이크고내식성이증가되며, 단조, 압연, 용접및절삭이용이하다. W 과비슷한작용을하며, W 에비해 2 배정도의효과가있다. (7) Ti 의영향 담금질성을향상시키고, 탄화물생성을용이하게한다. 제강시산소, 질소등의제거와편석방지및결정입도를미세하게한다. Si, V 과비슷한작용을하며, 결정입자사이의부식에대한저항을증가시킨다. 48
(8) V의영향오스테나이트구역을축소하며, 내마모성, 고온경도가증가된다. 인장강도와탄성한계를높이고인성이감소된다. Mo과비슷한작용을하지만, 경화성이훨씬크고조직을미세화시켜강화한다. (9) Co의영향 Cr과함께사용되어고온강도와고온경도를증가시킨다. (10) Cu의영향석출경화가일어나기쉽게하고, 내산화성을증가시킨다. Cr이나 Cr-W과함께사용되어야그효과를크게나타낸다. (11) B의영향경화능을향상시킨다. 49
2. 합금주철 (1) Ni 의영향 : 흑연화를촉진하며, 0.1~10% 첨가에조직이미세하게된다. 두께가고르지않은주물을튼튼하게하고내열, 내산화, 내알칼리성을갖게한다. (2) Cr 의영향 : 흑연화를방지하고탄화물을안정화한다. 펄라이트조직이미세화되며, 경도가증가하고내열성, 내부식성이좋아진다. (3) Mo 의영향 : 다소흑연화를방지하고두꺼운조직의주물을균일하게한다. 강도, 경도, 내마멸성이증가한다. (4) Si 의영향 : 4% 이상의경우안정한산화막을만들어내산화성이좋아진다. 15% 이상되면경도가현저하게증가하여매우취화하고인장강도, 항복강도가급격히감소한다. (5) Al 의영향 : 소량의경우펄라이트의분해가촉진되어주철의내산화성과내성장성이개선된다, 4% 를넘으면경도가점차높아지지만, 24% Al 이되면다시유리흑연이나타나서절삭이쉬워진다. (6) Ti 의영향 : 강한탈산제이고, 흑연화를촉진하지만, 너무많이첨가하면흑연화가방해된다. 고탄소와고규소주철에서는흑연을미세화하여경도가높아진다. (7) V 의영향 : 흑연화를방지하며, 흑연과바탕을미세하고균일하게한다. (8) Cu 의영향 : 경도가증가하고, 내마멸성이개선되며내식성이좋아진다. (9) B 의영향 : 흑연화를방지하며, 주철의경도, 인장강도를증가하지만, 인성은저하시킨다. 50
출처 : 교육과학기술부 (2011). 금속재료. p132 [ 그림 2-1] 주철의기계적성질에미치는 C+Si 함량의영향 51
2 비철합금의합금성분영향 1. 황동 (1) Zn의영향 : 30%Zn 부근에서연신은최대이며, 그이상에서는급감한다. 35%Zn 부근에서경도는급증한다. 45%Zn 부근에서인장강도는최대이며, 그이상에서는급감한다. 0~37%Zn의 α 황동은상온에서, 37~45%Zn의 α+β 황동은고온에서가공한다. (2) Sn의영향 : 황동에소량배합하면경도와인장강도가증가하고, 연신율은감소한다. (3) Pb의영향 : 거의고용하지않고입계나입내에미립으로존재하여절삭성이좋다. (4) Al의영향 : 결정립이미세해지고내식성이커져서고온가공이가능하다. (5) Si의영향 : 내해수성이있고강도가포금보다우수하다. (6) Mn의영향 : 강도는커지나여리게되고, 부식성도커진다. (7) Fe의영향 : 결정립을미세화시키며, 연신율감소시키지않고강도를증가시킨다. (8) Ni의영향 : 소량이면효과가없고, 고아연합금에많이넣으면높은경도를얻을수있고내식성이좋아진다. 52
출처 : 교육과학기술부 (201). 금속재료. p168 [ 그림 2-2] 황동의 Zn 함량에따른기계적성질 53
2. 알루미늄합금 (1) 구리 Cu ( Copper ) Cu 는 Zn, Mg 과함께고온 ( 용체화처리온도 ) 에서고용 ( 固溶 ) 되며, 저온에서析出相을형성하여강도를높여준다. 담금질과시효에의하여강도가증가하고, 내열성과강도, 연신율, 절삭성등이좋으나고온취성이크다. 주물의수축에의한균열등이발생한다. (2) 아연 Zn ( Zinc ) 주조성이좋으나, 100 이상에서인장강도와경도등이작고, 내식성이떨어진다. 단독으로쓰이지않고보통 Mg 과같이사용하며이때는열처리를통하여알루미늄합금중에서가장큰강도를가지게 된다. (3) 규소 Si ( Silicon) Si 의용해도가작으므로열처리효과는기대할수는없으나, 11.6% Si 부근에서기계적정질이우수하고융점이낮다. 합금원소로존재할때다량의 Si 함량은주조성을좋게하고, 소량일경우 (6xxx 계 ) 에서와같이강도 (Mg 과화합하여 Mg 2 Si 를형성 ) 를높이는역할을한다. 보통 Si 량이증가함에따라용탕의유동성이좋아지고, 강도가증가하게되는데공정점 (12.6%) 에서최대로된다. 이이상에서는판상의초정 Si 의석출로강도가급격히떨어지게된다. 공정 ( Eutectic Crystal) 2 종의금속성분이어느일정한비율로동시에정출 ( 晶出 ) 하여생긴혼합물을공정이라고한다. 여기서말하는정출은 액체에서고체가나오는것을말한다. 공정점에서용융점이가장낮다. 54
(4) 마그네슘 Mg ( Magnesium ) Cu 와거의비슷한효과를가지고있다. 2~3%Mg 는주괴에서용이하게가공할수있지만, 3% 이상이되면적당한온도에서예비가공을하여메짐을방지한다. 상온에서도어느정도고용도가있어 5xxx 계에서와같이고용경화의효과를준다. Mg 는비중 (1.74) 이낮고융점 (650 ) 도낮아산화되기쉽다. (5) 망간 Mn ( Manganese ) Mn 의효과는재결정온도를증가시키고, 열간가공에서섬유조직의형성을촉진키므로결정립성장을억제시킨다. 균질온도가높을수록, 어닐링시의가열속도가빠를수록재결정립은미세해진다. 그러나고온에서장시간열처리를할경우 Mn 은입자가성장하게되고분산상태도나빠진다. 1% 이상투입시 3xxx 계에서와같이강도를증가시키고성형성을좋게하는역할을한다. 첨가원소, 주조온도에따라서조대한초정금속간화합물이형성되기도하는데이러한화합물은불순물로서가공시 균열과 Pin Hole 의원인이되기도한다. Mn 은보통순수알루미늄에서는불순물로작용한다. 열처리형합금에있어서 Mn, Cr, Zr, Fe 등의천이원소 ( 재결정방해원소 ) 는 Si 및 Al 과화합물을형성하여기지조직중의 Si 량을감소시키기때문에시효경화속도를늦추고최대경도를저하시킨다. 55
(6) 철 Fe ( Iron ) Fe 는알루미늄에서발견되는가장일반적인불순물이다. 용융 Al 에높은고용도를가지고있어용융상태에서쉽게용해되어진다. Al 내에존재하는 Fe 의대부분은 Al 이나다른요소와의화합물인제 2 상으로나타난다. Fe 는기계적성질을해치므로적당량을투입하기도한다. 소량투입시 Grain Size 를감소시켜약간의강도증가와온도의 증가에따른더좋은 Creep( 금속에응력을가하면비교적저하중시에도고온에서는서서히연속적인소성적신장이 일어나는현상 ) 성질을제공한다. 내열성을중요시할때적당량을투입하기도한다. (6) 크롬 Cr ( Chromium ) 소량투입시조직미세화역할을하나용체화처리후냉각속도가느리거나고온에서장시간유지할경우 Cr 입자가성장할 뿐만아니라 Cu 와화합물을형성하여 Cu 량을감소시키므로강도를저하시킨다. Cr 은열처리형합금에있어서열간가공및열처리중에재결정및결정립성장을억제하는역할을한다. 또한발달된 섬유조직은응력부식에대한민감성을감소시키고인성을개량한다. Cr 은양극산화피막에노란색을띄게된다. (7) 납 Pb ( Lead ) Pb 는 Bi 와함께저융점금속으로서기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시킨다. Pb 는비중이무겁기때문에용해및주조중에편석이발생할우려가많다. Al-Cu-Mg 합금에서 Pb 는열간균열을일으키기쉽다. Pb 는독성이있다. 56
(9) 비스무스 Bi ( Bismuth ) Bi 는 Pb, Sn, Cd 와같은저융점금속으로서절삭성합금에첨가된다. Al-Mg 합금에서는 Na 에의한열간균열을방지하기위해서 0.002~0.02% 를첨가하는경우가많다. (10) 티타늄 Ti ( Titanium ) Ti 는결정립미세화제 (Grain Refiner) 로써사용된다. 결정립미세화효과를극대화시키기위해서는 Ti 단독첨가가아닌 Ti + B 를첨가해야한다. Ti 는알루미늄의전기전도도를감소시키지만 B 첨가에의해서생성되는 TiB 2 에의해감소되는범위를줄일수있다. (11) 붕소 B ( Boron ) Boron 은입자미세화와전기전도도를좋게한다. 즉 Al 내에있는 V, Ti, Cr, Mo 와같은불순물이전기전도도에미치는유해한영향을개량하기위해첨가한다. Boron 은 0.005~0.1% 의수준으로첨가되며응고시미세화원소로작용된다. Ti 를 B 보다많은량을같이첨가하면결정립미세화효과는크다. (12) 주석 Sn ( Tin ) Sn 은 Pb, Bi 등과같이기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시킨다. Al-Cu 합금에 Sn 을 0.05% 정도첨가하면용체화열처리및인공시효열처리특성이개선되어, 강도증가및부식저항의 향상에영향을준다. 하지만적은량의 Mg 가존재한다면 Mg 와 Sn 이부정합 2 차상의화합물을형성하여인공시효특성을크게감소시킨다. Sn 첨가량이많으면열간균열이발생하기쉽다. 57
(13) 베릴륨 Be ( Beryllium )) Mg를함유하고있는합금에서는 0.001~0.005% 의 Be를첨가함으로서산화와제품의탈색을크게감소시킨다. Al-Mg-Si 합금에서는 0.01~0.05% 의첨가량에의해서용탕의유동성과주조성그리고제품에대해서는연성을증가시킨다. Be는열간균열을방지하는데기여함으로주조시 Crack이발생하기쉬운합금에대해서는 0.001~0.01% 의Be를첨가하는경우도있다. Be는알루미늄의부식저항에영향을주지않는다. Be의약점은노출시에강도와내구성과관련해서특히민감하며 Be을포함하는화합물, 먼지의흡입은심각한독성을일으킬수있다. 따라서용접할때는 Be의함량을제한하고있으며, 음식이나음료의용기로는사용할수없다. (14) 바나듐 V ( Vanadium ) Vanadium은전도성을감소시키나, 알루미늄합금에서는금속간화합물로석출하여전도성을향상시키는역할을하므로전도체합금에이용된다. 합금의재결정온도를상승시키고결정립을미세화하는데도움을주며강도를높이면서열팽창계수를감소시킨다. (15) 코발트 Co ( Cobalt ) 일반적으로알루미늄합금에는 Co를첨가하지않는다. Al-Si+Fe합금에있어서 Co를첨가하면침상의 β상을구형상으로만들어강도및신율에기여한다. (16) 몰리브덴 Mo ( Molybdenum ) Al에 Mo는 0.1~1.0 ppm(0.00001~0.0001%) 만큼불순물로써함유하고있다. Mo는결정립미세화역할을하나현재는사용하지않는다. 58
(17) 카드뮴 Cd ( Cadmium ) 알루미늄에서는저융점원소로서제한적으로사용되고있다. Al-Zn-Mg 에있어서 Cd 는기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시키다. Pb 와 Bi 보다융점이높기때문에 Pb 와 Bi 보다쾌삭성이우수하다. 또한시효시간을단축시키는역할도한다. Cd 화합물은독성을일으키기쉽다. (18) 인듐 In ( Indium ) 저융점원소로서쾌삭성합금에사용되고있다. In 은 Cd 처럼상온시효를감소시키지만인공시효는증가시킨다. In 이첨가된합금에 Mg 를첨가하면 In 의효과는감소된다. (19) 스트론튬 Sr ( Strontium ) Al-Si 합금에서 Sr 은 Na 와함께개량처리제로사용된다. (20) 안티몬 Sb ( Antimony ) Al-Mg 합금에있어서열간균열방지용으로첨가되는 Bi 대신에사용하기도한다. Al-Si 합금에서 Si 의개량화및공정 Si 의미세화역할을한다 Sb 는독성문제때문에사용이제한되고있다. (21) 인 P ( Phosphorus ) 과공정 Al-Si 합금 (14~25%Si) 에서 Si 의개량화및미세화역할을한다. 아공정 Al-Si 합금 (5~9%Si) 에서 P 는존재하는양만큼개량화처리를방해한다. (22) 칼슘 Ca ( Calcium ) Al-Si 합금에서 Si 의개량처리제로사용되고있다. 강도는감소하고연신율은증가되는특성을가지고있다. 용탕중의수소가스를제거하는효과가있다. 59
출처 : 교육과학기술부 (201). 금속재료. p.149 [ 그림 2-3] Al-Si 합금의기계적성질 60
3. 니켈합금 (1) Cu의영향 : 강도, 경도는증가하여 30~40%Cu에서최대가된다. 냉간가공후저온도로풀림을하면강도와탄성한도가증가한다. (2) Fe의영향 : 열간및냉간가공성이좋고, 열팽창계수가작다. (3) Cr의영향 : 고온에서경도및강도의저하가적다. 내열성이크고산화도가적다. 4. 타이타늄합금 (1) Mn의영향 : 약 300 까지사용이가능하다. 가공성이좋아판재나구조재로사용한다. 열처리성이있으며, 용접성은나빠진다. (2) Al 의영향 : 성질개선을위해첨가하지만, Al 단독으로첨가하지않고 Sn, Fe, V 등을같이 첨가하여사용한다. [ 그림 2-4] Ni-Cu 계합금의기계적및전기적성질 61
5. 마그네슘합금 (1) Al의영향 : 4% Al에서연신율과단면수축률은최고가되고, 6%Al에서인장강도는최고가된다. 4%~6% Al 범위에서경도는비례하여좋다. 용해, 주조, 단조가쉽다. (2) Mn의영향 : 용접성, 고온가공이우수하고내식성이비교적좋다. (3) Zn의영향 : Zn의합량이증가하면주조시열간균열이나미세기공이발생한다. Mg-Zn 합금에 Th을넣어주조성을개선하고, Zr을넣으면항복강도가증가한다. (4) Zr의영향 : 결정립을미세화하고건전한주물을얻을수있다, 가공성이개선된다. (5) Th의영향 : 내열성이좋고, 300~350 의고온사용이가능하다. 출처 : 한국산업인력공 (2014). 금속재료, p.186 [ 그림 2-5] Mg-Al 계합금의기계적성질 62
수행과제 합금성분이기계적특성에미치는영향이해하기 A. 재료 자료 구조용탄소강 SM10C, SM20C 및 SM30C의환봉, Al 합금 201, 2014 및 2017의 4호인장시험편 금속재료-로크웰경도시험 (KS M ISO6508-1) 금속재료인장시험 (KS B 0802) 인장시험기 (KS B 521) 철합금, 구리합금등각종규격대비표 합금성분함량에따른품질사양 로크웰경도시험시료제조방법 경도기및인장시험기에관한지식 B. 기기 ( 장비 공구 ) 시편절단기, 시편연마기, 로크웰경도기, 인장시험기 63
C. 안전 유의사항 보호복, 손보호및안면유리등의개인보호장비착용 경도시험용시료제조작업후정리ㆍ정돈 시료절단시열에의한변형주의 시료연마시파편에의한손상주의 시험기기사용시작동방법숙지 인장시험편제작시시험편재질에변화를일으키지않도록주의 시험기기작동시안전에유의 64
D. 수행순서 1 기계구조용강재의로크웰경도를측정하여탄소함량이기계적성질에미치는영향을파악한다 1. 작업을준비한다. 2. 시험편을준비한다. (1) 지름 20~30mm의연강 SM 10C의환봉을준비한다. (2) 시험편의두께가 10~20mm정도가되도록기계톱이나손으로톱질을하여절단한다. (3) 시험면은표면이편평하고, 산화물이나이물질, 윤활제가제거한다. 누르개자국의지름을정확하게측정할수있도록표면다듬질을한다. (4) 일반적으로시험은 10~35 범위에서한다.. 65
3. 로크웰시험기를점검한다. (1) 시험기는기초대에고정하고누르개의부착축이수직으로설치되어있는지확인한다. (2) 시험기에부착된누르개를점검하고 0점을조정한다. (3) 누르개를교체할경우, 미리시험기의최대하중을가하여예비시험을시행한후에사용한다. (4) 몸체를심하게아래위로움직였을경우에는예비시험을 2희시행한후측정한다. (5) 스케일의종류와조건을고려하여누르개를점검한다. (6) 누르개는시험중시험편과접촉하는부분에결손, 터짐, 흠등의이상이생겼을경우교체한다. (7) 하중추는결정된누르개와시험편의재질에따라선택한다. (8) 로크웰경도표준시험편을사용하여경도기에대한측정조건의이상유무를점검한다. 66
< 표 2-1> 로크웰경도의각종스케일 67
4. 로크웰경도시험을한다. (1) 시험편의형상에따라평면용앤빌, 스포트형앤빌, V블록형앤빌을준비한다. (2) 시험재질에적합한누르개와하중을선정한다. (3) B 스케일을사용할때, 누르개의지름이영구변형되어하중을가한방향과그직각방향과의지름차이가 0.01mm를초과하는경우에는사용하지않는다. (4) 시험편을받침대위에평행하게올려놓고그경사도가 4 이하가되게한다. (5) 승강핸들을돌려누르개가시험편에충격을주지않는범위로서서히접촉시킨다. (6) 초기하중지시침이 10kgf을가리킬때까지하중을가하고다이얼을돌려 Set 점을일치시킨다. (7) 부하핸들을조작하여본시험하중을가한장침 ( 경도지시침 ) 이시계반대방향으로회전하여멈출때를기준으로 30초간유지시킨다. (8) 시험하중을제거하여그때장침이가리키는경도수치를정확하게읽어기록한다. 5. 지름 20~30mm의 SM20C 환봉을준비하여앞의 2~4 방법으로측정한다. 6. 지름 20~30mm의 SM30C 환봉을준비하여앞의 2~4 방법으로측정한다. 68
7. SM10C, SM20C 및 SM30C 의측정한로크웰경도값을토대로탄소량의증가에따른경도변화를그래프로그려서비교한다. [ 그림 2-6] 기계구조용강재의탄소량에따른로그웰경도의변화 69
2 Al 합금의인장강도를측정하여 Cu 함량이기계적성질에미치는영향을파악한다. 1. 작업을준비한다. 2. Al 합금 2011 환봉을준비한다. 3. 시험편채취와제작은시험편은 KS B 0801 에따라 4 호시험편으로만든다. 시험편교정은가급적피하는것이좋고, 교정을필요로할경우재질에영향을미치지않도록한다. 비교 1. 이시험편은평행부를기계다듬질한다. 다만, 가단주철을사용할때는원칙적으로다듬질을해서는안된다. 2. 이시험편은재료의사정으로치수를따를수가없을때는 L = 4 A 에따라서평행부의지름과표점거리를정하여도무방하다. 여기서 A 는시험편평행부의단면적이다. 적용재질 : 구상흑연주철, 가단주철, 비철금속, 주강품출처 : 금속재료 (201), 교육과학기술부, p.42 [ 그림 2-7] 4 호인장시험편 70
4. 표점은원칙적으로펀치또는스크라이버로표시한다. 다만시험편의재질이표면흠에대하여민감하거나아주딱딱한경우에는도포한도료위에스크라이버로표시한다. 5. 시험편의모양에적합한손잡이장치를사용하여시험중시험편에는축방향하중만이가해지도록한다. 6. 하중을가하는속도가균일한것이바람직하며그지정은다음중한가지방법에따른다. (1) 응력증가율 (2) 변형증가율 (3) 경과시간 7. 하중을가하는속도가측정결과에현저한영향을미칠우려가있는재료에대해서는재료표준이정하는바에따른다. 다만특별히지정이없을경우는아래의방법에따라하중과변형의측정을정확히실시할수있도록주의한다. (1) 상항복점, 하항복점또는내력을측정하는경우에는재료표준에서의규정값에대응하는하중의 ½ 하중까지적절한하중을가해도되지만 ½ 하중을초과한경우에는상항복점, 하항복점또는내력까지의평균응력증가율이 30N/ mm2 s 이하 ( 알루미늄및그합금의경우 ) 로한다. (2) 상항복점, 하항복점또는내력의측정을필요로하지않는경우에는재료표준에서의규정값에대응하는하중의 ½ 하중까지적절한하중을가해도되지만 ½ 하중을초과한경우에는시험편평행부의변형증가율이 80%/min 이하가되는속도 ( 알루미늄및그합금의경우 ) 로당긴다. 상항복점, 하항복점또는내력의측정을끝낸후에는이변형증가율로당긴다. 71
8. 시험온도는 10~35 범위내로하고필요에따라시험온도를기록한다. 온도관리가필요한때에는 23±5 로한다. 온도변화에민감한재료에대해서는그재료규격에따른다. 9. 시험편평형부의원단면적으로단면수축률을구한다. (1) 시험편평형부의원단면적은표점간의양끝부및중앙부 3곳의단면적의평균값으로한다. 관모양시험편에서는시험편끝부분에서구한단면적을원단면적으로한다. (2) 원형단면의시험편및관모양시험편의원단면적을구하기위한지름은서로직교하는 2방향에대하여측정한값의평균값으로한다. 관모양시험편의단면적으로구하기위한두께는관끝부의원둘레를등분하는 3곳이상에서측정한값의평균으로한다. (3) 각각의원단면적을구하기위한지름또는나비, 두께는적당한측정기를사용하여규정치수의 0.5% 수치까지측정한다. 치수가 2mm이하인경우에대해서는 0.01mm까지측정한다. (4) 원형단면또는직사각형단면의시험편에서평형부의지름또는두께및나비의다듬질치수가평형부의전체길이에걸쳐서균일하고그치수변화가허용치를넘지않도록한다. 72
< 표 2-3> 인장시험편치수의허용차 10. 표점거리는적절한측정기에사용하여규정치수의 0.4% 정밀도로측정한다. 연신율계의표점거리는교정결과, 규정치수에대한오차가 1.0% 이내이면규정치수를표점거리로해도된다. 11. 원단면적을 A 0 ( mm2 ) 라고할때, 상항복점 σ SU = F SU A 0, 하항복점 σ SL = F SL A 0 의식으로구한다. (1) 시험편을서서히잡아당겼을때, 시험편평행부가항복이시작하는이전의최대하중 F SU 를구하여 상항복점을구한다. (2) 시험편을서서히잡아당겼을때, 시험편평행부가항복이시작한후의거의일정한하중이유지되는 상태에서최소하중 F SL 를구하여하항복점을구한다. 73
12. 오프셋법, 영구연신율법및전체연신율법에알맞은방법으로아래그림에서내력을구한다. 인장강도는 σ B = F max A 0 식으로구한다. 여기서, σ B 는인장강도 (N/ mm2 ), F max 는최대인장하중 (N), A 0 는원단면적 ( mm2 ) 이다. [ 그림 2-8] 내력을구하는방법 74
13. 항복연신율은 λ f = λ SL λ SU 식으로구한다. 이때 λ f 는항복연신율 (%) 이다. (1) λ SU 는연신율계를사용하여구한하중과늘어난양의관계곡선에서의상항복점이나타내는전체연신율 (%) 이다. (2) λ SL 은상항복점을지나서다시연속적으로하중증가를나타내기시작하는점에서의전체연신율 (%) 이다. 14. 파단연신율은 δ = l l 0 l 0 100 식으로구한다. δ 는파단연신율 (%) 이다, (1) l 0 는표점거리 ( mm ) 이다. (2) l 은시험편의양파단편의중심선이일직선위에있도록파단면을맞대고측정한표점사이의길이 ( mm ) 이다. 15. 단면수축률은 = A 0 A A 0 100 식으로구한다. 는단면수축율 (%) 이다. (1) A 0 는원단면적 ( mm2 ) 이다. (2) A 는시험편의파단면을주의하여맞대고측정한최소단면적 ( mm2 ) 이다. 16. Al 합금 2014 환봉을준비하여앞의 2~15 방법으로측정한다. 17. Al 합금 2017 환봉을준비하여앞의 2~15 방법으로측정한다. 18. 앞에서구한안장시험결과를아래표에기록하고, 그래프로나타내어 Al 합금에서 Cu 가기계적성질에미치는영향을비교한다. < 표 2-4> Al 합금의인장시험결과치 75
[ 그림 2-9] Al 합금의 Cu 에따른기계적성질의변화 76
Ⅱ-2. 분광분석방법및장비사용 학습목표 분광분석방법및장비를사용할수있다 필요지식 1 원자방출분광법 1. 분석원리 금속원자가들뜬상태에서많은다른값의에너지를가질수있는하나또는여러개광자를방출하여에너지를잃을수있으며, 특정시료에대해분산계가수많은다른파장과세기를갖는복사선을나타낸다. 주어진시료에대해존재하는모든원소들이방출을일으키기때문에극미량으로존재하는특정원소의확인이가능하고, 75 개이상의원소를 1 분이내에측정할수있다. [ 그림 2-10] 원자방출분광계의기본개념 77
2. 시료의들뜸 시료를자유전자로바꾸는거나, 들뜨게하는방법, 또는이온화시키기위해서기체플라즈마, 스파크, 레이저및글로우방전에기초한방법이있다. (1) 스파크나레이저에의한들뜸 시료의원자화와들뜸을위해서전극에수십 A 의연속적인전류로전기적아크와스파크를생성시키거나펄스레이저를사용하며, 3,000~6,000K 의온도에서변화한다. (2) 글로우방전에의한들뜸 시료의표면에서튕겨나와제거된원자는플라스마에의해들뜨게되며, 시료가전기전도성의거대한고체인경우일종의스펙트럼램프의음극으로써시료를사용하는것이가능하다. 원자화가비교적낮은온도에서일어나므로, 방출선이좁고낮은바탕준위를갖는스펙트럼을나타낸다 [ 그림 2-11] 스파크에의한이온화 출처 : 기기분석교재연구회 (209), 현대기기분석 (6 판 ), p.269 [ 그림 2-12] 글로우방전에의한이온화 78
(3) 기체플라스마에의한들뜸높은에너지의기체성이온과전자의구름으로중성과이온상태의평형에있는고립원자에의해서플라스마가생성되고, 매질전체를중성으로유지시키기위하여관련된전자들을포함한다. 플라스마온도는위치에따라서 2,000~9,000K까지변한다. 출처 : 기기분석교재연구회 (2009), 현대기기분석 (6 판 ), p.266 [ 그림 2-13] 유도결합플라스마 79
3. 분산계 (1) 입구슬릿 (entrance slit) 시료에의해서생성된빛을초점에모으는부분이다. 슬릿의너비는최소의빛이들어와야하므로수μm ~ 수cm범위에있고, 기계적인장치로조절된다. (2) 조명체 (luminous object) 기기의광학계가많은이미지의선들을나타낼수있는선형적인모양으로광원을바꾼다. 각각의선은분광계의입구슬릿의단색선에해당되며, 간단한원소는 2,000 개이상의선을나타낸다. (3) 분광사진기 (spectrograph) 및분광계 (spectrometer) 4. 기기 원소의특정한복사선을알아내는데요구되는고품질의광학적인작업대이다. 광원은조명체인슬릿을비추고, 회절발포함하는분산계에의해서분석된다. (1) 동시형기기 몇가지의원소를동시에측정하며, 미리결정된응용에적용하기위해서고정된광학을갖는다. 미지시료의철저한분석이어렵다는단점이있다. (2) 순차형기기 원소를순차적으로측정하며, 검출기가고정되어단색화장치가선택한복사선만받아들이는순차적분광계이다. 한번에한선의세기만을측정하며, 빛의세기측정은광전증배관으로폭넓은동적범위에서가능하다. 선들에대한농도또는빛의세기가매우다른원소를정량할수있다. 80
5. 분리능 (resolving power) (1) 분광기의분리능은인접한스펙트럼선들을분리하는능력으로단위가없는매개변수 R로주어지며, R = λ λ로나타낸다. λ는같은세기를나타내는두스펙트럼선사이의파장차이를나타낸다. (2) 원자방출장치는 30,000~100,000 차수의분리능을갖는다. 너무넓은슬릿을사용하면, 분광계의분리능을감소시킨다. 6. 철강시료의분석선및내부표준법 < 표 2-5> 는 Y 내부표준법, Fe 량보정을행하는농도비법, 정시간적분법을비교한결과이다. 분석정밀도향상에대하는 Y 내부표준법의유효성이있다. Y Ⅱ 371.03 nm선을이용하는경우의 Y 농도는 0.5~5 μg /ml 에서좋다. < 표 2-5> 분석정밀도 (σ) 의비교 (n=10) (1) 분석원소중에강분석에서측정조건이나용액의액성등에의한스펙트럼선강도의변화가분석원소와유사한 Y 을내부표준원소로이용한다. 81
7. 철강중의미량원소의정량미량의원소혹은검출감도가현저하게뒤떨어지는원소의측정에서분석선파장스펙트럼선이관측되어도반드시분석대상원소로부터의시그널이라고는할수없기때문에분석값을신뢰할수있는지를판단한다. (1) 표준물질에의한정확도의확인표준물질과비교하여정확도를확인한다. Cr이나 Ni를다량으로포함한시료와같이 Fe 이외의다량성분에대한스펙트럼방해를고려해야한다. (2) 고순도물질에의한분광간섭의확인시판고순도철을사용해분석선파장에나타나는스펙트럼선의유무를확인한다. Fe나분석대상원소로부터스펙트럼선이나타나지않는경우, 매트릭스매칭법에의해그원소의측정을행하는것이가능하다. (3) 복수의분석선에의한비교측정적어도 3개이상의분석선을이용해표준첨가법에따르는측정을행한다. 표준첨가법을이용해도분광간섭은보정되지않지만, 복수의측정값이일치하면그값의신뢰도는높다. 고감도선을 1~2개밖에이용할수없는원소에는적용할수없다. 조작이간단하고수μg /g 정도까지측정가능한원소가많다. 82
2 원자흡수분광법 1. 분석원리 (1) 불꽂중의원소의흡광도는광경로에남아있는바닥상태의원자수 N 0 에의존하고, 측정은미지용액을표준용액과비교하여이루어진다. (2) 흡광도 (A) 는A = κ C로나타내며, 여기서 κ는주어진과정에서각원소의특성계수이고, C는원소의농도이다. (3) 기기는시료가없을때와있을때의통과한세기의비를구하여흡광도를나타낸다. (4) 전극사이에약 300V의전위차를걸어주면전자들이램프안에있는기체대기를이온화시킨다. (5) Ar + 또는 Ne + 이온은충분한운동에너지를얻어되어, 음극으로부터기체와같은원자들을표면으로부터떼어낸다. (6) 금속상태에서원소 M을원소 M( 음극 ), 원자상태의원소 M을 M( 기체 ) 라고할때방출은다음과같이연속으로나타난다. M( 음극 ) Ne+ M( 기체 ) M( 기체 ) + 광자 [ 그림 2-14] 원자흡수장치의기본개념 83
2. 분석원리 (1) 불꽂속빈음극램프 (HCL ; holow cathode lamp) 아르곤또는네온가스가채워진방전램프이며, 음극을구성하는원소에따라서이들광원의방출스펙트럼이다르다. 각각의음극은매우순수한원소를포함하고있어서측정할원소각각에대하여다른램프가요구된다. (2) 무전극방전등 (EDL ; electrodeles discharge lamp) 밀봉된석영관으로이루어졌으며, 비활성기체와함께관심원소의염이포함되어있다. 기체를들뜨게하기위하여번갈아서금속을이온화시키는 RF장을사용한다. 램프는 As, Hg, Sb, Bi, P 등의원소에사용되며, 빛의세기는 HCL에비해약 10~100배크게나타난다. 84
3. 원자화장치 (1) 불꽃원자화수용액시료는벤튜리효과에의해서흡인되고, 버너와분무기의결합에의해원자의에어로졸이제공된다. 압력을높인기체를통과시켜시료용액이관을통과하여미세한안개의형태로버너속으로흡인된다. 버너에서연소성기체혼합물과혼합되어불꽃이생성되며, 불꽃은원자의에어로졸을포함하고있다. (2) 열전기원자화자동주사기를사용하여수mg또는 μl의정확한시료양을넣을수있는작은공동을가진흑연관이있다. 증발의손실을피하기위하여온도를점차로증가시키는데, 시료는건조, 분해및원자화순으로진행된다. (3) 화학적증발 높은산화상태의불꽃속에서원자로환원시키기어려운원소로는 As, Bi, Sn, Se 등이있으며, 이들원소는측정하기위해서분석직전에산성매질에서붕수소화나트륨이나염화주석으로이루어진환원제와반응시킨다. 생성된원소의휘발성수소화물은버너의불꽃속의석영셀속으로주입된다. 출처 : 기기분석교재연구회 (209), 현대기기분석 (6 판 ), p.252 [ 그림 2-15] 전열원자화장치 85
4. 불꽃광도계교환할수있는착색필터나간단한단색화장치를포함하고있어서스펙트럼띠를분리하여선택한방출선을사용하며, 5~6가지원소를측정할수있다. 10~100ppm의낮은농도용액에서직선적인감응이빠르다. 정교성은비교적떨어지지만, 원자흡수분광계에비하여저렴하다. 5. 검량선과정량법일반적으로검량선은저농도영역에서는직선을나타내지만, 고농도영역에서는여러가지원인에의해휘어진다. 정량을행하는경우에는직선성의양호한농도나흡광도의영역을사용해야한다. (1) 검량선법 3종류이상농도의표준시료용액에대하여흡광도를측정하여표준물질의농도를횡축에흡광도를종축으로그래프에나타낸다. 분석시료에대하여흡광도를측정하고검량선의직선영역에의하여목적성분의농도를구한다. 분석시료의조성과표준시료와의조성이일치하거나유사해야한다. (2) 표준첨가법같은양의분석시료를여러개취하여여기에표준물질이상이한농도로함유되도록표준용액을첨가하여용액열을만든다. 각각의용액에대한흡광도를측정하여횡축에용액열의표준물질농도를, 종축에흡광도를그래프로나타내서검량선을작성한다. 목적성분의농도는검량선이횡축과교차하는점으로부터첨가표준물질농도가 0인점까지의거리로부터구한다. 검량선이낮은농도영역까지비교적우수한직선을가지며, 물질의농도가 0인지점을시작으로하는경우에만적용이가능하고그이외에는분석오차를일으킨다. 86
(3) 내부표준법분석시료중에공존원소가다량으로함유되어분석시료중에가한내부표준원소와목적원소와의흡광도비를구하여측정한다. 목적원소에의한흡광도 AS와표준원소에의한흡광도 AR간의비를구하고, AS/AR 값과표준물질농도와의관계를그래프에작성하여검량선을만든다. [ 그림 2-16] 각종검량법에의한검량선 87
수행과제 분광분석방법및장비사용하기 A. 재료 자료 철합금, 각종분광분석시험용재료표준시험편세트 강의유도결합플라스마방출분광분석방법 (KS D 1673) 알루미늄및알루미늄합금의카드뮴정량방법-원자흡수분광법 (KS D 1689) 철합금, 구리합금, 알루미늄합금, 마그네슘합금및페로니켈등각종규격대비표 합금성분함량에따른품질사양 성분분석방법에관한지식 분석장비에관한지식 분석용합금시료의분해법 B. 기기 ( 장비 공구 ) 합금설계재료의규격, 컴퓨터및주변기기 분석용합금시료의융해설비, 성분분석장비 88
C. 안전 유의사항 보호복, 손보호및안면유리등의개인보호장비착용 분석용시료융해작업후정리ㆍ정돈 분석용합금의융해작법시환기설비작동 분석용시료용액의튐에주의 분석용시료융해시오염물등에의한불순물혼입방지 분석장비사용시작동방법숙지 89
D. 수행순서 1 스파크방전원자방출분광에의해철강의질량분석을한다. 1. 작업을준비한다. 2. 철강시료를준비한다. (1) 용탕시료를채취한다. ( 가 ) 철강 1용탕마다용탕의필요량을스푼등으로채취하여시료주형에주입하거나시료주형에서직접채취하여냉각한다. ( 나 ) 용선시료는냉각속도등에따라흑연이석출하여백선화하지않는경우가있으므로시료주형을수냉시킨다. (2) 제품시료를채취한다. ( 가 ) 철강제품의평균조성을얻을수있는위치에서채취한다. ( 나 ) 주철제품의경우시료의채취를규정하지않는다. 3. 시료를조제한다 (1) 시료분석면의지름 20mm이상, 두께 3mm이상인형태로절단이나절삭가공을한다. (2) 시료의지름 20mm미만, 두께 3mm미만인경우는보조지지대를사용한다. (3) 분석면은연삭이나연마기계를사용하여평면형태로조제한다. (4) 용선시료는백선화한부분이분석면이되도록시료를조제한다. (5) 조제연마제입도는 F36~F240번의연마벨트나그라인더를사용한다 (KS L 6001 참조 ). (6) 시료의온도상승은방출조건에따라정량값에영향을미치는경우가있으므로일정한온도가되는조건에서조제한다. 90
4. 장치를조정한다. (1) 발광장치를조정한다. ( 가 ) 미리적당한시간동안전기를통하게하여들뜸원장치의전기적인작동이안정화되게한다. ( 나 ) 제어간극이있는들뜸원장치에서전극의방전면및간극이규정된상태로되어있도록각각정기적으로정형한다. ( 다 ) 시료의발광이분위기기체의유량에의해영향을받기때문에발광이진행중이거나중지되었을때정해진유량이되도록유량계로조정한다. (2) 광학계를조정한다. ( 가 ) 집광렌즈가오염되지않도록깨끗이한다. ( 나 ) 사진측광법에서분석목적에따라적당한파장영역을촬영할수있도록조정한다. ( 다 ) 사진측광법에서슬릿폭을보통 10μm ~50μm내의적합한일정값으로조정한다. ( 라 ) 사진측광법에서중간조리개는분석하려는목적에따라적절히선정한다. ( 마 ) 격판은분석하려는목적에따라적절한위치에설치한다. ( 바 ) 분석목적이나분광사진기에따라계단필터또는회전섹터를슬릿바로앞에설치하는경우가있다. ( 사 ) 진공형분광기에서기내압력은 2666.4Pa 이하의진공도를유지한다. 91
5. 측정조작을한다. (1) 측정준비를한다. ( 가 ) 감광재료를설치한다. ( 나 ) 광전분광계에서측정회로가안정하게작동되도록측광장치에적당한시간동안미리전류를흘려준다. (2) 전극간격은분석하는목적에따라적합한일정값으로조정하여시료를설치한다. (3) 발광시간을결정한다. ( 가 ) 방전개시직후스펙트럼선강도나분석선대는강도비가현저하게변화하는경우가있기때문에광에노출시키기전에 적당한시간동안예비방전을한다. ( 나 ) 사진측광법에서노광시간은분석선대각각스펙트럼선의흑도가항상주어진감광재료의파장에대한 H-D 곡선의직선영역에근접하도록실험적으로결정한다. (4) 분석선대는미리실험적으로선정하여측정한스펙트럼사진에의해측정위치를확인한다. (5) 사진처리를한다. ( 가 ) 감광재료의처리는현상, 장착, 수세및건조의과정을거친다. ( 나 ) 원칙적으로감광재료에서지정하고있는처리방법을따른다. (6) 마이크로광도계에의한측광조작을한다. ( 가 ) 스펙트럼상의흑도측정은마이크로광도계를사용한다. ( 나 ) 측정하는스펙트럼사진및마이크로광도계의광학계는먼지가묻지않도록주의한다. 92
6. 정량분석을한다 들뜨게하여발광시킨분석시료와표준시료에서의정량원소의분석선측정강도를비교하여원소함유량을구한다. (1) 사진측정법으로구한다. ( 가 ) 검정곡선법에서표준시료를분석시료와같은조건으로발광시켜스펙트럼사진으로부터얻어진측정값을이용한다. ( 나 ) 측정강도와목적원소의함유량관계를그래프지에그린다. (2) 육안측정법으로구한다. ( 가 ) 보통선무리법에의한정량법을사용한다. ( 나 ) 육안분광기의접안경사이에나타나는모체원소의많은스펙트럼선들가운데밝기가단계적으로다른특정한몇줄의스펙트럼선을선정한다. ( 다 ) 선정한스펙트럼선과함유량에따라밝기가변화하는한줄의목적원소의스펙트럼선과의상대적인밝기관계를 표준시료로미리구한다. ( 라 ) 시료대상별로함유량과그분석선대의관계표또는스펙트럼사진의표준카드를작성한다. ( 마 ) 목적원소의스펙트럼선밝기가함유량에대응할때, 스펙트럼선의밝기로목적금속의정량이가능하다. (3) 광전측광법으로구한다. ( 가 ) 검정곡선법을사용한다. ( 나 ) 미리작성한검정곡선도나검정곡선의관계식을컴퓨터에입력한다. ( 다 ) 분석조작개시직전에분광계의정상상태를확인하기위해표준화시료등으로분광계의조정된값에대하여허용도는 오차범위이내에서분석이가능한지확인한다. ( 라 ) 표준화조작후분석시료의정량을실시한다. 93
2 유도결합플라스마에의해철강의질량분석을한다. 1. 시료를분해법에의해준비한다. (1) 철강시료는 0.5~1g 을칭량한다음혼산으로가열분해시킨다. (2) 적당한내부표준원소를첨가하여 100~250 ml에희석한다. (3) 분해에이용하는산은철강의종류나분석원소에따라다르게한다. ( 가 ) 왕수분해법은많은합금강에적용할수있지만 HClO 4 에의한흰연기처리시에크롬이휘산하기때문에크로뮴의정량에는이용되지않는다. ( 나 ) 규소를다량으로포함한시료에서는규산을석출하기쉽다. 석출한규산에는타원소의흡착을일으키므로산농도는낮게유지시키고, Nb 나 Ti 의가수분해방지용에 0.5g/10 ml정도까지의주석산을첨가한다. ( 다 ) 1% 이상고농도규소의정량에는 H 2 SO 4 로시료를분해하여 H 2 O 2 로산화하는방법을취할수있다. ( 라 ) 규소를정량하지않는경우에는백금또는테플론제의용기를이용하고, HF 를첨가하여 H 2 SO 4 의흰연기가발생할때까지가열하여규산염을분해한다. 이때시료용액에 HF 가잔류하는것을피할수있지만 NH 4 HF 2 를이용하는방법에서는 HF 의존재에의해네블라이저나토치관이침식되기는경우가있다. 94
< 표 2-6> 철강시료의분해법 ( 시료량 0.5g) 95
( 마 ) 불용해잔사가만들어지는경우아래의그림과같이알칼리융해를한다. 융제로는 Na 2 S 2 O 7 이나 K 2 S 2 O 2 등을이용한다. 융제의양을늘리면네블라이저의막힘이나토치관선단에염의석출이일어나기쉬워진다. 시료용액량에대한융제량의비가 0.5g/10 ml이하이면네블라이저의막힘은적어진다. [ 그림 2-17] 철강시료의산분해알칼리용액법에의한분석조작 96
2. 철강중의미량원소의정량시표준물질에의해정확도를확인한다. 표준물질을토대로철강중에수~100μg /g 레벨로함유되는불순물에대해정확도를확인한다. (1) 인터넷에연결하여, NBS 규격홈페이지를찾는다. (2) 검색란에 SRM 365 전해철을입력한다. (3) 아래표에서검색한 SRM 365 시료의화학성분범위를작성한다. (4) 인터넷에연결하여, BAS 규격홈페이지를찾는다. (5) 검색란에 BCS 260/4 및 BCS 149/3을입력한다. (6) 검색한 BCS 260/4 및 BCS 149/3 시료의화학성분범위를 < 표2-7> 에작성한다. 97
< 표 2-7> 철강중미량불순물분석용표준시료 98
3. MIBK( 메틸이소부틸케톤 ) 추출에의해철강시료중의 Ni와 Co 등미량원소를정량한다. 이방법으로시료중 Ni, Co를 1μg /g 농도의정밀도로정량한다. (1) 철강시료 0.5~1g을칭량한다. (2) HNO 3 (1+2) 15ml를더하여가열농축시킨다. (3) HCl(1+2) 20ml를이용하여분액깔때기에옮긴다. (4) MIBK 30mL를더하여진탕및수상분리를시킨다. (5) 추출조작을반복한다. (6) 수상을가열한다. (7) 냉각한다음, 물로 50~100ml정용한다. (8) ICP 측정을한다.(Ni Ⅱ 231.604nm, Co Ⅱ 228.616nm ) 99
3 원자흡광분석에의해철강의질량분석을한다. 1. 철강의시료채취와전처리를한다. (1) 표면에부착하고있는스케일이나산화철등의불순물을제기한다. (2) 철강의평균조성을나타낼수있도록드릴링머신으로물이나감마유등을이용하지않고각부분으로부터수직으로회전시켜, 두께 1 mm미만의절삭편을취한다. 분석하는목적에따라서는특정부분만의절삭편을취한다. (3) 삭하기어려운것은분쇄하여세립으로한다. 분석대상물과목적원소에따라입도의최적조건을선택한다. (4) 측정시료는절삭편또는세립시료를고순도의알코올및에테르로씻어기름성분을제거하고채취한다. (5) 아래의인자에유의해서시료의분해방법을선택한다. ( 가 ) 분석대상원소를휘산시키지않아야한다. ( 나 ) 불용성물질을생성시키지않아야한다. ( 다 ) 오염을피해야한다. ( 라 ) 네블라이저분무과정에의한영향이냐분광간섭등의측정에의한영향을피해야한다. ( 마 ) 분해가신속하고용이하며, 가능한한다수의원소에적응할수있어야한다. 100
(6) 채취한치료는적당한산으로용해한다. ( 가 ) HCl로분해하고 H 2 O 2 를더하여철등을산화한다. ( 나 ) HCl로분해하고 HNO 3 를더하여철등을산화한다. ( 다 ) 왕수로분해한다. ( 라 ) 왕수로분해하고, HClO 4 로흰연기처리한다. ( 마 ) 혼산 (H 2 SO 4, H 3 PO 4, 물 ) 으로분해하고, HNO 3 를더하여철등을산화한다. (7) 어떠한산분해법을사용하는경우에도불용해물을여과하여구별한다. (8) Al이나 Ti을측정할때는잔사를 K 2 S 2 O 7 융해처리한다. (9) 용액시료를그대로플레임중에분무해측정하는것이곤란하거나목적물질이미랑인경우에는분리농축을이용한다. 101
2. 철강중의몰리브데넘을정량한다. 시료를적절한산으로분해한후, 용액을여과한다. 여액에 AlCl 3 를더한후용액을아세틸렌-N 2 O 플레임중에분무해원자흡광측정을실시한다. (1) 시약을준비한다. ( 가 ) 혼산 A는 HCl, HNO 3, 고순도물을체적비 1:1:2로혼합한다. ( 나 ) 혼산 B는 H 2 SO 4, H 3 PO 4, 고순도물을체적비 3:3:16으로혼합한다. ( 다 ) Al 용액 (12mgAl/ ml ) 은염화알루미늄 6수화물 (AlCl 3 6H 2 O) 110g을고순도물로용해하여 1000ml를정용한다. ( 라 ) Fe는가능하면순도가높은것으로 Mo을함유하지않거나 Mo 함유량이가능하면낮은것을사용한다. (2) 검량선을작성한다. ( 가 ) Mo 표준용액 (50μgMo/ ml ) 0~10ml를 200ml의비커에단계적으로취한다. ( 나 ) 시료를취한양과동일한양의 Fe을취해옮겨넣고목적시료와같은조작을행한다. ( 다 ) 얻은흡광도와표준 Mo 용액으로서첨가한 Mo량과의관계식을작성한다. ( 라 ) 그직선이원점을지나도록평행이동하여검량선으로한다. 102
(3) 측정조작을한다. 측정조작은 [ 그림 2-18] 의순서에따른다. ( 가 ) 철강시료를정확하게취해 200mL의비커에넣는다. Mo 함유량 0.01~ 0.50% 의경우에는 1.00g, 0.50~1.0% 의경우에는 0.500g을사용한다. ( 나 ) 시계접시로덮고, 20ml의혼산 A를더하여가열분해하여질소산화물등을제거한다. ( 다 ) HCl(1+1) 20ml를더하여가열하여염류를용해한다. ( 라 ) 방랭한후시계접시의아래쪽면을고순도물로세정하고시계접시를없앤다. ( 마 ) 용액을여과지 (5A) 를이용하여여과한다. ( 바 ) HCl(2+10) 과온수를이용하여여파지에 FeCl 3 의황색이인식되지않게될때까지세정한다. ( 사 ) 여액및세액을합한다. ( 아 ) 잔사는폐기한다. ( 자 ) 용액을 100ml의메스플라스크에고순도물을이용해옮겨넣는다. ( 차 ) Al 용액 (12mgAl/ ml ) 을정확하게 100ml더하여상온까지냉각한후, 고순도물로표선까지희석하여정용한다. 103
[ 그림 2-18] 철강중 Mo 의분석조작 104
(4) 혼산 A로분해가곤란한시료의경우에는다음조작을행한다. ( 가 ) 시료를칭량하여취해 20ml의비커로옮겨넣는다. ( 나 ) 왕수 15ml를더하여온화하게가열하여분해한다. ( 다 ) HClO4 용액 15ml를더하여계속가열하여 HClO 4 의흰연기를 5~6분간발생시킨다. ( 라 ) 방랭후, 고순도물을약 30ml를더하여염류를용해하여시계접시를없앤다. ( 마 ) 이후의조작은위의 (3) 순서와같다. HClO 4 의증기는 NH 3, 아질산증기및유기물이존재하면폭발할위험이있으므로주의한다. 105
(5) 텅스텐을함유한시료의경우에는다음조작을행한다. ( 가 ) 시료를칭량하여취해 200 ml의비커로옮겨넣는다. ( 나 ) 시계접시로덮고, 혼산 B 30 ml를더하고가열하여분해한다. ( 다 ) HNO 3 3 ml를더하고가열하여철등을산화한다. ( 라 ) 계속가열하여농후한 H 2 SO 4 의흰연기를발생시킨다. ( 마 ) 방랭한후, 고순도물약 30 ml를더하여염류가용해할때까지가열하고시계접시를없앤다. ( 바 ) 여과이후의조작은위의 (3) 순서와같다. ( 사 ) 고순도물을이용해원자흡광분석장치의제로점을조정한후, 시료용액을 N 2 O- 아세틸렌플레임중에분무해 Mo 에 의한원자흡광을파장 313.3 nm에서측정한다. ( 아 ) 시료중의 Mo 함유율 (%) 은 Mo% = m 1 m 0 100 + C 식으로계산하여정량값을구한다. m 검량선의작성조작에대해얻어진표준 Mo 용액을첨가하지않은경우의흡광도를공시험의홉광도로한다. 여기서 m 1 은시료용액중의 Mo의검출량 (g), m 0 는공시험용액중의 Mo의검출량 (g), m은시료채취량 (g), 그리고 C 는검량선작성에이용한 Fe 중의 Mo 함유율 (Mo%) 이다. 106