Chapter 4. Alloy Steel( 합금강) 주합금원소 :Fe-C-( Mn-Si) 주합금강합금원소 Ni, Cr, Mo, Mn 강도내식성 Si, V, Co, Cu 제강과정에서첨가. Pb : 쾌삭강 강도는중요하지않고가공이잘되는합금( 절삭성이중요한합금) 합금원소의첨가목적 ⅰ) 충분한인성을유지하면서 70kg/mm 2 이상의항복강도를얻을수있다. 일반탄소강은 개선 Quenching 하면강도는커지나인성이나빠진다. :Tempering 하여인성을높이면강도가낮아진다. ⅱ) 경화깊이(Quenching에의해 Martensite 가형성될수있는깊이혹은두께) 의증가. B, Cr, Mn, Mo CT curve가오른쪽으로많이이동하게되어천천히냉각해도 을수있다. ⅲ) 임계냉각속도를낮출수있다. ⅳ) 즉, 느린냉각속도로 martensite 형성가능. Quenching 시균열발생방지. 내식성향상 Ni, Cr(12% 이상첨가하면영구적으로녹이슬지않는다.) ⅴ) 내열성향상또는고온강도 : 공구강 Mo, W, Cr 대량첨가 + Carbon 함량을높인다. 100% Martensite를얻 내마모성을좋게하기위해.(Fe3C, Cr 23 C 6,WC, MoC 형성) * Stainless Steel,Tool Steel에는합금원소가 10% 이상첨가된다. Cr(18%), Ni(8%) * 나머지대부분합금강에는합금원소가 1~45 정도만첨가된다.
4-1. 합금강의분류 AISI : xxxx Carbon 의농도. KS :SCr (Cr 강) 합금원소의종류, 농도. Cr과 C의농도에따라 SCr 1 종,SCr 2종 ex) SMn (Mn 강) SCM (Cr+Mo 강) SNCM (Ni+Cr+Mo 강) 강도, 경화능이가장좋다. 가격
Carbon 함량 : 침탄강, 표면만 Martensite 를형성시킨다. Carbon 함량 : 스프링강, 탄성계수 : 베어링, 내마모성
합금강에서합금원소의분포 Ni, Si, Mn : 대부분 Fe 에고용된다.( 치환형고용체형성) Cr, Mo, W: 일부는 Fe에고용되고대부분은 Carbon과결합하여 Carbide 형성. V, Ti, Nb : 대부분극히미세한 Carbide 형성. 0.1% 이하소량첨가. 대량첨가하게되면 Cementite 형성을방해한다. Al,Si : 탈산제로첨가. Al2O3, AlN(Aluminium Nitride) 형성 강도, 성형성 Pb, Cu :Fe 에고용되지않는다.Carbon, Fe 와어떠한화합물도형성하지않는다. Pure Pb : Melting Point 가낮아절삭시발생하는 열에녹아윤활제역할을한다. Pure Cu Ni, Cr : 내식성향상. 표면에얇은 Ni, Cr 산화막을형성더이상의산화가일어나는것을방지한다.( 결합력이 크기때문 ) Cr은산소보다탄소와더친해서 Carbon이많으면 Cr23C 6 을형성산화막형성을방해한 다. 개선 :Cr 보다 Carbon과친한 V, Ti, Nb 를첨가한다.
녹이슬지않는금속 ⅰ)Au, Ag, Pt : 산소와친하지않아산화되지않는다. ⅱ)Al, Cr, Ti, Zr : 산소와친하나표면에 500A 정도의산화층만생기고더이상산소가 침입하지못하게되어산화의진행이멈춘다. Fe-C 상태도에대한합금원소의영향 γ Ti, Mo, W, Si, Cr α α γ Ni, Mn α 합금원소의영향 (a) 대부분의합금원소가공석조성을낮춘다. (b) 共析點의탄소함량(a) 및공석변태점의온도(b) 에미치는강의치환원소의영향 낮추는정도는 Ti>Mo>W>Si>Mn>Cr>Ni 공석온도 Ni, Mn : 공석온도를낮춘다. Austenite former(stabilizer) :Austenite 영역확대. Ti, Mo, W, Si, Cr : 공석온도를높인다. Ferrite former :Ferrite 영역확대.
*Ferrite 보다 Austenite 의성형성이좋다. 성형성을좋게하려면상온에서도강이 austenite 상태에있게해야한다. Ni, Mn을대량첨가하면상온에서도 Austenite 가안정해진다. ( 공석조성과공석온도가낮아지기때문) ex) Stainless Steel Ni : 성형성과내식성향상. Cr : 내식성을향상시키는가장좋은원소. (a) Fe-C에 Mn 첨가. 공석조성과공석온도가낮아진다. 대부분의금속( 중탄소강) 은탄소함 량이 0.4% 정도이므로 Austenite 영 역이확대되는영역에있다. (b) Fe-C에 Cr 첨가. Cr 함량이높아질수록 -loop 를형성한다. γ 탄소강의오스테나이트相영역에미치는 Mn(a) 및 Cr(b) 첨가의영향.
4-3. 경화능(Harden-ability) :Quenching시 martensite 가잘형성되는정도. 경화능에대한영향 ⅰ ) 화학조성 :Carbon 농도(0.2% 이상), Ni, Cr, Mo 등의합금원소. ⅱ) γ의 Grain Size Grain Size 가클수록경화능증가. 경화능의측정 ⅰ) Grossman 법 일련의지름이다른(0.5in~2.5in) 여러시편을만들어 Austenite 온도에서상온까지특정한 냉각제를써서 Quenching 하여경화시킨다. 현미경으로조사하여중심이 100% Martensite로 경화된가장큰棒의지름이경화능이다. ⅱ) Jominey 법 선단퀜칭경화능시험의시편과장치. Jominey 선단퀜칭시험의지름25mm, 길이 100mm 인시편을사용, 처리전의조직이경 화능에크게영향을미치므로시편은시험 을하기전에노말라이징하여야한다. Jominey 시험은시편을오스테나이트화한 시편을장치에올려놓고시편선단에분수 를급격히뿜어대는것이다. 냉각이끝난 다음시편의서로반대편을나란한평면으 로연마하고, 이평면에따라 Quenching한 선단으로부터의거리의함수로경도값을 그려 50% Martensite가형성되는깊이가 경화능, 경화깊이이다. 경도 100% Martensite 50% Martensite 경화능, 경화깊이 χ 100% Ferrite+Pearlite
E-Q(End-Quenching) hardenability Curve의예 3/16inch=3/16 25.4mm=5mm
경화깊이( 또는경화능) 에대한합금원소의영향 합금원소의경화능증가정도 : B >Mn >Mo >Cr >Si >Ni 원자크기가커서격자의일그러짐이커깨지기쉽다. 경화능계산에필요한각종합금원소에대한倍加因子
경화능을향상시키는합금원소 B > Mn > Mo > Cr 수십~수백 ppm 첨가. 극소량첨가해야 Quenching시깨지지않고 Martensite 를만들수있다. 주조시편석때문에수율이안좋다. 포신, 총열 보통탄소강의오스테나이트결정립크기와탄소함량에 따른 理想임계지름 ⅰ) Grain Size #5 100배배율에서 1in 2 에들어있는결정립수 Grain Size μ 0.6cm 0.6cm 2.54cm
ⅱ) Grain Size #5 Grain Size 1in μ 0.4cm Grain Number의증가 Grain Size 감소 Ideal Diameter 감소 경화능감소. 즉,Grain Size 가작을수록경화능은감소한다.
4-4. Mn Steel Mn :1.6~1.9% 첨가( 절반은 MnS 형성, 나머지절반은경화능향상.) 탈황제로첨가할때는최대 1% 까지첨가. Mn>2% 일때 극히 Brittle하여 Quenching 시깨지기쉽다. Mn>12%, C>1% 일때 Quenching시상온에서도 Austenite 로존재. 성형성향상 (Hadfield Steel 이라한다.) AISI 1340 강의등온변태도 0.47%C와 0.57%Mn을함유한일반탄소강의 TTT Curve와비교해보면 Curve가오른쪽으로 이동한것을알수있다. 즉, 100% Martensite 를만들수있다. 냉각속도가빠른것만이 100% Martensite 형성이가 능하다.
Mn Steel의기계적성질 일반탄소강 1040과 1340 Mn Steel 의기계적성질비교. AISI No. 1040 Tempering 온도 항복강도 (kg/mm 2 ) 연신율 (%) 316 60.5 20 427 56.3 21 1030 316 144.9 12 427 117.5 14 경화능향상 강도향상 Mn Steel의용도 고강도 blt, 차축(shaft), Gear
4-5. Low Cr Alloy Cr :0.8~0.9% :Low Cr Steel +0.2~0.6%Carbon 경화능향상(SCr 강) Spring 용도(SPS 강) Cr :1~1.5% : High Cr Steel +1% 이상의 Carbon 높은내마모성 Cr carbide 형성. Ball bearing Jominey 법에의한경화능측정시편의경화깊이 Martensite 를제외한나 머지조직의분율. AISI No. 1040 1030 Tempering 온도 항복강도 (kg/mm 2 ) 2 연신율 (%) 316 60.5 20 20 427 56.3 21 316 144.9 12 12 427 117.5 14 100% Martensite 일반탄소강의 CT Curve와비교 Cr강은 10초이내에냉각되어야 100% Martensite 를형성. Cr 경화능향상. 일반탄소강은 2초이내에냉각되어야 100% Martensite 를형성한다.
구상화 Cr Carbide Bearing Steel :Cr Carbide의구상화중요. A1 온도아래에서장시간유지하면 Cr Cabide와 Fe3C 가구상화된다. Austenizing : 온도를가능한한낮게, 시간은가능한한짧게한다. Q+T 목적 :Ferrite를 Austenite로만들고 Carbide 는잔류시키기위함.
Cr강의기계적성질 Mn Steel과비교 Tempering 온도 항복강도 (kg/mm 2 ) 연신율 (%) Mn Steel 427 105.5 15 Cr Steel 427 123.1 10
4-7. SCM Steel Mo :0.13~2.0%, Cr :0.5~0.95% High Hardenability( 경화능이아주높다.) 두꺼운제품도 서냉시켜도 균열이없다. Martensite 형성가능. Martensite 형성가능. 저합금 Cr-Mo강의화학조성과대표적용도 Alloy AISI-SAE No. 화학조성, 공칭 wt% C Mn Mo Si 4118 0.18 0.80 0.50 0.13 4130 0.30 0.50 0.55 0.20 4140 0.40 0.88 0.95 0.20 4150 0.50 0.88 0.95 0.20 대표적용도고압용기, 항공기구조용부품차축, 조종너클 SCr Steel과비교 SCM Steel Pearlite 생성위치 :1.5inch(3/2=12/8) SCr Steel Pearlite 생성위치 :3/8inch SCM Steel의 CT Curve Cr Steel의 Pearlite 대신 Cr-Mo Steel에서는 Bainite 가잘생긴다. Bainite 생성에기인한경화능이특히높다.
SCr강과 SCM 강의기계적성질비교. Tempering 4130 427 121.7 13 기계적성질은거의유사하나경화능에큰차이가있다. 즉,Cr Steel은 Pearlite가잘생기나 Cr-mo Steel은 Bainite 가잘생긴다. Bainite 에기인한경화능향상. 온도 항복강도 (kg/mm 2 ) 연신율 (%) 5130 427 123.1 12
4-8. Ni-Cr-Mo Steel(SNCM 강) Cr :0.5~0.8% Mo :0.2% Ni :1.8% 43xx 특히 4340 강의강도는매우높다. 0.5~0.6% 86xx SCM Steel과 CT Cuve 비교 SNCM Steel Pearlite 생성거의없다. AISI No. SNCM Steel의경화능이 SCM Steel 보다훨씬우수하다. 100% Martensite 생성위치 Nose 위치( 시간) 4340 2.2/8 inch 20 초 SCM Steel 4140 1.2/8 inch 6 초
비교 Tempering 온도 항복강도 (kg/mm 2 ) 연신율 (%) SNCM(4340) 427 140 10 SCM(4140) 427 116.1 13 SCr(5140) 427 119.6 13 1040 427 65 21
Tempering 온도가너무높아 Fe3C와 Ferrite 로완전분리.
4-11. Maraging Steel 가장강도가높은합금강. Martensite +Aging Martensite 경화 + 시효경화 항복강도 200~350 kg/mm 2 Cabon 대신에다른원소를넣어 Martensite 형성. 조성 :Fe-Base +18%Ni +8~12%Co +3~5%Mo +0.1%Al +0.2~1.8%Ti Quenching 시킨다음 300~ 500 로유지시키면미세한 Ni3Mo, Ni 3Al, Ni 3 Ti 입자가 Martensite 내에석출된다. 강도향상 : 시효강화 Co 의역할 :Ni3Mo, Ni 3Al, Ni 3 Ti 등의석출물형성조장. Carbon Max 0.03% 최소로줄여야한다. 0.03% 이상첨가되면잔류 Austenite가증가되어 Martensite 양이감소강도를저하시킨 다. Maraging Steel 은불순물(P, S, O ) 에민감하다.( 모든공정을진공중에서실시) Fe-18%Ni Alloy Quenching 시키면 Martensite 형성. Fe-C 계보다격자의일그러짐이적어강도는떨어지나연신율, 인성은우수하다.