Chapter 13. Types and Applications of Metals Ceramics, and Polymers ( 금속, 세라믹, 고분자재료의종류및응용 ) Metal alloys, ceramics, polymeric materials Ferrous alloys ( 철합금 ), nonferrous alloys ( 비철합금 ) Steels ( 강 ), cast irons ( 주철 )
Fig. 13.1 Metal alloys ( 금속합금 ) 의분류.
Ferrous Alloys ( 철합금 ) Iron ( 철 ) ~ 금속중가장널리사용 1) 풍부히존재 2) 비교적쉽게 extraction ( 선광 ), refining ( 정련 ), alloying ( 합금화 ) & fabrication ( 가공 ) 3) 다양한기계적, 물리적성질 단점 : corrosion susceptibility ( 부식에취약 )
Steels ( 강 ) Fe C alloys + other alloying elements C 함량이기계적성질에큰영향 Low-carbon steel ( 저탄소강 ) Medium-carbon steel ( 중탄소강 ) High-carbon steel ( 고탄소강 ) Plain carbon steel ( 순탄소강 ) ~ C 이외의다른원소는미량함유 Alloy steel ( 합금강 ) ~ 합금원소를특정농도만큼첨가
Low-Carbon Steels : C 함량이 0.25 wt% 미만 Microstructure ~ Ferrite 와 Pearlite 혼합상으로구성 ( 아공석 (hypoeutectoid) 조성이므로 ) Fe-Fe 3 C 상평형도참조 (Fig. 10.28) 특징 : soft, weak but ductility & toughness machinable ( 기계가공성 ), weldable ( 용접성 ) 강중에서가장저렴 용도 : 차체, I-beam, 앵글등구조물, pipe, 다리, can 류 c.f.) High-strength, low-alloy steels (HSLA steels), 고강도저합금강 : 저탄소강이면서 Cu, V, Ni, Mo 등합금원소를 10% 함유 순저탄소강보다강도, 경도, 내부식성우수
Eutectic point Eutectoid point Fig. 10.28 Fe-Fe 3 C 계의상평형도.
Medium-Carbon Steels : C 함량이 0.25~0.6 wt% 미만 Microstructure ~ Tempered martensite (austenitizing quenching tempering) 특징 : 저탄소강에비해강도, 연성, 강인성 용도 : 열차바퀴, 철로, 기어, 크랭크축, 기계부품, 고강도구조재 High-Carbon Steels : C 함량이 0.6~1.4 wt% Microstructure ~ Tempered martensite 특징 : 탄소강중에서가장강도, 경도, 연성 용도 : 높은내마모성이요구되는분야 ( 절삭공구, 칼날, 면도날, 톱날, 스프링 )
Stainless Steels : highly resistant to corrosion 주합금원소 ~ Cr ( 적어도 11 wt% 이상 ), Mn, Ni, Mo Microstructure ~ 주된상에따라분류 Ferritic stainless steels Austenitic stainless steels: Cr 및 Ni 농도가장높음 ( 내부식성가장강함 ) 비자성 (nonmagnetic) Martensitic stainless steels 특징 : 산화에강함, 기계적성질우수 ( 높은강도, 내부식성 ) 고온, 극한환경에서사용 용도 : gas turbines, 고온 steam boilers, furnaces 비행기, 미사일, 원자력발전부품
Cast Irons ( 주철 ) : C 함량이 2.14 wt% 이상 ( 보통 3~4.5 wt%) 용융온도비교적낮음 (1150~1300 o C) very brittle casting ( 주조 ) 이가장일반적인가공방법 C 농도가높아준안정상인 cementite 가상분리되어 ferrite 상및 graphite 상을형성하기도함 Fe 3 C 3Fe (α) + C (Fig. 13.2) Cementite Ferrite Graphite 1 wt% 이상의 Si 존재시흑연생성촉진 & 냉각속도느릴수록 C 가흑연상으로존재
Fig. 13.2 준안정상 cementite 대신안정상 graphite 로나타낸 Fe-C 상평형도.
Types of Cast Irons : Gray (cast) iron, ductile iron, white (cast) iron malleable iron, compacted graphite iron 1) Gray iron ( 회주철 ) ~ graphite flakes, weak & brittle in tension stronger in compression, wear resistant 유동성우수 주물제조시유리금속재료중가장저렴, excellent vibrational damping Fig. 13.4 진동흡수능의비교 : (a) steel, (b) gray iron.
2) Ductile (or Nodular) iron ( 연주철 or 구상주철 ) ~ Mg & Ce 을첨가, 흑연상이구상형태 회주철보다강도, 연성 3) White iron ( 백주철 ) ~ cementite 와 pealite 상, 백색, very hard but brittle 4) Malleable iron ( 가단주철 ) ~ 장미꽃형의흑연상, 상대적으로높은강도및연성우수 Heat-treated white iron at 800-900 o C 5) Compacted graphite iron ( 조밀흑연주철, CGI) ~ Si 에의해흑연화촉진된주철 미세조직은회주철과연주철의중간형태 열전도도, 열충격저항성, 고온산화저항성 미세구조와기계적성질은조성및열처리가결정
Fig. 13.3 (a) 회주철, (b) 연주철.
Fig. 13.3 (c) 백주철 (d) 가단주철 (e) 조밀흑연주철.
Fig. 13.5 주철의 Fe-C 상평형도와열처리에따른미세구조.
Nonferrous Alloys ( 비철합금 ) Ferrous alloy 의단점 : High density Low electrical conductivity Poor corrosion resistance 합금가공방식 : Cast alloy ( 주조합금 ) ~ too brittle, 소성변형어려운재료 Wrought alloy ( 단조합금 ) ~ 소성변형이가능한재료
Cu & Alloys Copper ~ Soft & ductile, corrosion resistant cold working ( 냉간가공 ) Brass ( 황동 ) ~ Zn이치환형불순물로첨가된합금, 35 wt% 까지가능 FCC 결정구조, soft & ductile, 냉간가공의복장식, cartridge case, 악기, radiator, 동전 Bronze ( 청동 ) ~ Sn, Al, Si, Ni 등을첨가시킨합금 Stronger than brass, 내부식성 Bearing, clutch disk, gears, springs, 용접봉
Al & Alloys Aluminum ~ Low density (2.7 g/cm 3 ) Steel (7.9 g/cm 3 ) 전기전도도 & 열전도도 내부식성, 연성 Al foil sheet 제조가능, T m = 660 o C, FCC Cu, Mg, Si, Mn, Zn 등을첨가하여합금 고용체강화 응용분야 : 비행기동체, 음료수 can, 버스차체, 자동차부품 (engine blocks, piston) 등 특수 Al 합금은 steel 보다 specific strength
Mg & Alloys Magnesium ~ Low density (1.7 g/cm 3 ) HCP 구조상대적으로연하고탄성계수 상온소성변형어려움, 보통 hot working ( 열간가공 ) T m = 651 o C, 비교적불안정 Fine Mg powder ~ 쉽게점화 Al, Zn, Mn 등을첨가해합금화 응용분야 : 비행기, 미사일, 가방, 휴대장비, 자동차부품 Audio-video-computer-communications 장비 ( 노트북, 캠코더, TV, 휴대폰 )
Ti & Alloys Titanium ~ ρ = 4.5 g/cm 3, T m = 1668 o C ( 낮은밀도, 높은용융점 ) 인장강도, 비강도, 연성, 내부식성 비행기, 우주선, 인공뼈, 석유화학산업 Refractory Metals ( 내화금속 ) Nb, Mo, W, Ta ( 매우높은용융점, 2468 ~ 3410 o C) 금속원자간결합력, 강도, 경도, 내부식성 W의용도 : 필라멘트, X-선관, 용접전극 Noble Metals ( 귀금속 ) Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os ( 물리적특성이유사한 8종원소 ) 귀금속중에서흔함 : 산화와부식에강함, 고가, soft & ductile 금, 은 ~ 구리와고용체강화백금 ~ 촉매로사용, 고온측정용열전쌍 (thermocouple)
그밖의비철합금 Ni & alloys ~ 알칼리환경에서내부식성 부식방지용금속표면 Pb, Sn & alloys ~ Soft & weak, T m, 내부식성 Can 내부코팅 (steel과식품과의화학반응억제 ), 양철납땜재료 (Pb & Sn alloy) Zn & alloys ~ T m, 화학반응성, 부식에약함 Soft (100 o C 이상에서전성및연성우수 ) 주로합금으로사용 c.f.) Galvanized steel ( 아연도금강 ): 탄소강에아연층을도금한강 Zn이우선산화되어 steel을보호 ( 판재금속, 철망 함석 )
Types of Ceramics ( 세라믹의종류 ) Fig. 13.7 응용면으로분류한세라믹재료.
Glasses ( 유리 ) Noncrystalline silicates ( 비정질규산염 ) ~ 주원료 Na 2 O, CaO, K 2 O, Al 2 O 3, B 2 O 3 등산화물함유 특징 : Transparent & easily fabricated
Glass-Ceramics Noncrystalline glass ( 비정질유리 ) 고온열처리결정화 (crystallization) or 비유리화 (devitrification) Glass-ceramics ( 미세결정구조의다결정재료 ) 강도, 열전도도, 열충격저항 ( 열팽창계수 ), 제조간단 Ovenware, tableware, oven windows 등에사용
Clay Products 저렴, 성형용이, 고온소성 (firing) 하면강도 Structural clay products ( 구조용점토제품 ) : 벽돌, 타일, 하수관 Whitewares ( 백자 ) ~ 소성후흰색으로변함 : 자기, 도기식기류 Refractories ( 내화물 ) 가혹환경에서도불활성상태유지고온에서용융 or 분해않음 Thermal insulation ( 단열 ) 내화점토, Alumina (Al 2 O 3 ), Silica (SiO 2 ), Zirconia (ZrO 2 ) 등 ex) Furnace linings, 유리제조, 금속열처리, 발전소
Cements 점토, 석회석 (CaCO 3 ), 석고 (CaSO 4 ), 석회 (CaO) 등을포함한혼합물 CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 석회석생석회소석회 고온가열 H 2 O 물과혼합하면고착 (setting) 후경화됨 calcination 석고 ( 경화지연효과 ) Portland cement: 점토 + 석회석분말혼합포장 (SiO 2 +CaO) + 물고화
Types of Polymers ( 고분자재료의종류 ) Plastics ( 플라스틱 ), Elastomers ( 탄성체 ), Fibers ( 섬유 ) Plastics Thermoplastics ( 열가소성고분자 ) PE, PP, PVC, PS, PMMA, PA, ABS, PET Thermosettings ( 열경화성고분자 ) Epoxies, Phenolics, Polyesters 종류와성질이다양함 Ex.) Optical transparency: PS, PMMA Low friction coefficient: PTFE ( 고온에서내화학성 )
Elastomers SBR (Styrene-butadiene rubber) ~ 자동차타이어가황고무 (TS, 마모, 인열저항성 ) Carbon black 첨가로물성더욱향상 Silicone rubbers ( 실리콘계고무 ) ~ -90 o C까지높은유연성 (flexibility) 유지 250 o C까지안정성 (stability) 유지내수성, 윤활유에대한저항성
Fibers 섬유의조건 : length/diameter > 100 섬유는가공중 stretching, twisting, shearing & abrasion 겪음 TS, 탄성률 (E), 내마모성 (Polymer chain 의화학적특성과 drawing 공정에의해가능 ) MW, 결정화도, 선형사슬 인장강도 의류로의적합성은열적성질 (T g & T m ) 에의해좌우
Miscellaneous Applications Coatings ~ 재료의표면에도포하는얇은고분자필름 paint, varnish, enamel, lacquer 등 To protect materials from corrosion or deterioration To improve material s appearance To provide electrical insulation Adhesives ~ 두고체재료의표면을결합시키는데사용되는물질결합방식 : Mechanical ~ penetration into pores/crevices Chemical ~ covalent or van der Waals bonding Films ~ 식품및제품의내용물보호및포장목적 low density, high flexibility, high tensile & tear strengths, resistance to chemical/moisture attack, low gas permeability Foams 미세한기공을많이포함하고있는플라스틱재료
Advanced Polymeric Materials Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) 중량평균분자량 (M w ) ~ 4 x 10 6 g/mol 성질 : high impact strength resistance to wear/abrasion low coefficient of friction self-lubricating surface very good chemical resistance outstanding sound/energy absorption excellent electrical insulation UHMWPE 활용 : bullet-proof vests golf ball covers hip implants (acetabular cup)
Liquid Crystalline Polymers ( 액정고분자, LCP) : 액체상태에서도규칙적인배열이가능해결정성을보이는고분자 Fig. 13.12 용융상및고체상고분자의분자구조 : (a) 결정성고분자, (b) 무정형고분자, (c) 액정고분자.
Thermoplastic Elastomers ( 열가소성탄성체, TPE) Styrene-butadiene block copolymer ( 스티렌블록공중합체 ) styrene hard component domain butadiene soft component domain Fig. 13.13 Styrene-butadiene-styrene (S-B-S) 열가소성탄성체의구조식. Fig. 13.14 S-B-S 열가소성 탄성체의모식도.
(Probs.) 13.2, 13.4, 13.6, 13.12, 13.14, 13.21 & 13.23.