철강 기초 이론 상세 설명
철강 기초 이론 상세 설명으로 금속의 구조와 만들어지는 과정과 철강의 분류 열처리 종류 강도 등에 대해 이해할 수 있도록 자세하게 설명하겠습니다.
철강 기초 이론
- 금속이란 : 화학원소의 3/4가 금속으로 지각에 가장 풍부한 금속은 알루미늄과 철, 칼슘, 마그네슘 등이 있습니다. 열이나 전기를 잘 전달하면서, 펴지(전성)고 늘어나는(연성) 성질이 풍부하면서 특유의 광택을 가지고 있습니다.
- 철이란 : 원자번호 26번, 원소기호 Fe로 고체상태의 비중 7.85g/㎥의 금속입니다. 철광석의 형태로 존재하면서 녹는점(융융점)은 1,538℃으로 용광로에서 가열하며 녹아 액체처럼 되어 산화철에서 산소를 분리하면 순수한 철이 나옵니다.
- 철강이란 : 용광로에서 녹여 만든 순수한 철에 정련을 통해 탄소(C)를 첨가한 금속으로 철강 제조사들이 탄소강, 합금강, 스테인레스강 등의 철강 제품을 생산하고 있습니다.
금속의 구조
금속을 현미경이나 전자 주사현미경으로 보면 금속은 고체상태에서 수많은 결정 덩어리가 함께 엉겨 붙어서 결정 구조를 가지고 있는 특징을 볼 수 있습니다. 이런 결정 덩어리를 결정립이라고 하며, 보통 금속은 다양한 크기의 결정립이 무질서한 상태로 집합되어 있는 다결정체이지만 개개의 결정을 보면 원자들이 어떤 규칙을 이루면서 배열되어 있으며, 이같은 원자들의 배열을 결정격자라고 합니다. 결정립과 결정립이 만나는 경계면을 결정립계라고 합니다.
철강이 만들어지는 과정
금속의 응고 과정은 물이 얼어 얼음이 되는 과정과 유사합니다. 금속을 가열하면 용융온도 약 1,538℃ 이상에서 원자 배열이 무질서해지면서 결정상태를 잃고 액체가 됩니다. 이 용융금속(쇳물)을 응고 온도까지 냉각시키면 원자는 다시 규칙적인 결정격자의 자리를 찾아가며 이렇게 핵이 성장하면서 결정립이 나뭇가지 모양의 결정(수지 상정)이 되어 계속 성장하면서 응고됩니다. 융융금속이 내부까지 응고 하기 시작하면 이 수지 상정들도 여러 방향으로 응고되고 알갱이 모양으로 성장합니다. (수지 상정 : 결정핵이 생기고 핵이 성장하여 큰 결정이 되는데 여기에 또 가지가 생겨서 나뭇가지 모양의 결정 성장이 이루어집니다)
금속의 응고 과정 : 결정핵 생성 – 결정핵 성장 – 결정 입자 생성 – 결정립계 형성
균질화 처리
- 용융 금속을 응고하여 만든 제품들(주조한 제품들은 조직 전체가 불균일합니다)
- 결정립계에 많은 불순물과 공간이 있어 강도(기계적 성질)도 모두 다릅니다.
- 금속 전체의 성분이나 조직, 결정립의 크기 등을 가공성을 위해 균일하게 만드는 처리를 균질화 처리라고 합니다.
균질화 처리 방법
- 금속을 고온에서 소성가공을 이용해서 압연이나 단조를 합니다.
- 수지 상정과 결정립계에 있던 불순물을 작은 크기로 부수고 공간들도 압축되어 없어집니다.
- 응고 조직을 파괴한 후 적당한 온도에서 가열하면 재결정이 일어나서 다른 조직으로 변합니다.
- 중세 시대 화로에 철을 녹여 쇳물을 만들어 어느 정도 응고시킨 후 두드려 칼을 만들고 열처리하는 원리가 오늘날 철강을 제조하는 원리와 유사합니다.
소성가공이란
- 탄성변형 : 철사를 약하게 구부렸다 놓으면 원래의 상태로 되돌아가듯이 외력(물리적인 힘)을 가했다가 제거하면 변형이 일어나지 않고 원래의 상태로 되돌아가는 변형을 탄성변형이라고 합니다.
- 소성변형 : 철사에 힘을 더 많이 가하여 구부렸다가 놓으면 원래의 상태로 되돌아가지 않고 변형된 상태로 남아있게 되는데 이처럼 외력을 가한 후에 영구적으로 변형이 남아 있는 변형을 소성변형이라고 합니다.
- 소성변형을 이용해 원하는 여러 형상을 만드는 가공 방법을 소성가공이라 합니다.
철강의 분류
- 탄소의 함량에 따라 철, 강(탄소강), 주철로 분류합니다.
- 탄소강과 합금강의 분류
- 탄소강 : 순수한 철에 탄소 0.03~1.7%(또는 0.03~2.0%)까지 합금한 것으로 탄소 외에 규소, 망간, 인, 황이 함유되어 있습니다.
- 합금강(특수강) : 탄소강에 5가지 합금 원소 외에 다른 합금 원소가 하나 이상 첨가하여 특수한 성질을 부여한 강(크롬, 니켈, 몰리덴, 질소, 바나듐, 알루미늄, 구리 등)
합금원소의 영향
- 탄소(C) : 탄소 함량이 증가하면 강도가 증가하고 인성과 연성은 감소합니다.
- 규소(Si) : 규소 함량이 증가하면 용접성과 가공성을 저하하며, 인장강도, 경도를 상승합니다. 결정립의 조대 화로 충격값과 인성, 연신율을 저하시킵니다.
- 망간(Mn) : 고온에서 결정립 성장을 억제합니다. 주조성과 담금질 효과를 향상 시키며 탄소강에서 함유된 황(S)을 MnS 석출시켜 적열취성을 방지합니다.
- 인(P) : 상온취성의 원인이 되며, 결정 입자를 조대화 시키며 편석이나 균열의 원인이 됩니다.
- 황(S) : 절삭성을 양호하게 하며, 편석과 적열취성의 원인이 됩니다. 철을 여리게 하며 알카리성에 약합니다.
- 몰리브덴(Mo) : 내식성을 증가시키며, 뜨임 취성을 방지합니다. 담금질 깊이(소입경화 깊이)를 깊게 합니다.
- 크롬(Cr) : 강도와 경도를 증가시키며, 탄화물을 만들기 쉽게하며 내식성, 내열성, 내마모성을 증가시킨다.
- 니켈(Ni) : 내식성 및 내산성을 증가시키며, 오스테나이트상 안정화 원소입니다.
소성가공의 종류
압연
- 회전하는 롤러 사이에 재료에 압축하면서 통과시켜 원하는 두께, 외경 모양으로 만들어주는 방법
- 밀가루 반죽을 밀대로 미는 원리로 판재나, 환봉, 각봉, 파이프(심레스)를 만드는 방법
압출
- 재료를 밀어 틀을 연속으로 통과하며 단면을 수축해서 원하는 모양의 단면으로 만드는 방법
- 가래떡을 밀어서 뽑아내는 원리로 환봉이나 각봉, 파이프를 만드는 방법
단조
- 프레스 가공의 종류로 재료를 프레스 기계로 두드리거나 압축해서 원하는 모양으로 만드는 방법
- 스웨이징, 로터링 포징, 링 롤링 등 다양한 단조 공법이 있습니다.
- 대장간의 망치로 칼을 두드려서 만들어내는 원리로 기어, 샤프트 등을 만드는 방법
인발
- 재료를 틀(금형)에 넣고 잡아당기면서 연속으로 단면을 감소시켜 틀의 형태로 만드는 방법
프레스
- 재료에 프레스 기계로 수직, 또는 압력을 가해 원하는 틀(금형) 형상으로 전달, 굽힘, 펀칭으로 판재나 파이프에 구멍을 뚫는 방법
- 축과, 확관, 단조, 코이닝하는 방법
- 자동차 Body 제작에 많이 쓰이고 있습니다.
재결정과 재결정 온도
재결정
- 가공된 금속을 가열하면 내부 응력이 제거되어 회복되고 계속 가열하면 내부 응력이 없는 새로운 결정이 생기는데 이것을 재결정이라고 하며, 이때 온도를 재결정 온도라고 합니다.
- 금속의 소성가공에 있어 재결정 이하 냉간가공 재결정 이상 열간가공으로 분류합니다.
- 가공된 금속을 가열할 때 재결정의 순서 : 회복 – 재결정 – 결정의 성장
- 재결정의 순서로 진행되면서 강도와 경도는 줄어들고 연성이 증가하고 결정립의 크기 또한 재결정 이후 결정이 성장하면서 커집니다.
- 재결정화된 조직은 외력을 가했을 때 변형저항을 감소시키고 더 많은 변형을 일으킵니다.
- 금속의 재결정 온도 : 철 500℃, 니켈 500~600℃, 텅스텐 1,200℃, 은 200℃, 아연 15~50℃, 알루미늄 150℃, 마그네슘 150℃, 구리 200℃, 금 200℃
열간가공과 냉간가공
소성가공
- 주물에 비해 성형 치수가 정확합니다.
- 금속의 결정 조직을 개량해서 치밀하고 강한 조직을 얻을 수 있습니다.
- 대량생산으로 균일치수의 제품을 얻을 수 있습니다.
열간가공
- 가공성이 좋으며, 열에 의해 변형률이 크기 때문에 가공도가 커서 변형이 큰 가공에 적합 합니다.
- 가열로 인해 표면이 산화되고 정밀가공이 어렵습니다.
냉간가공
- 가공 면이 깨끗하고 정밀하게 가공할 수 있습니다.
- 가공경화로 강도 및 경도가 증가하며, 치수 정밀도가 열간가공 대비 정밀합니다.
열처리 종류
퀜칭
- 담금질 또는 소입이라고 하며, 강을 가열하여 물, 기름, 소금물 등에 담그거나 뿌려서 급속 냉각하여 경도를 증가시켜 내마모성을 향상하기 위한 열처리 공법입니다.
- 퀜칭은 마르텐사이트 조직이 매우 딱딱하고 내부에 응력이 커서 깨지기 쉬워 반드시 템퍼링 열처리를 해야 합니다.
- 퀜칭을 하는 방법은 연속가스로에서 가열하며 물을 뿌리거나 고주파 유도가열을 이용해 가열 후 물을 뿌립니다.
템퍼링
- 뜨임 또는 소려 퀜칭하여 만든 강이 딱딱하기만 하고 깨지기 쉬워 적당한 온도로 가열하여 공기 중에 냉각시켜 퀜칭한 강의 내부 응력을 풀어주고 인성과 기계적 성질을 얻기 위함입니다.
- 템퍼링 한 조직도 마르텐사이트 조직으로 저온 템퍼링과 고온 템퍼링이 있습니다.
- 철강 아이템 중 드릴로드, 커플링은 퀜칭 후 고온 템퍼링, 에어백튜브는 퀜칭 후 저온 템퍼링으로 열처리 하며, 퀜칭과 템퍼링 열처리를 같이하는 열처리를 QT 열처리라고 합니다.
노말라이징
- 불림 또는 소준이라고 하며, 강을 가열해서 조직을 표준화하는 열처리 공법입니다.
- 높은 온도에서 소성가공했을 때 강의 커진 조직을 미세화하고 가공으로 인하여 불균일해진 조식을 균일하게 해서 기계적 성질을 향상 시키는 열처리 공법입니다.
- 철강 아이템 중 드릴로드, 자동차용 심레스공정 이후 또는 인발 후에 노말라이징 열처리합니다.
어닐링
- 풀림 또는 소둔이라고 하며, 강을 가열하여 응력을 풀어주는 열처리입니다.
- 인발과 같은 소성가공으로 변형됐을 때 강의 내부는 응력이 축적 되어 있으며, 이 응력으로 인해 재료는 변형이나 균열이 발생할 수 있기 때문에 응력을 제거할 수 있는 열처리를 해야 합니다.
- 어닐링은 강을 매우 연하게 하는 풀어닐링과 내부응력을 제거하는 응력제거소둔, 기계적 성질을 개선하는 구상화 소둔이 있습니다.
금속의 강도
- 금속의 강도는 단단함과 세기의 정도를 얘기합니다.
- 인장강도, 압축강도, 전단강도 등이 있으며, 일반적으로 인장강도가 많이 쓰입니다.
인장강도(인장응력)
- 재료가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한 응력, 파단할 때의 세기, 단위 면적당 작용하는 힘으로 나타냅니다.
- 재료의 강도를 표시하는 값 중 하나입니다.
응력
- 구조물 및 재료가 외부로부터 물리적인 힘, 외력을 받으면 재료 내부에는 외력에 저항하는 내부 저항력인 내력이 발생하며, 이 내력의 면적당의 힘을 응력이라고 하며, 시그마로 표기합니다.
인장강도
- 극한강도라고도 하며 재료의 세기를 나타내는 힘으로 재료가 절단되도록 당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값입니다.
항복강도
- 항복점을 지나 소성변형을 시작할 때의 응력으로 항복강도를 넘어서면 물체는 원형을 유지하기 위해 완전히 돌아가지 않으며 변형된 상태가 유지됩니다.
연신율
- 금속이 늘어나는 비율(늘어난 길이 – 원래길이)/원래길이 X 100%
- 파괴되지 않고 변형되거나 길게 늘어나는 성질을 연성하며, 강이 가지는 연성의 정도를 연신율 이라고 표기합니다.
- 연신율이 높을수록 연성은 좋습니다.
금속의 강도
인장시험
- 얼마만큼의 힘을 견디면서 늘어날수 있는지를 파악하는 시험으로 시험편을 잡아당길 때 가해지는 하중과 시험편에 변형의 모양으로 인장강도와 연신율을 계산합니다.
- 단위 면적 당 지탱 가능한 최대 하중
응력(변형율 선도)
- 재료를 인장시키면 처음에는 변형이 증가함에 따라 하중이 선형적으로 증가하다가 그 증가폭이 완만해지면서 어느 최대점을 지나면 인장에 의한 단면적 감소로 인장하중이 다시 감소 하다가 파단되게 됩니다.
- 이 인장하중이 최대가 되는 점에서의 응력이 재료의 극한강도(인장강도)입니다.
- 기구의 설계에서 제품의 허용하중을 테스트하고 일정 기준을 충족하면 안정이 있다고 판단합니다.
- 일정기준을 맞추지 못하면 안정이 없다고 판단합니다.
- 제품 출고 전 인장시험을 진행해서 성적서에 기재합니다.
경도
- 금속 표면의 딱딱함 정도를 말하며 긁혀서 자국이 남는 것에 저항하는 정도입니다.
- 높을수록 긁혔을 때 흠집이 잘 나지 않습니다.
- 글자는 비슷하지만 강도와는 다릅니다.
- 강도의 경우 물체에 걸린 단위 면적당 하중에 대해 영구변형 혹은 파괴되지 않는 한계를 의미하고 그 단위 자체가 압력의 단위와 동일하게 정의되는데 비해 경도는 딱딱한 가를 나타내는 의미합니다.
- 경도측정방법에는 로크웰경도, 비커스경도, 브리넬 경도, 쇼어경도 등이 있습니다.
- 시험방법으로는 금속시편을 압입자로 눌러 압입자의 크기의 깊이에 따른 금속의 경도를 측정합니다.
- 인장시험과 함께 경도시험도 진행하여 성적서에 경도값도 기재합니다.
추가 다양한 정보는 아래 링크에서 확인할 수 있습니다.
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