철강의 기초 이론

1. 철강의 기초 이론

 1) 철과 철강

  ① 금속이란 화학원소의 3/4가 금속으로 알루미늄, 철, 칼슘, 마그네슘 등 지각에 풍부한 성분으로 열이나 전기 전달이
      빠르며, 전성과 연성 성질이 풍부하면서 광택을 띄고 있습니다.
  ② 철이란 원자번호 26번과 원소 기호 Fe으로 고체 상태의 비중 7.85g/㎥의 금속으로 철광석의 형태로 존재하고
      있습니다. 용융점(녹는점)은 1,538℃이며, 용광로에서 가열하면 녹아 액체 형태로 바뀌어 산화철에서 산소를
      분리하면 순수한 철이 나옵니다.
  ③ 철강이란 철에 정련을 통해 탄소(C)를 첨가한 금속으로 탄소강, 합금강, 스테인레스강 등이 있으며,
      철강 제조사에서 제품을 만들고 있습니다.

 

 2) 금속의 구조

  - 금속을 전자 주사 현미경으로 보면 고체상태에서 많은 결정 덩어리들이 엉겨 붙어 결정 구조를 가지는 특징이 있으며, 
    이때 결정 덩어리들을 결정립이라고 합니다. 보통 다양한 크기의 결정립들이 무질서한 상태로 집합되어 있는
    다결정체 이지만 각자의 결정을 보면 원자들이 어떠한 규칙에 의해 배열되어 있으며, 이런 원자들의 배열을 결정
    격자라고 합니다. 여기서 결정립과 결정립이 만나는 경계면을 결정립계라고 합니다.
 

 3) 철강이 만들어 지는 과정

  ① 금속의 응고과정은 물이 얼어가는 과정과 비슷하며, 용융온도 1,538℃ 이상이 되면 원자배열이 해지면서
      결정상태를 잃어버리고 액체가 되고 다시 응고온도까지 냉각하면 규칙적인 결정격자의 자리로 찾아갑니다.
      핵이 성장하면서 결정립이 결정(수지상정)하여 계속 성장하면서 응고가 되며, 용융금속이 내부까지 응고하면
      수지상정 들이 다양한 방향으로 응고되어 알갱이 모양으로 성장하게 됩니다. 여기서 수지상정이란 결정핵이
      생기고 성장해서 큰 결정이 되면 나뭇가지의 모양으로 결정 성장이 이루어지는 것을 말합니다. 금속이 응고되는
      과정으로 결정핵이 생성되고 성장하면 결정입자가 생성된 후 결정립계가 형성되는 순서입니다.
 
 ② 균질화 처리란 용융 금속을 응고해서 만든 제품을 말합니다.(주조한 제품은 조직 전체가 불균일)
      결정립계에 불순물과 공간이 있어 강도(기계적 성질)가 모두 다르며, 금속의 성분이나 조직, 결정립의 크기 등을
      가공하기 위해 균일하게 만드는 방법을 균질화 처리라고 합니다. 처리 방법으로는 금속을 고온에서 소성가공으로
      압연 또는 단조를 해서 수지상정과 결정립계에 있는 불순물을 부수고 공간들도 압축되어 사라집니다. 응고조직을
      파괴한 뒤 다시 가열하면 재결정이 일어나 다른 조직으로 변하게 됩니다.
 
 ③ 소성가공이란 탄성변형과 소성변형이 있으며, 탄성변형은 외력으로 물리적인 힘을 가한 후 제거하면 변형이
      일어나지 않고 다시 원래 상태로 돌아가는 변형을 말하며, 소성변형은 원래 상태로 돌아가지 않고 변형된 상태로
      남아 있는 변형을 말합니다. 이렇게 소정변형을 이용해서 여러 형상을 마는 가공법을 소성가공이라 합니다.
 

4) 철강의 분류

 ① 탄소의 함량에 따라 철, 강(탄소강), 주철로 분류되며, 탄소강은 철에 탄소 0.03~1.7% 또는 0.03~2.0%까지 합금한 
      것으로 탄소 외에 규소, 망간, 인, 황이 함유되었고, 합금강(특수강)은 탄소강에 5가지 합금 원소 외 다른 원소
      하나 이상을 추가해서 특수한 성질을 부여한 강을 말합니다.
      (크롬, 니켈, 몰리브덴, 질소, 바나듐, 알루미늄, 구리 등)
 
 ② 합금원소의 영향으로 탄소(c)는 함량이 증가하면 강도가 올라가고 인성과 연성은 감소되며, 황(s)은 절삭성을 양호
     하게 하면서 편석과 적열취성의 원인이 되어 철을 여리게 해서 알칼리성에 약합니다. 규소(Si) 함량이 높으면 용접과
     가공성을 저하시키고 인장강도, 경도를 상승하게 합니다. 결접립의 조대화로 충격값과 인성, 연실률을 저하시킵니다.
     몰리브덴(Mo)은 내식성을 증가시켜 뜨임 취성을 방지하고 담금질 깊이(소입경화깊이)를 깊게 하며, 망간(Mn)은 고온
     에서 결정립 성장을 억제하면서 주조성과 담금질 효과를 향상하게 합니다. 탄소강에 함유된 황(S)을 MnS로 석출
     하여 적열취성을 방지합니다. 크롬(Cr)은 강도와 경도를 증가시키고 탄화물을 만들기 쉽게 합니다.
     내식성, 내열성, 내마모성을 증가하게 하며, 인(P)은 상온 취성의 원인으로 결정입자를 조대화 시키고 편석이나
     균열의 원인이 됩니다. 마지막으로 니켈(Ni)은 내식성과 내산성을 증가 시키고 오스테나이트상 안정화 원소입니다. 
 

 5) 소성가공의 종류

  ① 압연은 회전하는 롤러 사이로 재료를 압축하면서 통과시켜 두께, 외경 모양을 만들어 주는 원리로
       판재, 각봉, 환봉, 심레스 파이프를 만드는 방법입니다.
 
  ② 압출은 틀(금형)에 재료를 연속으로 통과시키면서 단면을 수축하여 원하는 모양의 단면으로 만드는
       원리로 환봉, 각봉 파이프를 만드는 방법입니다.
 
  ③ 단조는 해머나 플레스로 재료를 두드려 압축해서 모양을 내는 방법으로 스웨이징, 로터링 포징, 링, 롤링 등
       다양한 공법이 있습니다.
 
  ④ 인발은 틀(금형)에 재료를 넣고 당기면서 연속으로 단면을 감소시켜 틀의 형태로 만드는 방법입니다.
 
  ⑤ 프레스는 수직 또는 압력을 가해 원하는 금형(틀) 형상으로 전단, 굽힘, 펀칭으로 구멍을 뚫는 방법으로
      축관, 확관 단조, 코이닝 하는 방법이 있으며, 자동차 Body 제작에 많이 쓰이고 있습니다.
 

6) 재결정과 재결정 온도

  ① 재결정은 금속을 가열하면 내부응력이 제거돼서 회복되고 계속 가열하면 내부응력이 없는 새로운 결정이 생기는데
      이것을 재결정이라고 하며, 이때 온도를 재결정 온도입니다. 금속의 소성가공에 있어서 재결정 이하 냉간가공 재결정
      이상 열간가공으로 분류하며, 재결정 순서는 회복 - 재결정 - 결정의 성장 순입니다. 재결정 순서로 진행되면 강도와
      경도는 줄어들고 연성이 증가하면서 결정립 크기도 재결정 후 결정이 성장하면서 커집니다. 재결정화된 조직은 외력
      을 가했을 때 변형저항을 감소시켜 많은 변형을 일으킵니다.
 
  ② 금속의 재결정 온도 : 철 500℃, 니켈 500~600℃, 텅스텐 1,200℃, 은 200℃, 아연 15~50℃, 알루미늄 150℃
                                         마그네슘 150℃, 구리 200℃, 금 200℃
 
   ③ 열간가공과 냉간가공
        - 소성가공은 주물에 비해 성형치수가 정확하며, 금속의 결정조직을 개량해서 치밀하고 강한 조직을 얻을 수
          있습니다. 대량 생산으로 균일 치수의 제품을 얻을 수 있습니다.
        - 열간가공은 가공성(성형)이 좋고 열에 의해 변형률이 크기 때문에 가공도가 커서 변형이 큰 가공에 적합니다.
          가열로 인하여 표면이 산화되고 정밀가공이 어렵습니다.
        - 냉간가공은 가공면이 깨끗하고 정밀하게 가공할 수 있으며, 가공경화로 강도, 경도가 증가합니다. 치수 정밀도가
           열간가공 보다 정밀합니다.

 

 7) 강의 열처리 종류

   ① 퀜칭은 담금질, 소입이라고도 하며, 강을 가열해서 물, 기름, 소금물 등에 담그거나 뿌려서 급속 냉각으로 경도를
        증가시켜 내마모성을 향상하기 위한 열처리입니다. 마르텐사이트 조직이 되어 매우 딱딱하고 내부 응력이 커서
        깨지기 쉬워 템퍼링 열처리를 해줘야 합니다. 방법으로는 연속가스로에서 가열 후 물을 뿌리거나 고주파 유도 
        가열을 이용해 가열 후 물을 뿌립니다.
   
   ② 템퍼링은 퀜칭해서 만든 강이 딱딱하기만 하고 깨지기 쉬워 적당한 온도에 가열 후 공기 중에 냉각시켜 강의 내부
         응력을 풀어주고 인성(금속이 충격에 견디는 성질)과 기계적 성질을 얻기 위해 합니다. 템퍼링 한 조직도 마르텐
         사이트 조직으로 저온템퍼링과 고온템퍼링이 있습니다. 퀜칭과  템퍼링을 같이 하는 열처리를  QT라고 합니다.
 
   ③ 노말라이징은 불림, 소준이라고도 하며, 강을 가열해서 조직을 표준화하는 열처리를 말합니다.
        높은 온도에서 소성가공 했을 때 강의 커진 조직을 미세화하고 가공으로 인해 불균해진 조직을 균일하게 해서 
        기계적 성질을 향상하는 열처리입니다.
 
   ④ 어닐링은 풀림, 소둔이라고도 하며, 강을 가열하여 응력을 풀어주는 열처리입니다. 인발과 같은 소성가공으로
         변형되었을 때 강은 축적된 응력으로 변형이나 균열이 발생할 수 있어 응력을 제거할 수 있는 열처리입니다.
         강을 매우 연하게 하는 풀어닐링, 내부응력을 제거하는 응력제거소둔, 기계적 성질을 개선하는 구상화소둔이 
         있습니다.
 

8) 금속의 강도

    ▶ 금속의 강도는 금속의 단단함과 세기의 정도를 말하며, 인장강도, 압축강도, 전단강도 등이 있고 대부분 인장
         강도가 많이 쓰입니다.
    ① 인장강도(인장응력)는 재료가 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 최대한 응력/파단할 때의 세기/단위 면적 당 작용
         하는 힘을 나타내며, 재료의 강도를 표시하는 값 중 하나입니다. 응력은 구물 및 재료가 외부로부터 물리적인 힘과
         외력을 받으면 재료 내부에는 외력에 저항하는 내부 저항력인 내력이 발생되고 이 내력의 면적당 힘을 응력이라
         하며 시그마로 표기합니다. 인장강도는 극한강도라고도 하고 재료의 세기를 나타내는 힘으로 재료가 절단되도록
         당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값입니다.
  
     ② 항복강도는 항복점을 지나 소성변형을 시작할 때 응력을 말하며, 항복강도를 넘어서면 물체는 원형을
          유지하기 위해 완전히 돌아가지 않으며 변형된 상태가 유지됩니다.
 

     ③ 연신율은 금속이 파괴되지 않고 변형되거나 길게 늘어나는 성질을 연성이라 하며,
          강이 가지는 연성의 정도를 연신율이라고 표기합니다. 연신율이 높을수록 연성이 좋다는 의미입니다.
          금속이 늘어나는 비율은 "(늘어난 길이-원래길이)/원래길이 X100%으로 계산합니다.
 
     ④ 인장시험은 얼마큼 힘을 견디면서 늘어날 수 있는지를 파악하는 실험으로 시험현을 당길 때 가해지는
          하중과 시험 편 변형의 모양으로 인장강도와 연신율을 계산합니다. 단위 면적 당 지탱 가능한 최대 하중입니다.
 
     ⑤ 응력/변형율 선도 : 재료를 인장 시키면 처음에는 변형이 증가함에 따라 하중이 선형적으로 증가하다가 증가폭이
                                        완만해지면 어느 최대점을 지나면 인장에 의한 단면적 감소로 인장하중이 다시 감소하다가 
                                        파단되며, 이때 인장하중이 최대가 되는 점에서의 응력이 재료의 극한강도(인장강도)입니다.
 
     ⑥ 기구의 설계에서 제품의 허용 하중을 테스트하고 열정 기준을 충족한다면 안정성이 있다고 판단하며, 일정기준을
          맞추지 못하면 안정성이 없다고 판단합니다. 철강 제품 경우 출고 전 인장시험을 진행하여 성적서에 기재합니다.
 
     ⑦ 경도는 금속 표면의 딱딱함 정도와 긁혀서 자국이 남는 것에 저항하는 정도를 말합니다. 강도의 경우는
          물체에 걸린 단위 면적당 하중에 대해 영구변형 혹은 파괴되지 않은 한계를 말하며, 경도는 딱딱한 정도를
          나타내는 것입니다. 경도 측정방법으로는 로크웰경도, 비커스경도, 브리넬경도, 쇼어경도 등이 있으며,
          시험방법은 금속시편을 압입자로 눌러 압입자의 크기와 깊이에 따른 금속의 경도를 측정합니다.
 
 

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