▶ 기계공학에서 기계재료에 대해 간략히 설명하는 포스팅
1) 철과 강의 차이
- 철 (Iron): 순수한 형태의 금속 원소, 연성이 있고 쉽게 변형되며 산화하기 쉬움.
- 강 (Steel): 철에 탄소와 다른 합금 원소를 첨가하여 제조한 합금, 높은 강도와 내구성을 가짐.
- 강괴: 용광로에서 생산된 원시 철강 재료.
- 탈산제: 산소를 제거하여 강의 순도와 품질을 향상시키는 데 사용. (SiO2, Al2O3, MnO2)
- 킬드강 (Killed Steel): 완전 탈산 처리된 강, 균일한 구조와 좋은 가공성을 가짐. (Al, Si)
- 림드강 (Rimmed Steel): 부분적으로 탈산 처리된 강, 우수한 표면 품질을 가짐. (Mn-탈황제)
- 세미 킬드강 (Semi-Killed Steel): 킬드강과 림드강의 중간 성질을 가짐.
- 캡트강 (Capped Steel): 림드강보다는 내부 품질이 좋으나 킬드강보다는 떨어짐.
| 구분 | 철 (Iron) | 강 (Steel) | 강괴 |
|---|---|---|---|
| 정의 | 순수한 금속 원소 | 철에 탄소 및 합금 원소 첨가 | 원시 철강 재료 |
| 특징 | 연성, 산화하기 쉬움 | 높은 강도와 내구성 | 용광로에서 생산 |
| 탈산제 | – | – | 산소 제거, 품질 향상 |
| 킬드강 | – | 완전 탈산 처리 | 균일 구조, 좋은 가공성 |
| 림드강 | – | 부분 탈산 처리 | 우수한 표면 품질 |
| 세미 킬드강 | – | 부분 탈산 | 중간 특성 |
| 캡트강 | – | 제한적 탈산 | 림드강보다 좋은 내부 품질 |
2) 순철 및 탄소강
- 탄소강의 성질: 탄소강은 철과 탄소의 합금으로, 탄소의 함량에 따라 물리적, 기계적 성질이 크게 달라집니다.
- 강의 기계적 성질
- 온도의 기계적 성질: 온도 변화에 따라 강의 충격 저항성, 청열취성 등이 변화합니다.
- 충격치는 200~300˚ 에서 가장 적다 – 청열 취성
- 공석강(0.8%C) 에서 인장강도 최대
- 탄소 이외의 원소와 기계적 성질: 망간, 실리콘, 인, 황, 구리 등의 첨가 원소가 기계적 성질에 영향을 줍니다.
- 온도의 기계적 성질: 온도 변화에 따라 강의 충격 저항성, 청열취성 등이 변화합니다.
- 탄소강의 가공
- 열간가공: 고온에서 강을 가공하여 형태와 크기를 변경합니다.
- 냉간가공: 상온에서 강을 가공하여 강도와 경도를 증가시킵니다.
- 심랭처리 (서브제로): 매우 낮은 온도에서 강을 처리하여 내부 구조를 개선하고 강도를 향상시킵니다.
| 항목 | 설명 | 세부 사항 | 예시 |
|---|---|---|---|
| 탄소강의 성질 | 철과 탄소의 합금 | 탄소 함량에 따른 성질 변화 | 낮은 탄소 함량: 연성, 높은 탄소 함량: 경도 증가 |
| 강의 기계적 성질 | 온도와 합금 원소에 따른 변화 | 충격 저항성, 청열취성 등 영향 | 높은 온도: 연성 증가, 낮은 온도: 취성 증가 |
| 탄소 이외의 원소 | 기계적 성질에 영향을 주는 원소 | 망간, 실리콘, 인, 황, 구리의 영향 | 망간: 강도와 인성 향상, 실리콘: 탄성 증가 |
| 탄소강의 가공 | 형태와 특성 변경을 위한 공정 | 열간가공, 냉간가공, 심랭처리 | 열간가공: 구조재, 냉간가공: 스프링 |
3) 열처리 및 표면 경화법
- 일반 열처리: 금속의 물리적, 기계적 성질을 향상시키기 위해 온도를 조절하는 과정입니다.
- 담금질: 금속을 고온에서 가열한 후 급속히 냉각하여 경도와 강도를 증가시킵니다.
- 뜨임: 담금질된 금속을 낮은 온도에서 가열하여 부서지기 쉬운 성질을 줄입니다.
- 풀림: 금속을 중간 온도에서 일정 시간 동안 가열 후 천천히 냉각하여 내부 응력을 완화합니다.
- 불림: 금속을 낮은 온도에서 가열하여 미세구조를 세밀하게 조절합니다.
- 질량효과와 경화능 (조미니 시험법): 다양한 크기의 금속에서 경화능을 평가하는 시험입니다.
- 항온 열처리: 금속을 특정 온도에서 일정 시간 동안 유지시키는 열처리 방법입니다.
- 항온 변태 곡선 (TTT, S곡선, C곡선): 온도와 시간에 따른 금속의 상 변화를 나타내는 곡선입니다.
- 연속 냉각 변태 곡선 (CCT): 연속적인 냉각 조건에서의 금속 상 변화를 나타냅니다.
- 파텐팅(인발): 특정 미세구조를 형성하기 위해 사용되는 열처리 과정입니다.
- 표면 경화법: 금속의 표면만을 경화시키는 방법입니다.
- 침탄법: 표면에 탄소를 더해 경도를 증가시킵니다.
- 질화법: 질소를 표면에 첨가하여 마모 저항성을 향상시킵니다.
- 기타 표면 경화법: 화염경화, 도금, 금속침투, 고주파 경화 등의 방법이 있습니다.
| 열처리 유형 | 방법 | 목적 | 예시 |
|---|---|---|---|
| 일반 열처리 | 담금질, 뜨임, 풀림, 불림 | 경도 및 강도 증가, 내부 응력 완화 | 도구강, 기계 부품 |
| 항온 열처리 | TTT, CCT, 파텐팅 | 특정 상의 형성, 미세구조 조절 | 고강도 강, 항공 부품 |
| 표면 경화법 | 침탄, 질화, 기타 방법 | 표면의 경도 및 내마모성 향상 | 침탄강, 기어, 축 |
4) 특수강
- 특수강: 특정 성질이나 용도를 위해 만들어진 합금강입니다. 일반 강보다 더 높은 강도, 내열성, 내마모성 등을 가지며, 특정 화학적 조성과 열처리 과정을 거칩니다.
- Mn, Mo, Si 강: 망간, 몰리브덴, 실리콘을 첨가하여 특성을 개선한 강입니다.
- 강인강: 충격이나 부하에 강한 강입니다.
- 표면경화용강: 침탄, 질화 등의 표면 경화 처리에 사용되는 강입니다.
- 공구용 합금강: 특정 공구 제작에 적합한 강입니다.
- 탄소공구강: 일반적인 공구용 강입니다.
- 합금공구강: 특수한 환경에서 사용되는 강입니다.
- 고속도강: 고속 절삭에 적합한 강입니다.
- 초경합금: 매우 높은 경도를 가진 강입니다.
- 특수 용도용 특수강: 특정 용도나 조건에 맞게 설계된 강입니다.
- 스테인리스강: 부식에 강한 강입니다.
- 게이지강, 쾌삭강, 스프링강: 각각 측정 도구, 빠른 가공, 탄력 있는 부품 제작에 사용됩니다.
- 불변강: 환경 변화에도 성질이 변하지 않는 강입니다.
| 특수강 유형 | 성분 및 특징 | 용도 | 예시 |
|---|---|---|---|
| Mn, Mo, Si 강 | 망간, 몰리브덴, 실리콘 첨가 | 강도와 내마모성 향상 | 구조용 강, 기계 부품 |
| 강인강 | 높은 인성 | 충격과 부하에 강한 응용 | 건축, 자동차 부품 |
| 표면경화용강 | 표면 경화 처리 | 마모 저항성 증가 | 기어, 축 |
| 공구용 합금강 | 다양한 합금 원소 | 특정 공구 제작 | 절삭 공구, 금형 |
| 특수 용도용 특수강 | 맞춤형 화학 조성 | 특정 환경이나 용도 | 스테인리스강(부식 방지), 쾌삭강(가공 속도) |
| 불변강 | 안정된 화학 조성 | 환경 변화에도 성질 유지 | Ni36% 비자성체(줄자) |
5) 주철(GC)
- 주철: 높은 탄소 함량(보통 2% 이상)을 가진 철 합금으로, 우수한 주조성, 가공성, 특정 용도에 맞는 기계적 성질을 가집니다.
- 가단주철: 그래핀이 결정 형태로 존재하여 연성이 향상된 주철입니다.
- 특수주철:
- GCD (Graphitic Carbon Ductile Iron): 높은 연성과 인성을 가짐.
- 칠드주철 (Chilled Cast Iron): 표면이 경화된 주철.
- 미히나이트 주철: 내마모성과 강도가 향상된 주철로, 특수한 열처리 과정을 거칩니다.
- 주철의 성장 방지: 주철의 성장(결정 크기 증가)을 방지하기 위한 합금 첨가나 열처리 방법입니다.
| 주철 유형 | 특징 | 용도 | 성장 방지 방법 |
|---|---|---|---|
| 가단주철 | 연성과 인성 향상 | 자동차 부품, 파이프 | – |
| GCD | 높은 연성과 인성 | 구조재료, 기계 부품 | – |
| 칠드주철 | 표면 경화 | 마모가 심한 부품 | 냉각 속도 조절 |
| 미히나이트 주철 | 내마모성, 강도 향상 | 기계 부품, 공구 | 특수 열처리 |
| 주철의 성장 방지 | 성장 방지 | 장기 사용 부품 | 합금 첨가, 열처리 |
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