특수강 8. (特殊鋼, Alloying Steel)

8. 특수강( 特 殊 鋼 , Alloying Steel)
8.1
개요
∙탄소강에서 탄소의 비율을 조정하거나 열처리하는 것만으로는 원하는 기계적
특성을 얻을 수 없을 때 사용목적에 따라 특수한 합금원소를 첨가한 강을 의
미하며 합금강(Alloying Steel) 이라고도 함
∙탄소강에 특수원소가 첩가되면 교과서 < 그림 2.76> 에서와 같이 평형상태도가
달라지게 되며 이에 따라 열처리의 방법 등도 달라질 수있다.
∙함금원소
: Ni, Cr, Mn, Si, W, Mo, V(Vanadium), Ti, Co, B, S, Al
∙특수강의 종류 : 구조강, 공구강, 스테인레스강,
내열강
∙첨가된 특수원소와 인장강도의 관계 : 교과서 < 그림 2.77> 참조
등
8.2
첨가 원소에 따른 특수강의 분류 및특성
■
니켈강
∙Ni 의 함량이나 탄소의 량에 따라 달라지지만 일반적으로는 인장강도. 항복점,
경도,
충격값 등이 증가됨
∙담금질에 의한 경화깊이를 150-200 mm
1.5 % 이하일 경우 그 효과는 작다.
∙Ni 1.5 % 이상에서는 뜨임 시간이 길다.
∙보통 Ni 1.5-5 % 의 Ni 강이 많이 사용된다.
정도로 크게 할 수있으나 니켈이
■
크롬강
∙경도를 증가시키고 담금질을 용이하게 하며 경화층이 깊다.
∙스스로 경화되는 특성(Self-Hardening)
이 있어서 공기 중에서 냉각시켜도 쉽게
마르텐사이트 조직이 된다.
∙Cr2C 2 , Cr 7 C 3 등의 탄화물이 형성되어 내마모성이 크고 가열할 때 오스테나이
트결정립의성장을 억제하여 조직을 미세화시키고 강하게 만든다.
∙내식성및내열성을 증가시킨다.
∙용도에
따라 Cr 함유량이 달라지며 Mo, V 등과 함께사용되기도 한다.

■ 기타
∙망간강, 규소강, 탕스텐강, 몰리브덴강, 티탄강, 보론강,
코발트강 등 주 첨가물
의성분에 따라 다양한특수강이 존재할 수있다.
망간강, 규소강, 탕스텐강, 몰리브덴강, 티탄강, 보론강,
코발트강의 성분
및특징을
3 Page 이내로 요약하여 제출하시오.
8.3 구조강( 구조용 특수강)
8.3.1
강인강
■
Ni-Cr강
∙Ni에 의해 Ferrite 기지의 강도가 증가되고, Cr의 탄화물에 의한 경화로 인해 인
장강도, 항복응력이 크게 증가되는 반면 연신율의 감소는 작다.
∙열처리 효과가 크고 질량효과가 작으며,
내마모성 및내식성이 탄소강보다 우수
∙인장강도에 대한 항복응력의 비가 크다 :70-80 %( 보통의 Cr강에서는
60-75 %)
∙ Ni-Cr 강은 800-850 ℃ 에서 담금질한 후 550-650 ℃ 에서 뜨임하여 사용하는
데 뜨임시 서냉하게 되면 뜨임취성 현상이 심해지기 때문에 수냉 또는 유냉
하여야 한다. ( 교과서 표 2.40 의 충격값 변화 참조)
∙뜨임취성을 줄이기 위해
Mo, V 등을 첨가하기도 한다.
∙Ni-Cr강에서는 Ni 이 많을수록, Cr과 C 가 작을수록 저온취성이 적어진다.
∙강도를 요하는 봉, 판재, 관, 선 및 각종 단조품 또는 주물로도 사용되고, 축,
캠,
피스톤핀 등 동력전달부품으로도 사용됨
< 그림 8-1> Ni-Cr강의
조직과성분

표 8-1> Ni-Cr강의 열처리 온도와 기계적 성질
■
Ni-Cr-Mo 강(AISI 4340)
∙Ni-Cr강에 1% 이하의 Mo을첨가하면 더욱 우수한 구조용 강이 됨
∙Mo 의 효과 : 질량효과 감소, 균일한 담금질효과,
내열특성 향상
∙단조및압연이용이하고
Scale의분리가 쉽다
∙용도 : Ni-Cr강과 비슷하지만 Landing Gear Cylinder 나 Brace 혹은 Truck의
Beam
등 보다 큰부품에 사용 가능
■
Cr-Mo 강(AISI 4130-4140)
∙Ni-Cr강의 Ni 대신 Mo을첨가한 강으로서 Mo은 0.5 % 이하
∙성분 : Fe + C(0.2-4.43 %) + Cr(0.8-1.10 %) + Mo(0.15-0.25 %) +
Mn(0.4-1.0 %)
∙Cr 강보다는 인장강도,
충격강도 등의 기계적 특성이 우수함
2
∙인장강도 : 85-100 kgf/mm , 항복응력 : 70-85 kgf/mm 2
∙항공기의
Fitting,
Landing Gear, Shaft
등에 많이 사용됨

그림 8-2> Cr강과 Ni-Cr강의 강도 및인성 비교
■
Maraging강
∙마르텐사이트 강을 시효(Aging : 일정온도까지 가열한 후 Holding) 하여 석출경
화(Precipitation Strengthening) 시킨 강
∙성분 : Fe +C(0.2-4.43%) +Ni(18%) +Co(8%) +Mo(3-5%) +Al + Ti
∙고온특성, 용접성, 소성가공성 등이 뛰어난 초강인강(Ultra High Strength
Steel)
2
∙인장강도 : 210-240 kgf/mm , 항복응력 :200 kgf/mm 2
8.3.2
표면경화강
■
침탄용 표면경화강
∙침탄에 의한 표면경과가 가능하면서
향상시킨 강
Ni, Cr, Mo
∙Ni을 첨가하면 고온가열에서도 입자가 거칠어지지 않음
등을 첨가하여 기계적 특성을
∙Ni-Cr강의 21-22 종, Ni-Cr-Mo강의 21-24종이 대표적인 침탄용 표면경화강
■
질화용 표면경화강
∙탄소강으로서 질화에의한 표면경과가 가능한강으로서 Al, Cr, Mo, Ti, V
원소 중
2개이상을 포함
∙질화 후경도는 급격히 증가하나 인장강도와 항복점의 변화는 작다.
∙단면수축률은 커지고 연신율과 충격강도는 저하된다.
등의

8.3.3 기타
■
스프링강
∙ 열간가공 또는 냉간가공한 것을 780-850 ℃ 에서 담금질하고 400-480 ℃ 에서
뜨임한 후 사용
∙스프링에 사용하는 재료로서 탄성한도, 항복응력 및 피로한도가 높다.
( 교과서 표 2.45 스프링강의 기계적 특성 참조)
∙영구변형이 생기지 않고 큰 충격에도 잘견딤
∙탄소강에
Mn, Si, Cr, V
등을 적절히 첨가
■
쾌삭강(Free Cutting Steel)
∙강도는 그다지 높지 않으나 가공시 칩이 짧게 분리되어 가공면이 매끈함
∙공구의 수명을길게하고 정밀한부품의 가공이 가능하며 가공시간 단축
∙성분
: C 0.05~0.15 %, S0.1~0.25 %, Mn 1 % 첨가
8.4 공구강(Tool Steel)
■
탄소공구강
∙가장 값이 싸지만 기계적 특성은 떨어짐
∙마르텐사이트와 기지 속에 분산되어 있는 Fe3C에 의해 공구강의 특성이 얻어
지는데 가공속도가 증가되면 마르텐사이트가 분해되고 Fe 3 C 입자가 거칠어져
서공구강으로서의 기능상실
∙경하고 취약하며 담금질 균열이 생기기 쉽고 열처리도 어렵다.
∙주로 소형 공구에만 사용
■ 합금공구강
∙탄소 공구강에 절삭성, 내마모성 및 내열성 등을 개량하기 위하여 Cr, W, Mn,
V, Ni 등을 합금한 공구강
∙어느
정도까지는 Cr과 W를 첨가하면 담금질하기 쉽고 경도와 내마모성이 증가

■
한다.
고속도공구강(High Speed Tool Steel)
∙고속 절삭에 적합하도록 Mo, W, V등을 다량으로 참가하여 Mo2C, W 6 C, V 4 C 3
등의 특수탄화물의
∙ 보통의 탄소공구강은 300 ℃
강은
2차경화가 발생하게 하여고온경도를 유지한 강
이상까지 온도가 상승하면 연화되나 고속도공구
600 ℃ 까지도 경도가 저하되지 않고 고속절삭을 할 수있다.
∙각종공구강의 고온경도 : 교과서 < 그림 2.90> 참조
∙W계와
Mo 계가 있다.
■
기타
∙주조 경질합금
: 주조한 상태로 절삭하여 사용하는 공구재료 : Co 40~45 %,
Cr 15~33 %, W10~20 %, C 2~3 %, Fe < 5%
∙소결경질합금 : WC, TiC 등의 금속 탄화물을 Co로소결하여만들며초경공구
강으로 불리기도 한다.
∙다이스강 : 냉간가공,
열간가공 등을 위한 다이스 제조용 특수강
8.5 스테인레스강(Stainless Steel)
■
Ferrite 계스테인레스강(Ferritic Stainless Steel)
∙다량의 Cr이 탄소에 고용되어 BCC 조직을 가지며, Cr계 스테인레스강이라고도
하고, Cr 13 % 의것이 대표적이다.
∙탄소가 들어 있을 경우 Fe3C와
Cr 4 C 등의 탄화물이 생겨 내식성이 저하되므로
가능한 한탄소의 량은
0.2 % 이하로 줄이는 것이 좋다.
∙그러나 담금질을 요하는 스테인레스강의 경우 탄소함유량이
0.4 %
정도까지 높아
지기도 한다. 담금질을 하여서조직을 Martensite로만든스테인레스강의 경우 마
르텐사이트계 스테인레스강(Martensitic Stainless Steel) 으로 부르기도 한다.
∙스테인레스강은 열전도도가 좋지 않으므로 균열 발생을 방지하기 위해 서서히
가열 혹은 냉각해야 한다.
∙고온에서의 스테인레스강의 기계적 성질 : 교과서 < 그림 2.97> 참조
∙스테인레스강의
화학성분과 용도 : 교과서 < 표 2.55> 참조

■
Austenite 계스테인레스강(Ferritic Stainless Steel)
∙C 0.2 % 이하, Cr 17-20 %, Ni 7-10 % 를 함유한 Cr-Ni 강으로서 일반적으
로 Austenite 조직을 가지며 비자성이며, 표준성분에 따라 18-8 형(Cr 18 %,
Ni 8 %) 스테인레스강으로 부르기도 한다.
∙크롬만을 첨가한
Ferrite 계스테인레스강보다 내식성과 내산성이 뛰어나다.
∙담금질경화능(Quenching Hardenability) 이 없으며 1000~ 1100 ℃ 로 가열하여
급랭하면 오히려 연화되며 가공성과 내식성이 증가된다.
∙ Ferrite계 스테인레스강에 비해 고온특성이 매우 뛰어나서 500 ℃
인장강도가 거의 저하되지 않고
금으로 분류된다.
700 ℃
정도까지는
정도까지 사용될 수 있으므로 내열합
8.6 내열강(Heat Resistance Steel)
∙내열강의 일반적 요구조건
-
고온에서 화학적으로 안정할 것
- 고온에서 기계적 성질이 우수할 것(Creep 특성이 좋을 것)
-
-
고온에서 조직이안정할것
가공성이 좋을 것
∙주요용도
: Gas Turbine Engine
등의 부품
∙고온 특성향상에 가장 큰 영향을 미치는 성분은
W, V, Ti 등을 첨가한다.
Cr이며 기타
Si, Al, Ni, Mo,
∙내열강( 철계 내열함금으로 부르기도 함의 ) 대부분은 Austenite계 스테인레스강
에 고온강도향상을 위해 Mo, W, Al, Ti 등을, 고온 조직안정화를 위해 Ni 혹
은
Co 를첨가하여 만든다.
∙철계내열합금
즉 내열강 이외에도 Ni계나 Co 계내열함금도 사용된다.