금속
산업 제조
철강 등급 시스템은 화학 성분, 처리 및 기계적 특성을 고려하여 제작자가 적용 분야에 적합한 제품을 선택할 수 있도록 합니다. 재료의 탄소 및 기타 합금의 실제 비율 외에도 미세 구조는 강철의 기계적 특성에 상당한 영향을 미칩니다.
미세 구조의 정의와 강철의 미세 구조가 열간 성형 및 냉간 성형을 사용하여 그리고 제조 후 조작될 수 있는 방식을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 기술은 특정 기계적 특성을 가진 제품을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 구성과 미세 구조를 조작하면 서로 다른 속성 간에 절충이 발생합니다. 예를 들어, 더 단단한 강철은 결국 강도가 감소할 수 있습니다.
물질의 미세 구조는 분자가 분자 사이에서 작용하는 힘과 함께 결합되는 방식입니다. 가열 및 냉각 공정은 미세 구조를 한 형태에서 다른 형태로 변경하여 재료의 특성을 변경하는 데 사용됩니다.
미세구조는 육안으로 관찰할 수 없지만 현미경으로 연구할 수 있습니다. 강철은 페라이트, 펄라이트, 마르텐사이트, 시멘타이트 및 오스테나이트와 같은 몇 가지 고유한 미세 구조를 채택할 수 있습니다.
페라이트는 상온에서 순수한 철의 분자 구조에 사용되는 용어입니다. 탄소 함량이 매우 낮은 강철도 이와 동일한 미세 구조를 채택합니다. 페라이트의 특징적인 모양은 BCC(체심 입방체) 결정 구조입니다. 시각적으로 각 모서리에 하나의 분자가 있고 큐브 중앙에 분자가 있는 큐브를 상상해 보십시오. 분자는 각 큐브 내에 더 많은 분자를 포함하는 다른 미세 구조보다 BCC에서 더 느슨하게 포장됩니다. 그러나 페라이트 미세조직을 변화시키지 않고 첨가할 수 있는 탄소의 양은 상온에서 0.006%에 불과하다.
오스테나이트는 철 기반 합금이 1500˚F 이상 1800˚F 미만으로 가열될 때 형성되는 미세 구조입니다. 니켈과 같은 올바른 합금이 강철에 존재하는 경우 재료는 냉각되더라도 이 미세 구조를 유지합니다. 오스테나이트의 특징적인 형상은 면심입방정계(FCC) 결정 구조입니다. 시각적으로 각 모서리에 하나의 분자가 있고 큐브의 각 측면 중앙에 분자가 있는 큐브를 상상해 보십시오. 오스테나이트 구성의 분자는 페라이트보다 더 조밀하게 채워져 있습니다. 오스테나이트는 최대 2%의 탄소를 함유할 수 있으며 스테인리스강의 일반적인 미세 구조입니다.
탄소강을 오스테나이트 범위로 가열한 다음 합금 없이 냉각하여 오스테나이트 형태를 유지하면 미세 조직이 페라이트 형태로 되돌아갑니다. 그러나 탄소 함량이 0.006%보다 크면 과잉 탄소 원자가 철과 결합하여 시멘타이트라고도 하는 탄화철(Fe3C)이라는 화합물을 형성합니다. 일부 재료가 페라이트 형태로 남아 있기 때문에 Cementite는 자체적으로 발생하지 않습니다.
펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 교대로 형성된 적층 구조입니다. 강철이 천천히 냉각되어 공융 혼합물을 형성할 때 발생합니다. 공융 혼합물은 두 개의 용융 물질이 동시에 결정화되는 혼합물입니다. 이러한 조건에서 페라이트와 시멘타이트가 동시에 형성되어 미세 구조 내에서 교대로 층이 생성됩니다.
마르텐사이트는 체심 정방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 이 미정질 형태는 강철을 빠르게 냉각시켜 탄소 원자가 철 격자 내부에 갇히게 함으로써 얻어집니다. 최종 결과는 철과 탄소의 매우 단단하고 바늘 같은 구조입니다. 마르텐사이트 미세결정 구조를 가진 강철은 일반적으로 약 12%의 크롬을 포함하는 저탄소 강철 합금입니다.
철강 제조업체와 소비자는 철강의 미세 구조와 그것이 재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 탄소 함량, 합금 농도 및 마무리 방법은 모두 미세 구조에 영향을 미치므로 완제품의 특성을 조작하는 데 사용할 수 있습니다. 동일한 합금 함량을 가진 두 개의 샘플이 사용된 마무리 방법과 열처리에 따라 서로 다른 미세 구조를 가질 수 있습니다.
쇳물을 주조한 후에는 최종 형태로 성형한 다음 부식을 방지하기 위해 마무리해야 합니다. 강철은 일반적으로 블룸, 빌렛 및 슬래브와 같은 기계 준비 형태로 주조됩니다. 그런 다음 캐스트 모양이 롤링에 의해 형성됩니다. 압연은 재료 및 대상 응용 분야에 따라 뜨겁게, 따뜻하게 또는 차갑게 수행할 수 있습니다. 압연 중 압축 변형은 두 개의 작업 롤을 사용하여 수행됩니다. 롤은 빠르게 회전하여 롤 사이에 강철을 동시에 당기고 압착합니다.
냉간 성형은 강재를 재결정 온도 이하로 압연하는 과정입니다. 롤이 강철에 가하는 압력은 재료의 미세 구조에 전위를 일으켜 재료에 입자를 생성합니다. 이러한 전위가 축적됨에 따라 강철은 더 단단해지고 더 이상 변형하기 어려워집니다. 냉간 압연은 또한 강철을 취성으로 만들어 열처리를 통해 극복할 수 있습니다.
압연이 완료된 후 강철 조각은 부식을 방지하고 기계적 특성을 개선하기 위해 2차 가공 기술을 사용하여 마무리됩니다.
강철의 미세 구조는 제어된 가열 및 냉각을 통해 변경할 수 있습니다. 이로 인해 미세 구조를 수정하고 원하는 기계적 특성 변화를 얻기 위한 다양한 열처리 방법이 개발되었습니다.
강철 미세구조는 특정 온도에서 위상 변화를 경험합니다. 열처리는 특정 변형점을 이해하고 조작하는 것을 기반으로 합니다.
정상화 온도에서 상한 및 하한 임계 온도까지의 냉각 속도에 따라 실온에서 강철 미세 구조가 결정됩니다.
열처리에는 어닐링, 담금질 및 템퍼링을 포함한 다양한 공정이 포함됩니다. 강철에서 연성과 강도는 반비례합니다. 열처리는 강도를 희생시키면서 연성을 증가시키거나 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
구상화는 탄소강이 30시간 동안 약 1290°F로 가열될 때 발생합니다. 펄라이트 미세구조의 시멘타이트 층은 회전 타원체로 변형되어 가장 부드럽고 연성이 있는 강철 형태를 만듭니다.
탄소강은 먼저 임계 상한 온도보다 약간 높은 온도로 가열하여 한 시간 동안 해당 온도를 유지한 다음 시간당 약 36°F의 속도로 냉각합니다. 이 공정은 내부 응력이 없는 연성인 거친 펄라이트 구조를 생성합니다.
공정 어닐링은 냉간 가공된 저탄소강(> 0.3% C)의 응력을 완화합니다. 강철은 1시간 동안 1025–1292°F로 가열됩니다. 미세구조의 전위는 냉각 전 결정의 개질에 의해 수리됩니다.
고탄소강은 먼저 임계 상한 온도 이상으로 가열됩니다. 그런 다음 이를 유지하고 더 낮은 임계 온도로 냉각한 다음 다시 한 번 유지합니다. 그런 다음 점차 실온으로 냉각됩니다. 이 프로세스는 다음 냉각 단계 전에 재료가 균일한 온도와 미세 구조에 도달하도록 합니다.
탄소강은 1시간 동안 정상화 온도로 가열됩니다. 이 시점에서 강철은 완전히 오스테나이트 상으로 진입합니다. 강철은 그런 다음 공랭식입니다. 노멀라이징은 강도와 경도가 높은 미세한 펄라이트 미세구조를 생성합니다.
중탄소강 또는 고탄소강은 정상화 온도로 가열된 다음 임계 상한 온도까지 담금질(물, 염수 또는 기름에 담그어 급속 냉각)합니다. 담금질 과정에서 마르텐사이트 구조가 생성됩니다. 이는 매우 단단하지만 부서지기 쉽습니다.
그 결과를 정확하게 예측할 수 있기 때문에 가장 일반적인 열처리입니다. 담금질된 강철은 낮은 임계점 이하의 온도로 재가열된 다음 냉각됩니다. 온도는 의도한 결과에 따라 달라지며 298–401°F 범위가 가장 일반적입니다. 이 과정은 일부 회전 타원체(spheroidite)가 형성되도록 하여 취성 담금질된 강철에 약간의 인성을 복원합니다.
기계적 특성은 ASTM(미국재료시험협회) 또는 SAE(자동차공학회)와 같은 국제 표준에 따라 측정됩니다.
경도는 마모를 견디는 재료의 능력입니다. 탄소 함량을 높이고 마르텐사이트를 형성하는 담금질을 통해 경도를 높일 수 있습니다.
금속 강도는 재료를 변형시키는 데 필요한 힘의 양입니다. 강철 조각을 정규화하면 재료 전체에 일관된 미세 구조를 만들어 강도가 향상됩니다.
연성은 인장 응력 하에서 금속이 변형되는 능력입니다. 냉간 성형 강은 미세 조직의 전위로 인해 연성이 낮습니다. 공정 어닐링은 결정을 재형성하여 전위를 일부 제거함으로써 이를 개선합니다.
인성은 부서지지 않고 스트레스를 견디는 능력입니다. 담금질된 강철은 미세 구조에 회전 타원체를 추가하는 템퍼링으로 더 단단하게 만들 수 있습니다.
가공성은 강철을 절단, 연삭 또는 드릴링하여 성형할 수 있는 용이성입니다. 가공성은 주로 경도의 영향을 받습니다. 재료가 단단할수록 가공하기가 더 어렵습니다.
용접성은 강철이 결함 없이 용접될 수 있는 능력입니다. 그것은 주로 화학 성분과 열처리에 의존합니다. 녹는점, 전기 및 열전도율은 모두 재료의 용접성에 영향을 미칩니다.
강철의 기계적 특성 및 테스트에 대한 자세한 내용은 강철 주물의 특성 및 생산을 참조하세요.
품질 설명자는 상인, 산업 또는 구조적 품질과 같은 광범위한 범주의 철강 제품에 적용됩니다. 이 라벨은 특정 강철이 특정 용도 및 제조 공정에 적합한 것으로 표시하여 보다 빠른 시장 탐색 및 의사 결정을 가능하게 합니다. 철강은 여러 가지 요인에 따라 특정 범주로 분류됩니다.
ASTM, AISI(American Iron and Steel Institute) 및 SAE에서 발행한 사양과 같은 사양은 엔지니어, 제작자 및 소비자가 철강의 특성을 전달할 수 있는 표준 언어를 제공합니다. 등급은 화학적 조성, 물리적 특성, 열처리, 제조 공정 및 형태에 이르기까지 모든 것을 포함하여 종종 매우 구체적입니다.
ASTM 시스템은 설명 문자와 일련 번호를 사용합니다. 예를 들어, 'A'는 철 금속을 나타내고 '53'은 아연 도금 탄소강에 할당된 번호입니다.
ASTM A53에는 다음과 같은 속성이 있습니다.
AISI/SAE 번호 매기기 시스템은 분류를 위해 4자리 숫자를 사용합니다. 앞의 두 숫자는 강종과 합금원소 농도를 나타내고 마지막 두 숫자는 탄소 농도를 나타냅니다.
예를 들어, SAE 5130은 1% 크롬과 0.30% 탄소를 포함하는 강철을 설명합니다. 문자 접두사는 판매자 품질에 대한 품질 설명자로 사용됩니다.
금속
이미지 제공:Shutterstock/CHIARI VFX 강은 용융 상태에서 응고된 직후 일부 온도 범위 내에서 가단성이 있는 철-탄소 합금 제품군의 총칭입니다. 제강에 사용되는 주요 원료는 철광석, 석탄 및 석회석입니다. 이러한 물질은 고로에서 상당한 양의 탄소, 망간, 황, 인 및 규소를 함유하는 선철로 알려진 제품으로 전환됩니다. 선철은 단단하고 부서지기 쉬우며 단조 형태로 직접 가공하는 데 적합하지 않습니다. 제강은 용융물에서 바람직하지 않은 원소를 제거한 후 원하는 원소를 미리 정해진 양만큼 첨가하여 선철뿐만 아니라 철
SKD11 다이스틸은 일본의 공구강입니다. 재료 열처리 경도:hrc58-60 SKD11은 일종의 고탄소 및 고크롬 합금 공구강입니다. 열처리 후 높은 경도, 연삭성, 강한 경화성 및 우수한 치수 안정성을 갖습니다. 좋은 기계 가공성, 미세하고 균일한 탄화물 입자, 화학 원소인 몰리브덴과 바나듐의 특수 첨가로 인해 담금질 균열에 대해 걱정할 필요가 없습니다. SKD11 특정 성능 A) 고온 강도 및 인성, 우수한 내마모성, 쉬운 절단; B) 강도, 인성 및 내열성 균형이 우수한 냉간 가공 다이 강, 다) 진공 탈기 정제를