표준강의 특성, 조성 및 응용

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 "선철"로 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 및 철 스크랩을 정제하는 공정입니다. 대부분의 제강에서 주요 반응은 탄소와 산소가 결합하여 가스를 형성하는 것입니다. 붓기 전이나 붓는 동안 용존 산소가 용융물에서 제거되지 않으면 기체 제품이 응고 중에 계속 방출됩니다. 강철이 탈산 원소의 첨가에 의해 강하게 탈산되면 가스가 발생하지 않으며 강철은 금형에 조용히 놓여 있기 때문에 "죽음"이라고합니다. 가스 발생(탈산 감소)의 증가 정도는 "세미킬드(semikilled)", "캡핑(capped)" 또는 "림드(rimmed)"라고 불리는 강철의 특징입니다. 탈산의 정도는 강철의 일부 특성에 영향을 미칩니다. 산소 외에도 액체 강철에는 측정 가능한 양의 용존 수소와 질소가 포함되어 있습니다. 일부 중요한 철강 응용 분야의 경우 특수 탈산 방법과 진공 처리를 사용하여 용해된 가스를 줄이고 제어할 수 있습니다.

일반적인 강철 등급의 탄소 함량은 수백분의 1%에서 약 1%까지 다양합니다. 모든 강철은 또한 다양한 양의 다른 원소, 주로 망간을 함유하고 있는데, 이는 탈산제 역할을 하고 열간 가공을 용이하게 합니다. 규소, 인 및 황도 미량일지라도 항상 존재합니다. 다른 원소는 의도적으로 추가되지 않았지만 원료 또는 제강 관행에서 비롯된 잔류물 또는 강철 속성의 변화에 ​​영향을 미치기 위해 추가된 합금 원소로 존재할 수 있습니다.

강철은 형태로 주조될 수 있거나 주조된 잉곳 또는 스트랜드는 압연, 단조, 압출 또는 기타 공정을 통해 단조 압연기 형태로 재가열 및 열간 가공될 수 있습니다. 연강은 다양한 형태, 마감재, 강도 및 사용 가능한 온도 범위를 제공하는 가장 널리 사용되는 엔지니어링 재료입니다. 다른 어떤 소재도 제품 디자인에 있어 비교할 수 없는 다양성을 제공하지 않습니다.

표준 강철 분류

연강은 화학적 조성, 탈산 방법, 마무리 방법 또는 제품 형태와 같은 일부 공통 특성에 따라 그룹으로 체계적으로 분류될 수 있습니다. 화학 성분은 연강에 대한 표준 지정을 식별하고 할당하는 데 가장 자주 사용되는 기준입니다. 탄소는 강철의 주요 경화 및 강화 요소이지만 강철의 특성을 제어하는 ​​단일 요소는 없습니다. 여러 요소의 결합된 효과는 열처리, 경도, 강도, 미세조직, 내식성 및 성형성에 대한 응답에 영향을 미칩니다. 표준강은 크게 탄소강, 합금강 및 스테인리스강의 세 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다.

탄소강

강철은 망간 함량이 1.65%(최대)로, 규소가 0.60%(최대), 구리가 0.60%(최대)로 제한될 때 탄소강으로 분류됩니다. 명시된 경우 탈산제 및 붕소를 제외하고 다른 합금 원소는 의도적으로 추가되지 않지만 잔류물로 존재할 수 있습니다. 이러한 부수적 요소 중 하나라도 특수 적용에 유해한 것으로 간주되는 경우 최대 허용 한계가 지정될 수 있습니다. 대부분의 합금강과 달리 탄소강은 최종 열처리 없이 가장 자주 사용됩니다. 그러나 어닐링, 정규화, 케이스 경화 또는 담금질 및 템퍼링을 통해 가공 또는 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 탄소강은 킬드(killed), 세미킬드(semikilled), 캡핑(capped) 또는 림드(rimmed)가 될 수 있으며, 필요한 경우 탈산 방법을 지정할 수 있습니다.

합금강

합금강은 탄소강에 대한 원소 함량 제한을 초과하는 등급뿐만 아니라 기계적 특성, 가공 특성 또는 강철의 다른 속성. 이 정의에 따르면 합금강은 탄소강을 제외한 모든 강을 포함합니다. 그러나 관례에 따라 3.99% 이상의 크롬을 함유한 강은 스테인리스강 및 많은 공구강을 포함하는 "특수 유형" 합금강으로 간주됩니다.

기술적인 의미에서 합금강이라는 용어는 적당한 양의 합금 원소(약 1-4%)를 포함하고 일반적으로 특정 기계적 특성을 개발하기 위해 열처리에 의존하는 강철에 사용됩니다. 합금강은 항상 죽이지만 진공을 포함한 특별한 탈산 또는 용융 방식은 특별한 중요한 응용 분야에 대해 지정될 수 있습니다. 합금강은 일반적으로 열 및 기계적 작동에 더 민감하기 때문에 제조 전반에 걸쳐 추가적인 주의가 필요합니다.

스테인리스강

스테인리스강은 고합금강으로 상대적으로 많은 양의 크롬을 함유하고 있어 탄소강 및 기존 저합금강에 비해 내식성이 우수합니다. 다른 요소도 내식성을 증가시킬 수 있지만 이 점에서 그 유용성은 제한적입니다.

스테인리스강은 일반적으로 다른 원소의 유무에 관계없이 최소 10%의 크롬을 함유합니다. 그러나 미국에서는 4% 정도의 크롬을 함유하는 강을 스테인리스강 분류에 포함하는 것이 관례였습니다. 이들 강은 함께 스테인리스강 및 내열강으로 알려진 제품군을 형성하며 그 중 일부는 매우 높은 강도와 ​​내산화성을 가지고 있습니다. 그러나 크롬이 30% 이상 또는 철이 50% 미만인 곳은 거의 없습니다.

가장 넓은 의미에서 표준 스테인리스강은 구조에 따라 오스테나이트, 페라이트 및 마르텐사이트의 세 그룹으로 나눌 수 있습니다. 세 그룹 각각에는 기본 범용 합금을 나타내는 하나의 구성이 있습니다. 다른 모든 구성은 기본 합금에서 파생되며 구성의 특정 변형은 매우 구체적인 특성을 얻기 위해 만들어집니다.

오스테나이트 등급은 열처리된 상태에서 비자성이지만 일부는 냉간 가공 후에 약간 자성이 될 수 있습니다. 열처리가 아닌 냉간 가공으로만 경화할 수 있으며, 넓은 온도 범위에서 우수한 내식성과 내열성을 겸비하고 있습니다. 오스테나이트 등급은 크롬-니켈 유형과 덜 자주 사용되는 크롬-망간-저니켈 유형의 두 가지 하위 그룹으로 더 분류됩니다. 크롬-니켈계의 기본 조성은 18-8(Cr-Ni)로 널리 알려져 있으며 범용 오스테나이트계이다. 이 등급은 다음과 같이 특성화될 수 있는 20개 이상의 수정의 기초입니다. 크롬-니켈 비율이 성형 특성을 변경하도록 수정되었습니다. 입계 부식을 방지하기 위해 탄소 함량이 감소되었습니다. 구조를 안정화하기 위해 니오븀 또는 티타늄 원소가 추가되었습니다. 또는 몰리브덴을 첨가했거나 크롬 및 니켈 함량을 증가시켜 부식 또는 내산화성을 향상시켰습니다.

표준 페라이트 등급은 항상 자성이며 ​​크롬은 포함하지만 니켈은 포함하지 않습니다. 그들은 냉간 가공에 의해 어느 정도 경화될 수 있지만 열처리에 의해 경화되지 않으며 적당한 기계적 특성 및 장식적인 매력과 함께 부식 및 내열성을 결합합니다. 페라이트계 등급은 일반적으로 오스테나이트계 등급보다 더 좁은 범위의 부식 조건으로 제한됩니다. 기본 페라이트 등급에는 17%의 크롬이 포함되어 있습니다. 이 시리즈에는 내스케일링성을 향상시키기 위해 크롬 함량이 증가된 자유 가공 수정 및 재종이 있습니다. 또한 이 페라이트 그룹에는 경화를 방지하기 위해 추가된 알루미늄 또는 티타늄과 같은 다른 원소와 함께 12% 크롬 강(마르텐사이트 그룹의 기본 구성)이 있습니다.

표준 마르텐사이트 등급은 자성이며 ​​담금질 및 템퍼링으로 경화될 수 있습니다. 그들은 크롬을 포함하고 두 가지 예외를 제외하고는 니켈을 포함하지 않습니다. 기본 마르텐사이트 등급은 일반적으로 12%의 크롬을 포함합니다. 마르텐사이트 계열에는 10개 이상의 표준 조성이 있습니다. 일부는 가공성을 개선하기 위해 수정되고 다른 일부는 기계적 특성이나 열처리에 대한 반응을 개선하기 위해 니켈 또는 기타 원소를 소량 첨가합니다. 또 다른 것들은 공구강 범위에서 탄소 함량이 크게 증가했으며 모든 스테인리스강 중 최고 수준까지 경화될 수 있습니다. 마르텐사이트 등급은 대기, 담수, 증기 및 약산과 같은 온화한 환경에서 사용하기에 탁월하지만 심각한 부식성 용액에 대한 내성은 없습니다.

금속 및 합금의 번호 매기기 시스템

다양한 무역 협회, 전문 엔지니어링 협회, 표준 조직 및 민간 산업에서 자체 사용을 위해 금속 및 합금에 대해 여러 가지 다른 번호 매기기 시스템이 개발되었습니다. 금속 또는 합금을 식별하는 데 사용되는 숫자 코드는 제품이 충족해야 하는 기술 및 상업적 요구 사항에 대한 설명인 사양과 관련되거나 관련되지 않을 수 있습니다. 사용 중인 넘버링 시스템에는 AISI(American Iron and Steel Institute), SAE(Society of Automotive Engineers), ASTM(American Society for Testing and Materials), ANSI(American National Standards Institute), Steel Founders Society of America, 미국 기계 공학 학회(ASME), 미국 용접 학회(AWS), 알루미늄 협회, 구리 개발 협회, 미국 국방부(군사 사양) 및 일반 회계 사무소(연방 사양).

UNS(Unified Numbering System)는 ASTM과 SAE의 공동 노력을 통해 개발되었으며 상업적인 지위를 가진 금속 및 합금에 대해 서로 다른 번호 체계를 상호 연관시키는 수단을 제공합니다. 이 시스템은 동일한 재료를 지정하기 위해 둘 이상의 식별 번호가 사용되거나 완전히 다른 두 재료에 동일한 번호가 할당될 때 발생하는 혼동을 방지합니다. UNS 번호는 사양이 아님을 이해하는 것이 중요합니다. 자세한 사양이 다른 곳에서 제공되는 금속 및 합금의 식별 번호입니다. UNS 번호는 표 1에 나와 있습니다. 각 숫자는 문자 접두어와 5자리 숫자로 구성됩니다. 일부에서 이 문자는 알루미늄의 경우 A, 구리의 경우 C와 같이 시리즈로 식별되는 금속 계열을 암시합니다. 가능하면 UNS 그룹의 번호에는 재료 식별을 용이하게 하기 위해 다른 시스템에서 직접 가져온 번호 매기기 순서가 포함됩니다. 예를 들어 AISI 1020 강철에 해당하는 UNS 번호는 G10200입니다. 일반 탄소, 합금 및 공구강을 식별하는 데 사용되는 일반적으로 사용되는 AISI-SAE 번호에 해당하는 UNS 번호는 표 2에 나와 있습니다.

요약

이 기사에서는 표준 강의 주요 유형에 대해 설명했습니다. Amazon의 Industrial Press에서 출판되고 제공되는 Machinery's Handbook, 30판에서 재료의 속성에 대해 자세히 알아보십시오.

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