금속의 조직과 변태

 

[금속의 조직]

 

 금속의 원자가 규칙있게 배열된 상태를 결정체라고 하며, 이때 1개의 결정체를 결정입자라고 한다. 그리고 1개의 결정 격자를 X선으로 보면 원자들이 규칙적으로 배열되어 있는데 이것을 결정 격자라고 한다. 결정 격자에는 체심 입방 격자(B.C.C), 면심 입방 격자(F.C.C), 조밀 육방 격자 등이 있다.

 

 

 

 

[금속의 변태]

 

(1) 자기 변태(磁氣變態)

 

 원자의 배열에는 변화가 없으나 768℃<퀴리(Curie Point)라고도 함>부군에서는 급격히 자기(磁氣)의 크기가 변화되는 것을 말한다.

 

(2) 동소 변태(同素變態)

 

 고체 내에서 결정격자의 형상 즉, 원자의 배열이 변화되는 것을 말한다. 순철(Pure Iron)에는 α, γ, δ의 3개의 동소체가 있다. α철은 910℃이하에서는 체심 입방 격자, γ철은 910~1400℃사이에서 면심 입방 격자, δ철은 1400~1530℃사이에서는 체심 입방 격자이다.

 

※ 참고사항

 순철의 변태점

   →A0 변태점:210℃

   →A₁변태점:720℃

   →A₂변태점(자기변태점):768℃

   →A₃변태점(동소변태점):910℃

   →A₄변태저:1400℃

 

(3) 편석

 

 강괴(ingot)나 주물에서 금속이 용융된 상태에서 응고할 때 그 응고 온도차이에 따라서 농도 차이를 일으키는 현상이다.

 

 

 

[철과 강의 분류]

 

1. 제철법

 

 용광로에서 철광석을 용해 환원시켜 선철(2.5~4.5%C)이 생산된다.

 

 

2. 제강법

 

 선철 중의 불순물을 제거하고 탄소 함유량을 0.02~1.7%으로 감소시켜 강을 제조하는 방법이다. 제강법에는 평로 제강법, 전로 제강법(산성 내화물을 사용하는 베세머법과 염기성 내화물을 이용하는 토마스법으로 분류된다), 전기로 제강법 및 도가니로 제강법 등이 있다.

 

※ 참고사항

각종 노(爐)의 크기 표시 방법

   →용광로 : 24시간 동안 산출된 선철의 무게(ton)로 한다.

   →평로 : 1회 용해할 수 있는 쇳물의 무게(ton)로 한다.

   →전로 : 1회 제강할 수 있는 무게(ton)로 한다.

   →전기로 : 1회 용해할 수 있는 무게(ton)로 한다.

   →도가니로 : 1회 용해할 수 있는 구리의 무게로 한다.

 

 

 

[탄소강의 분류]

 

1. 탄소 함유량에 따른 분류

 

  (1) 아공석강 : 0.85%C 이하인 페라이트와 펄라이트의 공석강

 

  (2) 공석강 : 0.85%C인 펄라이트 조직

 

  (3) 과공석강: 0.85%C 이상의 시멘타이트와 펄라이트의 공석강

 

2. 제강방법에 따른 분류

 

  (1) 킬드강(Killed Steel) : 규소(Si), 알루미늄을 탈산제로 사용하여 완전히 탈산시킨 강이며 진정강이라고도 부른다.

 

  (2) 림드 강(Rimmed Steel) : 평로(Open Hearth)나 전로(converter)에서 망간을 탄산제로 사용하여 불완전 탈산시킨 0.3%C 이하인 일반적인 탄소강이다.

 

  (3) 세미 킬드 강(Semi Killed Steel) : 알루미늄을 탈산제로 사용하여 거의 탈산시킨 저탄소강이다.

 

 

 

[강의 열처리]

 

1. 담금질(Quenching)

 

 강을 A₁변태점 이상으로 가열하여 유중(油中)이나 수중(水中)에서 급랭시켜 강도와 경도를 증가시키는 열처리이다.

 

2. 뜨임(Tempering)

 

 담금질한 강에 인성을 주기 위하여 A₁변태점 이하의 적당한 온도로 가열한 후 서서히 냉각시키는 열처리이다.

 

3. 불림(Normalizing)

 

 금속을 A₃변태점 이상에서 30~60℃의 온도로 가열한 후 대기 중에서 서서히 냉각시켜 조직을 미세화 하고 내부 응력을 제거하는 열처리이다.

 

4. 풀림(Annealing)

 

 A₃,A₁변태점 이상에서 20~50℃의 온도로 가열한 후 노속에서 서서히 냉각시키는 열처리이며, 풀림의 목적은 연처리로 가공된 재료의 연화, 가공 경화된 재료의 연화, 가공중의 내부 응력 제거 등이다. 또 풀림중 재결정 풀림은 냉간 가공한 재료를 가열하면 600℃정도에서 응력이 감소하여 재결정이 발생하며, 재결정은 결정입자의 크기, 가공정도, 석출물, 순도 등에 큰 영향을 받는다.

 

5. 표면 경화법

 

  (1) 침탄법(浸炭法)

 

 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 만든 후 담금질하는 것이다.

 

  (2) 질화법

 

 암모니아 가스 속에 강을 넣고 장시간 가열하면 철과 질소가 작용하여 질화철이 되도록 하는 방법이다.

 

  (3) 청화법

 

 NaCN(청산소다) / KCN(청산가리) 등의 청화물이 철과 작용하여 금속표면에 질소와 탄소 동시에 침투되도록 하는 방법이다.

 

  (4) 화염 경화법

 

 산소-아세틸렌 불꽃으로 강의 표면만 가열하여 열이 중심부에 전달하기 전에 급랭시키는 방법이다.

 

  (5) 고주파 경화법(토코법)

 

 금속 표면에 코일을 감고 고주파 전류로 표면만 고온으로 가열 후 급랭시키는 방법이다.

 

 

 

[탄소강의 조직]

 

1. 표준조직

 

  (1) 페라이트(Ferrite)

 

 탄소를 고용한 α고용체이며, 상온에서는 강자성체이나 768℃에서 자기변태를 일으킨다.

 

  (2) 펄라이트(Pearlite)

 

 페라이트와 시멘타이트(α고용체와 Fe₃C)의 공석정이다.

 

  (3) 시멘타이트(Cementite)

 

 고용한계 이상으로 탄소가 고용되면 탄소와 철이 화합하여 탄화철(Fe₃C)이 된다.

 

2. 담금질 조직

 

  (1) 오스테나이트(Austenite)

 

 γ철에 1.7%이하의 탄소를 고용(금속의 결정격자 사이에 다른 금속의 원자가 침투하는 현상)한 것이다.

 

  (2) 마르텐사이트(Martensite)

 

 탄소강을 수중(水中)에서 급랭시켰을 때 금속의 중앙에 발생하는 조직이며, 경도가 매우 높다.

 

  (3) 트루스타이트(Troostite)

 

 유중(油中)이나 온탕(溫湯)에서 급랭시켰을 때 금속의 중앙에서 발생하며, α철과 시멘타이트가 혼재(婚材)된 조직이다.

 

  (4) 솔바이트(Sorbite)

 

 유중(油中)에서 트루스타이트보다 냉각속도가 느릴 때 발생하는 조직이다.

 

 

 

[주철(鑄鐵)]

 

 탄소함유량이 2.5~4.5%인 주조용 철이며 그 특징은 다음과 같다.

 

   →응융점이 낮고, 유동성이 좋다.

   →압축강도가 크나 인장강도가 부족하다.

   →가단성 / 전성 및 연성이 적고, 취성이 크다.

   →마찰저항이 크며, 값이 싸다.

   →녹이 잘 생기지 않는다.

   →내마모성이 크고, 절삭성이 좋다.

   →가공은 가능하나, 용접성은 불량하다.

 

 

 

[비철금속(非鐵金屬)]

 

1. 구리합금

 

  (1) 황동(黃銅:뇟쇠)

 

 구리와 아연의 합금이며 그 종류는 다음과 같다.

 

   →7-3황동 : 구리(Cu) 70% + 아연(Zn) 30%이며, 냉간 가공성이 좋다.

   →6-4황동 : 구리(Cu) 60% + 아연(Zn) 40%이며, 주조성 / 열간 가공성이 좋다.

   →톰백(tambac) : 구리(Cu) 85% + 아연(Zn) 15%인 황동이다.

   →네이벌 황동(Naval Brass) : 6-4황동에 주석(Sn) 1%를 첨가한 황동이다.

 

  (2) 청동(靑銅)

 

 구리와 주석의 합금이 그 종류는 다음과 같다.

 

→인청동 : 청동에 인(P)을 첨가한 것이며, 내부식성 / 내마모성 / 인성 및 내피로성이 커 베어링 / 밸브시트 등에서 사용된다.

→포금(Gun Meter) : 구리(Cu)88% + 주석(Sn)10% + 아연(Zn)2%의 합금이며, 내마성 / 내마모성이 우수하여 일반 기계 부품 / 코크 /기어 등에서 사용한다.

 

2. 알루미늄 합금

 

  (1) 하이드로날륨(hydronalium)

 

 하이드로날륨은 알루미늄(A1)에 마그네슘(Mg) 4~7%를 첨가한 것이다.

 

  (2) 듀랄루민(duralumin)

 

 듀랄루민은 알루미늄(A1) / 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 합금이며, 시효경화(aghardening)를 일으킨다.

 

  (3) 초 듀랄루민(Super Duralumin)

 

 초 듀랄루민은 알루미늄(A1) / 구리(Cu) 및 망간(Mn)에 마그네슘(Mg)을 0.5~1.5%정도 가한 것이다.

 

  (4) 로 엑스(Lo-Ex)

 

 로 엑스는 알루미늄(A1) / 규소(Si) / 니켈(Ni) 및 구리(Cu)의 합금이며 내열성이 크고 열팽창계수가 적어 피스톤의 재료로 사용된다.

 

  (5) 실루민(silumin)

 

 실루민은 알루미늄(A1)에 규소(Si)를 첨가시킨 것이며, 주조성 / 내식성 및 기계적 성질이 우수하다.

 

  (6) Y합금(Y-Alloy)

 

 Y-합금은 알루미늄(A1) / 구리(Cu) / 마그네슘(Mg) 및 니켈(Ni)의 합금이며 내열성이 커 피스톤 / 실린더 헤드의 재료로 사용한다.

 

  (7) 라우탈(lautal)

 

 라우탈은 알루미늄(A1) / 구리(Cu) 및 규소(Si)의 합금이며, 주조성 / 기계적 성질 및 열처리 효과가 우수하다.

 

3. 니켈 합금

 

  (1) 모넬 메탈(Monel Meter)

 

 모넬 메탈은 니켈(Ni) + 구리(Cu) + 철(Fe)의 합금이며, 내식성이 우수하여 터빈 날개로 사용된다.

 

  (2) 양은(洋銀:Nickel Silver)

 

 양은은 구리(Cu) + 아연(Zn) + 니켈(Ni)의 합금이며, 내열성 / 내부식성 및 가공성이 우수하여 전기 기구 / 장식품 및 악기 등에서 사용된다.

 

4. 베어링 합금

 

  (1) 구리 합금

 

 구리 합금 중에서 청동과 인청동이 베어링으로 사용된다. 구리(Cu)에 납(Pb)을 30~40% 넣은 켈밋(kelmet)합금과 여기에 다시 주석(Sn)을 넣은 인청동 등은 축과 접촉이 잘 되고 내마멸성이 높다.

 

  (2) 알루미늄 합금

 

 알루미늄 합금으로는 알루미늄(A1)에 주석(Sn)을 첨가한 주물이 사용되며, 비교적 내마모성이 크므로 고속 / 고하중용에 쓰인다.

 

  (3) 화이트 메탈(White Meter, 베빗메탈)

 

 화이트 메탈은 주석(Sn)과 납(Pb)을 주성분으로 하며 주석이나 납은 연한 부분으로 주석과 안티몬(Sb) 또는 구리(Cu)와 화합물은 내마멸성을 크게 하고 하중을 지지한다.

 

  (4) 오일리스 베어링(Oilless Bearing)

 

 오일리스 베어링은 구리(Cu) + 주석(Sn) + 흑연이 주성분이며, 오일을 공급하기 어려운 부분에서 사용된다.