중국 철강의 분류 및 표준
철강의 종류에 따라 다양한 특성이 있는 이유는 무엇이며, 중국에서는 철강을 어떻게 분류할까요? 이 기사에서는 철강의 분류와 표준을 세분화하여 체계적으로 설명합니다.
강철 속에 숨겨진 작은 원소가 강철의 성능을 크게 바꿀 수 있다는 사실을 알고 계셨나요? 이 블로그에서는 수소, 붕소, 탄소, 질소, 산소, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘이 강철의 강도, 내구성, 유용성을 어떻게 형성하는지 알아보고 합금 원소의 매혹적인 세계에 대해 알아봅니다. 이 중요한 원소들이 강철에 미치는 놀라운 영향과 그 비밀을 알아볼 준비를 하세요.
수소는 강철에서 가장 해로운 원소로 널리 알려져 있으며, 수소의 존재는 잠재적으로 수소 취화 및 백색 반점 형성으로 이어져 강철 품질과 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다.
산소 및 질소와 마찬가지로 수소는 고체 강철에 대한 용해도가 매우 낮습니다. 고온의 제강 공정 중에 수소는 액체 강철로 용해될 수 있습니다. 적절하게 관리하지 않으면 급속 냉각 중에 갇혀 미세 구조 내에 축적되어 고압 미세 기공을 형성할 수 있습니다. 이러한 현상은 강철의 가소성, 인성, 피로 강도를 급격히 감소시켜 심각한 균열과 치명적인 취성 파괴를 초래할 수 있습니다.
수소 취성에 대한 취약성은 강철 미세 구조에 따라 다릅니다. 마르텐사이트강은 특히 취약한 반면, 페라이트강은 일반적으로 더 높은 저항성을 보입니다. 수소 취성의 심각성은 일반적으로 경도 수준과 탄소 함량이 증가함에 따라 증가하므로 수소가 풍부한 환경에서 신중한 소재 선택과 열처리 공정의 중요성이 강조됩니다.
흥미롭게도 수소는 주로 부정적인 영향을 미치지만, 강철의 특정 자기적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 특히 수소는 자기 투과성을 향상시켜 일부 전자기 응용 분야에서 유용할 수 있습니다. 그러나 이는 보자력 증가와 철 손실이라는 대가를 치르게 됩니다. 연구에 따르면 수소를 첨가하면 보자력이 0.5배에서 2배까지 높아질 수 있으므로 자성 강철 설계 시 섬세한 균형이 필요합니다.
수소 관련 문제를 완화하기 위해 철강 제조업체는 진공 탈기, 냉각 속도 제어, 생산 후 열처리와 같은 다양한 전략을 사용합니다. 수소 프로브 및 초음파 기술과 같은 고급 비파괴 검사 방법은 수소로 인한 결함을 감지하고 중요한 애플리케이션에서 강철 무결성을 보장하는 데 매우 중요합니다.
강철에서 붕소의 주요 기능은 경화성을 크게 향상시켜 니켈, 크롬, 몰리브덴과 같은 다른 합금 원소의 사용을 줄일 수 있도록 하는 것입니다. 일반적으로 붕소는 0.001%에서 0.005% 범위의 농도로 첨가되며, 이 소량으로 1.6%의 니켈, 0.3%의 크롬 또는 0.2%의 몰리브덴을 대체할 수 있습니다.
몰리브덴의 대체제로 붕소를 고려할 때, 몰리브덴이 성질 급함을 완화하는 반면 붕소는 성질 급함을 약간 촉진할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 몰리브덴을 붕소로 완전히 대체하는 것은 바람직하지 않습니다.
탄소강에 붕소를 첨가하면 경화성이 현저히 향상되며, 특히 20mm를 초과하는 두꺼운 강재의 성능을 향상시킵니다. 이러한 특성 덕분에 40B 및 40MnB 강철은 40Cr 강철을 대체할 수 있으며, 20Mn2TiB 강철은 침탄 응용 분야에서 20CrMnTi를 효과적으로 대체할 수 있습니다.
그러나 붕소의 효능은 강철의 탄소 함량이 증가함에 따라 감소합니다. 이 현상은 붕소 함유 침탄강을 선택할 때 특히 중요한데, 침탄 후 처리된 층의 경화성이 코어 소재보다 낮기 때문입니다.
일반적으로 완전 담금질이 필요한 스프링강 적용 분야의 경우, 붕소강은 스프링 단면적이 작기 때문에 탁월한 옵션이 될 수 있습니다. 그러나 고실리콘 스프링강에 붕소 첨가를 고려할 때는 상호 작용으로 인해 예상치 못한 결과가 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다.
붕소는 질소 및 산소와도 강한 친화력을 보입니다. 리밍강에서 붕소를 0.007%만 첨가해도 노화 경화 효과를 효과적으로 제거하여 강재의 장기적인 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
철강에서 붕소의 이점을 최적화하려면 조성 및 가공 파라미터를 정밀하게 제어하는 것이 필수적입니다. 진공 가스 제거 및 보호 분위기 열처리와 같은 고급 기술을 사용하여 강철 매트릭스 내에서 원하는 붕소 함량과 분포를 유지할 수 있습니다.
탄소는 철 다음으로 철강에서 가장 중요한 합금 원소로, 기계적 특성, 미세 구조 및 가공 특성에 큰 영향을 미칩니다. 탄소 함량은 강철의 강도, 연성, 인성 및 용접성에 직접적인 영향을 미치므로 재료 선택 및 제조 공정에서 중요한 요소입니다.
저유텍로이드강(탄소 함량 0.8% 미만)에서 탄소 함량이 증가하면 펄라이트의 형성과 간질 탄소 원자의 강화 효과로 인해 강도와 경도가 높아집니다. 그러나 강철의 미세 구조가 가단성이 떨어지기 때문에 연성 및 충격 인성이 감소하는 대가가 따릅니다.
반대로 하이퍼유텍로이드강(탄소 함량 1.0% 이상)의 경우 탄소 함량이 더 증가하면 강도가 감소합니다. 이러한 현상은 이전 오스테나이트 입자 경계를 따라 취성 시멘타이트 네트워크가 형성되어 응력 하에서 균열 개시 부위로 작용할 수 있기 때문에 발생합니다.
강철의 용접성은 탄소 함량에 따라 크게 영향을 받으며, 탄소 수준이 0.3%를 초과하면 용접성이 현저히 감소하는 것으로 관찰됩니다. 이러한 감소는 주로 열 영향을 받는 영역에서 경화성이 증가하고 냉간 균열에 취약해지기 때문입니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 강철은 저온 취성 및 변형 노화에 더 취약해지고, 국부 음극 역할을 할 수 있는 탄화철의 형성으로 인해 대기 중 내식성이 감소하여 부식 과정이 가속화됩니다.
질소(N)가 강철 성능에 미치는 영향은 탄소 및 인과 유사점을 공유하며 다방면에 걸쳐 있습니다. 질소 함량이 증가하면 강철 강도가 크게 향상되는 동시에 가소성이 감소하며, 특히 인성과 용접성에 영향을 미칩니다. 또한 질소는 강철의 저온 취성을 증가시키는 데 기여합니다.
질소 수준이 높아지면 노화 경향, 저온 및 고온 취성이 악화되고 용접 및 냉간 굽힘 특성에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 강철의 질소 함량을 최소화하고 제어하는 것은 최적의 성능 특성을 유지하는 데 매우 중요합니다.
업계 표준에서는 일반적으로 대부분의 강종에서 질소 함량을 0.018% 이하로 제한할 것을 권장합니다. 그러나 알루미늄, 니오븀 또는 바나듐과 같은 원소와 전략적으로 결합하면 질소의 부작용을 완화하고 강철 성능을 개선할 수 있습니다. 이러한 시너지 효과를 통해 질소는 특정 저합금강에서 유익한 합금 원소 역할을 할 수 있습니다.
특정 스테인리스강 구성에서 질소 첨가를 제어하면 크롬을 부분적으로 대체하여 성능 저하 없이 재료비를 효과적으로 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트 스테인리스강에서 질소는 오스테나이트 안정제 역할을 하며 고용체 강화에 기여하여 니켈 함량을 줄일 수 있습니다.
질소 수준과 다른 합금 원소와의 상호 작용을 정밀하게 제어하는 것은 철강 생산에서 원하는 물성 균형을 달성하는 데 매우 중요합니다. 진공 탈기 및 제어 냉각과 같은 고급 제강 기술은 다양한 응용 분야에서 질소 함량을 관리하고 철강 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.
산소는 철강 생산에서 중요한 역할을 하지만 최종 제품에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 산소는 철강 제조 과정에서 본질적으로 존재하며, 최종 단계에서 망간, 실리콘, 철, 알루미늄과 같은 원소를 사용한 탈산 노력에도 불구하고 완전한 제거는 여전히 불가능합니다.
응고 과정에서 용존 산소는 용강 내 탄소와 반응하여 일산화탄소를 형성합니다. 이 반응은 가스 다공성 또는 블로우홀을 형성하여 강철의 구조적 무결성을 손상시킬 수 있습니다.
강철에서 산소는 주로 FeO(산화철), MnO(망간 산화물), SiO2(이산화규소), Al2O3(알루미늄 산화물) 등의 산화물 내포물 형태로 존재합니다. 이러한 비금속 개재물은 응력 집중제 역할을 하여 강철의 기계적 특성, 특히 강도와 연성을 저하시킵니다. 이러한 산화물의 존재는 많은 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 요소인 피로 강도와 인성에 큰 영향을 미칩니다.
전기강, 특히 변압기와 전기 모터에 사용되는 실리콘강에서 산소 함량은 뚜렷한 영향을 미칩니다. 산소는 철 손실을 증가시켜 에너지 효율을 떨어뜨립니다. 또한 산소는 전자기 성능의 핵심 파라미터인 자기 투과성과 포화 자화를 감소시킵니다. 또한 시간에 따라 자기 특성이 저하되는 자기 노화를 가속화하여 전기 부품의 작동 수명을 단축시킬 수 있습니다.
마그네슘(Mg)은 강철의 품질과 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 하며, 특히 내포물을 제어하고 기계적 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 정확한 양을 첨가하면 마그네슘은 강철의 미세 구조를 크게 변경하여 우수한 재료 특성을 이끌어낼 수 있습니다.
철강 생산에서 마그네슘은 강력한 탈산제 및 탈황제 역할을 합니다. 마그네슘은 비금속 개재물의 수를 효과적으로 줄이고, 크기를 줄이며, 강철 매트릭스 전체에 더 균일하게 분포하도록 촉진하고, 형태를 더 유리한 모양으로 수정합니다. 이러한 개재물 특성의 개선은 강철 청결도와 전반적인 재료 성능 향상에 기여합니다.
탁월한 청결도와 균일한 미세 구조가 요구되는 베어링강의 경우 마그네슘을 미량 첨가하면 놀라운 이점을 얻을 수 있습니다. 마그네슘은 베어링 강의 핵심 구성 요소인 탄화물의 크기와 분포에 영향을 미칩니다. 마그네슘은 카바이드 구조를 개선함으로써 내마모성, 피로 수명 및 전반적인 베어링 성능 향상에 기여합니다.
마그네슘이 강철의 기계적 특성에 미치는 영향은 특히 주목할 만합니다. 마그네슘 함량을 중량 기준으로 0.002%에서 0.003% 사이에서 정밀하게 제어하면 강철의 연성은 손상되지 않으면서 강도가 크게 향상됩니다. 특히 인장 강도와 항복 강도는 모두 5% 이상 증가하지만 소재의 가소성은 본질적으로 변하지 않습니다. 향상된 강도와 유지된 연성의 이 독특한 조합은 더 가볍고 더 강한 부품을 설계할 수 있기 때문에 많은 엔지니어링 분야에서 매우 바람직합니다.
이러한 이점을 얻으려면 마그네슘 첨가량을 정밀하게 제어해야 하는데, 과도한 양은 부작용을 초래할 수 있기 때문입니다. 따라서 철강 생산에서 마그네슘의 잠재력을 최대한 활용하려면 고급 합금 기술과 세심한 공정 제어가 필수적입니다.
철강 생산에서 강력한 탈산제이자 합금 원소인 알루미늄은 실리콘과 망간에 비해 우수한 탈산 능력을 보여줍니다. 철강 야금에서 알루미늄의 주요 기능은 다방면에 걸쳐 있으며 다양한 철강 특성을 향상시키는 데 매우 중요합니다.
강철에 알루미늄을 첨가하면 입자 구조를 개선하고 질소를 안정화하여 충격 인성을 크게 개선할 수 있습니다. 이러한 입자 미세화 메커니즘은 저온 취성을 크게 완화하고 노화 경화 경향을 줄여 강철의 전반적인 기계적 성능과 수명을 향상시킵니다.
특정 강종에서는 정확한 알루미늄 함량이 매우 중요합니다. 예를 들어, D등급 탄소 구조용 강재는 최소 0.015%의 산용성 알루미늄이 필요합니다. 딥 드로잉 용도로 설계된 냉간 압연 강판 08AL의 경우 최적의 산용성 알루미늄 함량은 0.015% ~ 0.065%로, 적절한 성형성과 강도를 보장합니다.
알루미늄은 특히 몰리브덴, 구리, 실리콘, 크롬과 같은 다른 합금 원소와 함께 사용할 경우 강철의 내식성을 향상시키는 데 기여합니다. 이러한 조합은 더욱 견고한 패시브 층을 생성하여 다양한 부식 환경에 대한 강철의 저항력을 향상시킵니다.
크롬-몰리브덴 및 크롬강에서 알루미늄을 첨가하면 내마모성이 증가합니다. 이는 강철 매트릭스 전체에 분산된 미세하고 단단한 알루미늄 산화물 입자가 형성되어 전위 이동에 장애물로 작용하고 표면 경도를 향상시킴으로써 달성됩니다.
하지만 알루미늄의 효과가 모든 강철에 보편적으로 적용되는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 고탄소 공구강에서 알루미늄은 담금질 공정 중에 취성을 유발하여 강철의 인성과 전반적인 성능을 저하시킬 수 있습니다.
알루미늄은 많은 장점을 제공하지만 강철 가공에 있어서도 어려움을 겪습니다. 알루미늄은 열처리 특성, 용접 성능 및 가공성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 영향은 고융점 알루미늄 산화물 개재물이 형성되고 강철의 미세 구조가 변형되어 가공 중 공구 마모가 증가하고 적절하게 관리하지 않으면 용접 결함이 발생할 수 있기 때문입니다.
실리콘은 제강에서 필수적인 환원제 및 탈산제 역할을 하는 중요한 원소입니다. 탄소강에서 실리콘 함량은 일반적으로 0.5% 미만으로 유지되며, 이러한 중요한 역할을 수행하기 위해 제강 공정 중에 도입됩니다.
페라이트와 오스테나이트에 용해되면 실리콘은 강철의 경도와 강도를 크게 향상시킵니다. 인 다음으로 강화 효과가 뛰어나며 망간, 니켈, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐을 능가합니다. 그러나 실리콘 함량이 3%를 초과하면 강철의 가소성과 인성이 크게 저하될 수 있습니다.
실리콘이 강철 특성에 미치는 영향은 다방면에 걸쳐 있습니다:
철강 생산에서 실리콘 함량은 신중하게 관리됩니다. 리밍강의 경우 0.07% 미만으로 제한됩니다. 필요한 경우 원하는 실리콘 수준과 특성을 얻기 위해 제강 과정에서 실리콘-철 합금을 첨가합니다.
인(P)은 주로 철광석을 통해 철강에 유입되며 일반적으로 해로운 원소로 간주됩니다. 인은 강철의 강도와 경도를 높일 수 있지만 가소성과 충격 인성을 크게 떨어뜨립니다.
저온에서 P는 "저온 취성"을 유도하여 강철의 연성을 심각하게 감소시킵니다. 이 현상은 강철의 냉간 가공성 및 용접성에 부정적인 영향을 미칩니다. 저온 취성의 심각성은 P 함량에 비례하여 증가하므로 철강 생산에서 인 수준을 엄격하게 관리해야 합니다.
P 함량에 대한 업계 표준은 강철 품질에 따라 다릅니다:
인은 강력한 고용체 강화 및 냉각 경화 효과를 나타냅니다. 구리와 결합하면 콜드 스탬핑 성능이 저하되기는 하지만 고강도 저합금강의 대기 중 내식성을 향상시킵니다. P는 황 및 망간과 함께 사용하면 가공성을 향상시키는 동시에 템퍼 취성 및 냉간 취성 민감도를 악화시킬 수 있습니다.
특히 P는 전기 저항을 개선하고 입자를 거칠게 하는 효과로 인해 강제력과 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 약한 자기장에서 P 함량이 높은 강철은 자기 유도가 개선됩니다.
실리콘 강의 경우 P 함량은 ≤0.15%(예: 냉간 압연 전기 실리콘 강의 경우 0.07~0.10%)로 제한해야 합니다. P는 실리콘강의 열간 가공을 크게 방해하지는 않지만 취성을 유발할 수 있습니다. 인은 가장 강력한 페라이트 안정화 원소로, 실리콘강의 재결정화 온도와 결정립 성장에 미치는 영향이 동일한 농도에서 실리콘의 4~5배에 달합니다.
요약하면, P는 몇 가지 유익한 특성을 제공하지만 강철의 기계적 특성과 가공 특성에 해로운 영향을 미치므로 합금 설계 및 제조 공정에서 세심한 제어와 고려가 필요합니다.
유황은 주로 제강 과정에서 철광석과 연료 코크스에서 철강으로 유입됩니다. 유황은 다양한 철강 특성에 부정적인 영향을 미치기 때문에 일반적으로 철강 생산에서 해로운 요소로 간주됩니다.
강철에서 유황은 주로 황화철(FeS)로 존재합니다. FeS-Fe 시스템은 녹는점이 약 985°C(1805°F)인 저융점 유텍틱 화합물을 형성합니다. 강철의 열간 작업 온도가 일반적으로 1150°C(2102°F)를 초과한다는 점을 고려할 때 FeS 화합물은 열간 작업 중에 조기에 녹을 수 있습니다. 이러한 조기 용융은 "열간 쇼트" 또는 "열간 취성"으로 알려진 현상으로 이어져 강철의 연성 및 인성을 크게 감소시켜 단조 및 압연 공정 중에 균열이 발생하는 경우가 많습니다.
또한 유황은 강철의 용접성에 악영향을 미치고 내식성을 떨어뜨립니다. 이러한 부정적인 영향을 완화하기 위해 강철의 황 함량은 엄격하게 관리되고 있습니다. 고품질 강철의 경우 황 함량은 일반적으로 0.02% ~ 0.03% 미만으로 제한됩니다. 고급 강재의 경우 허용 범위가 0.03%~0.045%로 약간 더 높으며, 일반 구조용 강재는 최대 0.055%~0.07%의 황을 함유할 수 있습니다.
유황은 일반적으로 해로운 영향을 미치지만 특정 용도에 따라서는 유익할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 등급의 스테인리스강(예: AISI 303)과 같은 자유 가공 강재 생산 시 가공성과 표면 조도를 개선하기 위해 소량의 황(0.2% ~ 0.4%)을 의도적으로 첨가하는 경우가 있습니다. 이렇게 황을 제어적으로 첨가하면 칩 파쇄가 용이해지고 가공 작업 중 공구 마모가 줄어듭니다. 마찬가지로 일부 고속강과 공구강은 표면 특성과 가공성을 개선하기 위해 유황을 사용합니다.
결론적으로 유황은 일반적으로 제강에서 불순물로 간주되지만, 특정 용도 및 강종에 따라 그 영향은 해로울 수도 있고 이점이 될 수도 있습니다. 황 함량을 신중하게 관리하는 것은 철강 제품에서 원하는 기계적 특성과 성능 특성을 달성하는 데 매우 중요합니다.
K/Na는 백철의 탄화물을 구상화하는 강력한 개질제로서 활용될 수 있으며, 특유의 높은 경도를 유지하면서 인성을 최대 200%까지 크게 향상시킵니다. 이러한 변화는 흑연 결절 형성을 촉진하고 취성 탄화물 네트워크를 감소시킴으로써 발생합니다.
이러한 알칼리 금속은 또한 연성 철의 미세 구조를 개선하여 더 많고 균일하게 분포된 흑연 결절의 형성을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 버미큘러(압축 흑연) 철 생산에서 K/Na는 안정화제 역할을 하여 공정 창을 좁히고 흑연 형태 제어의 일관성을 향상시킵니다.
또한, K/Na는 철 합금의 오스테나이트화를 촉진하는 데 매우 효과적입니다. 대표적인 예로 오스테나이트 망간강에 대한 영향을 들 수 있는데, 필요한 망간 대 탄소 비율을 기존의 10:1-13:1에서 보다 경제적인 4:1-5:1로 획기적으로 줄일 수 있습니다. 이러한 감소는 합금 비용을 낮출 뿐만 아니라 강철의 내마모성과 가공 경화 능력을 향상시켜 충격이 심하고 마모가 심한 환경에서의 적용 범위를 넓혀줍니다.
강철에 칼슘을 첨가하는 것은 다양한 강철 특성과 가공 단계에 걸쳐 수많은 이점을 제공하는 강력한 야금 기술입니다. 칼슘은 강력한 곡물 정제제, 부분 탈황제, 비금속 개재물의 개질제 역할을 하며, 이는 강철에서 희토류 원소의 효과와 유사합니다.
칼슘을 첨가하면 강철의 내식성과 내마모성이 크게 향상되는 동시에 고온과 저온 모두에서 성능이 향상됩니다. 또한 충격 인성, 피로 강도 및 가소성과 같은 중요한 기계적 특성을 향상시킵니다. 또한 칼슘 첨가는 강철의 용접성에 긍정적인 영향을 미쳐 다양한 제조 공정에 더 적합합니다.
특정 응용 분야에서 칼슘 처리된 강철은 우수한 냉간 가공 특성, 향상된 내충격성, 경도 증가 및 향상된 접촉 강도를 나타냅니다. 이러한 특성은 가혹한 하중 조건에 노출되는 고성능 패스너, 베어링 및 기타 부품을 제조할 때 특히 유용합니다.
주강 응용 분야의 경우 칼슘 첨가는 여러 가지 이점을 제공합니다. 용강 유동성을 증가시켜 최종 제품의 주조성과 표면 마감을 개선합니다. 특히 주조 미세 구조의 이방성을 제거하여 주조 전체에서 보다 균일한 특성을 얻을 수 있습니다. 이러한 균일성은 주조 부품의 열 균열 저항성 향상, 우수한 기계적 특성 및 기계 가공성 개선으로 이어집니다.
또한 칼슘 처리된 강철은 특정 고응력 응용 분야 및 용접 구조물에서 중요한 요소인 수소로 인한 균열 및 라멜라 인열에 대한 저항성이 증가했습니다. 이러한 성능 향상으로 칼슘 처리 강철로 제조된 장비 및 공구의 수명이 크게 연장될 수 있습니다.
철강 생산에서 칼슘은 일반적으로 모합금의 일부로 도입되어 유해 산소를 제거하는 탈산제, 응고 제어를 촉진하는 접종제, 철강의 미세 구조와 특성을 미세 조정하는 미세 합금화제 등 다양한 역할을 수행합니다. 칼슘 첨가량과 다른 합금 원소와의 상호 작용을 정밀하게 제어하는 것은 최종 철강 제품에서 원하는 특성 균형을 달성하는 데 매우 중요합니다.
티타늄은 질소, 산소, 탄소와 친화력이 강하고 철에 비해 황에 대한 친화력이 강해 탈산과 강철의 질소 및 탄소 고정에 효과적인 원소입니다.
강력한 탄화물 형성 원소인 티타늄은 탄소와 쉽게 결합하여 티타늄 카바이드(TiC)를 형성합니다. 이 화합물은 강력한 결합력, 높은 안정성, 분해에 대한 저항성을 지니고 있습니다. TiC가 강철에 용해되는 것은 일반적으로 1000°C(1832°F)를 초과하는 온도에서 천천히 일어납니다.
용해되기 전에 티타늄 카바이드 입자는 입자 성장을 억제하는 데 중요한 역할을 하여 강철 미세 구조의 개선에 기여합니다.
티타늄은 크롬에 비해 탄소 친화력이 높아 스테인리스강에 유용하게 첨가할 수 있습니다. 티타늄은 탄소를 효과적으로 고정하고 입자 경계에서 크롬 고갈을 완화하여 결과적으로 입계 부식에 대한 취약성을 줄이거나 제거합니다.
강력한 페라이트 형성 원소인 티타늄은 강철의 A1(유텍토이드) 및 A3(오스테나이트에서 페라이트로의 변환) 온도를 크게 높여 상 변환 거동에 영향을 미칩니다.
저합금강에서 티타늄은 강도와 연성을 모두 향상시킵니다. 이는 질소와 황을 고정하고 티타늄 탄화물을 형성하며 노멀라이징과 같은 열처리 공정 중에 입자 정제를 촉진하는 티타늄의 능력을 통해 달성됩니다. 침전된 탄화물은 강철의 가소성과 충격 인성을 크게 향상시킵니다.
티타늄 함유 합금 구조용 강재는 우수한 기계적 특성과 가공 특성을 보여줍니다. 그러나 단점은 경화성이 감소하여 더 큰 단면의 관통 두께 경화에 영향을 줄 수 있다는 점입니다.
고크롬 스테인리스강에서 티타늄은 일반적으로 탄소 함량과 5:1의 비율로 첨가됩니다. 이렇게 첨가하면 내식성(특히 입계 부식에 대한 내식성)이 향상되고 인성이 강화되며 고온에서 입자 성장이 제어되고 강철의 용접성이 향상됩니다.
다양한 강종에 티타늄을 전략적으로 사용함으로써 자동차부터 항공우주 및 화학 공정에 이르는 다양한 산업 분야의 특정 응용 분야 요구 사항을 충족하기 위해 기계적 특성, 내식성 및 가공 특성을 맞춤화하는 티타늄의 다용도성을 보여 줍니다.
바나듐은 탄소, 질소, 산소와 강한 친화력을 나타내며 안정적인 화합물을 형성합니다. 강철에서는 주로 탄화물 형태로 존재합니다.
강철에서 바나듐의 주요 기능은 미세 구조와 입자 크기를 개선하고 고온에서 오스테나이트 매트릭스에 용해될 때 경화성을 향상시키는 것입니다. 그러나 탄화물로 존재할 경우 경화성을 감소시켜 이러한 효과를 상쇄할 수 있습니다. 바나듐은 또한 경화된 강철의 템퍼링 저항성을 크게 향상시키고 이차 경화 현상을 유도합니다.
강철의 바나듐 함량은 일반적으로 고속 공구강을 제외하고는 0.5%로 제한됩니다. 기존의 저탄소 합금강에서 바나듐은 입자 정제제 역할을 하여 강도, 수율, 저온 인성 및 용접성을 향상시킵니다. 합금 구조강에서 망간, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐과 함께 사용하면 바나듐은 표준 열처리 조건에서 경화성을 조절할 수 있습니다.
스프링 및 베어링 강의 경우 바나듐을 첨가하면 강도와 항복률, 특히 비례 한계와 탄성 한계가 향상됩니다. 또한 열처리 시 탄소 민감도를 완화하여 표면 품질이 우수해집니다. 공구강에서 바나듐은 입자 구조를 개선하고 과열에 대한 민감성을 줄이며 템퍼링 안정성을 높이고 내마모성을 개선하여 공구 수명을 연장합니다.
침탄강에서 바나듐은 침탄 후 직접 담금질을 할 수 있어 별도의 담금질 단계가 필요하지 않습니다. 바나듐과 크롬을 함유한 베어링 강재는 향상된 카바이드 분산과 우수한 성능 특성을 나타냅니다.
바나듐이 철강 특성에 미치는 영향은 농도와 다른 합금 원소와의 상호작용에 따라 크게 달라지므로 특정 용도에 맞게 원하는 특성을 최적화하기 위해서는 철강 설계 및 가공 시 세심한 관리가 필요합니다.
크롬은 다양한 강철과 합금의 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 크롬은 강철의 경화성을 크게 높이고 2차 경화에 기여하여 연성을 손상시키지 않으면서 탄소강의 경도와 내마모성을 개선합니다.
크롬 함량이 12%를 초과하면 강철에 우수한 고온 산화 저항성과 내식성을 부여하는 동시에 고온 강도를 향상시킵니다. 따라서 크롬은 스테인리스 스틸, 내산성 스틸, 내열성 스틸의 주요 합금 원소입니다.
탄소강에서 크롬은 압연 조건에서 강도와 경도를 향상시키는 동시에 연신율과 단면 수축을 감소시킵니다. 그러나 크롬 함량이 15%를 초과하면 강도와 경도는 감소하는 반면 연신율과 단면 수축은 증가하는 역효과가 발생합니다. 특히 크롬강 부품은 연삭 공정을 통해 높은 표면 품질을 달성할 수 있습니다.
템퍼링 시 크롬의 주요 기능은 경화성을 향상시켜 담금질 및 템퍼링 후 우수한 기계적 특성을 제공하는 것입니다. 침탄강에서는 크롬 카바이드를 형성하여 표면 내마모성을 크게 향상시킵니다. 크롬 함유 스프링 강은 열처리 중 탈탄에 대한 저항성을 나타내며, 이는 원하는 특성을 유지하는 데 중요한 특성입니다.
공구강의 경우 크롬은 내마모성, 경도 및 적색 경도(열경도)를 향상시키는 동시에 템퍼링 안정성을 향상시킵니다. 이러한 특성의 조합으로 인해 크롬 합금 공구강은 고온 응용 분야에 이상적입니다.
전열 합금에서 크롬은 내산화성, 전기 저항성 및 전반적인 강도를 향상시키는 역할을 합니다. 이러한 특성은 발열체 및 기타 고온 전기 부품의 응용 분야에 매우 중요합니다.
합금 원소로서 크롬의 다재다능함은 현대 야금 및 재료 과학에서 크롬의 중요성을 강조하며 특정 산업 응용 분야에 맞는 특성을 가진 강철과 합금을 개발할 수 있게 해줍니다.
망간(Mn)은 주로 비용 효율성과 철(Fe)과의 호환성 때문에 강철의 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 망간은 강철 강도를 크게 향상시키면서도 가소성에 미치는 영향은 최소화하여 철강 산업에서 널리 채택되는 합금 원소입니다.
철강 생산에서 Mn의 편재성은 다양한 강종에 걸쳐 분명하게 드러납니다. 저탄소 스탬핑강부터 이중상(DP), 변형 유도 가소성(TRIP), 마르텐사이트(MS) 강과 같은 고급 고강도강(AHSS)에 이르기까지 Mn은 핵심 구성 요소입니다. 원하는 기계적 특성과 용도에 따라 그 함량이 달라집니다.
저탄소 강재에서 Mn 함량은 일반적으로 0.5% 미만으로 유지됩니다. 그러나 강도 요구 사항이 증가함에 따라 Mn 함량도 증가합니다. 예를 들어 초고강도 마르텐사이트강에서는 Mn 함량이 최대 3%에 달할 수 있어 중량 대비 강도에 크게 기여합니다.
Mn의 영향력은 강도 향상 그 이상입니다. 강철의 경화성을 개선하여 열처리 공정에 대한 반응을 향상시킵니다. 이러한 효과는 40Mn강과 AISI 1040강을 비교하면 알 수 있는데, 전자는 Mn 함량이 더 높기 때문에 경화성이 더 우수합니다.
Mn의 또 다른 중요한 기능은 강철에서 황(S)의 해로운 영향을 완화하는 능력입니다. 제강 공정에서 Mn은 고융점 황화망간(MnS) 개재물을 형성하여 황이 철강 특성, 특히 열간 가공성 및 연성에 미치는 부정적인 영향을 효과적으로 중화합니다.
하지만 Mn을 첨가할 때는 신중한 균형이 필요합니다. Mn 함량을 높이면 강도가 높아질 수 있지만 과도한 양은 강철의 가소성 및 용접성을 저하시킬 수 있습니다. 이러한 장단점을 고려하려면 용도와 필요한 강재의 물성 프로파일에 따라 Mn 함량을 정밀하게 제어해야 합니다.
현대 제강에서는 자동차 경량화부터 고성능 구조용 애플리케이션에 이르기까지 특정 산업 수요를 충족하는 맞춤형 특성 조합의 강재를 개발하기 위해 다른 합금 원소와 함께 Mn 함량을 최적화하는 것이 매우 중요합니다.
코발트(Co)는 특수강과 합금의 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 고속강에서 Co는 뛰어난 고온 경도를 부여하여 가공 작업 중 고온에서 절삭 공구의 성능을 유지합니다.
마레이징강에서 몰리브덴과 합금하면 Co는 경도와 전반적인 기계적 특성을 크게 향상시킵니다. 이러한 시너지 효과로 인해 인성이 뛰어난 초고강도 강재가 탄생하여 항공우주 및 방위 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
Co는 내열강과 자성 재료의 필수 합금 원소입니다. 후자의 경우, 고성능 영구 자석과 전기강에 필수적인 높은 자기 포화도와 퀴리 온도 향상에 기여합니다.
그러나 Co가 강철 특성에 미치는 영향은 복잡합니다. 탄소강에서는 경화성을 감소시켜 포괄적인 기계적 특성을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 효과는 원하는 미세 구조와 특성을 얻기 위해 경화성이 중요한 중-고 탄소강에서 특히 두드러집니다.
Co는 고용체 경화를 통해 페라이트를 강화합니다. 어닐링 또는 노멀라이징과 같은 열처리 과정에서 탄소강에 첨가하면 경도, 항복 강도 및 인장 강도가 증가합니다. 하지만 연신율 감소와 면적 감소로 나타나는 연성 감소의 대가가 따릅니다.
강철의 Co 함량이 증가하면 일반적으로 충격 인성이 감소합니다. 강도와 인성 사이의 이러한 균형은 특정 용도에 맞는 합금 설계에서 신중하게 균형을 맞춰야 합니다.
Co의 우수한 산화 저항성은 내열강 및 초합금에 매우 유용합니다. 특히 가스 터빈 응용 분야에서 Co 기반 초합금은 우수한 고온 강도, 크리프 저항성 및 고온 내식성을 나타내므로 작동 온도를 높이고 엔진 효율을 개선할 수 있습니다.
강철 합금에서 니켈의 이점은 기계적 특성 향상, 미세 구조적 특성 개선, 우수한 내식성 등 매우 다양합니다. 이러한 특성으로 인해 니켈 함유 강재는 다양한 산업 분야에서 매우 선호되는 소재입니다.
니켈은 많은 엔지니어링 설계에서 중요한 요소인 강철의 강도 대 인성 비율을 크게 향상시킵니다. 니켈은 연성에서 취성 전이 온도를 획기적으로 낮춰 0.3% Ni 함량에서 -100°C 이하에 도달하고 4-5% 코발트와 결합하면 -180°C로 급락합니다. 이 놀라운 저온 인성은 극저온 응용 분야에서 니켈 함유 강철의 작동 범위를 확장합니다.
니켈이 강철의 경화성에 미치는 영향은 농도에 따라 달라집니다. 3.5% 니켈 함량으로는 담금질 경화에 충분하지 않지만, 크롬강의 니켈 함량을 8%로 높이면 매우 낮은 냉각 속도에서도 마르텐사이트 변형을 촉진할 수 있습니다. 이 특성은 관통 경화가 어려운 크고 두꺼운 단면의 부품을 생산할 때 특히 유용합니다.
오스테나이트(γ-Fe)와 유사한 격자 상수를 가진 니켈의 원자 구조는 연속적인 고체 용액의 형성을 촉진합니다. 이러한 야금학적 호환성은 강철의 경화성을 향상시키고 보다 균일한 미세 구조를 만드는 데 기여합니다. 또한 니켈은 임계 변형 온도를 낮추고 오스테나이트를 안정화하여 담금질 온도를 낮추고 담금질을 개선할 수 있습니다.
니켈과 다른 합금 원소의 시너지 효과는 주목할 만합니다. 니켈-크롬, 니켈-텅스텐, 니켈-크롬-몰리브덴 조합은 경화성을 크게 향상시킵니다. 니켈-몰리브덴 강은 탁월한 피로 저항성을 나타내며, 니켈 강은 일반적으로 열 피로 특성이 우수하여 열 순환을 받는 부품에 적합합니다.
스테인리스강에서 니켈은 오스테나이트 상을 안정화하여 광범위한 환경에서 내식성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 니켈 함유 스테인리스강은 화학 공정, 식품 생산 및 해양 분야에서 필수 불가결한 소재입니다.
흔히 간과되는 강철에서 니켈의 장점은 고온에서 입자 성장을 억제하는 능력입니다. 이 특성은 고온 서비스 또는 열처리 공정에서 기계적 특성을 보존하고 취성을 방지하는 데 필수적인 미세한 미세 구조를 유지하는 데 도움이 됩니다.
구리(Cu)는 강철의 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 하며, 특히 대기 중 내식성을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 저탄소 강철과 합금하면 표면에 보호 녹청을 형성하여 부식성 환경에서 재료의 사용 수명을 크게 연장합니다. Cu와 인(P)의 시너지 효과는 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 용접성을 손상시키지 않으면서도 강철의 강도와 항복률을 높입니다.
0.20% ~ 0.50% Cu(일반적으로 U-Cu 강철이라고 함)가 포함된 강철 레일은 표준 탄소강보다 2~5배 더 뛰어난 내식성을 지니고 있어 뛰어난 내구성을 자랑합니다. 따라서 해안 인프라나 화학 처리 시설과 같이 혹독한 환경 조건에 노출되는 분야에 특히 유용합니다.
고농도, 특히 Cu 함량이 0.75%를 초과하는 경우 강철은 고용체 처리 및 후속 노화 후 노화 경화 효과를 겪을 수 있습니다. 이러한 현상은 제어된 열처리 공정을 통해 재료의 강도와 경도를 더욱 향상시키는 데 활용할 수 있습니다.
낮은 농도에서 Cu가 강철 특성에 미치는 영향은 니켈과 비슷하지만 덜 두드러집니다. 그러나 과도한 Cu 함량(일반적으로 1% 이상)은 열간 가공 작업 중에 가공 문제를 일으킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 입자 경계에 저융점 구리가 풍부한 상이 형성되어 열간 단락 또는 구리 취성을 초래할 수 있기 때문입니다.
구리의 장점은 탄소강을 넘어선다. 오스테나이트계 스테인리스강에서 2-3% Cu를 첨가하면 황산, 인산, 염산과 같은 부식성 매체에 대한 저항성이 크게 향상됩니다. 또한 화학 처리 장비나 해양 환경과 같은 까다로운 응용 분야에서 중요한 요소인 응력 부식 균열에 대한 합금의 저항성을 향상시킵니다.
전이 후 금속인 갈륨(Ga)은 주기율표의 p-블록에 위치하며 철강 야금에서 독특한 특성을 나타냅니다. 철-탄소 시스템에서 마이크로갈륨은 페라이트(α-Fe) 상에 용해되어 치환성 고용체를 형성합니다. 많은 합금 원소와 달리 갈륨은 강철에서 탄화물, 산화물, 질화물 또는 황화물을 형성하지 않으므로 열처리 및 사용 중 거동에 영향을 미칩니다.
오스테나이트(γ) + 페라이트(α) 2상 영역에서 마이크로갈륨은 오스테나이트의 면 중심 입방(FCC) 구조에 비해 페라이트의 몸통 중심 입방(BCC) 구조에서 용해도가 높기 때문에 오스테나이트에서 페라이트로 우선적으로 확산됩니다. 이러한 확산 거동은 페라이트 상에서 갈륨의 농도를 증가시켜 잠재적으로 강철의 상변환 동역학 및 최종 미세 구조에 영향을 미칩니다.
갈륨이 강철의 기계적 특성에 영향을 미치는 주요 메커니즘은 고용체 강화를 통한 것입니다. 철 격자의 치환 원자로서 갈륨 원자는 국부적인 왜곡을 일으켜 전위 이동을 방해하여 강철의 강도와 경도를 증가시킵니다. 그러나 이러한 강화 효과의 크기는 일반적으로 망간이나 몰리브덴과 같은 전통적인 합금 원소에 비해 덜 두드러집니다.
내식성과 관련하여 갈륨은 강철의 전반적인 부식 거동에 미치는 영향이 미미합니다. 수동 피막 형성을 통해 내식성을 크게 향상시킬 수 있는 크롬이나 니켈과 같은 원소와 달리 갈륨은 강철 표면의 전기 화학적 특성을 크게 변화시키지 않습니다. 내식성에 대한 갈륨의 제한적인 영향은 주로 강철 매트릭스에서 산화물을 형성하지 않는 특성 때문입니다.
철광석의 비소(As)는 철강 생산 과정에서 문제가 되는데, 기존 소결 방식으로는 제거에 한계가 있습니다. 그러나 염소화 로스팅은 비소 제거에 보다 효과적인 방법을 제공합니다. 용광로 제련 과정에서 잔류 비소는 선철에 통합되므로 세심한 관리가 필요합니다.
강철의 As 함량이 0.1%를 초과하면 재료 특성에 큰 영향을 미쳐 취성을 증가시키고 용접성을 저하시킵니다. 이러한 부작용을 완화하려면 광석의 As 함량을 엄격하게 관리하는 것이 중요하며, 최대 임계값은 0.07%로 권장됩니다.
강철에 As가 존재하면 기계적 특성에 복잡한 영향을 미칩니다. 저탄소 원형강에서는 항복점(σs)과 인장 강도(σb)가 모두 상승하는 경향이 있습니다. 그러나 이는 연신율 감소에서 알 수 있듯이 연성이 감소하는 대가를 치릅니다. 또한 많은 응용 분야에서 중요한 요소인 탄소 원형강의 실온 충격 인성(Akv)에 뚜렷한 부정적 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
이러한 야금학적 고려 사항은 최적의 철강 품질과 성능을 보장하기 위해 제철 및 제강 공정 전반에 걸쳐 잠재적 이점과 해로운 영향의 균형을 맞추는 정밀한 As 관리의 중요성을 강조합니다.
셀레늄(Se)은 탄소강, 스테인리스강, 구리 등 다양한 금속의 가공성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 셀레늄을 사용하면 표면 조도가 향상되어 부품이 밝고 깨끗한 외관을 나타냅니다. 이러한 개선은 주로 셀레늄이 쉽게 전단 가능한 내포물을 형성하여 가공 작업 중 칩 파쇄를 용이하게 하고 공구 마모를 줄이는 능력 덕분입니다.
고자기 유도 배향 실리콘강이라는 특수 분야에서는 망간 디셀레나이드(MnSe2)가 억제제로 자주 사용됩니다. MnSe2는 특히 초기 재결정 입자의 성장을 제어하는 능력에서 황화망간(MnS)에 비해 우수한 포함 특성을 보여줍니다. 이러한 향상된 억제력은 선택적인 2차 재결정 결정립 성장을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 그 결과 변압기 코어 및 기타 고효율 전기 애플리케이션에 사용되는 전기강에서 최적의 자기 특성을 달성하는 데 중요한 고배향(110)[001] 텍스처를 얻을 수 있습니다. 이러한 텍스처 최적화를 통해 코어 손실을 줄이고 전체 변압기 효율을 개선할 수 있습니다.
지르코늄(Zr)은 강력한 탄화물 형성 원소로, 강철 합금에서 니오븀, 탄탈륨, 바나듐과 유사한 특성을 나타냅니다. 이러한 고유한 특성 덕분에 다양한 고성능 야금 응용 분야에서 귀중한 첨가제로 사용됩니다.
소량의 Zr을 통합하면 강철 미세 구조와 특성에 여러 가지 유익한 효과를 얻을 수 있습니다:
이러한 효과는 시너지 효과를 발휘하여 저온 인성 및 우수한 성형성을 개선하며, 특히 강판의 스탬핑 성능을 향상시키는 데 유용합니다.
Zr은 제작에 광범위하게 활용되고 있습니다:
과도한 탄화물 형성이나 취성과 같은 잠재적인 문제를 피하면서 이점을 최적화하려면 일반적으로 0.05~0.15% 범위의 Zr 함량을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
니오븀(Nb)과 탄탈륨은 자연에서 흔히 함께 발견되는 밀접한 관련이 있는 원소로, 철강 야금에서 비슷한 역할을 합니다. 두 원소 모두 고용체에 부분적으로 용해되어 강철 매트릭스를 강화하는 데 기여할 수 있습니다.
Nb는 오스테나이트 상에 용해될 때 강철의 담금질 반응을 크게 향상시킵니다. 그러나 탄화물 또는 산화물 입자로 존재할 경우 Nb는 입자 정제제 역할을 하여 강철의 경화성을 감소시킵니다. 또한 템퍼링 안정성을 높이고 이차 경화 효과를 유도하여 특정 기계적 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다.
니오븀을 이용한 미세합금은 가소성이나 인성을 손상시키지 않으면서 강철 강도를 향상시키는 독특한 이점을 제공합니다. 이러한 특성은 최신 고강도 저합금(HSLA) 강재에서 특히 유용합니다. Nb는 입자 구조를 개선하고 충격 인성을 향상시키며 연성에서 취성 전이 온도를 낮춥니다. Nb 함량이 탄소의 8배를 초과하면 강철의 거의 모든 탄소를 효과적으로 고정할 수 있어 수소 취화 저항성이 우수합니다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 Nb는 안정화 요소로 작용하여 산화 환경에서 감응 및 입계 부식을 방지합니다. 이는 입자 경계에서 크롬 카바이드 침전을 방지하는 안정적인 니오븀 카바이드를 형성함으로써 달성됩니다. 또한 Nb는 탄소 고정 능력과 침전 경화 효과를 통해 강철의 고온 성능, 특히 크리프 강도를 향상시킵니다.
기존 저합금강의 경우 Nb를 첨가하면 연성-취성 전이 온도를 낮추면서 항복 강도와 충격 인성을 개선할 수 있습니다. 이러한 특성의 조합은 용접 구조물에 특히 유리합니다. 침탄 및 템퍼링 합금 구조강에서 Nb는 경화성을 높이는 동시에 인성 및 저온 성능을 향상시킵니다. 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강에서 Nb는 공기 경화 경향을 줄이고, 템퍼 취성을 완화하며, 크리프 강도를 높여 다양한 강종과 용도에 다용도로 사용할 수 있는 합금 원소입니다.
몰리브덴(Mo)은 강철의 특성을 크게 향상시켜 경화성, 내열성, 취화 저항성을 개선합니다. 또한 특정 환경에서 잔류 자성, 보자력 및 내식성을 증가시킵니다.
담금질 및 강화강에서 Mo는 경화성을 향상시켜 단면이 큰 부품을 효과적으로 열처리할 수 있도록 합니다. 또한 템퍼링 안정성을 향상시켜 고온에서 연화에 대한 강철의 저항력을 높입니다. 이러한 특성 덕분에 강도의 저하 없이 고온 조건에서 보다 효율적으로 응력을 완화하고 연성을 개선할 수 있습니다.
침탄강의 경우 Mo는 침탄 층의 입자 경계에서 연속 탄화물 네트워크의 형성을 완화합니다. 이는 잔류 오스테나이트 함량을 감소시켜 표면 내마모성을 향상시킵니다. 미세 구조가 개선되어 피로 강도와 충격 인성이 향상됩니다.
Mo는 금형강 단조에서 고온에서 일정한 경도를 유지하고 소성 변형, 열 피로 균열 및 연마 마모에 대한 저항성을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 이를 통해 열간 단조 작업에서 금형 수명을 연장하고 부품 품질을 개선할 수 있습니다.
스테인리스 및 내산성 강철에서 Mo는 특히 유기산(예: 포름산, 아세트산, 옥살산), 산화제(과산화수소) 및 다양한 산업용 화학물질(황산, 황산, 황산염, 산성 염료, 표백제)에 대한 내식성을 크게 향상시킵니다. 특히 Mo 첨가제는 해양 및 화학 처리 환경에서 흔히 발생하는 염화물 이온으로 인한 피팅 및 틈새 부식을 효과적으로 방지합니다.
약 1% Mo가 함유된 W12Cr4V4Mo 고속강은 탁월한 내마모성, 템퍼링 안정성 및 적색 경도(열경도)를 나타냅니다. 이 구성은 카바이드 포머(W, Cr, V, Mo)와 매트릭스 간의 균형을 최적화하여 고속 가공 응용 분야에서 우수한 절삭 성능과 공구 수명을 제공합니다.
주석(Sn)은 철강 야금에서 복잡한 역할을 하며, 특정 용도와 합금 구성에 따라 그 효과가 크게 달라집니다. 일반적인 철강 생산에서 주석은 고온 취성, 성질 취화 및 균열을 유발할 수 있기 때문에 유해한 불순물로 간주되는 경우가 많습니다. 용접성에 악영향을 미칠 수 있으며 구리, 비소, 안티몬, 인과 같은 원소와 함께 강철의 '부랑자 원소' 중 하나로 분류됩니다.
그러나 Sn은 특수 강철 응용 분야에서 유익한 특성을 보여줍니다. 전기강, 특히 입자 지향 실리콘강에서 Sn은 자기적 특성을 개선하는 데 기여합니다. 이는 입자 구조와 텍스처 발달에 영향을 미침으로써 달성됩니다. Sn은 입자 경계에서 분리되는 경향이 있어 가공 중 입자 성장을 억제합니다. 이러한 입자 미세화 효과는 농도에 따라 달라지며, Sn 함량이 높을수록 입자 크기를 더 효과적으로 제어할 수 있습니다. 결과적으로 더 미세한 입자 구조는 전기강의 코어 손실을 줄이는 데 기여합니다.
또한 Sn은 입자 지향 실리콘 강철에서 유리한 {100} 고스 텍스처의 형성을 촉진합니다. 이러한 텍스처 개선은 변압기 코어 재료에 바람직한 특성인 자기 투과성 증가와 자기 변형 감소로 이어집니다. 자기 유도 강도는 제어된 Sn 첨가로 현저하게 향상될 수 있습니다.
주철 생산에서는 소량의 Sn(일반적으로 0.1 wt% 미만)이 유리할 수 있습니다. 내마모성을 향상시키고 주조 공정에 중요한 용융 금속의 유동성에 영향을 미치기 때문입니다. 고강도와 우수한 내마모성을 겸비한 펄라이트 가단 주철의 경우, 용융 중에 Sn을 첨가하여 펄라이트 형성을 촉진합니다. 그러나 과도한 양은 연성 인두의 흑연 구상화를 방해할 수 있으므로 Sn 함량을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
Sn은 또한 자유 절삭 강재에 적용되어 가공성을 향상시킵니다. 이러한 합금에서 Sn은 내포물 주변과 입자 경계에서 분리되는 경향이 있습니다. 자유 절삭 강의 핵심 요소인 황화물 개재물의 형태는 크게 변화시키지 않지만, Sn의 분리 거동은 가공 작업 중 칩 형성과 파손을 개선합니다. 정확한 양은 특정 강종 및 기타 합금 원소에 따라 다르지만, 일반적으로 Sn 함량이 0.05 wt%를 초과할 때 최적의 가공성 개선이 관찰됩니다.
결론적으로, Sn은 일반적으로 대량 철강 생산에서는 바람직하지 않지만 특수 강종에 사용하면 상당한 성능 이점을 얻을 수 있습니다. 핵심은 정확한 조성 제어와 강철 미세 구조에서 Sn과 다른 합금 원소 간의 복잡한 상호 작용을 이해하는 데 있습니다.
자성이 높은 실리콘 스틸에 안티몬(Sb)을 결합한 후 1차 및 2차 재결정 과정에서 입자 크기를 미세화합니다. 이러한 미세화는 보다 완벽한 2차 재결정으로 이어져 자기 특성을 향상시킵니다.
Sb 함유 강철의 냉간 압연 및 탈탄 후 텍스처 성분 {110} 및 {110}이 강화됩니다. 이러한 배향은 이차 재결정을 촉진하는 데 유리하여 결과적으로 이차 재결정 핵의 수를 증가시킵니다. 이러한 미세 구조 변경은 자기 성능과 전반적인 재료 품질 향상에 기여합니다.
용접 용도로 설계된 Sb 함유 구조강에서 Sb는 오스테나이트화 온도에서 독특한 침전 거동을 보입니다. 황화망간(MnS) 개재물 주변과 이전 오스테나이트 입자 경계를 따라 우선적으로 침전됩니다. MnS 내포물을 둘러싼 이 Sb 농축은 강철의 미세 구조를 개선하고 인성을 향상시키는 두 가지 용도로 사용됩니다. 정제된 미세 구조는 기계적 특성을 개선하는 데 기여하고, 인성 증가는 용접 구조에 특히 유용하여 열 영향을 받는 영역에서 취성 파괴의 위험을 잠재적으로 줄여줍니다.
강철의 텅스텐(W)은 철에 부분적으로 용해되어 고체 용액을 형성하는 동시에 탄화물도 생성하는 이중 기능을 발휘합니다. 텅스텐의 효과는 몰리브덴(Mo)과 비슷하지만 일반적으로 중량 기준으로 비교하면 덜 두드러집니다.
강철의 특성에 대한 W의 주요 기여는 주로 텅스텐 카바이드의 형성으로 인한 향상된 템퍼링 안정성, 향상된 적색 경도(열경도), 향상된 내열성 및 우수한 내마모성입니다. 이러한 특성으로 인해 W합금강은 고속강 및 열간 단조강과 같은 공구 응용 분야에 특히 적합합니다.
고품질 스프링강에서 W는 내화 카바이드 형성제 역할을 하여 탄화물의 거칠어짐을 억제하고 고온에서 고온 강도를 유지합니다. 또한 W는 강철의 과열에 대한 민감성을 줄이고 경화성을 개선하며 전반적인 경도를 높입니다.
예를 들어 65SiMnWA 스프링강은 열간 압연 및 공냉 후에도 높은 경도를 달성합니다. 단면적이 최대 50mm²인 W를 함유한 스프링강은 오일 담금질을 통해 높은 경도를 달성하고 최대 350°C의 내열성을 유지하면서 상당한 하중을 견딜 수 있습니다.
30W4Cr2VA 고강도 내열성 스프링 스틸은 W 첨가의 이점을 잘 보여줍니다. 이 강종은 경화성이 우수하며 1050~1100°C에서 담금질하고 550~650°C에서 템퍼링한 후 1470~1666MPa의 인장 강도를 달성할 수 있습니다. 주요 용도는 최대 500°C의 고온 환경을 위해 설계된 스프링 제조에 사용됩니다.
W는 강철의 내마모성과 절삭 성능을 크게 향상시켜 공구강에서 중요한 합금 원소입니다. 단단하고 안정적인 텅스텐 카바이드의 형성은 절삭 공구, 특히 고온 또는 가혹한 조건에서 작동하는 절삭 공구의 내마모성과 모서리 유지력을 향상시키는 데 기여합니다.
요약하면, 강철에 텅스텐을 첨가하면 고온 강도, 내마모성 및 향상된 절삭 특성이 결합되어 다양한 고성능 응용 분야, 특히 공구 및 스프링강 분야에서 W합금강이 필수 불가결한 소재가 됩니다.
납(Pb)은 절삭 작업 시 내부 윤활제 역할을 하여 강철의 가공성을 향상시킵니다. 제어된 양의 납이 함유된 강철은 우수한 기계적 특성을 나타내며 열처리 공정에 잘 견딥니다. 그러나 환경 문제와 고철 재활용 공정에 미치는 악영향으로 인해 보다 친환경적인 대안을 위해 납을 합금 원소로 사용하는 것이 점차 단계적으로 폐지되고 있습니다.
철(Fe)에 대한 납의 용해도가 제한되어 있어 고체 용액이나 금속 간 화합물이 형성되지 않습니다. 대신 납은 입자 경계로 분리되어 구형 형태를 띠게 됩니다. 이러한 분리는 200-480°C(392-896°F)의 임계 온도 범위 내에서 강철의 취성을 유발할 수 있습니다. 또한 입자 경계에 납이 존재하면 용접성이 크게 저하되어 용접 공정 중에 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 야금학적 현상은 특히 고온 또는 용접 작업과 관련된 애플리케이션에서 납강 합금 설계 및 가공 파라미터를 신중하게 고려해야 합니다.
0.1-0.4% 비스무트(Bi)를 자유 절삭 강재에 통합하면 강철의 절삭 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 강철 매트릭스 내에 균일하게 분포된 Bi 입자는 절삭 공구와 접촉하면 녹아 효과적인 윤활제 역할을 합니다. 이 메커니즘은 공구 과열을 방지하고 절삭 속도를 높이며 전반적인 가공성을 향상시킵니다.
최근 다양한 스테인리스강 재종에 Bi를 첨가하여 가공 특성을 향상시키는 개발이 이루어지고 있습니다. 자유 절삭강에서 Bi는 강재 매트릭스 내에 독립적인 입자로 존재하거나 황화물 내포물로 캡슐화되거나 강재 매트릭스와 황화물 상 사이의 계면에 존재하는 세 가지 형태로 존재할 수 있습니다.
연구에 따르면 S-Bi 자유 절단 강철 잉곳의 Bi 함량이 증가하면 황화망간(MnS) 내포물의 변형률이 감소하는 것으로 나타났습니다. 강철에 Bi-금속이 존재하면 강철 잉곳의 단조 공정에서 황화물 변형을 효과적으로 억제하여 미세 구조 제어를 개선하는 데 기여합니다.
주철 응용 분야에서 0.002-0.005% Bi를 첨가하면 다양한 이점이 입증되었습니다. 가단 주철의 주조 성능을 향상시키고, 미백 경향을 증가시키며, 어닐링 시간을 단축하고, 최종 구성품의 연성을 최적화합니다. 또한 구상 주철에 0.005% Bi를 도입하면 내진성이 향상되고 인장 강도가 증가합니다.
그러나 일반적인 제강 온도(약 1500°C)에서 높은 휘발성으로 인해 강철에 Bi를 첨가하는 것은 기술적 어려움이 있어 균일한 분포가 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 글로벌 제조업체들은 1050°C의 낮은 융점을 가진 Bi-Mn 합금 판을 첨가제로 사용하는 등 혁신적인 접근 방식을 개발했습니다. 이러한 발전에도 불구하고 Bi의 활용률은 약 20%로 비교적 낮은 수준에 머물러 있습니다.
전기강 분야에서 일본제철 및 스미토모금속, 포스코 등 주요 철강 생산업체들은 Bi 첨가가 입자 지향 실리콘강의 자기 특성, 특히 B8 값(800 A/m에서 자기 유도)을 크게 향상시킬 수 있다고 보고했습니다. 특히, 일본제철 및 스미토모금속과 JFE는 Bi 첨가와 관련된 100개 이상의 고자성 실리콘강 특허를 출원했습니다. 이러한 혁신을 통해 자기 유도 값이 1.90T에 달하고, 일부 예외적인 경우 1.99T까지 달성하여 전기강 성능이 크게 향상되었습니다.
희토류 원소(REE)는 란타나이드 계열(원자 번호 57-71)과 스칸듐(21), 이트륨(39)을 포함해 총 17가지 원소를 포함합니다. 이 원소들은 화학적 특성이 비슷하기 때문에 분리하기가 어렵습니다. 비용 효율성이 더 높은 혼합 희토류는 분리되지 않은 REE 조합을 의미합니다.
철강 생산에서 REE는 다양한 기능을 수행합니다:
REE는 Ca, Ti, Zr, Mg, Be와 함께 황화물 함유물을 수정하는 데 매우 효과적입니다. 적절한 양을 첨가하면 산화물 및 황화물 내포물을 작고 분산된 구형 입자로 변형시킵니다. 이러한 변형은 황화망간(MnS) 및 기타 내포물이 강철 특성에 미치는 해로운 영향을 완화합니다.
일반적인 철강 생산에서 유황은 주로 황화철(FeS)과 황화망간(MnS)으로 존재합니다. 망간 함량이 높으면 녹는점이 높고 열간 단락을 방지하는 능력이 있지만 변형 처리 중에 길어질 수 있는 MnS 형성이 촉진됩니다. 이렇게 길어진 MnS 내포물은 강철의 가소성, 인성 및 피로 강도를 크게 감소시킵니다. 변형 처리를 개선하기 위해 이러한 개재물을 수정하려면 REE를 첨가하는 것이 중요합니다.
REE는 또한 강철의 산화 및 내식성을 향상시켜 실리콘, 알루미늄, 티타늄의 효과를 능가합니다. 강철의 유동성을 개선하고 비금속 내포물을 줄이며 조밀하고 순수한 미세 구조를 촉진합니다. 강철에서 REE의 주요 역할은 정제, 개재물 수정, 합금화입니다.
철강 생산에서 산소 및 황 함량 제어가 개선됨에 따라 전통적인 정제 및 개재물 변형 기술의 중요성이 줄어들고 있습니다. 그러나 REE를 활용한 새로운 정제 기술과 합금 효과가 각광받고 있습니다. 예를 들어, REE는 페로크롬 알루미늄 합금의 산화 저항성을 높이고 고온에서 미세한 입자 구조를 유지합니다. 그 결과 전열 합금의 고온 강도가 향상되고 사용 수명이 크게 연장됩니다.
요약하자면, 희토류 원소는 현대 철강 생산에서 다각적인 역할을 하며 미세 구조 제어, 함유량 조절, 물성 향상 측면에서 고유한 이점을 제공합니다. 희토류 원소는 철강 생산 기술이 발전함에 따라 그 용도가 계속 진화하여 고성능 철강 개발을 위한 새로운 길을 열어가고 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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