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공학 문제해결/재료*제작

【기계재료】 합금강 / 특수강의 종류

[합금강의 종류]
 → 탄소강에서는 얻을 수 없는 훌륭한 성질의 강을 얻기 위해서, 탄소 이외의 합금 원소를 첨가한 강. 특수강이라고도 한다.

  • 엘린바 (Elinvar)
    • Ni 36 %, Cr 12%를 함유하는 Ni 합금으로 상온에 있어서 실용상 탄성률이 불변하며 열팽창계수가 적기 때문에 크로노미터 등 단일 금속 밸런스로 사용된다.
    • 상온에 있어서 실용상 탄성계수가 거의 변화하지 않는 30% Ni - 12% Cr 합금으로 불변강이다.
    • 사용 : 고급시계, 정밀저울 등의 스프링 및 기타 정밀계기, 크로노미터 등
  • 인바 (Invar)
    • 프랑스에서 발명한 Fe-Ni 합금으로써 팽창계수가 극히 낮아(0.00000008/℃ 정도), 시계, 계기 등에 쓰이고 있다. 성분 함량은 63.5 Fe, 36 Ni, 0.5 Mn으로 녹는점은 1425℃이다. 극히 내식성이 풍부하고, 탄성한계 43kg/mm^2, 인장강도 60kg/mm^2, 연신율 25~50%, H`B 167, 비중 7.99이다. 그 밖에 초인바라고 하는 것이 있으나, 이것은 일본에서 발명된 것으로 인바보다 한층 팽창계수가 적다. 그 성분은 인바의 Ni 5%를 Co로 치환한 것이다. 기타 많은 제강 회사에서 저팽창강이라는 것을 만들고 있으나, 그 성분은 대체적으로 Ni 36% 부근의 합금이다.
    • Ni 36%를 함유하는 Fe-Ni 합금으로 상온에서 열팽창계수가 매우 적고 내식성이 대단히 좋다.
    • 사용 : 줄자, 시계의 진자, 바이메탈 등
  • 초인바 (Super Invar)
    • 인바보다도 열팽창계수가 한층 더 작은 Fe-Ni-Co 합금
    • 사용 : 측거의
  • 플레티나이트 (Platinite)
    • Ni 40~50% 나머지는 철(Fe)이다. 평행계수가 유리와 거의 같으며, 백금선 대용의 전구 도입선에 사용하는 것이다.
    • 사용 : 전구의 도입선, 금속의 봉착용
  • 코엘린바 (Coelinvar)
    • 넓은 온도 범위에 걸쳐 거의 일정한 탄성률을 가진 코발트 합금.
    • Cr, Co, Ni을 함유하는 철합금으로 온도변화에 대한 탄성율의 변화가 극히 적고 공기층이나 수중에서 부식되지 않는다.
    • 사용 : 스프링, 태엽, 기상관측용 기구의 부품
  • 퍼멀로이 (Permalloy)
    • 니켈을 35~80% 함유한 Ni-Fe 합금으로, 고투자율을 나타낸다. 일반적으로 박판(0.35~0.025mm 두께)으로 공급되며 몰리브덴, 크롬, 동 등을 첨가한 다원소 퍼멀로이도 있다.
    • Ni 75~80%, Co 0.5% 함유, 약학 자장으로 큰 투자율을 가진다.
    • 사용 : 해저전선의 장하코일용, 자기헤드, 쵸크 코일, 변성기, 릴레이


[특수강]

  • 특수강
    • 탄소강의 성질을 개량하기 위하여 특수한 원소를 첨가한 강철을 부르는 말이다. 특수강은 크게 나누면 탄소강을 보다 강하게 하여 구조용으로 쓰는 것과 특수한 용도에 알맞도록 특별한 성질로 만든 것 등 두 종류로 구분할 수 있다.
  • 구조용 특수강
    • 니켈 - 크롬강
      • 자동차나 선박의 동력 전달계 부분, 예컨데 톱니바퀴*동력 연접간 등의 큰 힘을 받는 부분에 널리 쓰이고 있으며, 구조용 특수강의 가장 대표적인 것이다.
    • 니켈 - 크롬 - 몰리브덴강
      • 니켈 - 크림강에 몰리브덴을 첨가하여 열처리 방법을 보다 개선한 것이다.
    • 크롬강
      • 값비싼 니켈이 들어있지 않기 때문에 널리 쓰이고 있다. 그리고 고탄소 크롬강은 열처리에 의해서 크게 경화하므로, 경도가 필요한 공구나 볼베어링 등에 쓰인다.
    • 크림 - 몰리브덴강
      • 크롬강에 몰리브덴을 조금 첨가해서 열처리 방법을 개선한 것으로서, 니켈 - 크롬강에 못지않은 특성이 있을 뿐더러, 니켈이 들어있지 않기때문에 가격도 싸다. 자동차*기계 부품에 널리 쓰이고 있다.

  • 특수목적용 특수강
    • 스테인리스 강
      • 녹이 슬지 않는 강철*스테인리스강은 취사용구를 비롯, 일상용품에 널리 쓰이는 금속이다. 대표적인 것은 18%의 크롬, 8%의 니켈이 들어 있는 것으로서 18-8 스테인리스강이라고 불린다. 이는 평온에서도 오스테나이트 조직, 즉 면심입방형을 이루고 있으므로 자석에 붙지 않는다. 그러므로 자석에 대봄으로써 크롬 계통의 스테인리스강과는 쉽게 구별할 수가 있다. 18-8 스테인리스강이 녹슬지 않는 까닭은 물이나 공기에 닿기만하면 곧 크롬산화물의 치밀한 피막이 생겨서 내부를 보호하기 때문이다. 그러므로 산화성이 강한 질산 등에 대해서는 매우 강하지만, 환원성인 염산 등에 대해서는 피막이 파괴되어 쉽게 침식당한다.
      • 스테인리스강에는 크롬만을 넣고 니켈은 들어있지 않은 크롬계 스테인리스강이란 것도 있다. 이것은 내식성에 있어서는 18-8 스테인리스강에 약간 떨어지나, 비싼 니켈 없이도 제조할 수 있기 때문에 생산가격이 싸다. 첨가되는 크롬의 양은 13% or 18%이며, 탄소가 적은 것은 보통의 철과 같은 페라이트 조직으로 되어 있어 강자성을 띤다. 탄소의 양이 많은 것은 담금질이 가능하며, 열처리에 의해서 마텐자이트 조직으로 변한다. 칼날이 달린 도구 등에 쓰이는 스테인리스강은 이 타입의 것으로서, 가정용품 이외에도 공업적 용도가 넓다.
    • 내열강
      • 터빈 날개나 제트엔진과 같이 고온에서 사용되는 재료는 고온에서 강도와 내산화성이 있어야 한다. 이러한 목적을 위해서 만들어진 강철이 내열강이다. 보통의 강철처럼 고온으로 가열되는 산화가 진행되어 녹이 슬기 시작하면 곤란하기 때문에, 고온에서도 산화하지 않는 것이라야 한다. 이 점에서 기본이 되는 합금은 스테인리스강과 비슷한 것이며, 여기에 고온에서 강도를 높이기 위해서 코발트*턴스텐*몰리브덴 등이 첨가된다. 예컨데 화력발전소의 증기 터빈의 익재에는 13% 크롬강에 몰리브덴*바나듐*붕소 등을 약간 더하여 강도를 높인 내열강이 쓰이고 있다.
    • 공구강
      • 기계공장에서는 선반이라든가 밀링*프레이즈반 따위의 공작기계가 어렵지 않게 강철을 깎고 또는 구멍을 뚫는다. 단단한 금속을 깎는 날쟁기로서 보다 강하고 또 보다 단단하여야 한다는 요구에 응할 수 있는 특수강의 일꾼을 가리켜 공구강이라고 한다.
      • 사용 : 부억칼, 목공도구, 톱, 끌, 가위, 고속도강, 하이스
      • 고속도강 : 10~20% 텅스텐 + 5% 크롬(or몰리브덴), 1% 바나듐 (+코발트), - 사용 : 바이트, 드릴 등 절삭용 공구
        • 금속재료를 고속도로 절삭하는 공우에 사용되는 내열성을 가진 특수강
        • 600도에서도 고온경도가 큼
        • 드릴, 리머, 탭, 기어 커터 등과 같이 형상이 복잡한 공구들의 재료로 널리 사용

[실제 공기업 기출문제]

Q. 다음은 무엇인가?

"상온에 있어서 실용상 탄성계수가 거의 변화하지 않는 30% Ni - 12%Cr 합금으로 정밀저울 등의 스프링 및 기타 정밀계기의 재료로 적합한 불변강"

① 코엘린바
② 엘린바
③ 초인바
④ 인바
⑤ 퍼멀로이



[답] ② 엘린바



[출처] 공기업 기출문제, 네이버 지식백과, 구글 위키백과, 블로그 등