기계금속 도서관

1. 구리와 구리 합금 

 - 구리와 구리 합금은 전기 및 열전도율이 다른 금속에 비하여 높고 전연성이 좋아 가공하기 쉬움

 -  구리 합금은 황동과 청동이 많이 사용되며, 냉 난방기기, 화학 공업용 급수관, 송유관, 가스관, 기계 부품, 건축재료, 가구 장식, 화폐 등에이용되고 있음.

1. 구리

  - 구리의 제조 방법은 적동광, 황동광, 휘동광, 반동광 등의 동광석을 용광로에서 용해시켜 20~40%의 구리를 함유하는 황하구리(Cu2S)와황화철(FeS)의 혼합물로 만듦. 이를 다시 전기로에서 산화, 정련하여 순도 98~99.5%의 조동으로 만듦. 구리는 조동으로부터 제조하는 방법에 따라 전기 구리, 탈산 구리, 무산소 구리로 분류됨.

 - 구리(Cu)는 비중이 8.96이고, 용융점이 1083℃로 가공성이 좋은 금속

 (1) 구리의 성질과 특성

    1)물리적성질

      -구리는 열전도율이 보통 금속 중에서 가장 높고, 전기 전도율은 은(Ag) 다음으로 높으며 비자성체. 구리의 색깔은 담적색이나 공기 중에서 표면이 산화되어 암적색이 되고, 결정격자는 면심입방격자이며 변태점이 없음.

    2) 화학적 성질

      - 구리는철강 재료에 비해 내식성이 커 공기 중에서는 거의 부식되지 않으나 황산, 염산에 용해되며 습기, 탄산가스, 해수 등에 녹색의 녹을 발생함. 그러나 이산화탄소(CO2)에 접하면 표면에 녹색의 염기성 탄산구리가 생기며, 인체에 유독하다 탄산구리는 물에 녹지 않고, 보호 피막의 역할을 하며, 부식률이 낮아 수도관, 물탱크, 열 교환기, 선박 등에 널리 사용됨.

    3) 기계적 성질

      - 구리는 항복 강도가 낮아 상온에서 가공성이 풍부하여 소성 가공률이 클수록 인장 강도와 경도는 증가하지만 연신율 및 단면 수축률은 떨어짐.

 (2) 구리의 용도

 - 구리는 전기 및 열전도율이 높아 판재, 봉재, 관재, 선재 등으로 가공되어 전기 재료 및 그 밖에 용도에 많이 사용됨. 또 구리는 도전율이 우수하여 송전선, 진공관용 전기 기기류 등의 재료와 내식성, 전열서이 좋아 인쇄용 부품, 급수관 등에 사용됨.

2. 구리 합금

 (1) 황동(brass)

 - 황동은 구리와 아연의 2원 합금으로 놋쇠라고도 함. 구리에 비하여 주조성, 가공성 및 내식성이 좋음. 황동의 기계적 성질은 아연의 함유량에 따라 달라지는데, 인장강도는 아연 40% 정도에서 최대가 되고, 연신율은 30% 부근에서 최대가 됨. 따라서 7.3황동 및 6.4황동은 아연의 함유량에 따라 나타나는 기계적 성질의 특징을 이용하여 실용화한 합금임.

    1) 7·3황동(cartridge brass)

      - 아연을 28~30% 정도 함유한 7·3 황동은 대표적인 가공용 황동으로 전연성이 크고 상온 가공이 용이하므로 판, 봉, 선 등으로 만들어 사용함. 이 빡에 자동차 방열기 부품, 파이프, 전구 소켓, 각종 일용품, 탄피 등의 재료로 사용됨. 7·3황동은 가공 재료로 이용되므로 납이나 철 같은 불순물이 섞이지 않아야 함.

    2) 6·4황동(Muntz metal)

      - 6·4 황동은 상온에서는 7·3 황동에 비하여 전연성이 낮고 인장 강도가 크므로 600~800℃에서 고온 가공한 다음 상온에서 판, 봉 등으로 만듦. 이것은 아연 함유량이 많아 황동 중에서 가장 값이 싸며, 내식성이 다소 낮아 탈아연 부식을 일으키기 쉬우나, 기계 부품용으로 많이 사용됨. 일반적으로 판재, 선재, 볼트, 너트, 열 교환기, 파이프, 밸브, 탄피, 자동차 부품 및 일반 판금용 재료로 널리 사용됨.

    3) 톰백(tombac)

      - 5~20%의 아연을 함유한 황동을 말하며, 강도는 낮으나 전연성이 좋고 색깔이 금색에 가까워 모조 금이나 판 및 선 등에 사용됨.

 (2) 청동(bronze)

 - 넓은 의미에서 황동 이외의 구리 함금을 모두 청동이라 함. 좁은 의미로는 구리와 주석의 합금을 말함. 청동의 인장 강도는 주석 함유량에 따라 증가하는데 연신율은 주석 함유량이 7~10%일 때 최대로 되고, 그 이상이 되면 급격히 떨어짐. 청동은 황동보다 주조성이 좋고, 내식성과 내마멸성이 좋으므로, 화폐, 종, 미술 공예품, 동상, 병기, 베어링, 각종 일용품 재료로 사용됨.

    1) 포금

      - 포금은 8~12%의 주석에 1~2%의 아연을 첨가한 구리 합금. 단조성이 좋고 강력하며 내식성이 있어, 밸브, 콕, 기어, 베어링 부시 등의 주물에 널리 사용됨. 해수에 잘 침식되지 않고 수압, 증기압에도 잘 견디므로 선박 등에 널리 사용 됨.

    2) 베어링용 청동

      - 10~14%의 주석을 함유한 청동은 연성은 감소되나 경도가 높고 내마멸성이 크므로 자동차나 일반 기계의 베어링 부분에 널리 사용됨. 이러한 주석 청동 속에 3.0~26%의 납을 함유한 청동은 조직 중에 납을 거의 고용하지 않고 결정립계에 산재하여 윤활성이 좋으므로, 철도차량, 압연 기계 등의 고압용 베어링에 적합함.

    3) 인청동

      - 인청동은 용융 주조할 때 탈산제로 1% 이하의 인을 첨가한 것. 합금 중에서 0.05~0.5%의 인을 첨가하면 구리 용융액의 유동성이 좋아지고, 강도, 경도 및 탄성률 등 기계적 성질이 개선되어 내식성이 우수하게 되는데, 이러한 합금이 인청동. 인청동은 판, 봉, 선으로 가공하여 사용하며, 내식성 내마멸성을 필요로 하는 기어, 캠, 축, 베어링, 코일 스프링, 스파이럴 스프링 등에 사용됨.

텅스텐

 - 최초 발견은 17세기 독일의 색신 지역 광산에서 주석광의 환원 중 슬래그를 유발하는 광석의 발견에서 시작. 1758년 스웨덴 화학자이며 지질학자 크론스테드가 유난히 무거운 광물질을 발견하고 이를 tung-sten이라 표현함. 스웨덴어로 heavy stone(중석)을 의미

 - 1783년 스페인 화학자 후한 호세와 파우스토 엘후야르가 흑중석에서 분리한 산화 텅스텐을 숯으로 환원해 최초로 텅스텐 금속을 분리함.

 - 탄소 다음으로 높은 용융점(3140℃), 끓는 점은 태양 표면 온도와 유사한 약 5700℃

 - 비중 : 19.25 / 탄성계수가 높음 / 열전도도와 전기 전도도가 우수 / 가장 낮은 열팽창 계수를 가진 금속

 - 1903년 윌리엄 쿨리지가 성형, 소결, 단조, 인발의 분말 야금공정으로 연성을 가진 텅스텐 와이어 제조에 성공

 - 그 후 1923년 슈뢰터가 텅스텐 카바이드(WC)와 코발트를 액상 소결법으로 결합시킨 초경합금을 발견

 - 초경합금은 다이아몬드에 근접하는 경도를 가진 텅스텐 카바이드가 주성분, 텅스텐 소비량의 약 60%를 차지함.

 - 텅스텐은 강의 특성을 개선시켜 전구의 필라멘트, 중합금, 전기 또는 전자 접점, 봉, 선, 촉매 등으로 사용되고, 가정에서 전자레인지, TV, 핸드폰 등의 재료로 사용됨.

1. 질량효과

  - 성분이 같은 탄소강을 동일한 방법으로 담금질을 해도 그 재료의 굵기나 두께에 따라 담금질 효과가 달라짐. 이것은 냉각 속도가 질량의 영향을 받기 때문. 두껍고 큰 쇳덩어리와 못을 비교하여 보면 빨갛게 고온으로 가열한 질량이 작은 못은 물 속에 넣자마자 식어버리나, 쇳덩어리는 물 속에 넣으면 표면의 냉각 속도가 내부의 냉각 속도보다 빠르게 냉각됨. 이것은 감자를 구울 때 겉 부분은 잘 익고 속은 안 익는 것과 같음. 이것처럼 질량의 대소에 따라 담금질 효과가 다른 현상을 질량효과(mass effect)라 함.

 - 질량 효과가 작다는 건 질량이 작은 물체의 내부와 외부의 냉각 속도 차가 작아 내부와 외부 조직의 차이가 없이 열처리가 잘 된 것을 의미. 반대로 질량 효과가 크다는 것은 질량이 큰 물체의 경우 내부와 외부 조직의 차이가 커 냉각 속도가 느려 담금질 효과가 적다는 것을 의미.

 - 결국 강의 열처리는 대상물의 크기와 형상에 따라 냉각 속도에 영향을 끼쳐 기계적 성질이 달라짐.

2. 경화능

 - 재료에 따라 담금질이 어느 정도 되는지의 여부를 나타내는 성질. 

 - 경화능 측정에는 조미니 시험(Jominy's test)이 널리 이용되고 있다.

 담금질의 가열 시간과 냉각 효과

 - 담금질할 때의 가열 시간은 강을 담금질 온도까지 상승시키는 시간과 담금질 온도에서 강의 내부까지 균질화하는 데  소용되는 시간을 포함.

 - 담금질할 때의 가열 시간이 너무 길면 재료의 손실과 연료의 손실을 가져오며, 너무 짧으면 불균일한 온도로 인한 내부응력이 생김. 고온으로 가열한 철강 재료를 물 속에 넣으면 그 표면에 수증기가 발생하는데, 이때 발생한 수증기는 막을 형성하여 냉각 효과를 감소시킨다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 냉각제로 소금물을 이용한다.

합금강

 - 금속에 한가지 이상의 다른 원소를 첨가, 새로운 성질의 금속을 만드는 것(합금강 또는 특수강이라 함)

1. 합금 원소 효과

2. 합금강의 분류

 (1) 구조용 합금강

 - 구조용 탄소강보다 큰 강도 및 우수한 기계적 성질이 요구될 때 사용

 - 탄소강에 니켈, 크롬, 몰리브덴, 망간, 규소 등을 첨가하면 이 중 일부분이 철과 고용체를 만들어 페라이트 중에 고용되므로, 구조용 합금강은 조직상으로는 탄소강일 때와 별 차이가 없으나 담금질성이 우수함.

 - 강인강, 표면 경화용강 등

 (2) 공구용 합금강

 - 공구용 합금강은 일반적으로 상온 및 고온에서 경도가 크고, 가열에 의한 경도 변화가 적고, 인성과 마멸 저항이 크고, 가공이 쉬워, 열처리에 의한 변형이 적은 특성을 갖추어야 함.

 - 합금 공구강, 고속도 공구강 등

 (3) 내식 내열용 합금강

 - 탄소강에 합금원소를 첨가 내식성과 내열성을 향상시킨 합금강을 내식강, 내열강이라고 함.

 - 스테인리스강, 내열강, 내식˙내열 초합금 등

 (4) 특수 용도용 합금강

 - 특수 목적에 사용되는 합금강.

 - 쾌삭강, 스프링강, 내마멸강, 베어링강, 자석용강, 규소강, 불변강, 고망간강 등

1. 주강

 - 용융한 탄소강을 주형에 주입하여 만든 제품.

 - 단조품에 비하여 가공 공정이 적고 대형 제품을 만들 수 있다는 장점이 있지만 주철에 비해 용융 온도가 1600℃ 전후의 고온이며, 수축률이 커 주조하기 어렵고 비용이 많이 드는 결점이 있음.

 - 이러한 주조 방법에 의해 만든 제품을 주강품이라 하고, 주강품의 재질을 주강이라 함.

 - 주강은 위와 같은 단점에도 주철에 비해 기계적 성질이 좋고, 용접에 의한 보수가 쉬워 형상이 크거나 복잡하여 단조 가공이 어렵거나 주철 주물로써 강도가 떨어지는 기계 재료에 사용됨.

2. 주강의 성질과 조직

 - 주강의 강도는 탄소량이 많아질수록 커지고, 연성은 감소하게 되며, 충격값은 떨어져 용접성도 나빠짐.

 - 주강은 주철에 비해 기계적 성질이 우수. 용접에 의한 수리가 용이. 단조품이나 압연품에 비해 방향성이 없음.

 - 주강은 주조한 상태로는 조직이 거칠고 메짐성을 가지고 있으므로, 주조 후에는 완전 풀림을 하여 조직을 미세화하고 주조 응력을 제거해야함.

3. 주강의 종류와 용도

 (1) 보통 주강

 - 탄소주강(carbon cast steel)이라고도 하며, 탄소의 함유량에 따라 0.2%이하의 저탄소 주강과 0.2~0.% 중탄소 주강 및 그 이상의 고탄소 주강으로 구분

 - 보통 주강에 규소,알루미늄, 티탄 등이 탈산제로 소량첨가되어 있음.

 (2) 합금 주강

 - 강도 또는 내식성, 내열성 및 내마멸성등을 향상시키기 위해 보통주강에 니켈, 구리, 망간, 몰리브데넘, 바냐듐 등의 원소를 한가지 또는 두가지 이상 배합한 주강

 - 합금주강에는 니켈주강, 크롬주강, 니켈-크롬 주강, 망간주간 등이 있음. 

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 주철의 종류 및 용도

1. 보통주철

 - 회주철을 대표하는 주철

 - 인장강도 98~196MPa, 경도는 보통

 - 조직은 주로 편상 흑연과 페라이트, 약간의 펄라이트 함유

 - 기계 가공성이 좋고 값이 싸 일반 기계 부품, 난방 용품, 수도관, 가정용품, 농기구에 쓰임

 - 공작 기계의 베드, 프레임, 기계 구조물의 몸체 등에 주로 쓰임

2. 고급 주철

 - 인장 강도 245MPa 이상인 주철을 고급 주철 또는 강력 주철이라함.

 - 연성과 강도를 얻기 위해 열처리하여 흑연을 미세화하고 고르게 분포시켜 펄라이트 조직으로 되어 있음. 펄라이트 주철이라 함.

 - 가장 널리 알려진 고급 주철에 미하나이트 주철이 있음. (칼슘과 실리사이드를 첨가하여 미세한 흑연을 균등화한 것으로 연성과 인성이 매우 커 내마멸성이 요구되는 실린더, 피스톤 라이너, 피스톤 링, 브레이크 등의 재료에 사용)

3. 합금 주철

 - 보통 주철에 니켈, 크롬, 몰리브덴, 규소, 구리, 바나듐, 붕소, 알루미늄, 티탄 등의 합금 원소를 한 가지 또는 두가지 이상 첨가한 주철

 - 보통 주철의 기계적 성질을 향상시키거나 내식성, 내열성, 내마멸성 및 내충격성 등의 특성을 보완하기 위해 만들어짐.

 - 내연 기관의 실린더, 자동차 부품, 각종 기계 부품등에 쓰임

4. 특수 주철

 - 보통 주철이나 합금 주철에 비하여 기계적 성질이 뛰어난 주철을 얻기 위하여, 배합 성분이나 주조 처리 및 열처리 등의 특별한 방법으로 제조한 주철.

  (1) 구상흑연주철

  - 주철에 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 등의 원소를 첨가하여 흑연을 구상화한 주철. 인장 강도 및 내마멸성이 커서 캠축, 크랭크축 등에 쓰임.

 (2) 칠드 주철

  - 주철의 표면은 급랭시켜 단단한 백주철로 만들고, 내부는 서서히 냉각시켜 연한 회주철로 만든 주철. 기차바퀴, 롤러 등에 쓰임

 (3) 가단 주철

  - 백주철의 탄화 조직을 열처리 하여 흑연화함으로써 연성을 증가시킨 주철.

1. 주철의 성장

 주철은 A1 변태점 이상인 600℃ 이상의 온도에서 가열 및 냉각을 반복하면 점차 그 부피가 증가한다. 이것을 주철의 성장이라고 한다. 그러므로 고온의 주철을 쓰면 부피가 크게 되어 변형이나 균열이 일어나고 이것이 주철의 강도나 수명을 저하시킨다.

2. 주철의 성장 원인

 (1) 시멘타이트의 흑연화에 의한 팽창

 (2) 불균일한 가열로 생긴 균열에 의한 팽창

 (3) 규소의 산화에 의한 팽창

 (4) 흡수되는 가스에 의해 생기는 팽창

 주철의 조직

 주철은 철과 시멘타이트(Fe-Fe3C)가 층을 이루고 늘어선 펄라이트 조직을 바탕으로 해서 편상의 흑연이 산재하고 있다. 일반적으로 주철은 파단면의 색에 따라 백주철, 회주철, 반주철 세 종류로 나뉘고, 흑연이 많은 경우 그 파단면은 회색이다.

1. 백주철

 - 재질의 파단면이 백색인 주철

 - 흑연 생성이 없고 시멘타이트(Fe3C)로 구성.

 - 주로 주물의 두께가 얇고, 규속의 양이 적어 냉각 속도가 빠른 경우 형성되는 주철

2. 회주철

 - 탄소가 전부 흑연으로 변한 것

 - 파단면의 광택이 회색

 - 주물의 두께가 두껍고, 규소량이 많으며, 냉각속도가 느린 경우 형성되는 주철

3. 반주철

 - 시멘타이트와 흑연이 혼합되어 있는 상태.

 - 백주철과 회주철의 중간 상태의 주철.

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