플랜트 재질 - 합금원소별 특징

안녕하세요 댕댕이 입니다.!

오늘은 합금원소별 특징에 대해서 정리 하겠습니다. 플랜트 산업에는 많은 종류의 재질이 사용됩니다. C.S, SS, LOW ALLOY, HIGH ALLOY, NI-ALLOY, DUPLEX 등등이 대표적인 예입니다.

각각의 재질들은 합금원소의 %에 따라 구분이 되고, 합금원소의 %는 기본적으로 ASTM CODE(국제CODE)를 따르고, CLIENT들의 요구사항에 따라 제한 사항이 추가로 생길 수는 있습니다.

합금원소별로 각각의 특성에 대해서 알아보겠습니다.

   

 - 탄소(C)

 Fe는 C와 함께 함으로써 철강재의 우수한 특성을 발휘할 수 있다. 탄소량이 증가하면 항복점, 인장강도, 경도는 증가되지만 신율, 수축율, 연성은 감소한다. 구조용강재를 제조할 때는 C를 0.1~0.23% 이내에서 유효하게 사용하여 연성, 충격특성, 용접성을 고려한 강도 특성을 확보해야 한다. C 값의 경우 통상 0.25% 이하로 플랜트 업계에서는 제한을 많이 합니다.

- 규소(Si)
 규소량이 증가하면 인장강도, 항복점이 상승하고 0.2~0.4% 정도에서 신율 및 수축율도 급격히 상승합니다.

- 망간(Mn)
 망간이 강의 강도를 개선하고 충격특성에 영향을 미친다. 또한 압연성을 좋게하고 취성을 감소시킵니다.

- 인(P)
 P는 강재의 내후성을 향상시키는 효과가 기대되며 이외로 용접성, 냉간가공성, 충격특성을 저하시킵니다.

- 황(S)
 1300도 이상의 고온에서 용해되고 온도취성, 연신율, 강도, 충격치저하 등의 영향을 미치므로 0.05% 이하로 규제합니다.

- 바나듐(V)과 나이오비듐(Nb)
 열처리시 강도 증가. 바나듐의 경우 고온에서 조직 성장 방해 : 공구강에서 중요합니다.
 나이오비듐은 스테인리스강에서 카본이 입계로 전이되어 부식을 촉진하지 못하도록 방해합니다.

- 니켈(Ni)
 크롬과 함께 가장 중요하고 보편적인 합금용 원소입니다. 강의 저온인성을 강화시키며 용접성, 가단성을 해치지 않습니다. 탄소나 질소의 확산을 느리게 만들기 때문에 내열강의 열화를 방지하고 팽창률, 강성률, 도자율 등이 향상됩니다.

- 크롬(Cr)
 대량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성. 10%이상 첨가하면 스테인리스강이 되며 내산화성을 향상시키고 내황화성을 개선하므로 구조용강, 공구강, 스테인리스강, 내열강 등에 거의 모두 함유되어 있는 가장 보편적인 합금원소입니다.
 첨가량이 너무 많으면 비자성이 취약한 상이 나타납니다. 저온취성과 수소취성을 방지하는 효과가 있지만 뜨임취성을 조장하는 역할도 한다.

- 몰리브데넘(Mo)
 0.1~0.3% 첨가로써도 니켈보다 경화능을 10배까지 향상 됩니다. 뜨임취성을 방지하여 뜨임취성 저항성을 부여합니다. 탄화물을 형성하므로 고급절삭공구의 합금원소로도 우수한 효과가 있으며 결정립 조대화온도를 상승시킵니다.

- 텅스텐(W)
 가격이 비싸며 비중이 커서 편재되기 쉬우므로 구종용강에는 거의 첨가시키지 않지만 경화능을 향상시키고 Fe₄W₂C 또는 Fe₃W₃C형의 탄화물을 형성하므로 공구강 특히 절삭공구강에 이용됩니다.
18%W - 4%Cr - 1%V강은 고속도강으로 유명하며 텅스텐이 함유된 자석강도 있습니다.

- 코발트(Co)
 다른 금속원소와는 달리 소량으로도 강의 경화능을 저하시키며 가격이 비싸기 때문에 일반강에 사용하지 않고 자석, 고급절삭공구, 내열재료 등에 첨가하여 성질을 개선시키는데 사용. 특히 고온강도를 개선하는데 효과적입니다.

- 수소(H)
 철의 결정격자 속에 침투확산하여 충격치 감소, 자연파괴, 용접비트 터짐, 기포발생 등의 원인이 됩니다.
 용접시 물, 습기가 분해되어 발생하는 수소를 줄이기 위해 비온 후, 또는 저온시 용접할 때는 예열이 요구됩니다.

- 산소(O)
  철광석이 강의로 변화시 O가 관계하는 반응이 전 공정에서 중요한 역할을 한다. 다만 일부는 산화물계 비금속 개재물로 존재하여 강재에 연성 및 충격특성, 열화, 적열, 청열취성, 담금질 경화성 열화 등을 발생시켜 품질에 유해한 영향을 미친다.

- 질소(N)
  N이 증가하면 강도는 증가하나 신율, 충격 특성이 저하된다. 또한 N이 지나치게 높으면 고온가공성이 나빠진다.

- 동(CU)
  철광석에서 쉽게 혼입되어 강에는 보통 0.1%~0.3%정도가 함유되어 있다. 고용강화효과를 나타내어 강도 및 경도는 약간 개선되나 연신율을 저하시킨다. 동을 함유한 강은 열간가공성이 문제가 되며 특히 0.5%이상 함유되었을 경우 적열취성의 원인이 된다. 동이 소량 함유되어 있어도 대기나 해수중에서 내식성이 현저히 증가하며 인과 공존할 경우 내식성이 더욱 향상된다. 0.4%이상 첨가시에는 동의 미세석출에 의한 석출경화 효과가 나타나므로 실제 스테인리스강에서는 4%정도 첨가 석출시켜 강력한 스테인리스강을 만들고 있다.

- 알루미늄(AI)
  강력한 탈산제이지만 너무 많이 첨가되면 강을 취약한게 만든다. 고온산화방지 및 내황화성에 극히 효과적이다.

- 비소(As)
  제선제강공정에서 제거하는 것이 거의 불가능하며 강의 재질향상을 위해서 인위적으로 첨가시키는 경우는 거의 없다. 함유량 0.2% 이상에서는 충격치를 저하시키고 충격천이온도를 상승시킬 뿐만 아니라 열간가공성을 해치고 적열취성을 일으킨다. 그러나 이러한 악 영향은 보통강이 함유하고 있는 비소의 양만으로는 거의 문제를 일이키지 않는다.

- 붕소(B)
  0.0005~0.003%의 미량 첨가라도 경화능력이 현저히 증가되지만 너무 많이 첨가되면 Fe₃B를 형성하여 적열취성을 일으킨다.

- 타이타늄(Ti)
  산소, 질소, 탄소, 황, 수소 등과 친화력이 강하며 탈산, 탈질, 탈황을 위해 사용된다. 탄화물형성능력은 코로뮴보다 강하며 결정립을 미세화시키기 때문에 스테인리스강이나 절삭공구강의 개량에도 이용된다. 또한 타금속원소와도 화합물을 형성하여 석출경화 효과가 현저하기 때문에 석출경화형 스테인리스강이나 영구자석 등에 이용된다.

- 주석(Sn)
  철스크랩부터 혼입되어 제강과정에서 거의 제거하지 못하는 원소. 강의 인장강도 및 항복강도를 증가시키고 연신율, 충격치를 감소시키는 등 인(P)의 영향과 유사하나 인만큼 현저하지는 못하다. 그러나 열간가공시 적열취성, 뜨임취성, 저온취성 등의 원인이 되고 내식성이 약간 형성되지만 일반적으로 강에는 유해한 원소이다.

- 셀레늄(Se)
  망간과 화합물을 만들어 피삭성을 향상시키고 용강의 유동성을 향상시킨다.

- 칼슘(Ca)
  강력한 탈산제로써 용강중에서 기화하여 폭발하기 쉽다. 폭발방지를 위해 Ca-Si,Ca-Si-Mn 등의 상태로 첨가하여 비금속개재물의 상태 및 분포를 조정한다.

- 텔루륨(Te)
  강의 피삭성을 증대시키지만 열간가공성을 해친다.

- 납(Pb)
  강의 피삭성을 개선시킨다.

- 지르코늄(Zr)

  질소, 황, 탄소 및 수소와의 친화력이 타이타늄보다 강하기 때문에 이들 원소의 고정역할을 위해 이용된다. 백점의 발생도 0.2~0.3%첨가로 완전히 방지할 수 있는 것으로 알려져 있다.