요소부품 재료 특성 파악하기

요소부품 재료는 운전 중 파손되거나 변형되지 않고 본래의 용도와 기능을 유지할 수 있는 강도, 내구성 및 기능이 요구되며, 재료를 선정할 때에는 제작의 경제성을 고려하여 선정하여야 한다. 기계 재료는 금속재료와 비금속재료로 크게 구분되며, 금속재료는 철강 재료와 비철금속 재료로 나눌 수 있다. 철강 재료에는 순철, 주철, 탄소강, 특수강 등이 있고, 비철 재료에는 Cu, Al, Mg, Zn, Ti 및 그 합금 등이 있다. 

기계 재료

 

기계 재료의 구분

금속재료	철강재료	순철 - 전해철
		강 - 탄소강, 합금강, 주강
		주철 - 보통주철, 특수주철
	비철금속재료	알루미늄과 그 합금
		구리와 그 합금
		마그네슘과 그 합금
		티탄과 그 합금
		니켈과 그 합금
		아연, 납, 주석과 그 합금
		귀금속 등
비금속재료	무기질재료	유리, 시멘트, 석재 등
	유기질재료	플라스틱, 목재, 고무, 피혁, 직물 등

 

철강재료

1. 철강재료

(1) 철강재료의 특징

1) 철강 재료는 강한 특성과 경제성이 우수하고 생산이 용이하며, 무게 기준 전 세계 금속 생산양의 90%를 차지할 정도로 기계 재료 중 가장 많이 사용되고 있다.

2) 철강은 광석이나 제조 과정에서 적은 량의 C, Mn, Si, P, S 등이 함유되어 있으며, 이들 철강의 5 원소 중에서 탄소의 양에 따라 철강의 성질이 크게 좌우된다.

3) 철강 재료는 강도, 경도, 인성 등의 기계적 성질이 우수하고, 열처리를 통해서 재료의 성질을 개선시킬 수 있다.

4) 철강을 탄소의 함량에 따라 철, 강(탄소강), 주철로 분류하며, 또한 탄소강에 합금 원소를 첨가하여 기계적 성질을 개선한 합금강이 있다.

5) 탄소를 거의 함유하지 않는 순철은 너무 물러 기계 재료로 사용하지 않고 있으며, 탄소를 많이 함유한 주철은 구부러지거나 늘어나지 않고 쉽게 깨지는 성질이 있어 소성가공은 어렵고, 고온에서 녹인 다음 주형에 부어 굳혀서 주물품을 만들어 사용한다. 

6) 탄소강 및 합금강은 기계적 성질이 우수하고 가공성이 좋아 압연, 단조 등의 소성가공 또는 절삭가공을 하여 사용한다.

 

<1-1> 철강 재료의 특징 및 용도

구분	탄소 함유량	특징 및 용도
순철	0.025% 이하	-연성이 크고 ,강도, 경도가 작아 기계 재료로는 부적합 -투자율이 높아 변압기, 박전기용 박판으로 사용
탄소강	0.03~2.1%	-탄소강의 성질은 함유된 성분, 열처리, 가공방법에 따라 달라지며 상온, 고온에서 우수한 강도와 함께 소성가공이 용이하여 원하는 제품으로 제조하기 쉬워 기계 재료로 주로 사용 - 탄소량이 증가함에 따라 강도와 경도는 증가하고 연신율, 수축률은 감소하는 특징이 있음
합금강	0.03~2.1%	-탄소강에 합금 원소를 하나 이상 첨가하여, 여러 가지 목적에 적합하도록 성질을 개선한 강으로 구조용 합금강, 공구용 합금강, 특수 용도용 합금강이 있음 - 탄소강보다 우수한 강도, 인성, 내마모성 등이 필요한 기계 부품, 공구의 재료 - 내피로성, 내부식성, 내열성 등 특수한 기능이 요구되는 기계 부품의 재료
주철	2.0~6.68%	- 융점이 낮고 유동성이 우수한 재료로 복잡한 형상이라도 주조가 용이하고 여러가지 물품을 주조하는데 사용 - 실용 주철은 탄소 함유량이 2.5~4.5% 정도이며, 압축 강도가 매우 크며, 절삭성이 좋음

 

(2) 탄소강

1) 일반 구조용 압연 강재(SS재)

최저 인장강도에 따라 4종(SS330, 400, 490, 540)이 규정되어 있고, SS400이 가장 많이 사용된다. 특별한 기계적 성질이 필요하지 않은 구조물에 사용한다. 

예) SS 330 P (SS: 재료표시 기호, 330: 최저 인장강도, P : 재료 형상기호(-P: 판재, -S: 강대, -F: 평강, -A: 형강, -B: 봉))

2) 기계 구조용 탄소강(SM재)

0.1~0.58%C의 탄소 함유량에 따라 SM10C~SM58C까지 있고, 침탄 표면 경화용으로는 SM9 CK, 15CK, 20CK의 3종이 있다. 탄소 함유량이 증가함에 따라 항복강도와 인장강도, 경도가 증가하고, 담금질성이 좋아지며, 연신율은 감소한다. 각종 기계류의 부품용 재료 및 구조용재로 열처리하여 사용한다.

예) SM 45 C(K) (SM: 재료표시기호, 45: 탄소 함유량(0.45%C), C: 탄소 기호, (K): 침탄 표면 경화용)

 

<1-2> 기계 구조용 탄소강의 특징 및 용도

구분	특징	용도
SM10C~SM25C	담금질 효과가 그다지 크지 않으므로 불림한 상태로 사용	큰 강도가 필요하지 않은 볼트, 너트, 핀 등
SM28C~SM35C	단조, 주조, 절삭가공, 용접 등이 용이하고 , 담금질 뜨임에 의해 기계적 성질을 개선	볼트, 너트, 핀, 차축 및 일반 기계 부품, 각종 기계 부품용 재료
SM35C~SM45C	차축, 크랭크 축 등의 강인성을 요하는 부품에 적합함. 탄소량이 많아 용접이 곤란함	각종 기어, 축, 차축, 크랭크 축
SM48C~Sm58C	강도가 크고, 담금질성은 우수하나 담금질 균열이 생기기 쉬움	기계 부품에 제한적으로 사용

3) 탄소공구강(STC재)

0.6~1.5% C의 고탄소강으로 탄소 함유량에 따라 STC 60~STC 140이 있으며, 탄소량이 적은 공구강들은 인성이 필요한 공구에, 탄소량이 많은 공구강들은 절삭 능력, 경도, 내마모성이 요구되는 절삭공구, 게이지(gauge), 수공구, 치공구, 금형 등에 사용한다. STC 강재들은 합금 공구강이나 고속도 공구강 등 다른 공구강에 비하여 성능이 떨어지나 값이 싸므로 저급의 용도에 널리 사용되고 있다.

 

<1-3> 탄소공구강의 조성 및 용도

구분	탄소 함유량	용도
STC140(STC1)	1.30~1.50	칼줄, 벌줄
STC120(STC2)	1.15~1.25	드릴, 절공용 줄, 소형 펀치, 면도날 태엽, 쇠톱
STC105(STC3)	1.00~1.10	쇠톱, 프레스형틀, 게이지, 태엽, 끌, 치공구
STC95(STC4)	0.90~1.00	태엽, 목공용 드릴, 도끼, 끌, 면도날, 목공용 띠톱, 펜촉, 프레스형틀, 게이지
STC85(STC5)	0.80~0.90	각인, 프레스형틀, 태엽, 띠톱, 치공구, 원형톱, 펜촉, 게이지, 등사판 줄
STC75(STC6)	0.70~0.80	각인, 프레스형틀, 태엽, 원형톱, 등사판 줄
STC65(STC7)	0.60~0.70	각인, 프레스형틀, 스냅, 나이프
STC60	0.55~0.65	각인, 프레스형틀, 스탭

 

4) 단강(SF재)

탄소강 단조 제품을 만들기 위한 재료를 단강(forged steel)이라고 하고, 인장강도에 따라 SF340A ~ SF590A가 있으며, 불림, 풀림, 또는 담금질-뜨임 처리를 해서 사용한다. SF440A 이하는 기계 구조용 부품, 핀, 레버, 핸들 등에 사용하며, SF490A, SF540A는 축, 볼트, 너트, 키, 클램프 등에 사용된다.

5) 주강(SC재)

주철로는 강도가 부족할 때 탄소강 주조 제품을 만들기 위한 재료를 주강(cast steel)이라고 하고, 인장강도에 따라 SC360 ~ SC480이 있으며, 강도를 요구하는 주물품에 SC450, SC480을 많이 사용한다.

 

(3) 합금강

1) 구조용 합금강

탄소강에 소량의 합금 원소를 첨가하여 인장 강도와 인성을 크게 한 강으로 Cr강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강, Cr-Mo강, Mn강 등이 있다.

 

<1-4> 구조용 합금강의 특징 및 용도

구분	기호	특징	용도
Cr강	SCr	0.14~0.48% C의 탄소강에 Cr을 0.9~1.2% 첨가한 것으로 내마모성이 크다.	베어링, 롤러, 인발다이스, 줄
Ni-Cr강	SNC	0.32~0.4% C의 탄소강에 1~3.5%Ni과 0.5~1% Cr을 첨가한 것으로 인장강도와 항복점이 높다.	강도, 경도를 요구하는 중요한 요소부품이나 축류, 기어류 등
Ni-Cr-Mo강	SNCM	Ni-Cr 강에 0.3% 이하의 Mo을 첨가해 강인성, 경화능을 증가시키고 뜨임취성을 감소시킨 강이다.	자동차 크랭크축, 기어, 강력볼트 등
Cr-Mo강	SCM	Ni 대신 Mo을 첨가한 것으로 용접성이 우수하고 경화능이 크고 뜨임취성이 적다.	얇은 강판이나 관의 제조, 요소부품, 축류, 캠, 기어 등
Mn강	Duocol	저Mn 듀콜강	건축, 토목, 교량재등의 일반 구조용
	Had field	고Mn 해드필드강 : 경도가 높다.	레일, 굴착기 등 내마모용 재료

 

2) 공구용 합금강

각종 공구 재료로 이용되는 합금강은 고온에서 경도가 크고, 인성 및 마멸 저항이 크고, 열처리 및 가공이 용이하고 열처리 변형이 적은 특성을 갖추어야 한다. 또한 탄소 공구강보다 강도, 인성, 내마모성이 우수해야 한다. 그러므로 공구용 합금강은 고탄소강에 Cr, W, V, Mn, Co, Mo 등이 하나 이상 첨가된다.

 

<1-5> 공구용 합금강의 특징 및 용도

구분	기호	특징	용도
합금 공구강	STS	탄소공구강에 특수 원소(Cr, W, V, Mo 등)를 첨가하여 성능을 개선한 강	바이트, 커터, 띠톱, 등의 절삭공구와 펀치, 정 등 충격공구, 냉간금형 열간금형
고속도강	SKH	고속 절삭을 하면 온도상승에 따라 공구의 칼날이 무르게 되는 것을 방지하고자, Co, Mo 등을 다량 첨가하여 고온 경도를 유지하는 합금강	절삭용 공구
주조경질 합금		주조한 강을 연마하여 사용하는 공구 재료, 600℃ 이상에서는 고속도강보다 단단하나, 충격에 약함	절삭용 공구, 다이스,드릴, 의료기구 등
초경합금		금속탄화물(WC, TiC, TaC)에 Co분말을 가압 성형 후 소결시켜 만든 합금	바이트, 엔드밀, 공구용 팁

 

3) 특수 용도용 합금강

<1-6> 특수 용도용 합금강의 종류별 특징 및 용도

구분	기호	특징	용도
스프링강	SPS	높은 강도, 높은 내피로성 및 적당한 점성을 가지는 합금강	판 스프링, 코일 스프링
스테인리스강	STS	탄소강에 Cr, Ni 등을 다량 첨가하여 내식성을 부여한 것으로 강의 표면에 Cr의 산화피막이 생겨 산, 알칼리 등에 녹이 슬거나 부식되지 않음	주방 기구, 화학공업, 기계 부품용, 다이스, 게이지 등의 내마모성을 요하는 기계 부품
내열강	STR	고온에서 조직과 기계, 화학적 성질이 안정되고 열팽창 및 열에 의한 변형이 적다.	보일러, 내연기관의 밸브, 터빈, 제트기관, 로켓 등
고탄소 크로뮴 베어링강	STB	반복 하중을 받는 베어링에 적합한 높은 강도, 경도, 내구성 ,피로한도를 갖음	볼베어링이나 롤러 베어링의 볼, 롤러, 내륜 및 외륜

 

(4) 주철

주철은 철과 탄소 그리고 Si가 비교적 많이 함유된 합금으로 강에 비해 융점이 낮고, 유동성이 우수하여 복잡한 형상이라도 주조가 용이하다. 또한 압축 강도가 매우 크며(인장강도의 3~4배), 조직 중에 흑연이 점재 하기 때문에 절삭성이 좋고 진동 흡수능이 크다. (강의 5~10배) 실용 주철은 탄소 함유량이 2.5~4.5% 정도이다.

 

<1-7> 주철의 종류별 특징 및 용도

구분		특징	용도
보통 주철		회주철의 대표 인장강도 100~200 N/㎟	일반 기계부품, 특히 공작 기계의 베드, 프레임
고급주철		인장강도 245N/㎟ 이상 내마모성, 내열성, 내식성	자동차 엔진의 실린더 블록, 실린더 라이너, 피스톤 링
합금주철	고력합금 주철	장강도 440~640 N/㎟ 강인성, 내마모성이 우수	자동차용 엔진의 크랭크축, 캠축
	내열주철	고온강도, 내성장성, 내산화성 등을 개선한 주철	400℃ 이상 고온에서 사용하는 부품
	내산주철	Si 13~14.5%의 규소주철이 내산주철로서 유명	진한 열황산, 황동액, 초산 등의 혼합액에도 사용
구상 흑연 주철		편상 흑연을 구상화하여 강인성과 연성을 얻은 주철 인장강도 400~800 N/㎟ 풀림 열처리가 가능하며, 내마멸성과 내열성, 내식성이 우수	캠축, 크랭크축 등의 자동차용 주물이나 주조용 재료에 사용
가단주철	백심가단 주철	백주철을 풀림 처리하고 Fe3C를 탈탄시켜 가단성을 부여한 주철	자동차 부품, 방직기 부품
	흑심가단 주철	백주철에 2단계의 풀림 처리를 하고 유리시멘타이트와 펄라이트 중의 시멘타이트를 흑연화 한것	자동차 부품, 철도 차량이나 궤도용 부품, 관이음 부품 등
	펄라이트가단 주철	백주철에 1회의 풀림 처리를 하고 유리시멘타이트를 흑연화 한것	자동자 엔진의 크랭크샤프트, 캠축, 펌프부품, 치차등
칠드주철		금형주철을 사용하여 용탕을 급랭시켜 접촉된 부분만 경화(백주철)되고 그 내부는 서냉되어 강인한 조직이 되는 주철	압연용 롤, 기차 바퀴나 각종 롤러 등에 사용

 

2. 비철금속 재료

비철계 금속재료에는 Cu, Al, Mg, Ni, Ti, Zn, Pb, Sn 등과 그 합금이 있다. 주로 일반 기계부품으로 많이 이용하는 구리와 알루미늄 합금에 관하여 기술한다.

(1) 구리와 그 합금

1) 구리(Cu)

구리는 비자성체로 전기 전도율이 크다. 연하고 가공성이 좋아 판, 선, 봉으로 냉간 가공이 용이하다. 상온 가공할 때 가공도에 따라 인장강도가 증가하여 가공도 70~80% 부근에서 최댓값이 된다. 가공의 정도에 따라 연질, 1/4 경질, 1/2 경질, 경질 등이 있다.

2) 황동(Brass) - Cu + Zn

Cu와 Zn 합금으로 가공성, 주조성, 내식성이 좋으며 가장 많이 사용되는 합금은 30~40% Zn의 황동이다. 실용 황동으로 7-3황동(70%Cu -30% Zn)이 대표적인 가공용 황동으로 전연성이 크며, 냉간 가공성이 양호하여, 냉간 가공하여 판, 봉, 관, 선, 자동차 방열기 부품, 계기 부품 등에 이용되고, 열간 가공에 적당한 6-4 황동(60% Cu -40% Zn)과 주물용으로서 Zn의 함유량이 10~40%인 황동주물이 있다. 특수 황동에는 절삭성을 개선한 납황동(쾌삭 황동), 내식성을 개선한 주석 황동과 강도, 내식성이 좋은 고강도 황동이 있다.

3) 청동(Bronze) - Cu + Sn

Cu와 Sn의 합금으로 주조성, 내부식성, 내마모성이 좋아 기계의 주물용, 동상 등에 사용한다. 단조성, 유연성, 내식, 내수압성이 우수하여 기계 부품이나 선박등에 널리 이용되는 포금(gun metal)과 내마멸성이 특히 커서 베어링, 차축 등의 마모가 많은 부분에 사용되면서, 특히 Pb를 5~10% 가한 것은 우수하여 철도 차량, 공작기계, 압연기 등의 고압용 베어링에 적당한 베어링 청동, 그리고 보통 청동 주물보다 강인하고 내 마멸성과 내식성이 우수하여 베어링, 피스톤링, 프로펠러 등과 같은 기계 부품에 사용되는 인청동 주물 등이 있다.

(2) 알루미늄과 그 합금

1) 알루미늄의 특징

알루미늄 합금은 비중이 2.7로 매우 가볍고 전성과 연성이 좋고 주조가 쉬우며 표면에 산화막이 형성되어 내부식성이 우수하고, 열전도성, 전기 전도성이 좋다.

2) 알루미늄 합금의 종류

a. 주조용 Al 합금

주조용 Al 합금은 일반용, 내열용, 내식용 등의 세 종류로 분류되며, 일반용은 Al-Cu계, Al-Si계, Al-Zn계 등이 있다. 내열용은 Al-Cu-Ni계, Al-Si-Ni계, 내식용은 주로 Al-Mg-Si계 등이 사용된다.

 

<1-8> 알루미늄 합금의 종류별 특징 및 용도

구분	명칭	조성	특징 및 용도
Al -Cu계		Cu 4~12%	내연기관의 부품 자동차 부품, 다이캐스팅용 합금
Al -Si계	실루민(silumin)	Si 11.6%	기계적 성질이 우수하여 주물용 Al합금 중 가장 용도가 많음
Al -Mg계	하이드로날륨 (hydronalium)	Mg 10% 이하	바닷물, 알칼리성에 강함 내식성 Al 합금의 대표 화학, 건축, 차량, 항공기 부품
Al -Cu-Si계	라우탈(lautal)	Cu 3~8% Si 3~8%	피스톤, 기계 부품에 사용
Al -Cu(-Ni-Mg)계	Y -합금	Cu 4% Ni 2% Mg 1.5%	내열성이 우수하고 고온강도 높음 내연기관의 피스톤, 실린더 헤드

 

b. 가공용 Al 합금

가공용 Al 합금은 내식성 Al 합금(Al-Mg계, Al-Mn계, Al-Mg-Si계)과 고강도 Al 합금(Al-Cu-Mg계, Al-Zn-Mg계)으로 분류된다.

가)  내식성 Al 합금

시효 경화성은 없으며, Al의 내식성을 유지한 채 Mn, Mg, Si 등을 첨가하여 강도를 향상시킨 합금이다.

나) 고강도 Al 합금

시효 경화 처리에 의해 강도를 향상시킨 열처리형 합금이다.

ㄱ) 두랄루민(duralumin): 시효 경화합금으로 A2017 합금(Al╺╺ 4% Cu╺0.5% Mn)에 해당하며, 500~510°C에서 용체화 처리한 다음, 물에 담금질하여 상온 시효 처리하면 인장강도 295~440N/mm2 정도가 된다. 가볍고 강도가 크므로 항공기 재료로 널리 이용된다.

ㄴ) 초두랄루민(super duralumin: SD) Al╺4.5% Cu╺1.5% Mg╺0.6% Mn 합금을 190°C 전후의 시효 처리에 의해 490N/mm2 이상의 인장강도를 얻을 수 있다. A2024는 대표적인 재료로 항공기 재료로 이용된다.

ㄷ) 초강 두랄루민(extra super duralumin: ESD): Al╺5.5% Zn╺2.5% Mg╺1.5% Cu╺0.23% Cr의 A7075합금은 시효 처리에 의해 530N/mm2 이 상의 인장강도를 얻을 수 있다.

 

 

출처. 국가직무능력표준 https://www.ncs.go.kr/index.do

 

 

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