금속재료의 성분원소 특성
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성분원소 |
일반 물성 |
재질 특징 |
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C |
원자번호 6 원자량 12.01 비중 2.22 g/cm3 용융점 2,700 ℃ 비등점 4,830 ℃ 비열 0.165 Cal/g 결정형육방정
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o 열간 가공성 - 압연후 냉각속도가 빠를수록 강도가 증가, 인성은 감소 - 내부기공은 융착하나 비금속개재물은 제거불가 - 열간 가공전에 충분한 균열처리 필요 - 열간 가공후 냉각중에 내부응력이 발생, 강재 중심부에 미세크랙(백점) 유발가능 o 냉간 가공성 - 가공도 증가에 따라 . 인장강도와 항복점은 증가하고 연신율은 감소 . 격자변형이 발생하여 경도, 전기저항, 항자력은 증가 - 변형시효 : 냉간가공중 변형에 의한 시효경화 - 소입시효 : 소입후소려 처리하는 열처리를 통해 발생되는 시효경화 - 단순한 가공으로 변형에 의해 탄소등 기타원소가 석출하여 발생되는 석출경화 o 온도특성 - 400℃부근에서피로한도가가장낮으며그이상온도가상승하면서 CREEP한도가 더욱낮아진다. - 온도저하에따라 . 항복점,인장강도,경도,피로한도,탄성계수,열전도율,전기전도율은증가 . 단면수축율,충격량,열팽창계수,비열은감소 o 재질특성 - Fe,Cr,Mo,V등과탄화물을형성하여강도를증대시킴 . 탄화물의증가에따라강도는향상되나연성및인성은저하 |
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Al |
원자번호 13 원자량 26.98 비중 2.702 g/cm3 용융점 660.2℃ 비등점 2,450℃ 비열 0.224 Cal/g 용해율 94.5 Cal/g 결정형면심입방격자
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o 용강탈산 - 용존산소의 제거를 위해 전로 출강중, B/S, RH처리중 탈산처리 . 탈산반응식 : 2[Al] + 3[O] = Al2O3(SOLID) - 탈산후 용강중 생성된 Al2O3개재물의 분리부상 제거가 중요 . 강내존재형태 : 금속상 AL,Al2O3, AlN, AlS, . 용강중 생선된 AL2O3계 산화물은 융점이 높고 분리부상이 곤란 . 냉연COIL의 표면에 SLIVER성 결함유발 . CLUSTER로 존재하여 WIRE 신선시 절단원인 o 재질특성 - 결정립조정 . 질소와 결합하여 AUSTENITE 결정립 성장억제, 결정립을 미세화시키고 항복점을 상승시킴 - 비시효화 . 질소를 고정시켜 시효성을 감소, 0.010%[Al]이상시 비시효화함 . 저온가공성 향상, 저온취성의 천이온도 저하 - 강의 인성을 향상 o 합금원소로서의 특성 - 기지를 FERRITE화하며 함량이 많아지면 알루미철탄화물(FeAlC0.65)이 수지상 분산조직을 형성, 4%이상시 급격한 취화 - 항자력, 전력손실이 작게함 - 용도 . 전동기 및 변압기 소재인 무방향성 전기강판재에 적용 (방향성인 경우 AlN을 형성, 재결정 억제효과 있으나 과다시 자성불량요인) . Fe-Ni-Al, Fe-Ni-Al-Co 합금강은 영구자석 소재로이용 |
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B |
원자번호 5 원자량 10.82 비중 2.702 g/cm3 용융점 2,300℃ 비등점 2,550℃ 비열 0.309± 300 Cal/g 용해율 94.5 Cal/g 결정형 정방정 ,사방정
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o 재질특성 - 탈산력: Si, Mn, C 보다 강하고 Al보다 약함 - 미량첨가(0.001∼0.003%)로 BORON CARBIDE(Fe23(B,C))형태에 의해 소입성을 증가시키고 열처리강의 경화능을 개선 . BORON CARBIDE 생성을 방해하는 O,N등을 Al,Ti,Zr의 첨가로 고정시킴 - AUSTENITE 입계등의 결함부에 B 편석하여 FERRITE 핵생성을 방해 . FERRITE가 나오기 쉬운 저탄소강에서 현저한 효과를 나타냄 - 과공석강의 PEARLITE는 Fe3C가 핵이되어 생기므로 고탄소강에서는 효과없슴 - 고온특성을 개선하는 효과 - AUSTENITE에 고용하여 강력한 경화능 증대 - FERRITE에 극히 미량의 석출 경화 - 용접성에 악영향 - B을 과잉으로 첨가하면 FeB를 생성하여 적열취성 유발 o 원자로용 재료에서의 고B합금 -중성자 흡수능이 크고 내식성이 양호 |
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Ca |
원자번호 20 원자량 40.08 비중 1.55 g/cm3 용융점 850℃ 비등점 1440℃ 비열 0.149 Cal/g 용해율 2,070 Cal/g 결정형 면심입방정
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o 성분특성 - 액상 또는 고상의 철속에서 Ca의 용해도는 거의 없슴 - 강중에서 산화물 또는 유화물 형태로 존재하고, 다른 산화물과 공정하여 개재물의 형상제어 또는 감소에 기여 o 강의 제성질에 미치는 영향 - 탈산반응 : 탈산생성물은 강욕면에 쉽게 부상되어 강중 비금속 개재물을 잔류시키지않음 - 탈류반응 : Ca는 S보다 O와의 친화력이 크므로 탈류효율을 높이기 위해 강환원성 분위기(용강내 S.Al, Si, Mn,C등 높은상태) 필요 - 형상제어 : 비금속 개재물 형태와 분포를 제어, 개재물 구상화에 의하여 쾌삭성 향상 및 기계적 성질 개선 - 탈가스: 강욕에서 Ca의 비등교반 현상에 의해 강욕중의 H함유량을 저하 |
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Cr |
원자번호 24 원자량 52.01 비중 7.192 g/cm3 용융점 1,890±10℃ 비등점 2,500℃ 비열 0.11 Cal/g 용해율 75.6 Cal/g 결정형체심입방정
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o 재질특성 - 소입성의 향상, 기계적성질의 개선, 내식, 내산화, 내마모성 증대 - 구조용 특수강 : 30%까지 합금 - 공구강,STS강, 내식,내열강 : 1∼30%까지 첨가 o 강조직에 미치는영향 - 공석점을 저[C]측으로 이동 - 탄화물을 미세화 시키고 구상화 속도를 지연 - 주조조직에서 수지상정을 미세화시킴 - 결정립의 미세화 및 결정립의 성장저지 억제 - AUSTENITE 결정입자 성장 방지 - FERRITE 강화 - 고탄소강에서 탄화물 생성에 의한 내마모성 향상 o 기계적 성질에 미치는 영향 - 강의 인성을 향상 - 400∼600℃에서 고용강화, 석출강화로 고온강도 향상(내열강) - 냉간 가공성(DEEP DRAWING성, 냉간 인발성, 굽힘 특성등)을 악화 - DEEP DRAWING시전위에 C,N의 고착에 의해 발생되는 변형시효를 CR첨가로 C 이 Fe3C로 되어 감소시킴 |
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Cu |
원자번호 13 원자량 26.98 비중 8.96 g/cm3 용융점 660.2℃ 비등점 2,450℃ 비열 0.224 Cal/g 용해율 94.5 Cal/g 결정형면심입방격자 |
o 재질특성 - Fe보다 산화가 어려워 정련에 의한 제거가 곤란하고 표면에 산재되어 적열 취성을 유발→적열취성 방지를 위해 동일한 NI당량을 첨가 - Cu석출에 의하여 시효경화를 부여 - Cu함량이 증가할수록 인장강도, 경도, 항복점은 상승하고, 신율, 단면 수축율은 감소 - 0.3% 이상의 강은 대기중 내식성이 증가하나, 내해수성에는 효과 없슴 -AUSTENITE에 고용하여 안정화하고 흑연화를 촉진시킴 |
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Mn |
원자번호 25 원자량 54.95 비중 7.43 g/cm3 용융점 1,245℃ 비등점 2,150℃ 비열 0.115 Cal/g 용해율 64 Cal/g 결정형체심입방정
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o 재질특성 : Mn은 강의 신율을 감소시키지 않고 소입성과 강도를 높여주 며, 고온에서는 소성을 증가시키며 주조성을 좋게함 o 주요용도 : Mn을 합금시 열처리에 민감하지 않아 용접성 구조용 강재로 적당 o 제조특성 - 적은 비용으로 강도를 증가 - 강중 0.2∼1.0% 범위로 첨가로 첨가되어 일부는 용해되고 나머지는 S와 결합하여 구상 MnS를 형성하므로서 적열취성을 방지 - MnS 화합물 형성으로 비금속 개재물을 만들고 GRAIN SIZE를 미세화 하므로서 절삭가공성을 향상시킴 - Mn을 다량 첨가하면 산화물이 노재를 현저히 침식시킴 - 공구강에서는 소입파열을 일으키기 쉬우므로 0.2∼0.4% 정도로 억제 o 저[Mn]강 - 성분: 공칭탄소강(0.3∼0.45%), Mn(1.75%) - 특성: 보통탄소강 보다 강도와 경화능이 크다 → Mn이 확산속도를 감속시키므로 AUSTENITE에서 FERRITE-PEARLITE로의 변태를 완만화시키고 PEARLITE를 미세화 시켜강도를 증대 - 용도: 차축, SHAFT, GEAR, 자동차 및 동기구의 연결봉 o 고[Mn]강 : HEAD FIELD Mn강 - 성분: 공칭탄소강(0.9∼1.4%), Mn(10∼15%) - 특성: AUSTENITE 조직이며 비자성으로 열전도성이 나쁘고, 팽차계수도 커서 열변형을 유발하고 가공경화성이 매우 크고 항복점은 낮으나 인장강도는 높다 - 용도: RAIL CROSSING, 광석, 암석파쇄기등 심한충격과 마모를받는부품 비자성특성을활용하여자선기,전동기등전자기제품의부품 |
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Mo |
원자번호 42 원자량 95.95 비중 10.2 g/cm3 용융점 2,607℃ 비등점 4,827℃ 비열 10.3 Cal/g 용해율 32 KJ/MOL 결정형 체심입방격자 |
o 재질특성 - 고온에서의 열팽창율은 보통강의 1/3 수준, 전기전도도는 Cu의 1/3 수준 - 고온에서 인성을 높여주나 Ni 만큼 그 효과가 크지 않음 - Mo 탄화물의 미세한 석출로 석출경과 및 고용 경화작용에 의해 고온강 도가 커짐 - 내열강에 1∼5%의 Mo가첨가되어 CREEP강도를 현저히 높여줌 - 결정립 조대화 온도를 상승시킴 - 강의 소입성과 소둔저항을 증대 . Mo단독보다 Cr과 병행하여 복탄화물을 생성하므로서 그 효과를 증대 - 탄화물을 생성하여 흑연화를 저지하고 CHILL화 촉진(Cr의 1/3수준) - 소량의 첨가로 PEARLITE를 미세화하고 0.6%이상 첨가하면 ACICCULAR 조직의 BAINITE조직이됨 - 주철의 경도를 증가시키고 가장인성을 향상시키는 합금원소임 - 금속대 금속의 내마모성이 우수하고, 열균열 발생을 저지하는 효과 있슴 o 주요용도 - Mo은 강의 고온강도를 높여 공구강 및 고속도강의 첨가원소로 이용 - 내마모성이 우수하여 마찰재료로 유효 o 제조특성 -제강용으로 사용시 Fe-Mo, MoO3, BRIQUETTE로 투입 적은비용으로 강도를 증가 |
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N |
원자번호 7 원자량 14.0075 비중 0.00125 g/cm3 (AT 293K) 용융점 -210.02℃ 비등점 -195.808℃ 비열 0.250 Cal/g 용해열 0.3604 KJ/MOL 결정형육방조밀격자
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o 재질특성 - 강중 존재형태 . N와 친화력이 큰 원소(Al, Zr, Ti) 주위에 평균농도 이상으로 모여 준격자 형성 . 강중의 질소 화합물 형태 : FexNy,AlN,TiN,Si3N4,SiN,ZrN,VN,UN2 - AlN등은 결정립에 존재하여 결정립성장을 억제하므로서 인장강도는 동일 하나 항복응력과 항복비가 높은 강을 만듬 - AlN은 고온인성을 저하 (Ti,Zr,V,B 첨가로 회복 가능) - 고용N의 증가에 따라 냉간가공중 변형시효 및 시효경화(청열취성) 증가 - 기계적 성질에 미량으로도 영향을 미쳐 항복강도와 인장강도를 증가시키 고 신율 및 단면수축율은 감소 - C와 같이 Fe에 대하여 침입형 고용원소로 확산속도가 비교적 크고 온도 에따라 용해도는 크게 변화→각종 취성과 시효경화성을 나타냄 . 변형시효: 고용된 C,N량에 의해 지배됨 . 방지대책 : Al,Ti,V,B등 N친화력이 강한 원소를 첨가 →AlN등 미세석출물의 석출을 조정하여 강의 성질을 개선 o 용강제조 특성 - 용강중 N 용해량은 대기와의 접촉면적, 시간과 제강원료 사용량이 많고 용강온도가 높으며 환원성 분위기에서 증가 - 탈질반응 . 결렬한 탈탄반응으로 CO GAS에 의한 N의 흡수(질소분압차이),부상제거 . 전로 취련시 노구의 밀폐화에 의한 흡질 억제 . 탈가스설비(RH)를 활용한 감압에 의한 탈질 - N용해속도에 미치는 합금원소의 영향 . 용해속도를 크게 감소 : O, S, Al, Si . 용해속도를 약간감소 : Cr, Nb, W (Ni은영향없슴) |
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Nb |
원자번호 41 원자량 92.9064 용융점 2,468±10℃ 비등점 4,297℃ 비중 8.57 g/cm3 비열 0.26 J/gK 용해율 6,400 Cal/g 결정형체심입방
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o 재질특성 - 강중화합물 형태 : NbC, NbN, NbB2 - 고온에서 결정립 조대화 온도를 상승시켜 결정립 조대화를 방지 →Ti, Mo 보다 효과 큼 - 상온 및 고온에서 강도를 증가시키며, 특히 항복점을 증가 →일반적으로 0.005∼0.05% Nb를 함유 →0.01%Nb :항복점상승 3∼5 Kg/mm2, 인장강도 1.5∼3Kg/mm증가 - 강력한 결정립 미세화 원소로서 연성과 인성을 개선 - TEMPERING에 의한 연화를 방지 - 시효경화 및 자경화를 방지 - 질화반응을 촉진 o 주요용도 : 초경질 공구재료, 고온용 재료 |
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Ni |
원자번호 28 원자량 58.69 비중 8.90 g/cm3 용융점 1,455℃ 비등점 2,730℃ 비열 0.105 Cal/g 용해율 74 Cal/g 결정형 면심입방정
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o 재질특성 - 순수Ni 특성 . 기계적 성질과 내식성이 우수하고 고온에서도 강도가 유지되고 저온에서 도 인성과 연성이 있슴 - 강의 AUSTENITE 영역을 확대하고, FERRITE중에 약 10% 고용하며, AUSTENITE중에 100% 전율 고용 - 바람직한 체심입방(FCC) 결정구조를 형성하여 . 인성과 연성을 향상, 특히 저온에서 인성을 증가시켜 취성을 방지 - 대부분의 분위기에서 내식성과 내산화성을 증대 - 소입성을 증가시켜 대형재의 열처리를 용이하게 함 o 용강제조 특성 - 4% [NI] 이상에서는 용강의 유동성을 향상 -C,N의 용해도는 감소시키고 H의 농도는 증가시킴 |
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O |
원자번호 8 원자량 16 비중 0.001429 g/cm3 용융점 -218.8℃ 비등점 -183℃ 비열 0.92 J/gK 용해율 0.22259 KJ/MOL 결정형 CUBIC
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o 재질특성 - Fe에 고용되지 않고 주로 비금속개재물로 존재하여 강의 기계적 성질 및 피로성 등을 저하시킴 - 강중 O량이 증가함에 따라 미세 산화개재물이 증대되어 결정립 성장을 억제하고 강을 세립화, 경질화 시킴 - 열간 가공성 .가소성 산화 개재물(MnO,SiO2,FeOMnOSiO2,MnOAl2O3SiO2등) : 가공방향으로 소성변형 .비가소성 산화 개재물(Al2O3,FeOMnOAl2O3,TiN등) : 결정상 개재물로서 가소성이 없어 가공방향으로 취성파괴 되어 분산 o 강중 산화물 생성원인 - 내재성 산화물 . Si,Mn,Al등의 각종 탈산제 투입에 의해 생성되어 분리부상되지 않고 잔존 하는 1차탈산생성물 : 강괴의 응고에 수반하여 Si-O, Al-O등의 반응으로 생성 2차탈산생성물 - 외래성 산화물 . 노재 내화물의 물리, 화학적 용손에 의해 용강내 유입된 산화물 . 용강과 대기와의 접촉에 의해 생긴 탈산 생성물 |
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H |
원자번호 1 원자량 1.00797 비중 0.0000899 g/cm3 용융점 -259.4℃ 비등점 -252.87 ℃ 비열 14.304 J/gK 용해율 0.05868 KJ/MOL 결정형육방정
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o 재질특성 - 철격자내에서 B,N,C 과 같이 침입형 원소로 존재 . 강중에서 확산속도가 타원소에 비해 빠르며, 상온에서는 쉽게 확산 - 강의 인성의 저하, 자연파괴, 백점유발, 용접시 BEAD밑에 CRACK유발, 선상조직, 기공 등 여러 결함의 주원인으로 작용 - 수소취성유발 . 온도강하에 따라 수소용해도가 저하 되면서 과잉의 수소는 결함부위나 비금속개재물 주변에 있는 공극(VACANCY)에 원자상 H로 석출후 수소 분자를 형성, 공극의 내부압력 증대에 의한 CRACK 유발 o 용강제조 특성 - 용강내 흡입원인 . 내화물, 부원료, 합금철, 기타첨가제중의 수분에 의한 흡수 - 탈수소방법 . 용강중 Co BOILING에 의한 탈수소처리 . 탈가스설비를 활용, 수소분압을 낮춰(SIVERT법칙) 탈수소처리 |
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P |
원자번호 15 원자량 30.98 비중 1.82 g/cm3 용융점 44.1℃ 비등점 280℃ 비열 0.177 Cal/g 용해율 5.0 Csl/g 결정형단사정계
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o 재질특성 - 강중 FERRITE에 고용 - 경도와 인장강도를 다소 증가시키나 단면수축율은 감소시킴 - Fe3P화합물 형성에 의한 충격저항 감소 및 상온취성 유발 . P는 응고시 편석이 심하여 Fe3P로 응고, 입계에 편석하고 고온가열에도확산이 어려워 BAND STRUCTURE로 잔류하며 가공시 그방향으로 연신되어 충격치를 감소시키고 파열의 중심이됨 . Fe3P는 MnS, MnO와 함께 집합하여 GHOST LINE을 형성하여 파괴의 원인이 됨 . P는 탄소량이 많을수록 유해함 : 공구강≤0.025% 이하 관리 - O와 친화력이 강하여 용접성에 불리 -강의 피삭성을 향상 |
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S |
원자번호 16 원자량 32.064 비중 2.07 g/cm3 용융점 110.2℃ 비등점 444.6℃ 비열 0.71 J/gK 용해율 1.7175 KJ/MOL 결정형사방정계
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o 재질특성 - 철과 FeS 화합물을 형성하여 고온취성 유발 . 고S재는 열간가공시 취화 발생 . 저융점의 FeS(1193℃)가 결정립계에 망상으로 정출개재하여 고온에서 강재취화(인장력,신율,충격치의감소) 유발 및 가공시 파괴원인 . 취화방지책 : Mn을 첨가하여 고융점의 MnS를 형성 (Mn/S≥10 관리) - Mn, Zr, Ti, Mo등과 결합하여 피삭성을 향상 - 용접성과 단접성을 악화 o S쾌삭강 - 강에 SFMF 0.1∼0.25% 정도를 첨가 - 취성저하를 경감하기 위해 Mn을 0.4∼1.5%를 첨가하여 MnS를 형성 - 이 MnS를 분산시켜 CHIP BREAKER 작용과 피삭성을 향상 - MnS는 열간가공시 가공방향으로 연신되어 압연방향과 직각방향의 기계 적성질이 크게 달라진다 - 보통강 대비 절삭속도를 2배이상 가능하고 P를 약간 높게하여 Mn와 P의 복합효과를 기대할 수 있슴 |
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Si |
원자번호 14 원자량 28.06 비중 2.33 g/cm3 용융점 1,430±20℃ 비등점 2,300℃ 비열 0.162 Cal/g 용해율 33.7 Cal/g 결정형면심입방정
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o 재질특성 - FERRITE에 고용하여 경도, 탄성계수, 인장력을 증대하고 신율, 충격치는 감소시킴 - FERRITE상을 강화해서 300℃이하의 소둔저항성을 향상시킴 - 입자의 크기를 증대시키고 용접성을 감소시킴 o 용강제조 특성 - 탈산제로서 가장유효 : 용강중에 산화물은 Mn산화물과 결합하여 SiO2 또는 규산개재물을 형성, 분리부상이 용이함 |
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Ti |
원자번호 22 원자량 47.90 비중 4.50 g/cm3 용융점 1,668±5℃ 비등점 3,287℃ 비열 0.126 Cal/g 용해율 15.450 KJ/MOL 결정형육방정계
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o 재질특성 - O.N.C.S.H등과강한친화력을지니고있으며강력한탈산,탈질제로이용 - 강의결정립을미세화하고강고한탄화물을생성 - Ti합금은중량비에대한강도가높고, 약 550℃에서고온성질이우수 - 산및염기성매체등대부분의분위기에서내식성우수 - 침입형원소(C,N,O)와의높은반응성과침화력때문에정교한용해및제조기술 이필요 - 소입성을악화시키나소입온도가높으면오히려증가 o 주요용도 - 고온에서의기계적성질이우수하여우주항공소재로이용 -내식성이우수하여화학공업용으로이용 |
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V |
원자번호 23 원자량 50.55 비중 6.0 g/cm3 용융점 1,735±50℃ 비등점 3,400℃ 비열 0.120 Cal/g 용해율 20.90 KJ/MOL 결정형체심입방정
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o 재질특성 - 결정립미세화를조정하여 AUSTENITE의조대화온도를상승 - 용해시경화능이증가 - 0.25%이하에서는소입성을증가시키나 0.3%이상에서는오히려소입성을 감퇴시킴 - 소려저항성이증가되어 2차경화에의한기계적성질특히인성을향상시킴 . C와 V의동시증가는오히려인성을저하시킴 - C와 V가결합하여매우경한 MC형탄화물을형성하여내마모성을향상하나 연삭이곤란하여연삭공정이많은공구에는부적합 |
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W |
원자번호 74 원자량 183.92 비중 19.3 g/cm3 용융점 3,410±20℃ 비등점 5,930℃ 비열 0.032 Cal/g 용해율 35.40 Kj/MOLE 결정형체심입방격자 |
o 재질특성 - 고온에서결정립을미세화하여경도와강도를상승시킴 . M23C6의탄화물을유지하여석출경화와고온강도향상 - 공구강에서 C 와결합하여 W6C를형성, 내마모성을향상 -일부 W은 MARTENSITE에고용하여소려저항및내열성을향상 |
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Zr |
원자번호 40 원자량 91.92 비중 6.5 g/cm3 용융점1,852±2℃ 비등점 4,377℃ 비열 0.066 Cal/g 용해율 16.90 KJ/MOLE 결정형육방정계 |
o 재질특성 - 결정립을미세화 - 0.1∼0.2%첨가로강도,신율,단면수축율을향상 o 용강제조특성 - 강제탈산,탈질,탈류제로도사용 |
