1. 소개
스틸은 현대적인 인프라를 뒷받침합니다, 우뚝 솟은 고층 빌딩에서 정밀 수술 도구까지.
세계에서 가장 재활용 된 재료로, 그것은 타의 추종을 불허하는 힘의 조합을 제공합니다, 형성 가능성, 비용 효율성.
이 기사에서, 우리는 두 가지 기초 스틸 패밀리 (탄 스틸 및 합금 강철)를 비교합니다., 속성, 처리, 경제학, 및 응용 프로그램.
결국, 피크 성능과 가치를 위해 각 유형을 선택할 때 파악하게됩니다..
2. 탄소강은 무엇입니까??
탄소강 가장 단순하고 가장 널리 사용되는 강철 가족 중 하나로 두드러집니다..
정의에 따라, 주로 철으로 구성됩니다 (Fe) 탄소와 합금 (기음), 일반적으로 범위 0.05 % 에게 1.00 % 체중.
탄소 함량을 증가시킬 때, 합금의 강도와 경도 상승은 증가하지만 연성 및 용접 성 감소.
게다가, 망간의 통제 된 첨가 (최대 ~ 1.65 %), 규소 (0.15 %–0.30 %), 인 (< 0.04 %), 그리고 황 (< 0.05 %) 곡물 구조를 세분화하는 데 도움이됩니다, 경화성을 향상시킵니다, 가공 가능성을 향상시킵니다.
탄소강의 종류
엔지니어는 탄소 비율에 따라 탄소강을 4 가지 주요 범주로 분류합니다.. 각 카테고리는 뚜렷한 역할을합니다, 유연한 와이어 형식에서 내마비 블레이드까지:
| 범주 | C 컨텐츠 | 주요 특성 | 일반적인 용도 |
|---|---|---|---|
| 저탄소 (경증) | 0.05 %–0.30 % | 우수한 연성; 용접 및 형태가 쉽습니다 | 자동차 패널, 구조 모양, 펜싱 |
| 중간 탄소 | 0.30 %–0.60 % | 균형 잡힌 힘과 강인함; 열처리 | 기어, 차축, 샤프트, 기계 구성 요소 |
| 고 탄소 | 0.60 %–1.00 % | 담금질 후 높은 경도; 낮은 연성 | 절단 도구, 스프링, 고강도 와이어 |
| 매우 높은 탄소 | 1.00 %–2.00 % | 탁월한 내마모성; 자연에서 취성 | 스페셜티 나이프, 전단 블레이드, 캐스트 부품 |
3. 합금 강철은 무엇입니까??
합금 강철 하나 이상의 합금 요소를 의도적으로 추가하여 일반 탄소강을 높이십시오.,
크롬과 같은, 니켈, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 또는 붕소, 탄소 함량만으로 전달할 수없는 특성을 달성합니다.
이러한 전략적 추가는 강철의 미세 구조를 개선합니다, 기계적 성능을 향상시킵니다, 열에 대한 저항성을 향상시킵니다, 입다, 그리고 부식.
화학 성분 및 미세 구조
각 합금 요소는 뚜렷한 이점을 제공합니다:
- 크롬 (0.5–2 %) 단단한 크롬 탄화물과 얇은, 부착 된 산화물 층, 내마모성 및 부식 보호 향상.
- 니켈 (1–5 %) 실온에서 오스테 나이트 상을 안정화시킵니다, 특히 저온 환경에서 강인성이 급격히 증가합니다.
- 몰리브덴 (0.2–0.6 %) 곡물 성장을 억제하여 크리프 강도를 높이고 높은 온도에서 경도를 유지합니다..
- 바나듐 (0.1–0.3 %) 이전 오스테 나이트 입자 크기를 개선합니다, 더 높은 항복 강도와 우수한 피로 수명을 전달합니다.
- 텅스텐 (최대 2 %) 그리고 붕소 (0.0005–0.003 %) 고온 경도와 심층 경화성을 더욱 향상시킵니다, 각기.
합금강의 유형
조합은 크게 다를 수 있습니다, 가장 일반적인 5 가지 합금 강철 그룹은 다음과 같습니다:
| 합금 가족 | 주요 요소 | 주요 이점 | 예제 사용 |
|---|---|---|---|
| 저금리 강철 | Cr, ~ 안에, 모 (총 ≤ 5 %) | 균형 잡힌 힘, 적당한 강인함, 강화성 향상 | 자동차 섀시, 구조 빔 |
| 고 합금강 | Cr, ~ 안에, 모, 다섯, w (총 > 5 %) | 탁월한 강도와 부식/내열 저항 | 터빈 블레이드, 원자로 부품 |
| 도구 강 | Cr, 모, w, 다섯, 기음 (C 최대 ~ 2 %) | 매우 높은 경도, 내마모성, 치수 안정성 | 절단 도구, 펀치, 죽는다 |
| 스테인리스 강 | ≥ 10.5 % Cr, 플러스 NI, 모, N | 뛰어난 부식 저항, 형성 가능성 | 의료기구, 식품 처리 장비 |
| 마리징 강 | ~ 안에 (15–25 %), 공동, 모, 의, 알 (낮은 c) | 탁월한 강인함을 가진 매우 높은 강도 | 항공 우주 구조 구성 요소, 압형 |
4. 4 자리 AISI 스틸 명칭 시스템을 디코딩합니다
탄소와 합금강을 구별하기 전에, 이름 지정 협약을 이해하는 것이 필수적입니다.
네 자리 에이시에서 (아메리칸 아이언 앤 스틸 연구소) 체계, 처음 두 자리는 강철 패밀리를 식별합니다, 마지막 두 자리는 공칭 탄소 함량을 지정합니다. (백분율의 백분율, 최대 1.00 %).
예를 들어, "10"접두사는 일반 탄소강을 지정합니다, ~와 함께 1018 포함 0.18 % 탄소와 1045 포함 0.45 %.
비슷하게, 4140—“41”접두사에 대해서도 - 또한 그도 나타납니다 0.40 % 탄소, 그러나 Chromium-Molybdenum 합금 패밀리의 일부로.
모든 "10"시리즈 등급에는 소량의 망간이 포함됩니다, 인, 실리콘은 곡물 구조를 정제하고 강도를 향상시킵니다.
가끔, 접미사 문자가 나타납니다: 엘 우수한 가공 가능성에 대한 추가 리드를 나타냅니다, 그리고 비 더 깊은 섹션에서 경화성을 향상시키는 붕소 추가 신호.
이 접두사를 디코딩하여, 숫자, 그리고 편지, 강철의 기본 화학을 예측할 수 있으며 그 경도를 유추 할 수 있습니다., 인장 강도, 열처리에 대한 적합성.
아래는 전체 4 자리 AISI/SAE 번호 매기기 테이블입니다, 평범한 탄소 하위 시리즈를 모두 보여줍니다 (10xx – 15xx) 그리고 메인 합금 강철 시리즈 (2xxx – 9xxx).
마지막 두 자리는 항상 공칭 C 함량을 백분의 백분율로 제공합니다. (예를 들어. "18"→ 0.18 %기음).
| 시리즈 | 1 차 합금 요소(에스) | 탄소 범위 (%기음) | 주요 특성 / 메모 |
|---|---|---|---|
| 10더블 엑스 | 일반 탄소 (기음 + MN, 피, 그리고) | 0.06 - 0.60 | 차가운 & 열속 된 탄소강 (예를 들어. 1018, 1045) |
| 11더블 엑스 | 재산 화 된 탄소 (s를 추가합니다) | 0.06 - 0.60 | 더 나은 가공 가능성 (예를 들어. 1117, 1144) |
| 12더블 엑스 | 결과적으로 + 재분산 된 탄소 (s+p) | 0.06 - 0.60 | 오일 하드 닝, 좋은 가공 가능성 (예를 들어. 1215) |
| 15더블 엑스 | 고상자 탄소 (~ 1.00을 추가합니다 % MN) | 0.20 - 0.50 | 향상된 강도 & 가공 가능성 (예를 들어. 1541) |
| 15BXX | 높은 Mn + 붕소 (B ~ 0.0005–0.003 %) | 0.20 - 0.50 | 강화 된 경화성 |
2트리플 엑스 |
니켈 강 (1-5에 %) | 0.06 - 0.60 | 힘든, 낮은 자연 성능 (예를 들어. 2024) |
| 3트리플 엑스 | 니켈-크로움 강 (~ 안에 + Cr) | 0.06 - 0.60 | 열 감지 & 강도가 높습니다 (예를 들어. 3090) |
| 4트리플 엑스 | 몰리브덴 강 (MO 0.2–0.5 %) | 0.06 - 0.60 | 높은 5 강도, 부식 저항 (예를 들어. 4042) |
| 41더블 엑스 | 크롬-몰리브덴 강 (Cr + 모) | 0.06 - 0.60 | 좋은 경화성 & 내마모성 (예를 들어. 4140, 4130) |
| 43더블 엑스 | 크롬 강 (CR 0.5–1.5 %) | 0.06 - 0.60 | 고강도, 일부 부식 저항 (예를 들어. 4310) |
5트리플 엑스 |
크롬 강 (4xxx보다 높은 CR) | 0.06 - 0.60 | 공기 경화 공구 강철 (예를 들어. 5140) |
| 6트리플 엑스 | 크롬-바나듐 강 (Cr + 다섯) | 0.06 - 0.60 | 봄 & 스트레스가 많은 부품 (예를 들어. 6150) |
| 7트리플 엑스 | 텅스텐 스틸 (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | 고속 & 열렬한 도구 강철 (예를 들어. 7XXX HSS 시리즈) |
| 8트리플 엑스 | 니켈-크로 미움-몰리브덴 (at + cr + i) | 0.06 - 0.60 | 매우 높은 강도 & 강인함 (예를 들어. 815M40) |
| 9트리플 엑스 | 실리콘-망간 강철 (그리고 + MN) | 0.06 - 0.60 | 봄 강, 높은 피로의 삶 (예를 들어. 9260) |
접미사 문자
- 엘: 가공 가능성 향상을 위해 리드가 추가되었습니다 (예를 들어. 1215엘)
- 비: 경화성을 위해 붕소를 추가했습니다 (예를 들어. 8640비)
- 시간: 특수 강화 가능성 요구 사항 (예를 들어. 4140시간)
5. 합금강 대 합금의 기계적 특성. 탄소강
기계적 성능은 재료 선택을 유도합니다, 및 합금 대 탄소강은 주요 메트릭에서 크게 분기됩니다..
인장 강도, 항복 강도, 그리고 연성
- 탄소강: 저탄소 등급 (예를 들어. AISI 1018) 약 400–550 MPa의 인장 강도 및 250–350 MPa 근처의 항복 강도, 20-30의 휴식 시간에 신장 %.
중간 탄소 강 (예를 들어. 1045) 인장 강도를 600–800 MPa로 푸시하고 350–550 MPa로 생성합니다., 그러나 연성은 ~ 15로 떨어집니다 %. - 합금 강철: 대조적으로, 에이 4340 합금 강철, 담금질과 템퍼링, 인장 강도를 달성합니다 1 100–1 400 950–1의 MPA 및 항복 강도 150 MPA, 12-18을 유지하는 동안 % 연장.
따라서, 합금 강은 과도한 연성을 희생하지 않고 탄소강의 강도의 두 배까지 전달됩니다..
게다가, 니켈 또는 바나듐과 같은 전략적 추가는 재단사 수익률 행동이 더 큽니다.
예를 들어, 에이 2 % NI 저금리 등급은 충격 테스트 수율을 ~ 10으로 향상시킵니다 % 유사한 CR-MO 스틸에 비해.
경도와 내마모성
- 탄소강: 열 처리 된 고 탄소 강에 도달 할 수 있습니다 60 HRC (로크웰 경도 c), 날과 스프링에 좋은 내마모성을 제공합니다.
하지만, 탄소가 초과됨에 따라 0.8 %, 담금질 동안 성형 성이 고통스럽고 균열 위험이 있습니다. - 합금 강철: 도구 강 (예를 들어. ~ 12 인 D2 % Cr, 1.5 % 기음) 우수한 에지 보유로 62-64 HRC를 달성하십시오.
그 동안에, 텅스텐-합금 핫 작업 등급 (H13) 48-52 HRC와 함께 빨간색의 HRC를 제공하십시오 600 ° C.
게다가, 합금강은 종종 단단한 탄화물을 포함합니다 (Cr, 다섯, 또는 w) 그것은 탄소강의 시멘트보다 훨씬 더 나은 마모에 저항합니다..
따라서, 탄화물 강화 합금이 고기 곰팡이와 다이에서 지난 2 ~ 3x 더 길게 보일 수 있습니다..
강인함과 충격 저항
- 탄소강: 저탄소 강은 쉽게 충격을 흡수합니다, 실온에서 80-120 j의 Charpy V-NOTCH 값을 산출.
아직, 탄소가 위로 올라갈 때 0.6 %, 강인함이 아래에 떨어집니다 20 J., 부서지기 쉬운 골절을 가능하게합니다. - 합금 강철: 니켈 함유 합금 (예를 들어. 8640 ~와 함께 2 % ~ 안에) 위의 charpy 값을 유지하십시오 50 J –40 ° C에서도 J..
게다가, 미세 합금 바나듐 강은 높은 골절 강인성을 전달합니다 (K_IC > 80 MPA · √M) 입자 크기를 정제하여.
피로 성능 및 크리프 저항
- 피로: 합금 강은 일반적으로 약 50-60 정도의 피로 한계를 나타냅니다 % 궁극적 인 인장 강도, ~ 40에 비해 % 탄소강의 경우.
예를 들어, 담금질과 시절 4140 합금은 지구력 한계가 가까워집니다 650 MPA, 반면 1045 호버링 320 MPA. - 살금살금 기다: 고온에서 (> 300 ° C), 탄소 강이 빠르게 크게 들어옵니다, 열 노출 부품의 사용 제한.
거꾸로, CR-MO 및 NI-CR-MO 합금은 수천 시간 동안 200-300 MPa의 스트레스를 유지하고 550 ° C, 곡물 바운드 슬라이딩을 방해하는 안정된 탄화물 네트워크 덕분입니다.
비교 테이블
| 재산 | 탄소강 | 합금 강철 |
|---|---|---|
| 인장 강도 | 400 - 550 MPA (낮은 C); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (예를 들어. 4340 QT) |
| 항복 강도 | 250 - 350 MPA (낮은 C); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (예를 들어. 4340 QT) |
| 연성 (휴식시 신장) | 20 - 30 % (낮은 C); ~ 15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 QT); 합금 요소에 따라 다릅니다 |
| 경도 (열처리 후 HRC) | 최대 ~ 60 HRC (High-C); ~ 0.8 이상의 담금질 균열의 위험 % 기음 | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); 높은 온도에서 유지됩니다 |
Charpy Impact (20 ° C) |
80 - 120 J. (낮은 C); < 20 J. (High-C) | ≥ 50 –40 ° C에서 J (Ni-Bearing Grades); K_IC > 80 MPA · √M (V- 마이크로 합금강) |
| 피로 한계 | ~ 40 % UTS의 (예를 들어. ~ 320 MPa 1045) | ~ 50 - 60 % UTS의 (예를 들어. 담금질을위한 ~ 650 MPa 4140) |
| 크리프 저항 (~에 > 300 ° C) | 가난한; 빠른 변형 제한 사용 | 좋은; CR-MO 및 NI-CR-MO 합금이 유지됩니다 200 - 300 MPA는 ~ 550 ° C에서 수천 시간에 걸쳐 스트레스를받습니다 |
| 내마모성 | 시멘트에 의존합니다; 보통의 | 하드 CR로 인해 우수합니다, 다섯, 또는 w 카바이드; 지속됩니다 2 - 곰팡이와 다이에서 3 × 더 길다 |
QT = 담금질 및 템퍼링
6. 부식 및 환경 저항
- 탄소강 쉽게 산화됩니다, 주변 조건에서 일반적인 부식 속도 0.1–0.5 mm/년.
- 합금 강철 ≥ 12 % CR은 수동적 인 필름을 형성합니다, 부식 속도 감소 < 0.01 많은 환경에서 mm/년.
게다가, 니켈과 몰리브덴은 염화물이 풍부한 배지에서 싸우는 싸움을합니다. 코팅 (아연 도금, 에폭시) 탄소강을 돕습니다, 반복적 인 유지 보수 비용을 추가합니다.
대조적으로, 스테인리스 및 풍화 합금 강강은 야금만으로 장기적인 보호를 제공합니다..
7. 합금 강 대의 열처리 및 제조. 탄소강
- 탄소강 열처리 - annaleal, 정상화, 끄다 & 성미 - 제어 경도와 강인함. 예를 들어, 1045 석유에 담금질 된 강철은 ~ 55 HRC를 달성합니다.
- 합금 강철 종종 솔루션 치료를받습니다 (예를 들어, 17-4pH 스테인리스) 또는 연령 경화 (예를 들어, NI 기반 슈퍼 합금) 피크 속성을 잠금 해제합니다.
게다가, 합금 함량이 상승함에 따라 용접 성 및 형성성이 감소합니다.
예를 들어, 평범한 탄소 1018 일반적인 전극으로 쉽게 용접합니다, 반면 오스테 나이트 스테인리스 304L은 특수 필러 및 예열을 요구합니다.
따라서, 제작자는 고 합금 등급에 대한 엄격한 통제 및 웰드 트리트먼트를 계획합니다..
8. 비용 및 경제적 고려 사항
| 비용 요인 | 탄소강 | 합금 강철 |
|---|---|---|
| 원료 | $500 - $700 톤마다 | $1,000 - $3,000 톤마다 (합금에 따라) |
| 에너지 & 처리 | 보통의 (더 간단한 용융 & 개선) | 높은 (진공 처리, 정확한 구성) |
| 열처리 | $50 - $200 톤마다 | $200 - $800 톤마다 (복잡한 사이클) |
| 유지 & 수명주기 | 정기적 인 재고 또는 부식 수리 | 스테인리스 및 풍화 강의 최소 |
| 총 소유 비용 (TCO) | 더 낮은 선불; 높은 유지 | 더 높은 투자; 수명주기 비용이 낮습니다 |
9. 합금 대 탄소강의 적용
탄소강 응용
- 건설: 구조 빔, 강화 막대
- 자동차: 프레임, 바디 패널
- 파이프 라인 & 압력 용기: 기름, 물, 가스 운송
- 일반 공학: 기계 부품, 농장 장비
합금 스틸 응용
- 항공 우주: 랜딩 기어, 터빈 디스크
- 기름 & 가스: 드릴 칼라, 해저 밸브
- 발전: 보일러 튜브, 원자로 구성 요소
- 고온 환경: 용광로 부품, 열교환 기
10. 합금강 대 탄소강의 차이점은 무엇입니까??
| 차원 | 탄소강 | 합금 강철 |
|---|---|---|
| 화학 성분 | Fe + 0.05–1.0 % 기음; Mn의 흔적, 그리고, 피, 에스 | Fe + 기음 + ≥ 0.5 % 전략적 요소 (Cr, ~ 안에, 모, 다섯, w, 비, 등.) |
| 탄소 함량 | 0.05–2.0 % | 일반적으로 0.1–1.0 %, 그러나 등급에 따라 다릅니다 |
| 1 차 합금 요소 | 없음 (흔적 너머) | Cr, ~ 안에, 모, 다섯, w, B - 각각 경도를 위해 맞춤형, 강인함, 부식 또는 높은 T 강도 |
| 인장 강도 | 400–800 MPa (낮은- High-C에) | 900–1 400 MPA (낮은- 고금리에 해소 & 템퍼링) |
| 항복 강도 | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| 연장 (연성) | 20–30 % (낮은 C); ~ 10–15 % (High-C) | 10–20 %, 합금 믹스에 따라 |
| 경도 (HRC) | ≤ 60 HRC (높은 C 등급) | 48–64 HRC (도구 강철까지 65 HRC; 핫 작업 등급 ~ 50 HRC) |
내마모성 |
보통의 (시멘트 기반) | 높은 (CR의 단단한 탄화물, 다섯, w); 2–3 × 마모에서 더 긴 수명 |
| 부식율 | 0.1–0.5 mm/yr 코팅 | < 0.01 스테인리스/풍화의 경우 mm/yr; 0.02저 합금의 경우 –0.1 mm/yr |
| 열전도율 | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (CR/NI 합금이 낮습니다; MO/W 합금이 높아집니다) |
| 열 팽창 | 11–13 × 10 °/k | 10–17 × 10/k (스테인레스 ≈ 17; CR-MO ≈ 11; 아이들은 약했습니다 13) |
| 전기 저항성 | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (스테인리스 ~ 70; 합금 함량으로 상승합니다) |
| 자기 투과성 | 높은 (≈ 200–1 000) | 변하기 쉬운: 오스테 나이트가 낮습니다 (~ 1–2), 페라이트/마르텐 스티크 등급이 높습니다 |
| 열처리 | 단순한: 어닐링, 정상화하십시오, 끄다 & 성질 | 복잡한: 솔루션 치료, 연령화, 정확한 Quench 속도, 특별한 후 열 처리 |
제작 |
탁월한 형성성, 용접 성, 가공 가능성 | 합금 함량이 상승함에 따라 더 어려운 컨트롤과 특수 소모품을 요구합니다. |
| 밀도 | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (합금 요소에 따라 약간 다릅니다) |
| 최대 서비스 온도. | ≤ 300 ° C (크리프/스케일링이 가속화됩니다) | 400–600 ° C (CR-MO); 700–1 000 ° C (NI 기반 슈퍼 합금) |
| 비용 (USD/톤) | $500- $ 700 | $1 000- $ 3 000 (합금 복잡성에 따라) |
| 일반적인 응용 프로그램 | 구조 빔, 자동차 프레임, 파이프 라인, 일반 엔지니어링 부품 | 항공 우주 구성 요소, 기름 & 가스 밸브, 전력 공장 터빈, 고성능 툴링, 의료 |
11. 결론
요약, 합금 스틸 대. 탄소강은 각각의 중요한 틈새를 차지합니다.
카본 스틸은 경제성을 제공합니다, 제작의 용이성, 일상적인 구조 및 기계적 용도를위한 적절한 성능.
거꾸로, 합금강-기계적 및 부식성 속성이 향상된 Aloy Steel은 항공 우주의 요구를 방해합니다., 에너지, 그리고 다른 고분자 산업.
화학 화장을 평가함으로써, 기계적 요구 사항, 제조 기능, 그리고 경제적 요인, 엔지니어는 비용의 균형을 잡는 최적의 강철 등급을 선택할 수 있습니다., 내구성, 그리고 성능.
