제7장 고압장치 (철의 종류/철-탄소 평형상태도) (2)

 안녕하세요. 여러분, 미루고 미뤄왔던 가스기사에 대한 포스팅을 시작하려고 합니다. 이제 긴 호흡으로 주욱 달려볼 텐데요. 가스기사를 공부하며 수험서만 가지고는 부족함을 느꼈습니다. 그래서 수험서에  고법, 도법, 액법의 3가지 법령과 특히, KGS Code를 곁들이는 방법을 추천드립니다.

 먼저, 가스기사 필기 5과목 중 '가스설비'  과목을 알아보겠는데요.  '가스설비'는 실기시험에서도 그 출제 비중이 높아 60점만 넘는다는 생각은 지양하고, 가능한 최고 득점을 목표로 공부하는 것을 추천드립니다.

 아울러 가스기사 시험 자체가 암기량이 아주 많은 시험이라 자주 보고 또 보고 해야하는데, 대중교통을 이용할 때 등 잠깐 잠깐 시간이 되실 때 가볍게 활용하기 좋은 포스팅으로 생각해주시면 감사하겠습니다. 꼭 암기해야 하는 부분과 제가 만든 암기법이나 재야에 떠돌고 있는 필살 암기법을 종종 넣을 예정이니, 합격하시는데 조금이나마 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 자! 시작하겠습니다.

 

(4) 철의 종류

• 선철(Pig Iron): 용광로에서 철광석을 녹여 바로 꺼낸 철을 말한다. 선철은 탄소 함량이 많아 가공이 거의 불가하고 쉽게 깨지며, 불순물도 많아 신뢰성이 떨어져 현장에서 사용이 불가하다.
  • 킬드강(Killed steel): 포함된 가스류를 망간, 실리콘, 알루미늄 등 탈산제를 사용하여 가스 잔류량을 충분히 줄인 강재이다. 킬드강은 강한 탈산제 덕분에 산소가 전부 제거되어 굳는 과정에서 기포가 생기지 않아 조용히 굳는다. 때문에 죽은 강재 같다하여 킬드강이라는 이름이 붙었다.
  • 세미킬드강: 킬드강과 림드강의 중간적인 성격을 갖는다.
  • 림드강: 페로망간을 첨가하여 가볍게 탈산처리만 하는 강재이며, 약간의 산소가 남는다.
• 순철(Iron): 탄소의 함량이 0.008% 이하이고, 불순물이 거의 없는 순수한 철을 말한다. 기계적 강도가 없어 산업현장에서는 거의 쓰이지 않고, 실험용도로 쓰이며, 기계적 특성을 강화하기 위해 탄소를 고용한 것이 탄소강이다. 순철을 가열하면 구간에 따라 결정구조와 자성이 변하는데, 결정구조가 바뀌는 것에 따라 알파철, 감마철, 델타철이라 하고, A2(770℃)온도 이상에서는 자성을 거의 잃는다. 
  • 동소변태: 순철의 온도가 올라가면서 내부 결정구조가 바뀌는 것, 0℃ ~912℃의 온도의 철을 알파-철이라하고, BCC 구조를 갖는다. 912℃~1400℃의 온도에서는 감마-철이라하고, FCC구조로 바뀌고, 1400℃~1592℃ 온도 사이에서는 델타-철 BCC로 격자구조가 바뀐다.
  • 자기변태: 순철의 온도가 올라가면서 자성이 변하는 것, 기존 순철은 자석을 가까이 대면 반응하는 강자성체이지만, 온도를 점점 올리게 되면 특정지점이 되어 온도가 느리게 올라가고 자성이 변한다. 이때의 온도가 A2(770℃)온도이다. 시멘타이트의 자기변태온도는 A0변태점인 210℃이다.

• 주철(Cast Iton): 탄소 함량이 2.14% 이상 포함된 철은 말한다. 주철은 주조과정에서 많이 쓰이는데, 주조란 철을 녹여서 틀에 부어 제품을 만드는 과정을 말한다. 탄소가 많아 지면 녹는점이 낮아지고 유동성이 좋아진다. 이러한 특징을 이용한 것이 주조라서 자동차 엔진 등 복잡한 형상을 가진 부품에 제조에 많이 쓰인다.

 

(5) 철-탄소 평형상태도

• 철-탄소 평형상태도(Fe-C Phase Diagram, 아래 그림 참조): 탄소함유량에 따라 용융상태로부터 상온에 이르기까지의 응고과정에서 일어나는 조직상태의 변화를 그림으로 나타낸 것으로서 종축에는 온도, 횡축에는 탄소 함유량을 나타낸다. 철의 5대 원소는 C(탄소), Si(규소), Mn(망간), P(인), S(황)이지만, C(탄소)가 Fe(철) 격자내에 고용되는 함량과 온도에 따라 철의 성질이 다양하게 변화하기에 이 변화를 알기 쉽게 표현한 것이 Fe-C 평형상태도라 한다.
  
  • 기본적으로 C(탄소)함량이 0.008%까지는 순철, 2.14%까지는 탄소강, 6.67%까지를 주철이라 한다.
  • 페라이트(Ferrite, F): 알파철에 탄소가 고용된 것, 알파철은 최대 0.02%까지 탄소를 고용할 수 있다. 탄소가 많이 섞여있지 않아 잘 늘어나는 대신 강도가 낮고, 가공성이 뛰어나다. 현미경으로 보면 탄소가 적어 하얗게 보인다.
  • 오스테나이트(Austenite, A): 감마철에 탄소가 고용된 것, 감마철은 1147℃에서 최대 2.14%까지 탄소를 고용할 수 있다. 전위의 이동성이 좋아 변형이 잘되고, 가공성이 좋아 열처리할때는 거의 오스테나이트 조직으로 변태시킨 후 처리하는 것이 일반적이다.
  • 시멘타이트(Fe3C, Cementite, 유리탄소): 평형상태도의 탄소 함량 6.67% 이상인 오른쪽 구역을 말한다. 시멘타이트의 기계적 성질은 매우 강도가 매우 높고, 유연성은 거의 없다.
  • 펄라이트(Pearite, P): 탄소 함량 0.77%의 공석강을 750℃ 이상의 고온에서 서서히 냉각하면 726℃(A1 변태)에서 분열하여 생긴 페라이트와 시멘타이트의 공석조직이다.(아래 초석시멘타이트와 공석시멘타이트의 차이를 설명하여 자세히 다룬다.) P는 F(하얀색)와 C(검정색)가 서로 번갈아 층을 이루는 조직형상이 나타나며, 현미경으로 검사하면 진주와 같은 광택이 나타나 펄라이트라 한다. 펄라이트를 처음 발견했을 때는 현미경의 배율이 높지 않아 하나의 상이라고 생각했기 때문에 이렇게 이름을 붙였다고 한다. 
  • 레데뷰라이트(Ledeburite, L): 2.14%의 A와 6.68%의 C의 공정조직으로, 4.3%의 탄소함량을 가진 주철에서 나타난다.

• 철-탄소 평형상태도(Fe-C Phase Diagram, 아래 그림 참조) 해석
  • a-b선: 알파철에 고용될 수 있는 탄소의 최대치를 나타낸 선. 상온, 0.025%인 점부터 726℃(A1 온도), 0.02%인 점을 연결한 선으로, 이 선보다 많은 탄소가 있게 되면 알파철 내부에 고용된 상태로 존재하지 못하고 시멘타이트(Fe3C)의 형태로 석출된다. a-b-k-l-a 구간은 알파철(Ferrite)+Fe3C의 영역이다.
  • b-k선: A1 변태선으로, 이때의 온도는 726℃이다. A1 변태선은 공석반응(Eutectoid Reacrion)이 일어나는 선으로서 탄소 함량 0.77%의 공석강을 약 750℃ 이상의 고온에서 서서히 냉각하면, 650~600℃에서 변태를 이르켜(A1 변태) 펄라이트 조직이 나타난다. 공석반응이란 고체가 고체와 고체로 나누어지는 반응을 말한다. 즉, 오스테나이트가 페라이트 + 시멘타이트로 나뉘는 것이다.
  • A2선: A2 변태가 일어나는 선으로 약 770℃에서 일어난다. 철은 상온에서 강자성체라서 자석을 가까이 하면 강한 인력이 생긴다. 하지만 770℃를 넘어가면 자성이 약해져 자석에 대한 반응을 보이지 않는다. 이 온도를 A2 변태온도라고 하며 이 현상을 발견한 사람의 이름을 따서 큐리점이라고 하기도 한다.
  • d-e선: Acm선으로서 감마철에 고용되는 탄소의 최대값을 연결한 선이다. 온도에 따라 오스테나이트에 고용될 수 있는 탄소가 0.77~2.14%까지 변하는 선이다. 이보다 많은 탄소는 시멘타이트의 형태로 석출되며, d-e-j-k-d 영역은 오스테나이트와 시멘타이트가 섞여있는 혼합영역이다. 시멘타이트 석출하는 선이기에 Acm의 cm이 붙었다.
  • h점(공정점): h점 위 영역은 용융 상태의 철이다.  그때의 온도가 1147℃, 고용률은 4.3%이다. 공정반응이란 액체가 고체와 고체로 나누어지는 반응을 말한다. 즉, 이 점위의 용융된 철을 냉각하여 h점을 지나게 되면 오스테나이트와 시멘타이트가 동시에 석출하게 된다.
  • g-f선: A4 변태선으로, 오스테나이트가 델타철로 상태변화하는 변태선이다. 일단, 공정점과 마찬가지로 많이 쓰이는 점이 아니라서 A0 같은 네이밍은 없다. 순철의 경우 약 1394℃에서 일어나며, 탄소의 고용율이 높아질수록 변태온도는 높아지다가 1493℃,  0.18%, 인 f점에 수렴한다.
  • f점(포정점, 1493℃, 0.18%): f점의 위 영역은 용융 상태의 철 + 델타철의 혼합상태이다. 즉, 이 영역에서 냉각하여 f점을 지나게 되면 오스테나이트만 석출하게 된다.

※ 참고로 A0온도는 시멘타이트의 자기변태점인데, 210℃ 정도이다. 실제 쓰임이 거의 없으므로 스킵한다.

• 초석 페라이트(Proeutectoid Ferrite)와 공석 페라이트(Eutectoid Ferrite)
  • 탄소량 0.45%C 정도인 아공석강을 a점의 온도까지 가열하여 충분히 유지시켰다면 균일한 오스테나이트 조직이 생깁니다.
  • 이 강을 b점까지 서서히 냉각하면 페라이트 조직이 오스테나이트 결정립계에 불균일하게 핵생성이 시작되는데, 이때의 페라이트를 초석 페라이트라고 합니다.
  • 계속해서 c점까지 계속 냉각시키면 초석 페라이트는 계속 성장하고 초석 페라이트를 형성하고 남은 여분의 탄소는 오스테나이트 조직으로 들어가 탄소가 많아지게 됩니다.
  • 계속 냉각하여 d점을 통과하면 오스테나이트 조직의 탄소함량은 0.77%로 증가하여 공석반응을 일으키며 공석반응이 나타나 펄라이트 조직으로 변태한다.

• 초석 시멘타이트(Proeutectoid Cementite)와 공석 시멘타이트(Eutectoid Cementite)
  • 탄소량 1.1%C 정도인 과공석강을 a점의 온도까지 가열하여 충분한 시간을 유지하였다면, 균일한 오스테나이트 조직이 생깁니다.
  • 이 강을 b점까지 서서히 냉각하면 시멘타이트 조직이 오스테나이트 결정립계에서 불균일하게 핵생성이 시작되는데, 이때의 시멘타이트를 초석 시멘타이트라고 합니다.
  • 계속해서 c점까지 서서히 냉각시키면 초석 시멘타이트는 계속 성장하면서 오스테나이트 조직내의 탄소를 소모하게 되고,
  • 계속 냉각하여 d점을 통과하면 오스테나이트 조직의 탄소함량은 0.77%로 감소하여 오스테나이트 조직은 공석반응이 나타나 펄라이트 조직으로 변태한다.
  • 공석반응은 오스테나이트가 페라이트+시멘타이트 반응을 일으켜 펄라이트가 되는 반응을 말하며, 펄라이트 조직내에 있는 시멘타이트 조직을 공석 시멘타이트라 한다.