기계재료학 (세번째시간)

기계재료의 분류와 선정

1) 기계재료에 필요한 성질

 기계재료는 기계나 구조물을 구성하고 있는 본체와 요소 부품으로 사용되므로, 이들은 기계나 구조물로서의 기능을 발휘할 수 있는 강도와 물리적, 화학적 성질 등을 갖고 있어야 하고, 여기에 바라는 모양과 치수로 가공하는데 필요한 가공성 그리고 대량 생산 방식에 적합한 균질성과 경제성도 가지고 있어야 한다.

 기계재료가 갖추어야 할 일반적인 성질은 다음과 같다.

 

1. 주조, 소성, 절삭성 등이 양호해야 한다.
2. 열처리성이 우수하며 표면처리성이 좋아야 한다.
3. 기계적 성질, 화학적 성질이 우수하고 경량화가 가능하여야 한다.
4. 재료의 보급과 대량 생산이 가능하며, 제품값과 관련한 경제성이 있어야 한다.

다음 표는 여러가지 기계재료가 사용 상태에서 필요로 하는 성질을 요약한 것이다.

 

사용상태의 기계재료의 성질
사용조건	성 질	종 류
1. 외력	기계적 성질 또는 강도	탄성률, 정적강도, 충격강도, 경도, 내구강도
2. 마찰, 마멸	내마멸성	내마멸 조건, 경도를 내마멸성에 관련시킨 경우
3. 부식	내식성	내습성, 내후성(내열성과의 관계)
4. 변질	안전성	열, 방사선 기타

 (1) 기능에 관한 성질

 기계나 구조물을 구성하는 재료는 이에 가해지는 하중에 대하여 파괴되거나 변형되는 일이 없이 안전하게 기능을 발휘할 수 있는 강도를

가지고 있어야 한다.

 기계나 구조물에 가해지는 외력으로는 정하중과 동하중이 있는데, 이들 하중에 대한 재료의 저항력으로는 정적 강도, 피로 강도, 충격 강도 및 경도 등이 중요하다. 또한 기계재료는 기계 부품이 사용되는 조건과 환경에도 기능을 발휘할 수 있는 성질을 가지고 있어야 한다.

 기계에는 운동을 전달하는데 필요한 베어링과 미끄럼 부분이 많은데, 이들 기계 요소에는 마찰에 견디는 내마멸성이 요구된다.

 열기관, 열간 가공기 등의 기계 부품과 절삭 공구 그리고 열간 성형 기계 기구 등은 고온상태에 있게 되므로, 고온에서의 내식성, 내산화성, 고온 강도 등이 우수하여야 한다. 또한, 저온 지역이나 저온 상태에서 사용되는 기계나 설비들은 연성이 풍부하여야 한다.

 그리고 물, 산, 알칼리 등에 접해 사용되는 기계와 장비는 내식성이 요구된다.

 (2) 제조 가공에 필요한 성질

 기계 부품이나 설비는 기계재료를 기계 공작에 의하여 필요한 모양과 알맞은 크리고 가공하여 사용하게 된다. 기계재료는 아무리 좋은 기계적 성질을 가지고 있어도 가공성이 나빠, 가공 비용이 많이 들게 되면 그 사용에 제한을  받게 된다. 일반적으로 강도가 큰 재료는 성형 가공이 어렵다.

 기계재료의 가공에는 주조성, 소성가공성, 용접성, 절삭성 등의 여러가지 가공성이 우수한 재료를 사용하여 생산 공정을 단축하고, 대량생산

함으로써 생산 단가를 낮추어야 한다.

 다음표는 제조 가공에 관한 재료의 성질을 나타낸 것이다.

 

제조, 가공에 관한 기계재료의 성질
가공 종류	성 질	관계성질 또는 현상
1. 주조	주조성	용점, 응고의 온도범위, 유도성, 체적변화, 가스 흡수량, 화학반응성 등
2. 소성가공	열간가공성	고온강도, 고온연성, 재결정, 조직변화
	냉간가공성	강도, 가공경화, 연성
3. 용접	용접성	고온강도, 열연성, 합금화 주조성과 유사
4. 절삭가공	피삭성	전단강도, 경도, 마찰, 내마멸성, 열전도율
5. 열처리	열처리성	조직변화, 금속학적 변화, 내열성, 고온강도

 (3) 기계재료의 시험 검사와 관련되는 성질

 기계재료의 사용 목적에 대한 적합성 여부와 조성 및 조직 등을 판별하는 데는 여러가지 시험 검사의 결과를 기초로 한다. 여기에는 재료의 물리적 화학적 특성이 응용된다. 최근에는 신속하고 정확한 결과를 얻을 수 있는 기기분석과 비파괴검사 등의 시험법이 널리 적용되고있다.

2) 재료의 경량화와 외관성

 (1) 경량화

 양질의 재료를 사용하여 기계나 장비의 크기와 무게를 줄여나가고 있다.

 재료의 경량화 조건으로는 다음과 같은 사항을 들 수 있다.

 

1. 비중이 적은 재료를 사용한다.
2. 구조를 되도록 간단하게 하여 사용 재료를 감소시킨다.
3. 두께가 얇아도 성능이 좋은 재료를 사용한다.

 알루미늄은 그 비중이 2.71로 , 철의 1/3에 불과하고 여러가지의 가공법을 선택할 수 있고, 특히 재활용성이 우수하다. 이에 따라 자동차를 경량화하는데 알루미늄이 철강의 대체재료로 상용되고 있는데 주로 피스톤, 실린더 헤드, 메니폴더 등의 엔진 부품과 열교환기, 타이어휠 및 관련 부품으로 많이 사용되고 있다. 이에 따라 알루미늄합금의 차량 중량 점유율은 7~9%에 달하고 있다. 이밖에도 Mg은 그 비중이 1.74%로, 알루미늄의 2/3이며 새로운 경량화가 가능한 재료이다. 특히, 플라스틱은 자동차의 경량화 재료로 그 사용이 증가하고 있다. 이밖에도 제한적이나마 티탄합급이 경량화 재료로 사용된다. 티탄은 그 비중이 4.54로 알루미늄에 비하면 크지만 비강도가 높고, 고온에도 잘 견딘다. 따라서 마하3 이상의 초음속 비행기에서는 알루미늄 합금보다 고온강도가 높은 티탄합금이 외판 또는 강도가 요구되는 기체구조용 부품재료로 사용되고 있다.

 (2) 외관성

 제품 수명이 짧아지고 소비자의 다양한 요구에 따른 다품종 소량생산 체제에 부응하기 위해서는 설계할 때 디자인에 큰 비중을 두고 대응하여야 하는데, 이를 위해서는 제품의 외관성을 중요하게 생각해야 한다. 특히 아름다운 외관이 중요시되는 자동차, 냉장고, TV, 가전제품 등은 새로운 디자인에 알맞는 재료의 선택으로 외관성이 좋아야 한다.

 특히 플라스틱은 자동차의 경량화 재료뿐 아니라 고의장화, 방청성 및 성형성이 우수하여 자동차의 외판, 엔진부품, 연료탱크 등의 재료로 사용되고 있다. 이밖에도 기계재료에 요구되는 성질에는 인성, 내마멸성 및 내피로성이 큰 재료를 사용함으로써 굽힘, 균열 및 파괴 등이 없도록 하는 안전성, 그리고 구하기 쉽고 값이 싸며 가공성이 좋고 균질인 재료를 사용하여 다량 생산함으로써 생산 단가를 낮추는 경제성을 들 수 있다.

3) 기계재료의 분류와 선정

 (1) 기계재료의 분류

 기계재료를 용도에 따라 분류하면, 기계나 구조물의 골격과 기계 구성부품에 사용되는 기계구조용 재료와 특수용도 또는 특수조건의 용도에 쓰이는 특수 목적용 재료로 크게 나누고 있다.

 특수 목적용 재료에는 특수용도용 재료와 기능성 재료가 있다. 금속재료는 주로 기계의 구성 재료로 쓰이는데, 요구되는 모든 조건을 만족시키지 못하는 경우도 있어, 열을 받는 부분이나 단열 부분 및 전기 절연 부분에는 비금속재료를 사용할 때가 많다. 최근 화학 공업의 발달과 더불어 강도와 내구성에 있어 금소재료와 대등한 성질을 가진 플라스틱과 같은 비금속재료가 개발되어, 내식성과 조형성이 요구되는 부품에 이들 재료가 많이 쓰이고 있다. 기계 공업에 쓰이는 비금속재료에는 기계나 설비의 기초용 재료, 연삭용 재료, 합성 수지, 윤활 재료, 고무, 유리, 가죽, 페인트 및 접착제 등이 있다.

 또한 지금까지 사용하던 재료보다 우수한 특성과 고도의 기능을 가진 새로운 재료인 신소재가 있다. 실용화되고 있는 신소재로는 형상기억합금, 초전도합금, 초내열합금, 파인세라믹, 복합재료, 제진합금 등이 있다.

 (2) 기계재료의 선정

 기계를 구성하고 있는 각 부품의 재료는 그 사용되는 조건과 환경에 따라 그 기능을 충분히 발휘한 수 있는 성질을 갖고 있어야 하고 여기에 기계 공작에 필요한 가공성과 생산가에 미치는 경제성 등을 종합적으로 평가하여 선택하여야 한다.

 또한 기계의 종류와 생산 규모가 다르게 되면 선택 조건이 달라질 수 있다. 이밖에도 기술의 발달에 따라 증기 터빈의 경우 고온 고압화와

용량이 커지면서 재료에 대한 요구가 점차 확대되어 그 한계를 벗어나게 된다. 이에 따라 고급재료를 사용하게 되면 생산하는 전력의 생산가, 즉 전기요금에 영향을 주게 된다.

 따라서 실제의 재료 선택에 있어서는 경제성과 가공성을 고려하고 사용 결과를 검토하여야 한다. 기계 재료 선정에 대한 일반적인 요구 조건을 충족시키기 위해서는 다음과 같은 사항들이 사전에 검토되어 선정 조건에 반영되어야 한다.

 

1. 각 기계 부품에 요구되는 기능을 충분히 분석하여, 하중의 종류와 크기 등의 부하 조건으로부터 강도나 그 밖의 기계적 성질을 검토한다.
2. 각 부품의 사용 조건이나 사용 환경을 고려하여 내마멸성, 내식성, 내열성 등의 필요성이 검토되어야 한다.
3. 소재를 요구하는 모양과 치수로 가공하는데 필요한 재료의 적합성, 즉 주조성, 소성 가공성, 용접성, 절삭성 등 생산에 필요한 가공성이 검토되어야 한다.
4. 소재의 가격과 구입의 용이성 등 경제성이 조사 검토되어야 한다.

 이상과 같이 그 선정 조건이 다양한 기계재료는 재료의 종류, 성분, 성질 및 모양 등에 따라 일정한 규격으로 분류, 생산 보급하면 그 선택이 용이하고 경제적이다.

4) 산업 규격과 재료 기호

 (1) 산업 규격

◈ 주요국가의 산업 규격

 기계재료를 그 종류, 조성, 성질, 모양 등에 따라 일정한 규격품으로 생산하면 기계를 설계하거나 설계도면에 따라 가공 제작할 때 알맞는 재료를 선택하는데 매우 용이하고 능률적이다. 일반적인 기계재료의 종류에 대해서는 각 나라마다 공식기관에 의해 제정된 산업규격을 적용하고 있다.

 우리 나라의 산업 표준화는 1961년에 한국 공업 규격이 제정 공포되어 사용되었는데, 1992년에 이 법에 의한 규격을 한국 산업 규격(KS : Korean Industrial Standards)이라 하였으며 기계재료에 대한 규격을 규정하고 있다.

 제정된 규격에 대해서는 기술의 발달, 생산 여건의 변동, 국제 동향 등을 반영하기 위하여 제정 후 산업 표준 심의회에서 확인을 하게 되는데, 필요에 따라 개정 또는 폐지할 수 있게 하였다. 이밖에도 재료를 공급하는 특정 기업이나 사용하는 공장에서 특정한 규격을 정하여 공급하거나 수급 받아 사용하는 경우도 적지 않다. 다음 표는 주요국가의 공업 규격과 국제 표준화 기구의 명칭과 약호를 나타낸 것이다.

 

주요국가의 산업 규격명과 국제 표준화 기구
국가명	규격 기호
한국 산업 규격	KS : Korean Industrial Standards
영국 표준 규격	BS : British Standards
독일 공업 규격	DIN : Deutsche Industric Normen
미국 표준 규격	ASA : American Standard Association
일본 공업 규격	JIS : Japanese Industial Standards
국제표준화규격	ISO : International Organization for Standardization

◈ 한국 산업 규격

 

⊙ 기본 규격

 한국 산업 규격은 그 내용에 따라 기본 규격, 방법 규격 및 제품 규격으로 나뉜다. 기본 규격은 생산자와 소비자 사이에 전달 수단을 제공하기 위한 것으로, 주로 기술적 용어, 기호, 단위 등의 통일을 목적으로 제정한 규격이다. 방법 규격은 시험, 분석, 검사방법 등의 표준화를 위해 제정된 규격이며, 제품 규격은 제품의 종류, 형상, 품질, 성능, 치수 등에 대하여 제정한 규격이다. KS표시 허가제도는 공업 표준화를 위하여 제정된 산업 규격을 활용하게 하고 소비자를 보호하기 위한 제도로, 규격에 따라 제정된 상품에 그것이 규격에 맞게 제조되었다는 특별한 표시를 하는 것이다. 한국 산업 규격에 합당한 제품을 생산하고  KS표시를 원하는 기업에 대하여 정부가 심사한 다음 '마크'를 제품이나 포장에 표시할 수 있도록 허가하고 있다.

 이와 같이 KS가 붙어 있는 상품을 KS상품이라 하며, 그 품질은 정부에 의해 보증받게 된다. KS 허가를 받은 제조자는 자기 제품에 한국 산업 규격에 합당하다는 표시를 할 수 있는 반면에, 제품에 대한 책임을 지게 된다. 따라서 KS표시 허가를 받은 제조업체는 품질 보장에 필요한 기술적 생산 조건을 적절히 유지, 향상시키도록 노력해야 한다.

 

⊙ 산업 규격의 분류와 기호

 KS에서 규격의 분류를 표와 같이 A~X의 16부분으로 구분하고 있다. 이 중에서 기계재료의 KS규격은 B분문에 해당된다.

 

한국 산업 규격의 분류
분류기호	부문	분류기호	부문	분류기호	부문
A	기본 부문	F	토목 건축 부문	M	화학 부문
B	기계 부문	G	일용품 부문	P	의료 부문
C	전기 부문	H	식료품 부문	R	수송기계부문
D	금속 부문	K	섬유 부문	V	조선 부문
E	광산 부문	L	요업 부문	W	항공 부문
				X	정보 산업

 (2) 재료 기호

◈ 한국 산업 규격

 기계 부품에는 철강재료, 비철금속재료 및 비금속재료 등 다양한 기계재료가 사용되고 있다. 기계재료를 표기할 때에는 주철, 황동 등 일반적인 재료의 명칭 대신에 KS에서 규격으로 정하고 있는 기호를 사용한다. 규격이 제정되어 있지 않는 재료의 경우에는 재료명을 적접 기입한다.

 

◈ 재료 기호의 구성

 한국 산업 규격(KS)의 금속 부문(D)에서는 재료의 종류별로 화학 성분, 기계적 성질 및 용도에 따라 재료기호를 지정하고 있다. KS에서 정하고 있는 재료 기호는 일반적으로 영문자와 숫자로 구성하고 있으며, 다음의 세 부분으로 나누어 있다.

 

a) 처음 부분 : 재질을 나타내는 부분으로 영어표기의 머릿글자나 원소 기호 등으로 표기한다.

b) 중간 부분 : 규격명, 제품명, 형상별 종류나 용도를 나타내는 부분으로, 영어 표기의 머릿글자로 표기한다.

c) 끝 부분 : 재질의 종류 번호, 최저 인장강도를 숫자나 영문자로 표시한다. 경우에 따라서는 재료의 기호 끝 부분에 제조 방법, 모양, 열처리

                  상황 등을 덧붙여 표시한다.

 

◈ 기계재료의 종류와 재료의 기호

 한국 산업규격(KS)의 금속 부문(D)에는 기계재료의 종류별로 재료 기호가 정해져 있으므로, 각 부품의 기능에 적합한 재료의 기호를 선택하여 사용한다.

 

◈ 기계재료의 열처리 표시

 부품 전체에 열처리를 할 때에는, 부품란에 재질과 함께 열처리방법을 표시하거나 기입한다.

 

 < 재료 기호 구성의 보기 >

 보기1 : SS330 (일반 구조용 압연강재)

              S : 강 (steel)

               S : 일반 구조용 압연재 (general structural rolling plate)

                330 : 최저 인장 강도 (330 N/㎟ , 34㎏f/㎟)

 

 보기2 : HBsC1 (고강도 황동 주물)

              HBs : 고강도 황동 (high strength brass)

               C : 주조품 (castings)

                1 : 1종

 

 보기3 : SM20C (기계 구조용 탄소 강재)

              S : 강철 (steel)

               M : 기계 구조용 (machine structural use)

                20C : 탄소 함량 (0.15 ~ 0.25% 의 중간값)