챕터 5. 주철

챕터 5. 주철

1. 주철의 특성

     탄소 함유량이 2.11~6.68% C이며, 실용 주철의 일반적인 탄소 함유량은 2.5~4.5% C이다. 여기에 Si 1.0~2.0%, Mn 0.5~1.0%, P 1.0~0.3%,      S 0.05~0.01% 정도의 불순물을 포함한 철이다.

    용도로는 충격에는 약하나 압축강도가 크므로 공작기계의 베드, 프레임, 기계구조물의 몸체, 실린더에 쓰인다.

 (1) 주철의 성질

     장점 - 용융점이 낮고 유동성이 우수하다.

           - 녹이 잘 생기지 않는다.

           - 마찰저항 우수.

           - 압축강도 큼.

           - 주조성 양호, 절삭성 우수

           - 단위무게당 값이 싸다.

     단점 - 인장강도, 휨 강도가 작다.

           - 충격값, 연신율이 작다.

           - 가공이 어렵다.

  1) 물리적 성질

     비중은 C와 Si 등이 많을수록 작아지며, 용융점도 낮아진다. 흑연편이 클수록 자기 감응도가 나빠진다. 투자율을 크게 하기 위해서는 

    화합 탄소를 작게 하고 유리 탄소를 균일하게 분포시키는 것이 좋다. Si와 Ni의 양이 증가함에 따라 고유저항이 높아진다.

  2) 기계적 성질 

     페라이트, 펄라이트, 시멘타이트 및 흑연으로 된 조직의 상태와 흑연의 모양, 크기, 분포 및 양에 따라 현저한 차이를 가진다.

 (2) 주철의 조직

  1) 주철 중 탄소의 형상

     - 유리 탄소(흑연)

      탄소가 흑연으로 존재하며, Si가 많고 냉각속도가 느리며 주입 온도가 높을 때 생기며, 회색을 띠며, 경도가 작은 회주철.

      회주철의 조직은 페라이트 바탕 또는 페라이트+펄라이트 조직으로 흑연이 편상으로 존재.

     - 화합 탄소(Fe3C)

      탄소가 화합 탄소로 존재, Mn이 많고 냉각속도가 빠를 때 생긴다, 백색을 띠며 경도가 큰 백주철이다.

      백주철의 조직은 시멘타이트+펄라이트 조직

 

     주철 중의 탄소는 급냉 시 탄소는 시멘타이트로 서냉 시 탄소는 흑연으로 석출 된다.

     흑연 석출 시 안정평형상태라 하고, 시멘타이트 나올 시 준안정평형상태라 한다.

 

  2) 흑연화

     주철 조직에 Fe3C는 고온에서 불안정한 상태이다. 450~600°C에서 철과 흑연으로 분해하기 시작하여 750~800°C에서 

     Fe3C->3Fe+C로 완전히 분해되며 이것을 시멘타이트의 흑연화라 한다.

     - 흑연화 촉진제 : Ni, Ti, Co, Al, Si (암기 : 니티코알지)

     - 흑연화 방진제 : Mo, S, Cr, V, Mn, W (암기 : 모스크바 만원)

 

  3) 마우러조직도

     1924년 마우러가 만든 것으로 C와 Si량에 따른 주철의 조직도를 나타낸 것이다. 

 

  4) 주철의 성장

     A1 변태점 이상의 온도에서 장시간 방치하거나 다시 되풀이하여 가열하면, 점차 그 부피가 증가 된다.

     - 원인 : 펄라이트 조직 중의 Fe3C 분해에 따른 흑연화

               페라이트 조직 중의 Si의 산화

               A1변태의 반복과정에서 오는 체적변화에 기인되는 미세한 균열 발생

              흡수된 가스의 팽창에 따른 부피 증가

     - 방지법 : 흑연의 미세화로서 조직을 치밀하게 한다.

                  C 및 Si량을 적게 한다.

                 탄화안정화원소인 Cr, Mn, Mo, V 등을 첨가하여 펄라이트 중의 Fe3C 분해를 막는다.

                 편상 흑연을 구상흑연화시킨다.

  5) 주철의 조직에 미치는 원소의 영향

     주철의 5대 원소 : C, Mn, S, Si, P

 

     C 영향 : 탄소는 시멘타이트와 흑연 상태로 존재, 냉각속도가 늦을수록, Si량이 많을수록, Mn이 적을수록 흑연의 양이 많아진다.

               C양 증가 시 용융점 저하, 주조성 향상

     Si 영향 : Si를 첨가하면 흑연의 발생을 촉진하므로, 응고 수축이 적어 주조하기 쉬워진다. C와 같은 효과

     Mn 영향 : 황과 반응하여 황화망간으로 되어 S의 해를 제거하며 1%Mn 이상일 경우 주철의 질을 강하고 단단하게 만들어서

                  절삭성이 나빠지고, 수축률이 커지므로 1.5% 이상을 넘어서는 안되며 적당한 양은 내열성을 크게 한다.

     P 영향 : 쇳물의 유동성을 좋게 하고, 수축을 적게 하나 많으면 단단하고 균열이 생기기 쉽다.

     S 영향 : 유동성을 나쁘게 하여 주조작업이 곤란하며, 주조 시 수축률을 크게 하므로 기공을 만들기 쉽고, 응력을 크게 하여,

               균열이 생기기 쉽다. 흑연 생성 방해, 고온 취성 발생한다.

 

 (3) 주철의 열처리

     - 풀림 : 저온 풀림은 주조 응력 제거를 목적 고온 풀림은 주철을 연화하여 절삭성을 향상시키는것을 목적

     - 주조응력 : 주물은 두께가 고르지 못하여 응고 후 냉각속도가 불균일하여 수축이 부분적으로 억제된다.

     - 자연시효 : 주조 후 장시간 외기에 방치하여 두면 주조응력이 없어짐.

     - 보통 주철은 담금질, 뜨임이 되지 않는다. 주조응력 제거 또는 연화하여 절삭성을 향상시킬 목적으로 풀림 처리는 가능하다.

 

2. 주철의 종류와 용도

 (1) 보통주철

     - 회주철을 대표하는 주철로 페라이트와 편상흑연으로 되어있다.

     - 인장강도 10~20 kg/mm^2 정도로 낮으며, 기계가공성이 좋고 값이 싸다.

     - 두께가 얇은 것은 Si를 많이 넣지 않으면 백주철이 되어 가공이 어렵게 된다.

 

 (2) 고급주철

     - 편상흑연주철 중에서 인장강도가 25kg/mm^2 정도 이상의 주철이다.

     - 조직 : 흑연이 미세하고 활모양으로 구부러져 고르게 분포되어 있고 바탕이 펄라이트조직이므로 펄라이트주철이라고 부름.

     - 고급주철의 제조법: 란쯔법, 에멜법, 코오살리법, 피보와르스키법, 미한법

     - 미하나이트주철 : 저탄소, 저규소의 보통주철에 규소철(Fe-Si) 또는 칼슘실리케이트(Ca-Si)를 접종하여 흑연을 미세화시켜 강도를

                             높인 주철

 

 (3) 합금주철

     - 기계적 성질의 향상, 내열성, 내식성, 내마멸성, 내충격성 등의 특성을 크게 하기 위하여 보통주철에

      Ni, Cr, Mo, Si, Cu, V, B, Al, Mg, Ti 의 합금원소를 한 가지 또는 여러 원소를 첨가한 것.

 

 (4) 칠드주철

     - 주조할 때 모래 주형에 필요한 부분에만 금형을 이용하여 금형에 접촉된 부분만이 급냉에 의하여 경화되는 주철(=냉경주철)

     - 표면은 백주철(시멘타이트조직)로 마멸과 압축에 견딜 수 있도록 단단하며 내부는 회주철로 연성을 가진다.

 

 (5) 가단주철

     - 백주철을 장시간 열처리(풀림)하여 탄소의 상태를 분해 또는 소실시켜, 인성 또는 연성을 증가시킨 주철

     - 주강과 같은 정도의 강도를 가지며, 주조성과 피삭성이 좋고 다량생산에 적합하다.

 

 (6) 구상흑연주철

     - 주철이 강에 비해 강도와 연성 등이 나쁜 원인은 흑연이 편상으로 되어있기 때문이다. 

     - 보통주철 중에 Ce, Ca, Mg를 청가 처리하여 흑연을 구상화한 것이다.( 구상흑연주철=덕타일주철, 노듈라주철)

     - 구상흑연주철은 강인하고, 주조상태에서 구조용탄소강이나 주강에 가까우며 인장강도 50~70kg/mm^2으로 매우 크다.

     - 페이딩현상 : 구상화처리후 용탕상태로 방치하면 흑연구상화의 효과가 소실되어 편상흑연주철로 복귀되는 현상.

 

3. 주강

 주조방법에 의하여 용강을 주형에 주입하여 만든 제품을 주강품 또는 강주물이라 하며 그 재질을 주강이라 한다.

 - 대량생산에 적합하다.

 - 기계적 성질이 우수하며, 용접에 의한 보수가 용이.

 - 형상이 크거나 복잡하여 단조품으로 만들기가 곤란하거나, 주철로는 강도가 부족할 경수 사용

 - 용융점이 높고 수축률이 커서 주조하기 어렵다.

 - 주강은 주조한 상태로는 조직이 거칠고 메짐성을 가지므로 주조 후에는 완전풀림을 실시하여 조직 미세화, 주조응력을 제거해야 한다.