주철의 종류

주철의 종류

이 장에서는 다양한 유형의 주철 주조에 대해 논의합니다.

회주철 주조

회주철의 특징은 그래픽 미세구조로, 소재에 균열을 유발하고 회색 외관을 나타낼 수 있다는 것입니다. 회주철은 가장 일반적으로 사용되는 주철이며, 중량 기준으로도 가장 널리 사용되는 주조 소재입니다. 대부분의 회주철은 2.5%에서 4%의 탄소, 1%에서 3%의 실리콘으로 화학적 분해되며, 나머지는 철로 구성됩니다.

이 유형의 주철은 강철에 비해 인장 강도와 충격 저항성이 낮습니다. 압축 강도는 저탄소강 및 중탄소강과 유사합니다.

이러한 모든 기계적 특성은 회주철의 미세 구조에 존재하는 흑연 플레이크의 모양과 크기에 의해 제어됩니다.

백철 주조

이 유형의 철은 시멘타이트라는 탄화철 침전물로 인해 흰색의 파단면을 가집니다. 백색 주철에 포함된 탄소는 흑연이 아닌 안정상 시멘타이트로 용융물에서 침전됩니다. 이는 흑연화제인 규소 함량을 낮추고 냉각 속도를 빠르게 함으로써 가능합니다. 이 침전 후 시멘타이트는 큰 입자로 형성됩니다.

탄화철이 석출되는 동안, 석출물은 원래 용융물에서 탄소를 끌어내어 혼합물을 공정 혼합물에 더 가까운 상태로 만듭니다. 남은 단계는 철을 탄소 오스테나이트로 환원시키는 것으로, 이 탄소 오스테나이트는 냉각되면 마르텐사이트로 변태합니다.

이러한 공정 탄화물은 석출 경화의 이점을 제공하기에는 너무 큽니다. 일부 강에서는 훨씬 작은 시멘타이트 석출물이 존재하여 순수한 철 페라이트 기지를 통한 전위의 이동을 방해함으로써 소성 변형을 지탱할 수 있습니다. 이러한 석출물은 자체 경도와 부피 분율로 인해 주철의 체적 경도를 증가시킨다는 장점이 있습니다. 따라서 혼합물의 법칙으로 체적 경도를 근사할 수 있습니다.

이러한 경도는 어떤 경우에도 인성을 희생하여 제공됩니다. 백주철은 일반적으로 시멘트로 분류되는데, 이는 탄화물이 재료의 더 큰 부분을 차지하기 때문입니다. 백주철은 구조용 부품에는 너무 취성이 강하지만, 경도가 우수하고 내마모성이 뛰어나며 가격이 저렴하기 때문에 슬러리 펌프의 마모 표면으로 사용할 수 있습니다.

두꺼운 주물을 백주철로 응고시키기에 충분한 빠른 속도로 냉각하는 것은 어렵습니다. 하지만 급속 냉각을 사용하면 백주철을 응고시킬 수 있으며, 그 후 나머지 부분은 더 느린 속도로 냉각되어 회주철의 중심부를 형성합니다. 이렇게 생성된 주물을 칠드 ​​캐스팅(chilled casting)이라고 하며, 표면은 단단하지만 내부는 더 질긴 장점을 가지고 있습니다.

고크롬 백철 합금은 약 10톤 임펠러의 대형 주조를 사형 주조로 가능하게 했습니다. 이는 크롬이 소재의 두께가 두꺼워질수록 탄화물 생성에 필요한 냉각 속도를 줄여주기 때문입니다. 크롬 원소를 사용하면 내마모성이 우수한 탄화물도 생산됩니다.

가단주철 주조

가단 주철은 백주철 주물로 시작하여 약 950°C의 온도에서 2일 또는 1일 동안 열처리를 한 후 같은 시간 동안 냉각합니다.

탄화철의 탄소는 이러한 가열 및 냉각 과정을 통해 흑연과 페라이트, 그리고 탄소로 변환됩니다. 이는 낮은 공정이지만, 표면 장력을 통해 흑연이 박편이 아닌 구형 입자로 변형될 수 있습니다.

구형체는 종횡비가 낮아 상대적으로 짧고 서로 멀리 떨어져 있습니다. 또한 단면적이 작고, 균열이 전파되며, 광자를 포함하고 있습니다. 편상과는 달리, 구형체는 무딘 경계면을 가지고 있어 회주철에서 발생하는 응력 집중 문제를 완화하는 데 기여합니다. 전반적으로 가단 주철의 특성은 온화한 강철과 유사합니다.

연성 주철 주조

때때로 구상흑연주철(nodular cast iron)이라고도 불리는 이 주철은 매우 작은 결절(nodule) 형태의 흑연을 가지고 있으며, 흑연은 동심원상의 층들을 이루며 결절을 형성합니다. 이로 인해연성 주철흑연 조각에 의해 발생하는 응력 집중 효과가 없는 스펀지 강철입니다.

탄소의 농도는 약 3~4%, 실리콘의 농도는 약 1.8~2.8%입니다. 0.02~0.1%의 소량의 마그네슘과 0.02~0.04%의 세륨을 이 합금에 첨가하면 흑연 레인 가장자리와의 결합을 통해 흑연 침전이 커지는 속도가 느려집니다.

탄소는 재료가 응고될 때 구형 입자로 분리될 가능성이 있는데, 이는 다른 원소들을 신중하게 제어하고 공정 중 적절한 타이밍을 맞추기 때문입니다. 생성된 입자는 가단 주철과 유사하지만, 더 큰 단면을 가진 부품을 주조할 수 있습니다.

합금 원소

주철의 특성은 다양한 합금 원소 또는 합금화제를 첨가하여 변화됩니다. 탄소와 마찬가지로 규소도 탄소를 용액 밖으로 밀어내는 능력이 있기 때문에 탄소와 같은 원소입니다. 규소의 함량이 낮으면 탄소가 용액에 남아 탄화철을 형성하고 백주철을 생성하기 때문에 이러한 능력을 완전히 발휘할 수 없습니다.

규소의 함량이나 농도가 높을수록 탄소를 용액에서 밀어내 흑연을 형성하고 회주철을 생성할 수 있습니다. 언급되지 않은 다른 합금제로는 망간, 크롬, 티타늄, 그리고 바나듐이 있습니다. 이러한 합금은 규소의 작용을 방해하고, 탄소의 유지를 촉진하여 탄화물 형성을 촉진합니다. 니켈과 구리는 강도와 가공성을 향상시킨다는 장점이 있지만, 탄소의 생성량을 변화시킬 수는 없습니다.

흑연 형태의 탄소는 철의 연성을 높여 수축 효과를 감소시키고, 강도를 저하시키며, 함유된 밀도를 감소시킵니다. 황은 함유될 경우 대부분 오염 물질이며, 황화철을 형성하여 흑연 형성을 방해하고 경도를 증가시킵니다.

유황의 단점은 용융 주철의 점성을 높여 결함을 유발한다는 것입니다. 유황의 영향을 완화하고 제거하기 위해 용액에 망간을 첨가합니다. 이는 두 물질이 결합하면 황화철 대신 황화망간이 생성되기 때문입니다. 생성된 황화망간은 용탕보다 가벼워 용탕 밖으로 떠올라 슬래그에 섞이는 경향이 있습니다.

황의 영향을 상쇄하는 데 필요한 대략적인 망간의 양은 황 함량 1.7 단위에 0.3%를 더 첨가하는 것입니다. 이보다 많은 양의 망간을 첨가하면 탄화망간이 형성되어 경도와 냉각성이 증가합니다. 단, 회주철의 경우 최대 1%의 망간 첨가로 강도와 밀도가 증가할 수 있습니다. 니켈은 펄라이트와 흑연의 조직을 미세화하는 경향이 있어 인성을 향상시키고 단면 두께 간 경도 차이를 균일하게 하는 가장 일반적인 합금 원소 중 하나입니다.

크롬은 유리 흑연을 감소시키고 칠(chill)을 생성하기 위해 소량 첨가됩니다. 이는 크롬이 강력한 탄화물 안정제이며, 경우에 따라 니켈과 함께 작용할 수 있기 때문입니다. 크롬의 경우, 소량의 주석을 대체하여 첨가할 수도 있습니다. 구리는 레이들(ladle)이나 용광로에 0.5%에서 2.5% 정도 첨가하여 칠을 낮추고, 흑연을 정련하며, 유동성을 증가시킵니다. 몰리브덴은 칠을 증가시키고, 흑연을 정련하며, 펄라이트 구조를 미세화하기 위해 0.3%에서 1% 정도 첨가할 수도 있습니다.

일반적으로 니켈, 구리, 크롬과 함께 첨가되어 고강도 주철을 생산합니다. 티타늄 원소는 탈기제 및 탈산제 역할을 하며 유동성을 높이기 위해 첨가됩니다. 바나듐 원소는 주철에 0.15%에서 0.5% 비율로 첨가되어 시멘타이트를 안정화하고 경도를 높이며 마모 및 열 영향에 대한 저항성을 향상시킵니다.

지르코늄은 흑연 형성에 도움이 되며 약 0.1%에서 0.3%의 비율로 첨가됩니다. 이 원소는 또한 산화를 제거하고 유동성을 증가시키는 데 도움이 됩니다. 가단주철 용융물에는 실리콘 첨가량을 늘리기 위해 비스무트를 0.002%에서 0.01%의 비율로 주입합니다. 백주철에는 붕소 원소가 첨가되는데, 이는 가단주철 생성을 돕고 비스무트 원소의 조대화 효과를 감소시킵니다.