주철과 주철의 종류

1. 주철 : 2.11% 이상의 탄소를 함유하는 철의 합금. 단단하기는 하나 부러지기 쉽다. 주조하기가 쉬워 공업용 재료로 많이 쓰인다.

 

   1) 장점

      ⓐ 주조성 : 용해온도가 강에 비해 낮으며 용융금속의 유동성이 좋아 주조성이 좋고, 크고 복잡한 제품도 가능하다.

      ⓑ 금속재료 중에서 단위무게당의 값이 싸다.

      ⓒ 내마모성 : 자체의 흑연이 윤활제 역할을 하고 기름을 흡수하므로 내마멸성이 커진다. 펄라이트 부분이 많을수록 마멸이 적으며 자동차의 브레이크 드럼, 실린더 등에 많이 사용된다. 

      ⓓ 기계적 성질 : 인장강도, 휨 강도 및 충격값은 작으나 압축강도는 크다.

      ⓔ 감쇠능 및 내식성 : 진동 흡수능력이 강에 비해 대단히 크고 이러한 특징 때문에 기어, 기어박스, 기계 몸체에 많이 사용된다.

 

2. 주철의 종류 : 보통주철(회주철), 고급주철(펄라이트 주철, 미이하나이트 주철), 특수주철(구상흑연주철, 칠드주철, 가단주철, 합금주철)로 나눈다.

 

   1) 회주철 : 대부분의 탄소가 흑연으로 정출된 상태이며, 용탕의 응고속도가 느릴때 생성된다. 응고속도가 느리기 때문에 흑연화가 충분히 진행되었다. Si 함량이 백주철보다 높다. (페라이트 + 펄라이트 + 편상흑연)

   2) 백주철 : 모든 탄소가 시멘타이트로 존재하며 용탕의 응고속도가 빠를 때 나타난다. 응고속도가 빠르기 때문에 흑연화가 진행되지 못해 탄소가 시멘타이트로 존재한다. (시멘타이트 + 펄라이트)

   3) 반주철 : 파면이 회색과 백색의 중간인 색상

   4) 보통주철 : 인장강도가 10~20kg/mm2. 두께가 얇은 것은 규소를 많이 넣지 않으면 백주철이 되어 가공이 어렵다. 일반 기계부품, 수도관, 난방용품, 가정용품, 농기구에 사용

   5) 고급주철 : 회주철 중 인장강도 25kg/mm2이상. 흑연이 미세하고 균일하게 분포한 조직으로 바탕은 펄라이트며 펄라이트 주철이라고도 한다.

   6) 합금주철 : 주철의 여러가지 성질을 향상시키기 위해 특정한 합금원소를 첨가한 주철로서 강도, 내열성, 내부식성, 내마멸성 등을 개선한 주철이다. 합금 주철은 첨가 원소의 함유량에 따라 저합금 주철과 고합금 주철로 분류된다. 

      ※ 합금원소의 영향 

         ⓐ 구리 (Cu) : 경도가 커지고 내마모성, 내부식성이 좋아진다.

         ⓑ 크롬 (Cr) : 펄라이트 조직이 미세화되고 경도, 내열성, 내부식성이 증가된다. 

         ⓒ 몰리브덴 (Mo) : 흑연을 방지하며 흑연을 미세화하고 경도와 내마모성을 증대시킨다.

         ⓓ 니켈 (Ni) : 얇은 부분의 Chill을 방지하고 동시에 두꺼운 부분의 조직이 억세게 되는 것을 방지하며 내열성, 내산성이 좋아진다.

         ⓔ 티타늄 (Ti) : 탈산제이며 흑연화를 촉진한다. 0.3% 이하 첨가하면 고탄소, 고규소 주철의 강도를 높인다.

   7) 고합금 주철 : 내열용이나 내산용 또는 높은 강도를 요구하는 특수목적에 사용되는 주철

   8) 미이하나이트 주철 

      ⓐ 흑연의 형을 미세하고 균일하게 분포되도록 규소 또는 규소-칼슘분말을 접종한 주철. 탄소량을 감소

      ⓑ 바탕이 펄라이트이고 인장강도 35~45kg/mm2

      ⓒ 담금질할 수 있어 내마멸성이 요구되는 공작기계의 안내면과 강도를 요하는 기관의 실린더에 사용

   9) 구상흑연주철 

      ⓐ 정의 : 보통 주철은 흑연이 편상으로 되어 있어 내부 균열의 역할을 하고 있어 강도와 연성이 떨어진다. 이러한 결점을 개선하기 위해 편상흑연을 큐폴라 또는 전기로에서 용해한 다음 주입 직전에 Ce(세슘), Ca(칼슘), Mg(마그네슘)을 첨가하여 흑연을 구상화한 것이 구상흑연주철이며 탄소강에 유사한 기계적 성질을 갖는다. 노듈라 주철, 덕타일 주철이라고도 한다. 

      ⓑ 특징 : 편상 흑연의 결점을 개선하여 강도와 연성이 우수하다. 주조상태에서 흑연을 구상화한다. 열처리를 통해 조직을 개선할 수 있다.

      ⓒ 제조방법 

          ① 큐폴라 또는 전기로에서 선철, 강 Scrap을 적절히 배합하여 용해함

          ② 탈황 시킴 (0.02% 이하)

          ③ 흑연을 구상화 시킴 (Ce, Ca, Mg 첨가)

          ④ 시멘타이트 분해를 위해 풀림 처리를 한다.

   10) 칠드주철 

      ⓐ 정의 : 주형에 쇳물을 주입했을 때 주물의 표면이 주조과정에서 급랭으로 인해 경도가 높은 백주철로 되는 것을 Chill이라 하고 그 재질을 칠드주철이라 한다. 

      ⓑ 특징 : 냉각속도의 차이에 의해 내외부의 조직이 다르며 내충격성이 있다. 내부는 회주철로 조성되어 연성이 있다. 표면은 백주철로 조성되어 마멸과 압축에 잘견딘다. 사형과 금형을 동시에 사용한 냉강주형에서 조성

   11) 가단주철

      ⓐ 정의 : 보통 줠의 결점인 약한 인성을 개선하기 위해 백주철을 고온에서 장시간 열처리하여 시멘타이트 조직을 분쇄하여 인성 또는 연성을 개선한 주철이며 흑연화된 시멘타이트로 인해 파단면이 검은 흑심가단주철, 파단면이 흰색인 백색가단주철 및 펄라이트 가단주철이 있다.

      ⓑ 특징 : 탄소강과 유사한 정도의 강도, 주조성과 피삭성이 좋다. 대량 생산에 적합. 보통 주철의 취성을 개선

      ⓒ 종류 

         ① 흑심가단주철 : 일반적으로 많이 이용되는 가단주철로서 백주철 주물을 열처리에서 가열하여 2단계의 흑연화처리(풀림)에 의해 시멘타이트를 분해시켜 흑연을 입상으로 석출시켜 제조하며 대량 생산에 적합하다.

         ② 펄라이트 가단주철 : 흑심가단주철의 2단계 흑연화 처리 중 1단계인인 850~950'c에서 30~40시간 유지하여 서랭한 것으로 그 조직은 뜨임된 탄소와 펄라이트로 되어 있어 강력하고 내마모성이 좋다.

         ③ 백심가단주철 : 백선 주물을 산화철 분말 등의 산화제로 싸서 풀림상자에 넣고 900~1000'c의 고온에서 장시간 가열 유지하여 백주철을 탈탄시켜 가단성을 부여한 것으로 단면이 희고 굳으며 강도는 흑심가단주철에 비해 높고 연신율은 작다.

 

※ 마우러 조직도

주철의 조직은 탄소, 규소의 함량과 용탕의 냉각속도에 따라 다르다. 특히 규소의 함량이 많으면 시멘타이트가 만들어지기 어렵다. 따라서 백주철은 규소 함량이 적고, 규소 함량이 많은 회주철은 흑연이 존재한다. 이렇게 탄소와 규소의 함량에 따에 따라 주철의 조직이 어떻게 변하는지를 나타낸 선도를 마우러 조직도라 한다.

마우러 조직도