주강 생산: 핵심 특성, 조성, 성능

주조소에서의 시험과 검사

주강은 최대 탄소 함량 약 0.75%의 철계 합금. 강철 주조품은 액체 강철로 몰드 내 빈 공간을 채워 생산되는 고체 금속 객체. 단조 금속으로 생산 가능한 많은 탄소강과 합금강 등급으로 이용 가능. 주강 기계적 특성은 일반적으로 단조강보다 낮으나 화학 조성 동일. 주강은 복잡한 형상을 더 적은 단계로 형성할 수 있어 이 단점 보완.

주강 특성

주강은 광범위한 특성으로 생산 가능. 주강 물리적 특성은 화학 조성과 열처리에 따라 크게 달라지며, 의도된 용도 성능 요구사항에 맞춰 선택.

경도(Hardness)
소재 마모 저항 능력. 탄소 함량이 강철 최대 경도(경화성) 결정.

강도(Strength)
소재 변형에 필요한 힘. 탄소 함량과 경도 높을수록 고강도 강철.

연성(Ductility)
인장 응력 하 금속 변형 능력. 탄소 함량 낮고 경도 낮을수록 고연성 강철.

인성(Toughness)
응력 견딤 능력. 연성 증가 보통 인성 향상과 연관. 합금 원소 첨가와 열처리로 인성 조정 가능.

내마모성(Wear Resistance)
마찰과 사용에 대한 저항. 주강은 유사 조성 단조강과 비슷한 내마모성. 몰리브덴, 크롬 등 합금 원소 첨가로 내마모성 향상 가능.

내식성(Corrosion Resistance)
산화와 녹에 대한 저항. 주강은 단조강과 유사 내식성. 크롬, 니켈 고함량 고합금강은 고내산화성.

가공성(Machinability)
절삭, 연마, 드릴링 등 가공으로 주강 주조품 형상 변경 용이성. 경도, 강도, 열전도율, 열팽창 영향.

용접성(Weldability)
결함 없이 용접 가능성. 주로 주강 화학 조성과 열처리 의존.

고온 특성(High-temperature Properties)
주변 온도 초과 작동 강철은 산화, 수소 손상, 아황산 스케일링, 탄화물 불안정으로 기계적 특성 저하, 조기 파손.

저온 특성(Low-temperature Properties)
주강 인성은 저온에서 심각 저하. 합금화와 특수 열처리로 주조품 하중·응력 견딤 능력 개선 가능.

주강 화학 조성

주강 화학 조성은 성능 특성에 큰 영향, 강철 분류나 표준 지정 기초로 자주 사용. 주강은 탄소 주강과 합금 주강 두 대분류로 나눔.

탄소 주강(Carbon Cast Steel)

단조강처럼 탄소 주강도 탄소 함량 따라 분류. 저탄소 주강(0.2% C) 비교적 연하고 열처리 난이도 높음. 중탄소 주강(0.2~0.5% C) 다소 단단하고 열처리로 강화 가능. 고탄소 주강(0.5% C) 최대 경도와 내마모성 원할 때 사용.

합금 주강(Alloyed Cast Steel)

합금 주강은 저합금, 고합금으로 분류. 저합금 주강(≤8% 합금 함량) 일반 탄소강 유사 거동이나 경화성 높음. 고합금 주강(>8% 합금 함량) 내식성, 내열성, 내마모성 등 특정 특성 생성 목적 설계.

일반적 고합금강: 스테인리스강(>10.5% 크롬), 해드필드 망간강(11~15% 망간). 크롬 첨가는 산소 노출 시 크롬 산화물 패시베이션 층 형성으로 스테인리스강 우수 내식성 부여. 해드필드강 망간 함량은 가공 경화 시 고강도, 내마모성 제공.

ASTM	화학 요구사항					인장 요구사항
강철 등급	탄소	망간	규소	황	인	인장 강도	항복점	2인치 신율	단면 수축률
	최대 % / 범위					최소 ksi [MPa] / 범위		최소 %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, N-1 등급	0.25	0.75	0.80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, N-2 등급	0.35	0.60	0.80	0.06	0.05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, U60-30 등급	0.25	0.75	0.80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, 60-30 등급	0.30	0.60	0.80	0.06	0.05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, 65-35 등급	0.30	0.70	0.80	0.06	0.05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, 70-36 등급	0.35	0.70	0.80	0.06	0.05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, 70-40 등급	0.25	1.20	0.80	0.06	0.05	70 [485]	40 [275]	22	30
ASTM A27, 70-40 등급	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, 80-40 등급	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, 80-50 등급	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, 90-60 등급	N/A	N/A	N/A	0.06	0.05	90 [620]	60 [415]	20	40
ASTM A148, 90-60 등급	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, WCA 등급	0.25	0.70	0.60	0.045	0.04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, WCB 등급	0.30	1.00	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, WCC 등급	0.25	1.20	0.60	0.045	0.04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

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주강 등급

강철 등급은 ASTM International, 미국철강협회, 자동차기술자협회 등 표준화 기구가 특정 화학 조성과 결과적 물리적 특성 가진 강철 분류 위해 생성. 주조소는 사용자 특정 특성 수요 충족이나 특정 생산 등급 표준화 위해 자체 내부 등급 개발하기도 함.

단조강 사양이 주 합금 원소로 다양한 주강 합금 분류에 자주 사용되나, 주강이 반드시 단조강 조성 따르는 건 아님. 실리콘과 망간 함량은 주강에서 단조 대응물보다 자주 높음. 주요 높은 실리콘·망간 외에 합금 주강은 주조 공정 중 탈산 위해 알루미늄, 티타늄, 지르코늄 사용. 알루미늄은 효과와 상대적 저비용으로 주로 탈산제로 사용.

주강 생산

강철 주조 관행은 1750년대 후반으로 거슬러 올라가 타 금속 주조보다 훨씬 늦음. 강철 고융점과 금속 용해·가공 기술 부족으로 강철 주조 산업 발전 지연. 이 과제들은 용해로 기술 발전으로 극복.

용해로는 내화물 라이닝 용기로 '차지(charge)'(용해할 소재) 담고 용해 에너지 공급. 현대 강철 주조소에서 두 용해로 유형 사용: 아크로와 유도로.

전기 아크로(Electric Arc Furnace)

전기 아크로는 흑연 전극 간 아크로 '히트(heats)'라 불리는 금속 배치를 용해. 차지가 전극 사이 직접 통과하며 지속적 전기 방전 열에너지 노출.

전기 아크로는 탭투탭(tap-to-tap) 운전 사이클 따름:

용해로 충전(Furnace Charging)
강철 스크랩과 합금 투입.

용해(Melting)
용해로 내부에 에너지 공급해 강철 용해. 전기 에너지는 흑연 전극 통해 공급되며 강철 용해 작업 최대 기여. 화학 에너지는 산소-연료 버너와 산소 랜스로 공급.

정련(Refining)
용해 과정 중 불순물과 용해 가스 제거 위해 산소 주입.

탈슬래그(De-slagging)
탭아웃 전 바람직하지 않은 불순물 포함 흔한 과다 슬래그 배스에서 제거. 탈슬래그는 주입 전 레이들 내에서도 수행 가능.

탭아웃(Tapping)
용해로 기울여 금속을 레이들 같은 이송 용기에 붓기.

용해로 턴어라운드(Furnace Turn-around)
탭아웃 완료와 다음 차지 사이클 준비.

이 공정 다양한 단계에서 추가 단계 수행해 강철 추가 탈산, 주입 전 슬래그 제거. 연장된 탭아웃 중 합금 고갈 고려해 강철 화학 조성 조정 필요할 수 있음.

유도로(Induction Furnace)

유도로는 유도로 열에너지 전달 전기 용해로. 구리 코일이 비전도성 차지 용기 감싸고, 교류 전류 코일 통과로 차지 내 전자기 유도 생성.

유도로는 대부분 금속 용해 가능, 최소 용해 손실로 운전 가능. 단점: 금속 정제 거의 불가능. 아크로와 달리 강철 변환 불가.

현대 강철 주조소는 주조 생산 비용과 환경 영향 줄이기 위해 재활용 강철 스크랩 자주 활용. 폐차, 기계 부품 등 분리·크기조정·출하되어 주조소 스크랩으로. 이는 주조 공정 중 발생 내부 스크랩, 다양한 합금 원소와 결합해 용해로 차지.

열처리(Heat Treatment)

주조품 고체화, 몰드 제거, 세척 후 주강 물리적 특성 적절 열처리로 개발.

어닐링(Annealing)
강철 주조품 특정 온도 가열, 특정 기간 유지, 매우 천천히 냉각.

노말라이징(Normalizing)
어닐링 유사하나 강철 주조품 개방 공기 중 냉각, 때로 팬 사용. 주조품 더 높은 강도 달성 도움.

담금질(Quenching)
노말라이징 유사하나 강제 공기, 물, 오일 등 퀜칭 매체 사용해 훨씬 빠른 속도 냉각.

템퍼링(응력 완화, Tempering/Stress Relieving)
주조품 내 내부 응력 완화 기법. 주조 공정이나 노말라이징·담금질 같은 강화·경화 열처리 중 발생 가능. 응력 완화는 어닐링 온도 훨씬 아래 온도로 가열, 유지, 천천히 냉각.

주강 검사

강철 주조품은 치수 정밀도, 주조 표면 마감 상태, 내부 건전성 등 특정 물리적 특성 검증 위해 검사받는 경우 많음. 추가로 화학 조성도 검사 필요. 화학 조성은 미량 합금 원소 첨가로 크게 영향받음. 주강 합금은 화학 조성 변동 취약해 주조 전 정확한 화학 조성 검증 위해 화학 분석 필수. 소량 용융 금속 몰드에 부어 분석.

치수 정밀도(Dimensional Accuracy)

치수 검사는 생산된 주조품이 고객 치수 요구사항과 공차(가공 여유 포함) 충족 확인 위해 수행. 내부 치수 측정 위해 시료 주조품 파괴 필요할 수 있음.

표면 마감 상태(Surface Finish Condition)

주조 표면 마감 검사는 주조품 미적 외관 탐색. 육안으로 명확치 않은 표면 및 표면 하 결함 탐지. 강철 주조품 표면 마감은 패턴 유형, 몰딩 모래, 몰드 코팅, 주조품 무게, 세척 방법 영향받을 수 있음.

내부 건전성(Internal Soundness)

모든 주조품은 어느 수준 결함 존재, 건전성 사양이 허용 결함 임계값 결정. 최대 허용 결함 수준 과도 지정 시 스크랩률과 주조 비용 상승. 과소 지정 시 파손 우려.

강철 주조품에서 발생하는 세 가지 흔한 내부 결함:

기공(Porosity)
매끄럽고 광택 있는 내부 벽 특징 강철 주조품 내부 보이드. 주조 공정 중 가스 발생이나 가스 포집 결과 일반적.

개재물(Inclusions)
주조품 내 이물질 조각. 금속간, 금속간 화합물, 비금속 가능. 몰드 내부(파편, 모래, 코어 소재)서 오거나 주조 주입 중 몰드 유입 가능.

수축(Shrinkage)
주조품 내부 전형적 공극 또는 저밀도 구역. 응고 공정 중 공급 금속 부족한 용융 금속 아일랜드 원인. 수축 공동은 거친 결정질 내부 표면 특징.

화학 분석(Chemical Analysis)

주강 화학 분석은 보통 습식 화학 분석법이나 분광 화학 분석법 수행. 습식 화학 분석은 소형 시편 조성 결정이나 생산 후 제품 분석 검증에 주로 사용. 반면 분광계 분석은 바쁜 생산 주조소 환경에서 대형 시료 화학 조성 일상적·신속 결정에 적합. 주조소는 히트 레벨과 제품 레벨 모두 화학 분석 수행 가능.

히트 분석(Heat Analysis)

히트 분석 중 용해로에서 소량 액체 주강 레이들로 떠내 굳힌 후 분광 화학 분석으로 화학 조성 분석. 합금 원소 조성 부정확 시 주조 전 용해로나 레이들에서 신속 조정 가능. 일단 정확하면 히트 분석은 일반적으로 전체 히트 금속 조성 정확한 대표로 간주. 하지만 합금 원소 편석, 강철 히트 부어내는 시간 등으로 화학 조성 변동 예상. 주입 과정 중 특정 원소 산화 발생 가능.

제품 분석(Product Analysis)

제품 분석은 개별 주조품 조성이 적용 사양 완전히 부합하지 않을 수 있어 특정 화학 분석 검증 위해 수행. 히트 분석이 정확한 강철 히트에서 부었더라도 발생 가능. 업계 관행과 표준은 히트 분석과 제품 분석 간 일정 변동 허용.

주강 시험

주강 조성과 열처리 변경으로 탄소·합금강 주조품 다양한 기계적 특성 달성 가능. 주조소는 제품 완성 전 기계적 특성 확인 위해 특수 시험법 활용.

주강 시험에는 산업에서 파괴 시험과 비파괴 시험 두 유형 사용. 파괴 시험(Destructive Testing)은 시험 주조품 파괴해 내부 건전성 육안 판단. 이 방법은 시험한 조각 상태만 정보 제공, 다른 조각 건전성 보장 안 함. 비파괴 시험(Non-destructive Testing)은 주조품 손상 없이 내부·외부 건전성 검증. 시험 통과하면 의도된 용도 사용 가능.