주철 소개:역사, 유형, 특성 및 용도

다재다능한 금속 주철은 상업 및 산업 분야에서 고유한 응용 분야가 많습니다.

일상 생활에서 철의 존재는 약 기원전 1200년에 시작되었으며 농기구에서 전쟁 무기에 이르기까지 광범위한 용도를 포함합니다. 대장장이는 철을 사용하여 속성을 바꾸고 재료를 도구로 만드는 중요한 직업이 되었습니다. 모든 마을과 마을에는 낫, 보습, 못, 칼, 촛대 등을 생산하는 대장간이 있었습니다.

철의 가치가 발견되면서 사회 및 군사 분야에서 철의 지배력으로 인해 철기 시대로 알려지게 되었습니다. 금속에 대한 또 다른 이정표가 뒤따를 것입니다. 산업 혁명은 금속이 생산되고 철을 포함한 제품으로 가공되는 방식을 변화시켰습니다.

철의 종류

생산되는 철에는 연철과 주철의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 그 중 주철에는 자체 금속 계열이 포함됩니다.

연철

대장장이가 생산하고 가공한 최초의 철은 단철이었습니다. 모루에서 망치로 가공(가공)되기 전에 용광로에서 가열되는 사실상 순수한 원소 철(Fe)입니다. 망치질 철은 재료에서 대부분의 슬래그를 배출하고 철 입자를 함께 용접합니다.

산업 혁명과 건설 활동의 가속화 동안 연철의 새로운 용도가 발견되었습니다. 높은 인장 강도(장력이 가해질 때 파손에 대한 저항)로 인해 교량 및 고층 건물과 같은 대형 건설 프로젝트의 빔에 사용하기에 이상적입니다. 그러나 이러한 용도의 연철 사용은 20세기 초 건설용 철보다 우수한 성능의 철강 제품이 개발되면서 대부분 포기되었습니다.

연철은 장식용 조각으로 유명해졌습니다. 15세기와 16세기의 교회에는 숙련된 장인이 만든 고급 연철 조각이 있습니다. 현대 세계에서 난간, 문, 벤치는 여전히 철제로 맞춤 제작됩니다.

주철

주철은 탄소 함량이 2% 이상인 철-탄소 합금을 제련하여 생산됩니다. 제련 후 금속을 금형에 붓습니다. 연철과 주철 생산의 주요 차이점은 주철은 망치와 도구로 작업하지 않는다는 것입니다. 주철은 2~4%의 탄소 및 기타 합금과 1~3%의 실리콘을 함유하여 용탕의 주조 성능을 향상시키는 구성의 차이도 있습니다. 소량의 망간과 황 및 인과 같은 일부 불순물도 존재할 수 있습니다. 연철과 주철의 차이점은 화학 구조 및 물리적 특성의 세부 사항에서도 찾을 수 있습니다.

강철과 주철은 모두 미량의 탄소를 함유하고 비슷해 보이지만 두 금속 사이에는 상당한 차이가 있습니다. 강철에는 2% 미만의 탄소가 포함되어 있어 최종 제품이 단일 미세결정 구조로 응고될 수 있습니다. 주철의 탄소 함량이 높다는 것은 주철이 불균일 합금으로 응고된다는 것을 의미하므로 재료에 하나 이상의 미세 결정 구조가 존재합니다.

주철에 우수한 주조성을 부여하는 것은 높은 탄소 함량과 규소의 존재의 조합입니다. 회주철, 백주철, 가단성 철, 연성 철, 압축 흑연 철 등 다양한 열처리 및 가공 기술을 사용하여 다양한 유형의 주철이 생산됩니다.

회색 철

회주철은 금속에 있는 흑연 분자의 플레이크 모양이 특징입니다. 금속이 파손되면 흑연 플레이크를 따라 파손이 발생하여 파손된 금속 표면에 회색이 나타납니다. 회주철이라는 이름은 이러한 특성에서 따온 것입니다.

냉각 속도 및 조성을 조정하여 생산 중 흑연 플레이크의 크기 및 매트릭스 구조를 제어할 수 있습니다. 회주철은 다른 형태의 주철만큼 연성이 아니며 인장 강도도 낮습니다. 그러나 더 나은 열 전도체이며 더 높은 수준의 진동 감쇠가 있습니다. 강철보다 20~25배 높고 다른 모든 주철보다 우수한 감쇠 용량을 가지고 있습니다. 회주철은 또한 다른 주철보다 기계 가공이 용이하고 내마모성으로 인해 가장 많은 양의 주철 제품 중 하나입니다.

당사의 hardscape 제품은 회주철로 만들어졌습니다. 진동 감쇠 및 내마모성은 많은 거리 응용 분야에 적합한 재료로 만드는 특성입니다. 회주철은 또한 야외에서도 파괴적인 부식으로부터 안전하게 유지하는 녹청을 생성합니다.

화이트 아이언

적절한 탄소 함량과 높은 냉각 속도로 탄소 원자는 철과 결합하여 탄화철을 형성합니다. 이것은 응고된 물질에 유리 흑연 분자가 거의 또는 전혀 없음을 의미합니다. 백철이 전단되면 흑연이 없기 때문에 파단면이 하얗게 보입니다. 세멘타이트 미결정 구조는 단단하고 부서지기 쉽고 높은 압축 강도와 우수한 내마모성을 가지고 있습니다. 특정 특수 응용 분야에서는 제품 표면에 백철을 사용하는 것이 바람직합니다. 이것은 금형의 일부를 만들기 위해 우수한 열 전도체를 사용하여 달성할 수 있습니다. 이렇게 하면 특정 영역에서 용융 금속의 열을 빠르게 빼내고 나머지 주물은 더 느린 속도로 냉각됩니다.

백색 철의 가장 인기 있는 등급 중 하나는 Ni-경질 철입니다. 크롬 및 니켈 합금을 추가하여 이 제품에 낮은 충격, 슬라이딩 마모 응용 분야에 대한 우수한 특성을 부여합니다.

백색 철 및 초경질 철은 ASTM A532라고 하는 합금 분류에 속합니다. "내마모성 주철의 표준 사양".

가단성 철

백철은 열처리 과정을 거쳐 가단성 철로 추가 가공될 수 있습니다. 가열 및 냉각 프로그램이 확장되면 탄화철 분자가 분해되어 유리 흑연 분자가 철로 방출됩니다. 다양한 냉각 속도와 합금의 추가로 미정질 구조의 가단성 철이 생성됩니다.

연성 철(구상 철)

연성 철 또는 구상 철은 합금에 마그네슘을 첨가하여 특별한 특성을 얻습니다. 마그네슘이 있으면 흑연이 회철 플레이크와 달리 회전 타원체 모양으로 형성됩니다. 구성 제어는 제조 공정에서 매우 중요합니다. 황 및 산소와 같은 소량의 불순물이 마그네슘과 반응하여 흑연 분자의 모양에 영향을 줍니다. 다양한 등급의 연성 철은 흑연 회전 타원체 주위의 미세 결정 구조를 조작하여 형성됩니다. 이는 주조 공정 또는 열처리를 통해 다운스트림 처리 단계로 달성됩니다.

연성 철은 충격 시 변형되기 때문에 파편으로 부서지지 않고 주철 기둥을 만드는 데 재료를 사용합니다. 연성 철의 충격 프로파일은 차량 통행이 많은 근처의 볼라드에 적합한 주철입니다.

다진 흑연 철

압축 흑연 철은 흑연 구조와 회백색 철이 혼합된 관련 특성을 가지고 있습니다. 미세 결정 구조는 서로 연결된 흑연의 뭉툭한 조각 주위에 형성됩니다. 티타늄과 같은 합금은 구상 흑연의 형성을 억제하는 데 사용됩니다. 압축 흑연 철은 회주철에 비해 인장 강도가 높고 연성이 향상되었습니다. 미정질 구조 및 특성은 열처리 또는 다른 합금의 첨가를 통해 조정할 수 있습니다.

주철 성분 요약

엔지니어 핸드북에서 개발한 표는 다양한 유형의 주철에 대한 다양한 구성 범위를 보여줍니다.

일반적인 비합금 주철의 조성 범위
값(%)

철의 종류

탄소

실리콘

망간

유황

인

회색

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

연성

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

압축 흑연

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

가단성(백색 주조)

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

흰색

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

철의 종류

탄소

회색

2.5 – 4.0

연성

3.0 – 4.0

압축 흑연

2.5 – 4.0

가단성(백색 주조)

2.0 – 2.9

흰색

1.8 – 3.6

철의 종류

실리콘

회색

1.0 – 3.0

연성

1.8 – 2.8

압축 흑연

1.0 – 3.0

가단성(백색 주조)

0.9 – 1.9

흰색

0.5 – 1.9

철의 종류

망간

회색

0.2 – 1.0

연성

0.1 – 1.0

압축 흑연

0.2 – 1.0

가단성(백색 주조)

0.15 – 1.2

흰색

0.25 – 0.8

철의 종류

유황

회색

0.02 – 0.25

연성

0.01 – 0.03

압축 흑연

0.01 – 0.03

가단성(백색 주조)

0.02 – 0.2

흰색

0.06 – 0.2

철의 종류

인

회색

0.02 – 1.0

연성

0.01 – 0.1

압축 흑연

0.01 – 0.1

가단성(백색 주조)

0.02 – 0.2

흰색

0.06 – 0.2

주철의 기계적 성질

재료의 기계적 특성은 특정 응력 하에서 재료가 어떻게 반응하는지 나타내므로 다양한 응용 분야에 대한 적합성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 사양은 ASTM(American Society for Testing and Materials)과 같은 조직에서 설정하므로 사용자가 자신의 애플리케이션 요구 사항을 충족한다는 확신을 갖고 재료를 구입할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 주철 사양은 ASTM A48입니다.

사양에 따라 주물 제품을 검증하기 위해 표준 관행은 엔지니어링 주물과 함께 테스트 바를 주조하는 것입니다. 그런 다음 ASTM 테스트를 이 테스트 막대에 적용하고 그 결과를 사용하여 전체 주조 배치를 검증합니다.

주철 부품을 함께 용접할 때도 사양이 중요합니다. 용접은 함께 용접되는 재료의 기계적 특성을 충족하거나 초과해야 합니다. 그렇지 않으면 균열 및 실패가 발생할 수 있습니다.

주철의 몇 가지 일반적인 기계적 특성은 다음과 같습니다.

경도 – 마모 및 압입에 대한 재료의 내성
인성 – 에너지를 흡수하는 재료의 능력
연성 – 파손 없이 변형되는 재료의 능력
탄력성 – 재료가 변형된 후 원래 치수로 돌아가는 능력
가단성 – 파열 없이 압축 상태에서 변형되는 재료의 능력
인장 강도 – 재료가 찢어지지 않고 견딜 수 있는 최대 길이 방향 응력
피로 강도 – 재료가 파손 없이 주어진 주기 수 동안 견딜 수 있는 가장 높은 응력

이 표에는 다양한 등급의 주철에 대한 몇 가지 주요 기계적 특성이 요약되어 있습니다. 자세한 내용은 American Foundry Society의 훌륭한 참고 문서인 "Iron Alloys"를 참조하십시오.

브리넬 경도

인장 강도

탄력 계수

신장률(50MM)

회색 철 등급 25

187

29.9ksi

16.1 Msi

–

회색 철 등급 40

235

41.9ksi

18.2 Msi

–

연성 철 등급 60-40-18

130 – 170

60ksi

24.5 Msi

–

연성 철 등급 129-90-02

240 – 300

120ksi

25.5Msi

–

CGI 등급 250

최대 179

최소 36.2ksi

CGI 등급 450

207 – 269

최소 65.2ksi

브리넬 경도

회색 철 등급 25

187

회색 철 등급 40

235

연성 철 등급 60-40-18

130 – 170

연성 철 등급 129-90-02

240 – 300

CGI 등급 250

최대 179

CGI 등급 450

207 – 269

인장 강도

회색 철 등급 25

29.9ksi

회색 철 등급 40

41.9ksi

연성 철 등급 60-40-18

60ksi

연성 철 등급 129-90-02

120ksi

CGI 등급 250

최소 36.2ksi

CGI 등급 450

최소 65.2ksi

탄력 계수

회색 철 등급 25

16.1 Msi

회색 철 등급 40

18.2 Msi

연성 철 등급 60-40-18

24.5 Msi

연성 철 등급 129-90-02

25.5Msi

CGI 등급 250

CGI 등급 450

신장률(50MM)

회색 철 등급 25

–

회색 철 등급 40

–

연성 철 등급 60-40-18

–

연성 철 등급 129-90-02

–

CGI 등급 250

CGI 등급 450

주철의 일반적인 용도

다양한 유형의 주철의 다양한 특성으로 인해 각 유형은 특정 용도에 적합합니다.

회색 다리미 적용

회주철의 주요 특성 중 하나는 윤활 공급이 제한된 경우에도 마모에 저항하는 능력입니다(예:엔진 블록의 상부 실린더 벽). 회주철은 엔진 블록과 실린더 헤드, 매니폴드, 가스 버너, 기어 블랭크, 인클로저 및 하우징을 만드는 데 사용됩니다.

백색 다리미 적용

백주철을 만드는 데 사용되는 냉각 공정은 마모와 마모에 매우 강한 취성 재료를 만듭니다. 이러한 이유로 밀 라이닝, 쇼트 블라스팅 노즐, 철도 브레이크 슈, 슬러리 펌프 하우징, 압연기 롤 및 크러셔를 만드는 데 사용됩니다.

Ni-Hard Iron은 믹서 패들, 오거 및 다이, 볼 밀용 라이너 플레이트, 석탄 슈트 및 인발 와이어용 와이어 가이드에 특히 사용됩니다.

연성 철 적용

연성 철 자체는 각기 고유한 특성 사양과 가장 적합한 용도를 가진 다양한 등급으로 나눌 수 있습니다. 기계 가공이 쉽고 피로도와 항복 강도가 좋으며 내마모성이 있습니다. 그러나 가장 잘 알려진 특징은 연성입니다. 연성 철은 조향 너클, 쟁기 공유기, 크랭크축, 중장비 기어, 자동차 및 트럭 서스펜션 부품, 유압 부품, 자동차 도어 힌지를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

가단성 철 응용 프로그램

다양한 등급의 가단성 철은 다양한 미세 결정 구조에 해당합니다. 가단성 철을 매력적으로 만드는 특정 속성은 윤활제, 비마모성 마모 입자 및 다른 연마성 파편을 가두는 다공성 표면을 유지 및 저장하는 능력입니다. 가단성 철은 베어링 표면, 체인, 스프로킷, 커넥팅 로드, 드라이브 트레인 및 차축 구성 요소, 철도 차량, 농장 및 건설 기계에 사용됩니다.

다진 흑연 주철 응용 분야

압축 흑연 철은 상업 분야에서 그 존재를 알리기 시작했습니다. 회주철과 백주철의 특성을 결합하여 고강도 및 고열전도성 제품을 만들었습니다. 이 제품은 디젤 엔진 블록 및 프레임, 실린더 라이너, 기차용 브레이크 디스크, 배기 매니폴드 및 고압 펌프의 기어 플레이트에 적합합니다.