주철 완전 분석: 역사, 종류, 특성, 현대적 응용

다재다능한 금속 주철, 상업 및 산업 세계에서 많은 독특한 응용을 가지다

일상생활에서 철의 존재는 기원전 1200년경 시작되어 농기구부터 무기까지 광범위한 용도를 포괄했습니다. 대장장이는 철의 특성을 변경하고 재료를 도구로 성형하는 중요한 직업이 되었습니다. 모든 마을과 도시에는 대장장이 가게가 있었고, 낫, 쟁기, 못, 검, 촛대 등이 생산되었습니다.

철의 가치 발견은 이 물질이 사회적, 군사적 응용에서 지배적이었기 때문에 철기 시대(Iron Age)로 알려지게 되었습니다. 금속의 또 다른 이정표가 뒤따랐습니다. 산업혁명은 금속이 제품으로 생산되고 가공되는 방식을 철을 포함하여 변화시켰습니다.

철의 종류

생산되는 두 가지 주요 철 종류는 단조철과 주철입니다. 이 중 주철은 자체 금속 제품군을 포함합니다.

단조철

대장장이가 생산하고 가공한 첫 번째 철 종류는 단조철입니다. 사실상 순수 원소 철(Fe)로, 용광로에서 가열된 후 모루에서 망치로 단조(가공)됩니다. 철을 망치로 치면 재료에서 대부분의 슬래그가 배출되고 철 입자들이 용접됩니다.

산업혁명과 관련된 건설 활동 가속화 기간 동안 단조철의 새로운 용도가 발견되었습니다. 높은 인장 강도(인장 하에서 파단에 대한 저항)는 다리와 고층 건물 같은 대규모 건설 프로젝트에서 보로 사용하기에 이상적이었습니다. 그러나 20세기 초 강철 제품이 건설 응용 분야에서 철보다 우수한 성능으로 개발되면서 이 목적의 단조철 사용은 크게 중단되었습니다.

단조철은 장식품으로 유명해졌습니다. 15세기와 16세기 교회에는 숙련된 장인들이 만든 훌륭한 단조철 작품이 있습니다. 현대 세계에서는 난간, 문, 벤치가 여전히 맞춤품으로 단조철로 만들어집니다.

주철

주철은 탄소 함량이 2% 이상인 철-탄소 합금을 제련하여 생산됩니다. 제련 후 금속을 금형에 붓습니다. 단조철과 주철의 생산상 주요 차이는 주철이 망치와 도구로 가공되지 않는다는 것입니다. 조성 차이도 있습니다. 주철은 2~4% 탄소와 기타 합금, 1~3% 규소를 함유하며, 이는 용융 금속의 주조 성능을 향상시킵니다. 소량의 망간과 황, 인 같은 불순물도 있을 수 있습니다. 단조철과 주철의 차이는 화학 구조와 물리적 특성의 세부 사항에서도 찾을 수 있습니다.

강철과 주철 모두 탄소 흔적을 함유하고 외관이 비슷하지만, 두 금속 사이에는 상당한 차이가 있습니다. 강철은 2% 미만의 탄소를 함유하여 최종 제품이 단일 미세결정 구조로 응고되도록 합니다. 주철의 더 높은 탄소 함량은 이질적 합금으로 응고되어 물질 내에 하나 이상의 미세결정 구조가 존재함을 의미합니다.

높은 탄소 함량과 규소의 존재가 결합되어 주철에 우수한 주조성을 부여합니다. 다양한 열처리 및 가공 기술을 사용하여 회주철, 백주철, 가단주철, 구상흑연주철, 압축흑연주철 등 다양한 유형의 주철이 생산됩니다.

회주철(Gray Iron)

회주철은 금속 내 흑연 분자의 플레이크 모양이 특징입니다. 금속이 파단될 때 흑연 플레이크를 따라 파단이 일어나 파단된 금속 표면에 회색을 띱니다. '회주철'이라는 이름은 이 특성에서 유래했습니다.

생산 중 냉각 속도와 조성을 조정하여 흑연 플레이크의 크기와 기지 구조를 제어할 수 있습니다. 회주철은 다른 주철 형태만큼 연성이 없으며 인장 강도도 낮습니다. 그러나 더 나은 열전도체이며 더 높은 진동 감쇠 능력을 가집니다. 강철보다 20~25배 높은 감쇠 용량을 가지며 다른 모든 주철보다 우수합니다. 회주철은 다른 주철보다 가공하기 쉽고, 내마모성 특성으로 가장 높은 생산량을 자랑하는 주철 제품 중 하나입니다.

당사의 하드스케이프 제품은 회주철로 만들어집니다. 진동 감쇠와 내마모성은 이 재료를 많은 도로 응용 분야에 적합하게 만듭니다. 원시 회주철은 파괴적인 부식으로부터 안전하게 지켜주는 파티나를 생성합니다.

백주철(White Iron)

적절한 탄소 함량과 높은 냉각 속도로 탄소 원자가 철과 결합하여 시멘타이트(철 탄화물)를 형성합니다. 이는 고체화된 물질에 자유 흑연 분자가 거의 또는 전혀 없음을 의미합니다. 백주철을 전단하면 흑연이 없어 파단면이 하얗게 보입니다. 시멘타이트 미세결정 구조는 단단하고 부서지기 쉽지만 높은 압축 강도와 좋은 내마모성을 가집니다. 특정 특수 응용 분야에서는 제품 표면에 백주철을 갖는 것이 바람직합니다. 이는 금형의 일부를 좋은 열전도체로 만들어 해당 영역에서 용융 금속의 열을 빠르게 뽑아내어 달성할 수 있으며, 주물의 나머지 부분은 더 느린 속도로 냉각됩니다.

가장 인기 있는 백주철 등급 중 하나는 니-하드 철(Ni-Hard Iron)입니다. 크롬과 니켈 합금 첨가로 저충격, 슬라이딩 마모 응용 분야에 우수한 특성을 제공합니다.

백주철과 니-하드 철은 ASTM A532로 분류되는 합금, 즉 '내마모성 주철 표준 사양'에 속합니다.

가단주철(Malleable Iron)

백주철은 열처리 공정을 통해 가단주철로 추가 가공될 수 있습니다. 연장된 가열 및 냉각 프로그램으로 철 탄화물 분자가 분해되어 자유 흑연 분자가 철로 방출됩니다. 다른 냉각 속도와 합금 첨가로 미세결정 구조를 가진 가단주철이 생성됩니다.

구상흑연주철(Ductile Iron, Nodular Iron)

구상흑연주철 또는 구상흑연철은 합금에 마그네슘을 첨가하여 특수 특성을 얻습니다. 마그네슘의 존재는 회주철의 플레이크 대신 흑연을 구상(구형) 형태로 형성시킵니다. 제조 공정에서 조성 제어가 매우 중요합니다. 황과 산소 같은 소량의 불순물이 마그네슘과 반응하여 흑연 분자 모양에 영향을 미칩니다. 구상흑연주철의 다양한 등급은 흑연 구상 주변의 미세결정 구조를 조작하여 형성됩니다. 이는 주조 공정이나 열처리를 통한 후공정 단계로 달성됩니다.

구상흑연주철은 충격 시 파편으로 부서지는 대신 변형되기 때문에, 당사의 주철 볼라드 제작에 이 소재를 사용합니다. 구상흑연주철의 충격 프로파일은 차량 통행 근처 볼라드에 적합한 주철입니다.

압축흑연주철(Compacted Graphite Iron)

압축흑연주철은 회주철과 백주철의 혼합인 흑연 구조와 관련 특성을 가집니다. 미세결정 구조는 상호 연결된 뭉툭한 플레이크 흑연 주위에 형성됩니다. 티타늄 같은 합금을 사용하여 구상흑연 형성을 억제합니다. 압축흑연주철은 회주철보다 높은 인장 강도와 향상된 연성을 가집니다. 미세결정 구조와 특성은 열처리나 기타 합금 첨가로 조정할 수 있습니다.

주철 조성 요약

엔지니어 핸드북에서 개발한 표는 다양한 주철 유형의 조성 범위를 보여줍니다:

철 종류	탄소(%)	규소(%)	망간(%)	황(%)	인(%)
회주철	2.5~4.0	1.0~3.0	0.2~1.0	0.02~0.25	0.02~1.0
구상흑연주철	3.0~4.0	1.8~2.8	0.1~1.0	0.01~0.03	0.01~0.1
압축흑연주철	2.5~4.0	1.0~3.0	0.2~1.0	0.01~0.03	0.01~0.1
가단주철(주조 백주철)	2.0~2.9	0.9~1.9	0.15~1.2	0.02~0.2	0.02~0.2
백주철	1.8~3.6	0.5~1.9	0.25~0.8	0.06~0.2	0.06~0.2

주철의 기계적 특성

재료의 기계적 특성은 특정 응력 하에서 어떻게 반응하는지 나타내며, 이는 다양한 응용 분야에 대한 적합성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 사양은 미국재료시험학회(ASTM) 같은 조직에서 설정하여 사용자가 자신의 응용 분야 요구사항을 충족하는 재료를 확신을 가지고 구매할 수 있도록 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 주조 회주철 사양은 ASTM A48입니다.

주조 제품을 사양에 따라 자격을 부여하기 위해 표준 관행은 엔지니어링 주조품과 함께 시험봉을 주조하는 것입니다. ASTM 시험을 이 시험봉에 적용하고 결과를 사용하여 주조품 전체 배치를 자격 인증합니다.

주철 부품을 함께 용접할 때도 사양이 중요합니다. 용접부는 용접되는 재료의 기계적 특성을 충족하거나 초과해야 합니다. 그렇지 않으면 파단과 고장이 발생할 수 있습니다.

주철의 몇 가지 일반적인 기계적 특성은 다음과 같습니다:

• 경도 - 마모와 압입에 대한 재료의 저항
• 인성 - 재료의 에너지 흡수 능력
• 연성 - 파단 없이 변형하는 재료의 능력
• 탄성 - 변형 후 원래 치수로 돌아가는 재료의 능력
• 단조성 - 파열 없이 압축 하에서 변형하는 재료의 능력
• 인장 강도 - 재료가 찢어지지 않고 견딜 수 있는 최대 종방향 응력
• 피로 강도 - 주어진 사이클 수 동안 파단 없이 견딜 수 있는 최고 응력

이 표는 다양한 주철 등급의 몇 가지 주요 기계적 특성을 요약합니다. 자세한 정보는 미국주조학회의 훌륭한 참고 문서인 "Iron Alloys"를 참조하십시오.

등급	브리넬 경도	인장 강도	탄성 계수	신율(50mm)
회주철 클래스 25	187	29.9 ksi	16.1 Msi	-
회주철 클래스 40	235	41.9 ksi	18.2 Msi	-
구상흑연주철 60-40-18	130~170	60 ksi	24.5 Msi	-
구상흑연주철 129-90-02	240~300	120 ksi	25.5 Msi	-
CGI 250 등급	최대 179	최소 36.2 ksi	-	3
CGI 450 등급	207~269	최소 65.2 ksi	-	1

주철의 일반적인 응용 분야

다양한 유형의 주철 특성은 각 유형을 특정 응용 분야에 적합하게 만듭니다.

회주철 응용

회주철의 핵심 특성 중 하나는 윤활 공급이 제한되어도 마모를 견디는 능력입니다(예: 엔진 블록의 상부 실린더 벽). 회주철은 엔진 블록과 실린더 헤드, 매니폴드, 가스 버너, 기어 블랭크, 인클로저, 하우징 제작에 사용됩니다.

백주철 응용

백주철을 만드는 칠링 공정은 매우 내마모성이 강한 부서지기 쉬운 재료를 만듭니다. 이 이유로 밀 라이닝, 쇼트 블라스팅 노즐, 철도 브레이크 슈, 슬러리 펌프 하우징, 압연 밀 롤, 분쇄기 제작에 사용됩니다.

니-하드 철은 믹서 패들, 오거 및 다이, 볼 밀 라이너 플레이트, 석탄 슈트, 와이어 드로잉용 와이어 가이드에 특별히 사용됩니다.

구상흑연주철 응용

구상흑연주철 자체는 다양한 등급으로 세분화될 수 있으며, 각 등급은 고유한 특성 사양과 가장 적합한 응용 분야를 가집니다. 가공이 쉽고 우수한 피로 및 항복 강도를 가지면서 내마모성입니다. 가장 잘 알려진 특징은 연성입니다. 구상흑연주철은 스티어링 너클, 쟁기날, 크랭크샤프트, 중장비 기어, 자동차 및 트럭 서스펜션 부품, 유압 부품, 자동차 도어 힌지 제작에 사용될 수 있습니다.

가단주철 응용

가단주철의 다양한 등급은 다른 미세결정 구조에 해당합니다. 가단주철을 매력적으로 만드는 특정 특성은 윤활유를 유지하고 저장하는 능력, 비마모성 마모 입자, 기타 마모성 이물질을 가두는 다공성 표면입니다. 가단주철은 중장비 베어링 표면, 체인, 스프로킷, 커넥팅 로드, 구동계 및 차축 부품, 철도 차륜, 농업 및 건설 기계에 사용됩니다.

압축흑연주철 응용

압축흑연주철은 상업적 응용 분야에서 존재감을 드러내기 시작했습니다. 회주철과 백주철의 특성 조합으로 높은 강도와 높은 열전도성을 가진 제품을 만듭니다. 디젤 엔진 블록 및 프레임, 실린더 라이너, 열차 브레이크 디스크, 배기 매니폴드, 고압 펌프의 기어 플레이트에 적합합니다.

가공 및 마감

주철의 경도 특성은 공작 기계 재료의 신중한 선택을 요구합니다. 코팅된 초경은 생산 가공 환경에서 효과적이지만, 기술 향상에 따라 새로운 재료가 지속적으로 개발되고 있습니다.

주철 제품의 표면 마감은 용도에 따라 크게 다릅니다. 몇 가지 일반적인 응용:

• 전기도금
• 용융 아연도금(Hot-dipping)
• 열분사
• 확산 코팅
• 전환 코팅
• 도자기 에나멜링
• 액체 유기 코팅
• 건식 분체 유기 코팅

주철과 미래

3,000년 전 초기 사용부터 철은 인간 사회의 필수적인 부분으로 남아왔습니다. 철 생산은 대장장이의 수세기 철 가공에서 산업 시대의 주철 발명까지 먼 길을 왔습니다.

그 이후 단조철은 장식용을 제외하고는 크게 구식이 되었습니다. 대조적으로 주철은 조성, 미세 구조, 기계적 특성 측면에서 여전히 발전하고 있으며 현대 세계에서 그 입지를 계속 넓혀가고 있습니다.

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