올바른 철 합금 선택: 구상흑연주철 vs 주철 설명

엔지니어가 금속 주조용 합금을 선택하는 방법

주조용 철 합금을 선택할 때 금속학자는 예산, 필요한 기계적 특성, 가공 및 열처리 같은 주조 후 단계를 고려합니다. 이러한 요구사항이 어떤 합금을 사용할지 결정합니다. 요즘 가장 큰 선택은 구상흑연주철(ductile iron)과 주철(cast iron) 사이입니다.

기술적으로 '주철'은 주조소에서 주조되는 철 합금을 의미합니다. 구상흑연주철은 그러한 합금 중 하나입니다. 그러나 구상흑연주철은 현장에 비교적 새로 등장한 것으로, 다른 철 합금과 구별되는 독특한 기계적 특성을 가집니다. 이 차이는 '주철'이 보통 수세기 동안 금속 세공의 일부였던 회주철(gray) 또는 백주철(white) 철 합금을 지정함을 의미합니다.

주조소에서 주조되는 철의 종류는?

• 구상흑연 주철(Ductile Cast Iron): 1948년 개발된 이 철 종류는 철 주조소에서 매우 중요한 합금이 되었습니다. 다른 주철보다 훨씬 덜 부서지기 쉽습니다.
• 가단 주철(Malleable Cast Iron): 구상흑연주철 발명 전에는 이 합금이 더 인기 있었습니다. 매우 긴 기간 동안 열처리된 백주철입니다. 열처리 조건은 매우 엄격하게 제어되어야 합니다. 가단 주철이 완성되면 훨씬 덜 부서지기 쉽습니다. 가단 주철은 구상흑연주철이 덜 성공적인 얇고 작은 주조품에 여전히 사용됩니다.
• 백주철(White Cast Iron): 이 합금은 다른 주철보다 더 빠르게 냉각되어 격자에 시멘타이트(cementite)라는 분자를 생성합니다. 부서지기 쉬운 합금이지만 우수한 경도와 내마모성을 가집니다. 베어링 및 기타 고마찰 응용 분야에 자주 사용됩니다.
• 회주철(Gray Cast Iron): 대부분의 표준 '주철' 제품은 회주철로 만들어지므로, 사람들이 이 용어를 사용할 때 이 합금을 의미할 가능성이 높습니다. 백주철과 달리 회주철은 흑연 미세 구조를 가집니다. 우수한 진동 감쇠 능력과 훌륭한 가공성을 가집니다.

백주철과 회주철은 매우 유사하게 보이는 주조품을 만듭니다. 색상 차이는 파단될 때만 드러납니다.

구상흑연주철과 주철의 차이점은?

구상흑연주철은 열처리 전에도 다른 주철보다 덜 부서지기 쉽습니다. 충격에 쉽게 파단되지 않습니다. 연성이 있어 철이 구부러질 수 있습니다. 비교적으로 회주철은 더 단단합니다. 이 경도는 표면 마모를 잘 관리한다는 의미입니다. 회주철은 진동 감쇠에도 더 좋습니다. 차이는 이 철 합금 내 흑연 미세 구조 때문입니다.

회주철은 중량 기준 2.5~4% 탄소와 1~3% 규소를 가집니다. 합금 내 규소는 회주철 특성을 부여하는 흑연 분자를 안정화하고 유지하는 데 필요합니다. 그러나 금속이 냉각 중 열충격을 겪지 않는 경우에만 이 규소가 흑연을 지지하고 유지하는 데 효과적입니다. 매우 빠른 냉각은 규소가 혼합되어 있어도 시멘타이트 형성을 초래하여 회주철을 백주철로 만듭니다. 회주철에서 흑연 플레이크는 표면 전체에 박혀 있으며 고도로 연마된 회주철에서 보입니다.

구상흑연 주철은 3.2~3.6% 탄소, 2.2~2.8% 규소, 그리고 약간의 '구상화 원소(nodulizing element)'를 가집니다. 1943년 발견된 구상흑연주철은 가단 주철과 많은 특성을 공유했지만, 값비싸고 기술적인 열처리 없이 주조 직후부터 이러한 특성을 가졌습니다. 가단 주철을 만드는 데 필요한 길고 기술적인 열처리는 더 비싸고 오류 발생 가능성이 높았습니다. 구상흑연주철은 명백한 해결책이었습니다. (가단 주철은 구상흑연주철이 너무 빨리 냉각되어 탄화물을 생성하는 얇은 주조품에서 여전히 사용됩니다.)

회주철처럼 흑연은 구상흑연주철 미세 구조의 중요한 부분입니다. 그러나 마그네슘, 세륨, 텔루륨 같은 구상화 원소는 흑연 분자를 회주철의 플레이크 대신 구형으로 형성시킵니다. 이 구형들은 철이 파단될 수 있는 평면을 만드는 대신 서로 미끄러져 지나갑니다. 결절은 구상흑연주철을 더 유연하게, 덜 단단하게 만듭니다. 표면 경도가 필요한 곳에서는 열처리를 사용할 수 있습니다.

구상흑연주철과 전통적 주철 선택하기

구상흑연주철은 회주철보다 약간 비싸지만 강철보다 주조가 더 저렴하고 쉽습니다. 보통 기계적 특성과 가치 때문에 선택됩니다. 주철보다 덜 부서지기 쉬운 합금으로서 연성과 충격 저항이 유용한 응용 분야에 사용됩니다. 진동 감쇠와 압축 항복에서 강철보다 우수하지만, 회주철이 감쇠에는 여전히 우월합니다.

충격 저항을 위해 설계된 볼라드는 종종 구상흑연주철을 사용합니다. 특히 압력 하에 있는 파이프에 사용되는 주요 철 합금입니다. 구상흑연주철 부품은 충격이 예상되는 자동차 부품, 펌프, 케이블 케이싱에서 찾을 수 있습니다.

회주철은 전통적 주철의 부서지기 쉬움이 문제가 되지 않는 응용 분야에서 여전히 중요하고 널리 사용되는 합금입니다. 정기적인 마모 과정에서 충격에 노출되지 않는 품목은 종종 회주철로 만들어집니다. 주철 프라이팬은 보통 회주철입니다. 수목 그레이팅, 트렌치 그레이팅, 맨홀 뚜껑 같은 하드스케이프도 종종 회주철입니다. 우수한 진동 감쇠로 회주철은 훌륭한 기계 베이스가 됩니다. 타격받지 않지만 높은 진동을 다루어야 하는 브레이크나 엔진 부품에도 올바른 선택입니다.

어떤 프로젝트에서든 합금 선택 전 금속학자나 엔지니어와 상담하는 것이 중요합니다. 그들은 부품의 작동 응력을 검토하고 응용 분야를 안전하게 관리할 수 있는 재료 선택을 도울 것입니다. 구상흑연주철 대 주철 선택은 때때로 단순히 가치로 귀결될 수 있습니다. 다른 때는 합금의 특정 품질이 필요합니다.