주철 완벽 가이드: 종류, 성분, 불순물 영향 및 특성 - PDF 제공

주철(Cast Iron)이란?

주철은 선철을 코크스와 석회석과 함께 큐폴라로 알려진 용해로에서 재용해하여 얻습니다. 철과 탄소의 합금으로, 주철의 탄소 함량은 1.7%~4.5%입니다. 또한 실리콘, 황, 망간, 인이 매우 소량 포함되어 있습니다.

탄소는 다음 두 가지 형태로 존재합니다:

1. 자유 탄소 또는 흑연(Free carbon or graphite)
2. 결합 탄소 또는 시멘타이트(Combined carbon or cementite)

주철의 중요한 특성으로 엔지니어링 용도로 가치 있게 만드는 것들은 다음과 같습니다:

1. 저렴한 비용
2. 우수한 주조 특성
3. 높은 압축 강도
4. 내마모성
5. 우수한 가공성

주철의 압축 강도는 인장 강도보다 큽니다.

주철의 극한 강도 값:

1. 인장 - 100~200 N/mm²
2. 압축 - 400~1000 N/mm²
3. 전단 - 120 N/mm²

주철의 종류

엔지니어링 용도로 사용되는 주철 종류는 다음과 같습니다:

1. 회주철(Grey cast iron)
2. 백주철(White cast iron)
3. 칠드 주철(Chilled cast iron)
4. 얼룩 주철(Mottled cast iron)
5. 가단 주철(Malleable cast iron)
6. 구상 흑연 주철(Nodular cast iron)
7. 합금 주철(Alloy cast iron)

회주철(Grey Cast Iron)

회주철의 상업적 조성은 다음과 같습니다:

탄소 3~3.5%, 실리콘 1~2.75%, 망간 0.40~1%, 인 0.15~1%, 황 0.02~0.15%, 나머지는 철.

회색은 탄소가 자유 흑연으로 존재하기 때문입니다. 회주철은 높은 압축 강도, 낮은 인장 강도, 연성이 없어 쉽게 가공할 수 있습니다.

회주철의 좋은 특성은 구조 내 자유 흑연이 윤활제 역할을 한다는 것입니다. 따라서 슬라이딩 작용이 필요한 부품에 매우 적합합니다.

회주철 주물은 공작기계 본체, 파이프 및 파이프 피팅, 자동차 실린더 블록, 농기구 등에 널리 사용됩니다.

백주철(White Cast Iron)

백주철은 백색 파면을 보이며 다음과 같은 상대적 조성을 가집니다:

탄소 1.75~2.3%, 실리콘 0.85~1.2%, 망간 0.10~0.40%, 인 0.05~0.20%, 황 0.12~0.35%

탄소가 금속에서 시멘타이트 형태로 존재하므로 백색이 나타납니다. 시멘타이트는 철의 가장 경한 원소로 용융 철의 급속 냉각을 유도합니다. 백주철은 높은 인장 강도와 낮은 압축 강도를 가지므로 가공할 수 없습니다.

열등한 주물과 자동차 바퀴 외부 표면 등 경질 코팅이 필요한 곳에 사용됩니다. 가단 주철과 단철 생산 시 원료로도 사용됩니다.

칠드 주철(Chilled Cast Iron)

용융 철의 급속 냉각으로 생산된 백주철입니다. 급속 냉각을 일반적으로 칠링(chilling)이라 하며, 이렇게 생산된 철을 칠드 철이라 합니다. 모든 주조 금형은 외부 피부의 차가운 모래와 접촉하지만, 대부분의 주물에서 이 경도는 매우 얕은 깊이(1mm 미만)까지만 침투합니다.

때로는 의도적으로 칠링하고, 때로는 우연히 상당한 깊이까지 칠링됩니다. 의도적 칠링은 금형에 철 또는 강철 인서트를 삽입하여 수행합니다. 용융 금속이 칠과 접촉하면 열이 급속히 전도되어 경질 표면이 형성됩니다.

칠은 마모와 마찰을 견뎌야 하는 주물의 어느 면에나 사용됩니다. 칠링 공정은 곡물 분쇄 롤과 조 크러셔 플레이트 주조에 사용됩니다. 철도 차량 바퀴의 주행 표면도 칠링됩니다.

얼룩 주철(Mottled Cast Iron)

조성, 색상, 특성에서 회주철과 백주철 사이의 중간 산물입니다. 특정 마모 표면이 칠링된 주조에서 얻습니다.

가단 주철(Malleable Cast Iron)

가단 주철은 백주철을 적절한 열처리 공정(어닐링)으로 얻습니다. 어닐링 공정은 백주철의 결합 탄소를 자유 흑연 결절로 분리시킵니다.

가단 주철은 연성이 있어 부러지거나 단면이 파손되지 않고 구부릴 수 있습니다. 인장 강도는 회주철보다 높고 우수한 가공성을 가집니다.

강철 단조가 비싸고 상당한 치수 정밀도가 필요한 기계 부품 제작에 사용됩니다.

예: 마차 바퀴 허브, 철도 차량 소형 피팅, 브레이크 지지대, 농기계 부품, 파이프 피팅, 문 경첩, 자물쇠 등.

구상 흑연 주철(Nodular Cast Iron)

연성 주철, 구상 흑연(S.G.) 주철 또는 고강도 주철로도 알려져 있습니다. 용융 주철에 마그네슘을 첨가하여 생산합니다. 마그네슘은 주철의 흑연을 편평한 형태에서 구형 또는 결절 형태로 변환시킵니다.

이렇게 하면 기계적 특성이 크게 향상됩니다. 구상 흑연 주철은 강철처럼 거동합니다. 보통 내압 주물, 유압 실린더, 실린더 헤드, 압연기 롤, 원심 주조 제품에 사용됩니다.

합금 주철(Alloy Cast Iron)

앞서 논의한 주철을 일반 주철이라고 합니다. 합금 주철은 니켈, 크로뮴, 몰리브덴, 구리, 실리콘, 망간 같은 원소를 첨가하여 생산합니다.

이 합금들은 더 높은 강도와 향상된 원소 특성을 제공합니다.

합금 주철의 조성:

1. 탄소 0.02%
2. 실리콘 0.15%
3. 망간 0.03%
4. 인 0.12%
5. 황 0.02%
6. 슬래그 3%(중량 기준), 나머지는 철

주철에 대한 불순물의 영향

주철에는 소량의 실리콘, 황, 망간, 인이 포함되어 있습니다. 이러한 불순물이 주철에 미치는 영향은 다음과 같습니다:

실리콘(Silicon)

최대 4%까지 존재합니다. 자유 흑연 형성을 촉진하여 철을 부드럽고 가공하기 쉽게 만듭니다. 산소에 대한 높은 친화력으로 인해 재료 내 블로우홀이 없는 건전한 주조를 만듭니다.

황(Sulphur)

주철을 단단하고 부서지기 쉽게 만듭니다. 너무 많은 황은 불량 주조를 초래하므로, 대부분의 주조 목적에서 0.1% 미만으로 유지해야 합니다.

망간(Manganese)

주철을 희고 단단하게 만듭니다. 보통 0.75% 미만으로 유지됩니다. 이는 황의 유해한 영향을 제어하는 데 도움이 됩니다.

인(Phosphorus)

주철의 용해도와 유동성을 돕지만 취성을 유발합니다. 1%를 초과하는 경우는 드뭅니다. 인 함유 주철은 복잡한 설계 주물과 저렴함이 필수적인 경공업 주물에 유용합니다.

주철의 특성

1. 내식성이 좋아 수도관 등에 사용할 수 있습니다.
2. 자석에 끌리지 않습니다.
3. 융점은 약 1250°C입니다.
4. 비중은 7.5입니다.
5. 인장 강도 약 150N/mm², 압축 강도 약 600N/mm²로 압축에 강합니다.
6. 소금물에 두면 부드러워지고 냉각 시 수축합니다.
7. 소성 부족으로 단조 작업에는 적합하지 않을 수 있습니다.

주철의 장점

1. 우수한 가공성과 주조 특성을 가집니다.
2. 내마모성이 좋고 진동 감쇠 특성이 우수합니다.
3. 큰 하중을 견딜 수 있고 내식성이 좋습니다.
4. 비싸지 않은 가공 없이 복잡한 형상과 크기로 만들 수 있습니다.
5. 저렴한 비용으로 구할 수 있으나 내구성은 낮습니다.

주철의 단점

1. 인장 강도가 낮습니다.
2. 두꺼운 단면의 느린 냉각으로 인해 단면 민감성이 있습니다.
3. 파괴가 갑작스럽고 완전하며 항복점이 없습니다.
4. 강철에 비해 가공성이 떨어집니다.
5. 높은 취성을 가집니다.

주철의 응용 분야

1. 적절한 유체 이송용 파이프 제작에 사용됩니다.
2. 다양한 기계 제작에 사용됩니다.
3. 자동차 부품 제작에 사용됩니다.
4. 선박 앵커 제작에 사용됩니다.
5. 냄비, 프라이팬, 주방용품 등 조리기구 제작에도 사용됩니다.

결론

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