주철 주조: 기초와 산업적 의의

철의 가치 발견으로 소위 철기 시대가 도래했으며, 이는 사회 및 군사 응용에서 이 소재의 지배력 때문이었습니다. 금속에 또 다른 이정표가 될 산업혁명이 금속 생산 방식과 철을 포함한 제품으로의 변환을 변화시켰습니다.

주철 (Cast Iron)

주철은 탄소 함량이 2% 이상인 철-탄소 합금을 제련해 생산합니다. 용해 후 금속을 금형에 붓습니다. 단철(wrought iron)과 주철 생산의 주요 차이는 주철이 망치와 도구로 가공되지 않는다는 점입니다. 조성 차이도 있습니다 — 주철은 2~4% 탄소와 1~3% 실리콘을 함유하며, 이는 용융 금속의 주조 특성을 개선합니다. 소량의 망간과 황, 인 같은 불순물도 있을 수 있습니다. 단철과 주철의 차이는 화학 구조와 물리적 특성 세부사항에서도 찾아볼 수 있습니다.

강철과 주철 모두 미량 탄소를 함유하고 외관이 비슷하지만 두 금속 간에는 상당한 차이가 있습니다. 강철은 2% 미만 탄소를 함유해 최종 제품이 단일 미세결정 구조로 응고됩니다. 주철의 더 높은 탄소 함량은 이종 합금으로 응고되게 해 하나 이상의 미세결정 구조가 소재에 존재함을 의미합니다.

높은 탄소 함량과 실리콘 존재의 조합은 주철에 우수한 주조성을 부여합니다. 다양한 열처리 및 가공 기술로 회주철, 백주철, 가단주철, 구상흑연주철, 컴팩트 흑연 주철 등 다양한 유형의 주철이 생산됩니다.

주철 교량

주철 건설 디테일은 금속을 제련해 금형에 부어 만듭니다.

회주철 (Gray Iron)

회주철은 금속 내 흑연 입자의 플레이크 형상이 특징입니다. 금속이 파단되면 흑연 플레이크를 따라 파단이 일어나 파단 금속 표면에 회색을 띱니다. '회주철'이라는 이름은 이 특성에서 유래했습니다.

생산 중 냉각 속도와 조성 조절로 흑연 플레이크 매트릭스의 크기와 구조를 제어할 수 있습니다. 회주철은 다른 주철 형태만큼 연성이 좋지 않고 인장 강도도 낮습니다. 하지만 더 나은 열전도체이며 더 높은 수준의 진동 감쇠를 가집니다. 강철의 20~25배 감쇠 용량을 가지며 모든 주철보다 우수합니다. 회주철은 다른 주철보다 가공이 쉽고 내마모성으로 가장 큰 생산량을 자랑하는 주철 제품 중 하나입니다.

당사 하드스케이프 제품은 회주철로 제작됩니다. 진동 감쇠와 내마모성은 많은 도로 응용에 적합한 소재로 만듭니다. 원시 회주철은 외부에서도 부식 손상으로부터 보호하는 파티나를 생성합니다.

백주철 (White Iron)

적절한 탄소 함량과 높은 냉각 속도로 탄소 원자가 철과 결합해 탄화철을 형성합니다. 이는 응고된 소재에 자유 흑연 입자가 거의 또는 전혀 없음을 의미합니다. 백주철을 전단하면 흑연 부족으로 갈라진 표면이 하얗게 보입니다. 시멘타이트의 미세결정 구조는 단단하고 부서지기 쉬우며 높은 압축 강도와 우수한 내마모성을 가집니다. 일부 특수 애플리케이션에서는 제품 표면에 백주철이 있는 것이 바람직합니다. 이는 금형 부품을 좋은 열전도체로 만들어 달성할 수 있습니다. 이는 용융 금속에서 해당 영역의 열을 빠르게 제거하는 반면 주물 나머지 부분은 더 천천히 식게 합니다.

가장 인기 있는 백주철 유형 중 하나는 니-하드 철(Ni-Hard Iron)입니다. 크롬과 니켈 합금 첨가로 이 제품은 저충격 슬라이딩 마모 애플리케이션에서 우수한 성능을 제공합니다.

백주철과 하드 니-아이언은 ASTM A532 내 합금 분류에 속합니다; "내마모성 주철 표준 사양".

가단주철 (Malleable Iron)

백주철은 열처리 공정으로 가단주철로 추가 가공될 수 있습니다. 광범위한 가열 및 냉각 프로그램으로 탄화철 입자를 분해해 자유 흑연 입자를 철에 방출합니다. 서로 다른 냉각 속도와 합금 첨가로 구상흑연주철과 미세결정 구조를 얻습니다.

구상흑연주철 (Ductile Iron / Nodular Iron)

구상흑연주철은 합금에 마그네슘을 첨가해 특수 특성을 얻습니다. 마그네슘 존재로 흑연이 회주철 플레이크 대신 구형으로 형성됩니다. 조성 통제는 생산 공정에서 매우 중요합니다. 황, 산소 같은 소량 불순물이 마그네슘과 반응해 흑연 입자 형상에 영향을 줍니다. 다양한 등급의 구상흑연주철은 흑연 구 주변의 미세결정 구조를 조작해 만듭니다. 이는 주조 공정이나 다음 가공 단계인 열처리로 달성됩니다.

구상흑연주철은 충격 시 파편으로 부서지는 대신 변형하므로, 이 소재로 주철 기둥을 만듭니다. 노듈러 아이언의 충격 프로파일은 교통 근처 볼라드용 좋은 주철로 만듭니다.

컴팩트 흑연 주철 (Compact Graphite Iron)

컴팩트 흑연 주철은 회주철과 백주철의 혼합인 흑연 구조와 관련 특성을 가집니다. 미세결정 구조는 서로 붙어 있는 뭉툭한 흑연 플레이크 주위에 형성됩니다. 티타늄 같은 합금이 구상 흑연 형성을 억제합니다. 컴팩트 흑연 주철은 회주철 대비 높은 인장 강도와 더 나은 연성을 가집니다. 구조와 미세결정 특성은 열처리나 다른 합금 첨가로 조절 가능합니다.

주철의 기계적 특성

소재의 기계적 특성은 특정 조건 하에서 어떻게 반응하는지 나타내며, 이는 다양한 응용에 대한 적합성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 사양은 미국시험재료학회(ASTM) 같은 기관에서 설정해 사용자가 자사 응용 요구사항을 충족하는 소재를 확신을 가지고 구매할 수 있게 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 회주철 사양은 ASTM A48입니다.

사양에 따라 주물을 인증하는 표준 방식은 기술 주물과 함께 테스트 바를 주조하는 것입니다. ASTM 테스트를 이 테스트 봉에 적용하고 결과를 사용해 주물 전체 배치를 인증합니다.

주철 부품을 용접할 때도 사양이 중요합니다. 용접은 용접될 소재의 기계적 특성을 충족하거나 초과해야 하며, 그렇지 않으면 균열과 손상이 발생할 수 있습니다.

주철 용접

용접 시 용접부가 소재의 기계적 특성을 충족하거나 초과해 균열과 실패를 방지하는 것이 극히 중요합니다.

주철의 몇 가지 일반적인 기계적 특성:

• 경도(Hardness) — 소재의 마모 및 압입 저항
• 인성(Toughness) — 소재의 에너지 흡수 능력
• 연성(Ductility) — 파단 없이 변형하는 소재 능력
• 탄성(Elasticity) — 변형 후 원래 치수로 돌아가는 소재 능력
• 단조성(Malleability) — 파열 없이 압축 하에서 변형하는 소재 능력
• 인장 강도(Tensile Strength) — 찢어지지 않고 견딜 수 있는 최대 종방향 응력
• 피로 강도(Fatigue Strength) — 주어진 사이클 수 동안 파단 없이 견딜 수 있는 최대 응력