주철 주조(CI Casting) 설명: 조성, 색상 및 균열 방지

합금의 구성 요소는 균열 시 색상에 영향을 미칩니다. 백주철은 탄화물 불순물을 포함하여 합금이 갈라지고 흐르는 길을 만듭니다. 회주철은 흑연 편편을 가져 균열을 모방합니다. 이는 재료가 파손될 때 수많은 새로운 균열을 발생시키며, 연성 주철은 구형 흑연 '노듈(nodules)'을 가져 추가적인 파단 진행을 억제합니다.

탄소(C) 1.8~4 wt.%, 실리콘(Si) 1~3 wt.%가 주철의 주요 합금 성분입니다. 특정 철 합금과 최소량의 탄소만 강철로 정의됩니다. 주철은 연성 주철을 제외하고는 부서지기 쉽습니다. 상대적으로 낮은 녹는점 덕분에 유동성이 좋습니다. 이는 뛰어난 가공성, 변형 저항성, 내마모성과 관련됩니다.

주철은 광범위한 응용 분야를 가진 엔지니어링 소재가 되었으며 파이프, 기계, 자동차 부품에 사용됩니다. 대표적인 적용 사례는 실린더 헤드, 엔진 블록, 기어박스입니다. 산화 손상에도 강해 유용성이 더해집니다.

CI 주조의 역사

가장 이른 주철 유물은 기원전 5세기로 거슬러 올라가며, 현재 중국 장쑤성에서 고고학자들에 의해 발견되었습니다. 연구자들은 주철 사용이 아주 오래전 중국 본토에서 시작되었다고 생각합니다. 농장, 가정, 전투용 제품을 만드는 데 사용되었을 것으로 봅니다.

15세기에는 종교 개혁 시기에 프랑스 부르고뉴와 잉글랜드에서 대포용으로 주철이 사용되었습니다. 총기용으로 필요한 주철 양은 대규모 생산을 요구했습니다.

첫 번째 주철 다리는 1770년 아브라함 다비 3세에 의해 지어졌으며, 잉글랜드 슈롭셔의 '아이언 브리지(The Iron Bridge)'로 알려져 있습니다. 주철은 많은 건물 건축에도 사용되었습니다. 건축 분야에서의 광범위한 사용이 매우 보편화되기 시작했습니다.

산업에서 CI의 대량 생산 용도

주철은 주로 용융 선철에서 만들어지거나 선철을 재용융하여 만듭니다. 이는 철, 강철, 석회석, 탄소(코크스) 등의 상당량과 함께 빈번하게 이루어지며, 바람직하지 않은 오염 물질을 제거하기 위한 다양한 단계를 거칩니다. 용도를 고려할 때 탄소와 실리콘 함량을 원하는 수준으로 조정하며, 각각 2~3.5%, 1~3% 범위일 수 있습니다.

주철은 선철에서 만들어지며, 이는 고로에서 철광석을 녹여 얻은 부산물입니다.

인과 황은 용융 철에서 연소되어 제거될 수 있지만, 이는 탄소도 제거하므로 탄소를 보충해야 합니다. 원한다면 최종 형태가 주조로 생산되기 전에 다른 원소들을 용융물에 첨가합니다. 주철은 때때로 큐폴라(cupola)라고 불리는 특수한 유형의 고로에서 녹여집니다.

그러나 현대 응용에서는 전기로 유도로나 전기로 아크로에서 녹이는 경우가 더 많습니다. 용융이 완료되면 용융 주철을 보관로나 레들에 붓습니다.

주철의 특성

주철의 특성은 다양한 합금 원소나 합금을 첨가하여 변경됩니다. 탄소 외에도 실리콘이 가장 중요한 합금 원소로, 용액에서 탄소를 치환합니다. 낮은 비율의 실리콘은 탄소가 용액에 남아 철 탄화물을 형성하고 백주철을 생성하게 합니다.

높은 비율의 실리콘은 용액에서 탄소를 치환하여 흑연을 생성하고 회주철을 만듭니다. 망간, 크로뮴, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐 같은 다른 합금 원소들은 실리콘을 상쇄하고 탄소 보유 및 탄화물 형성을 촉진합니다. 니켈과 구리는 강도와 가공성을 높이지만 생성되는 흑연 양은 변경하지 않습니다.

흑연 형태의 탄소는 철을 더 부드럽게 만들고, 수축을 줄이며, 강도를 낮추고 밀도를 감소시킵니다. 불순물로 주로 존재하는 황은 황화철을 형성하여 흑연 형성을 방해하고 경도를 높입니다.

황의 문제는 용융 주철을 끈적하게 만들어 결함을 유발한다는 것입니다. 황의 영향을 상쇄하기 위해 망간을 첨가하는데, 둘 다 황화철 대신 황화망간을 형성합니다. 황화망간은 용융물보다 가벼워 슬래그로 흘러나가는 경향이 있습니다.

황 중화에 필요한 망간량은 1.7 × 황 함량 + 0.3%입니다. 이보다 더 많은 망간을 첨가하면 망간 탄화물이 형성되어 경도와 냉각이 증가하지만, 회주철의 경우 최대 1% 망간이 강도와 밀도를 높입니다.

주조용 정제 소재

니켈은 가장 흔한 합금 원소 중 하나로 펄라이트와 흑연 구조를 정제하고, 연성을 개선하며, 단면 두께 간 경도 차이를 균등화합니다.

크로뮴은 소량 첨가되어 자유 흑연을 줄이고 냉각을 촉진하며 강한 탄화물 안정제 역할을 합니다. 니켈이 종종 함께 첨가됩니다. 약간의 성분으로 0.5% 크로뮴을 대체할 수 있습니다.

구리는 레들이나 전기로에서 0.5~2.5% 첨가되어 냉각을 줄이고 흑연을 정제하며 유동성을 높입니다.

몰리브덴은 0.3~1% 첨가되어 냉각을 증가시키고 흑연과 펄라이트 구조를 개선하며, 니켈, 구리, 크로뮴과 조합되어 고강도 철을 생산하는 데 자주 사용됩니다.

티타늄은 탈가스제와 탈산제로 도입되지만 유동성도 증가시킵니다. 0.15~0.5% 바나듐을 주철에 첨가하여 시멘타이트를 안정화하고 경도, 내마모성, 내열성을 높입니다. 0.1~0.3% 지르코늄은 흑연 형성을 돕고 탈산하며 유동성을 증가시킵니다.

연성 철 용융에서 비스무트는 0.002~0.01% 척도로 첨가되어 첨가된 실리콘 양을 증가시킵니다. 붕소는 백철에 첨가되어 연성 주철 생산을 돕고, 비스무트의 거친 효과를 줄입니다.

가장 일반적인 유형은 회주철

회주철은 균열 시 재료가 회색으로 보이게 하는 흑연 미세조직이 특징입니다. 가장 널리 사용되는 주철이며 중량 기준 가장 많이 사용되는 주조 재료입니다. 대부분의 주철은 탄소 2.5~4.0%, 실리콘 1~3%, 나머지는 철로 구성됩니다.

회주철은 강철보다 인장 강도와 충격 저항이 낮지만, 압축 강도는 저탄소강 및 중탄소강과 비슷합니다. 이러한 기계적 특성은 미세조직에 존재하는 흑연 편편의 크기와 모양에 의해 제어되며 ASTM 지침에 따라 특성화할 수 있습니다.

전반적으로 CI 주조는 그저 주철일 뿐입니다. 이 주철은 철과 탄소 합금의 특수 그룹의 일부일 뿐입니다. 탄소 함량이 2%를 넘으면 주목하세요. 그리고 그것이 의미하는 바는 단순히 녹는점이 매우 낮다는 것뿐입니다.

합금의 성분은 균열 시 색상 변화를 만듭니다. 백주철은 탄화물 불순물을 포함하여 균열이 그대로 통과하게 합니다. 회주철은 흑연 편편을 가져 균열을 반사시키고 재료가 파손될 때 수많은 새로운 균열을 시작하며, 연성 철은 구형 흑연 '노듈'이 추가적인 파단 진행을 억제합니다. 이것이 CI 주조에 대한 모든 것입니다!