백주철(화이트 주철) 특성, 용도, 장점 총정리

주철은 중량 기준 2~4% 탄소, 1~3% 실리콘, 그리고 소량의 미량 성분을 포함한 철 합금입니다. 반면 강철은 더 낮은 탄소 함량과 중량 기준 최대 2%의 더 낮은 실리콘 함량을 가집니다. 주철은 주조 전에 망간, 몰리브덴, 세륨, 니켈, 구리, 바나듐, 티타늄을 제한된 양으로 합금하여 더욱 최적화할 수 있습니다. 주철의 실리콘 함량에 따라 백주철(white cast iron) 또는 회주철(grey cast iron)로 알려져 있으며, 특정 온도에서 추가 가공하여 가단 주철(malleable) 또는 구상 흑연 주철(ductile cast iron)을 만들 수 있습니다.

백주철의 일반적 특성

주철은 용융 상태에서 복잡한 형상으로 쉽게 주조할 수 있는 능력과 저렴한 비용으로 강력하게 선호됩니다. 또한 조성과 냉각 속도를 조정하여 제조 공정에 큰 변화 없이 특성을 쉽게 변경할 수 있습니다. 주강 대비 다른 주요 장점으로는 빠른 가공성, 진동 감쇠, 압축 강도, 내마모성, 내식성이 있습니다. 주철의 내식성은 실리콘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 구리 같은 미량 원소 첨가로 강화됩니다.

주철의 형태와 응용

주철은 조성에 따라 회주철, 백주철, 가단 주철, 구상 흑연 주철로 분류할 수 있습니다. 회주철은 흑연 미세 구조로 인해 어두운 회색 파단 색을 가집니다. 흑연 플레이크의 존재는 실리콘 첨가로 인해 철 탄화물 대신 탄소를 흑연 형태로 안정화시키는 실리콘 때문입니다. 일반적으로 회주철은 2.5~4.0% 탄소, 1.0~3.0% 실리콘 조성을 가집니다.

회주철 응용

주철의 가장 일반적인 색상은 회색입니다. 내연기관 실린더 블록, 플라이휠, 기어박스 케이스, 매니폴드, 디스크 브레이크 로터, 조리기구 등 높은 강성, 가공성, 마찰 감쇠, 높은 열전도율, 높은 열전도도가 유리한 응용 분야에 사용됩니다. ASTM International 표준 A48은 회주철에 널리 사용되는 분류입니다. 이 체계에서 회주철은 인장 강도에 따라 등급이 매겨지며, 예를 들어 20등급 회주철은 최소 인장 강도 20,000 psi(140 MPa)를 가집니다.

백주철

철 탄화물(시멘타이트 Fe3C)의 존재로 인해 백주철은 흰색 파단 색을 가집니다. 회주철에 비해 상대적으로 낮은 실리콘 함량의 결과로 탄소가 이 형태로 존재합니다. 보통 백주철은 1.8~3.6% 탄소, 0.5~1.9% 실리콘, 1.0~2.0% 망간을 포함합니다. 백주철은 내마모성이 높고 취약합니다. 거대한 철 탄화물 조각을 포함하는 미세 구조의 결과로 높은 경도를 나타내며 쉽게 가공되지 않습니다.

백주철 응용

취성이 덜 중요한 내마모 부위에서 백주철이 사용됩니다. 쉘 라이너, 슬러리 펌프, 볼 밀, 리프터 바, 압출 노즐, 시멘트 믹서, 파이프 피팅, 플랜지, 크러셔, 펌프 임펠러 등이 그 예입니다. 고크롬 백철(ASTM A532)은 백철의 전형적인 등급입니다. 이는 니켈과 크롬을 포함하여 저충격 강한 마모 응용 분야에 적합합니다.

가단 주철

백주철의 느린 어닐링 열처리를 통해 가단 주철이 형성됩니다. 이는 백철에서 철 탄화물의 탄소가 흑연으로 변환되고, 나머지 매트릭스는 페라이트 또는 펄라이트로 구성됩니다. 원형 또는 결절 형태의 흑연이 존재합니다. 가단 주철은 강한 가단성과 좋은 연성을 보여줍니다. 다른 주철에 비해 실리콘 함량이 감소하여 저온에서 강한 균열 내구성을 보입니다.

가단 주철 응용

가단 주철은 높은 인장 강도와 연성 덕분에 전기 피팅 및 기계, 수공구, 파이프 피팅, 와셔, 브래킷, 농업 장비, 건설 하드웨어, 기계 부품에 사용됩니다. ASTM A47은 가단 주철의 일반적인 분류입니다.

구상 흑연 주철(덕타일 주철)

가단 주철과 마찬가지로 구상 흑연 형태의 흑연 존재가 덕타일 주철(구상 흑연 주철, 노듈러 주철)로 특징지어집니다. 가단 주철과 달리 덕타일 주철은 백철의 열처리가 아닌 특정 화학 조성에 의해 형성됩니다. 3.2~3.6% 탄소, 2.2~2.8% 실리콘, 0.1~0.22% 망간, 그리고 마그네슘, 비소, 구리, 황의 낮은 농도, 흑연 함유물의 구형 구조가 망간의 존재를 담당합니다.

덕타일 주철 구현

이 강철은 미세 구조 덕분에 회주철이나 백주철보다 더 연성이 있습니다. 이 목적에 따라 물과 위생 인프라용 덕타일 철관으로 사용됩니다. 또한 열 순환을 견딜 수 있어 자동차의 기어와 서스펜션 모듈, 브레이크와 밸브, 펌프와 유압 부품, 풍력 터빈 하우징에도 사용됩니다. ASTM A536은 일반적으로 덕타일 주철로 알려져 있습니다.

백주철의 보관 및 생산

주철을 제조하려면 철광석에서 철을 추출해야 합니다. 고로에서 광석이 제련되어 선철과 슬래그로 분리됩니다. 산소 분위기에서 약 1800°C로 가열되며 생성된 슬래그는 표면으로 올라와 제거할 수 있습니다. 용융 선철은 약 3~5% 탄소를 생성합니다. 여기에 철, 석탄, 코크스, 석회석을 혼합합니다. 탄소 함량은 이 철에서 불순물이 선택적으로 분리될 때까지 낮아집니다. 이 단계에서 실리콘을 첨가하여 탄소 함량을 흑연 또는 시멘타이트로 변환할 수 있습니다. 이후 철을 다양한 형상으로 주조하면 이것이 백주철입니다.