주철(Cast Iron) 완벽 가이드: 조성, 용도, 장단점

이 글에서는 주철의 정의, 용도, 특성, 조성, 유형을 배웁니다. 주철의 장단점도 함께 알아봅니다.

주철이란?

주철(Cast iron)은 2~4%의 탄소와 다양한 양의 실리카와 망간을 포함하는 탄소 합금 그룹입니다. 인과 황 같은 불순물도 포함합니다. 고로에서 철광석을 환원해 생산되며 주원료는 용광로에서 제련된 철광석으로 만든 선철(pig iron)입니다. 이 철은 용융 선철에서 직접 만들거나 선철을 재용해 만드는데, 종종 상당량의 철, 석회석, 강철, 코크스와 함께합니다.

큐폴라(cupola)라는 특수 고로에서 녹일 수 있지만, 전기로나 아크로에서 녹이는 게 더 일반적입니다.

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앞서 언급했듯 주철은 선철, 석회석, 코크스로 생산됩니다. 제조 공정은 이 세 재료를 재용해하는 큐폴라로에서 진행됩니다. 큐폴라로는 고로와 비슷합니다. 원통형으로 지름 약 1m, 높이 약 5m입니다. 재료를 위에서 붓고 가열합니다. 이 시점에서 선철의 불순물이 산화로 어느 정도 제거돼 용융 철이 생성됩니다. 슬래그는 용융 철 상단에서 정기적으로 제거됩니다. 용융 철을 금형에 부어 원하는 형태를 만듭니다.

주철의 용도

주철의 용도는 기계 공학, 건설 현장, 목공소 등 엔지니어링 세계에서 흔합니다. 주철의 용도는 다음과 같습니다:

• 게이트, 가로등 기둥, 브라켓, 소규모 커버리지용 철 기둥 등 장식 주조
• 압축 부재용
• 저장조, 수도관, 가스관, 하수도, 위생 설비, 맨홀 뚜껑 생산
• 철도 체인, 마차 바퀴 등 제조

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주철 유형별 일반적인 용도:

• 회주철(Grey iron): 내마모성 있어 엔진 블록, 실린더 헤드, 매니폴드, 가스 버너 기어 블랭크, 인클로저, 하우징 생산에 사용
• 백주철(White cast iron): 생산 시 칠링 공정으로 취성 재질. 내마모/내마찰 용도: 쇼트 블라스팅 노즐, 밀 라이닝, 철도 브레이크 슈, 압연 밀 롤, 슬러리 펌프 하우징, 크러셔
• 구상흑연주철(Ductile iron): 다양한 등급으로 분해 가능. 가공 용이, 좋은 피로 강도와 항복 강도, 내마모성. 스티어링 너클, 크랭크축, 중장비 기어, 자동차 서스펜션 부품, 유압 부품, 자동차 도어 힌지 제조
• 가단주철(Malleable iron): 다양한 등급. 윤활유 보유 능력, 비마모성 마모 입자, 마모성 이물질을 가두는 다공성 표면. 중부하 베어링 표면, 체인, 스프로킷, 커넥팅 로드, 드라이브트레인 및 액슬 부품, 철도 차량

주철의 기계적 특성

• 경도(Hardness): 재료의 마모와 압입 저항
• 인성(Toughness): 재료의 에너지 흡수 능력
• 연성(Ductility): 파단 없이 변형하는 재료 능력
• 탄성(Elasticity): 변형 후 원래 치수로 돌아가는 재료 능력
• 연성(Malleability): 파열 없이 압축 하에서 변형하는 재료 능력
• 인장 강도(Tensile strength): 재료가 찢어지지 않고 견딜 수 있는 최대 종방향 응력
• 피로 강도(Fatigue strength): 주어진 사이클 수 동안 파단 없이 견딜 수 있는 최대 응력

기타 합금 원소 첨가로 생성되는 특성:

• 망간(Manganese): 내마모성 및 내마찰성 증가
• 크롬(Chromium): 경화성, 내마모성, 내식성, 내산화성 증가
• 니켈(Nickle): 인장 강도 증가
• 텅스텐(Tungsten): 고온 경도와 고온 강도 증가
• 몰리브덴(Molybdenum): 경화성 증가
• 바나듐(Vanadium): 경화성과 고온 경도 증가
• 실리콘(Silicon): 경화성과 전기 저항률 증가
• 알루미늄(Aluminum): 강철에서 탈산제 역할
• 티타늄(Titanium): 강철에서 탈산제 역할
• 니오븀(Niobium): 경화성 감소, 연성 증가로 충격 강도 증가
• 코발트(Cobalt): 경화성 감소, 고온에서 연화 저항

주철의 유형

회주철(Grey Iron):

흑연 미세조직으로 인해 회색 외관. 강철보다 인장 강도와 저항 낮음. 압축 강도는 저/중탄소강과 비슷. 미세조직의 흑연 플레이크 크기와 모양에 기반.

백주철(White Iron):

"시멘타이트(cementite)"라 불리는 철 탄화물로 인해 백색 파단면. 낮은 실리콘 함량과 빠른 냉각 속도 때문. 백주철에서 탄소는 흑연 대신 준안정상 시멘타이트(Fe3C)로 석출. 시멘타이트가 용융물에서 비교적 큰 입자로 석출. 철 탄화물 석출로 원료 용융물에서 탄소 이탈, 혼합물이 공융 조성에 가까워지고 남은 상은 저철-탄소 오스테나이트(냉각 시 마르텐사이트로 변환 가능).

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가단주철(Malleable Iron):

백주철 주조로 시작해 약 950°C(1,740°F)에서 가열 후 하루 이틀 냉각. 철 탄화물의 탄소가 흑연과 페라이트+탄소(오스테나이트)로 변화. 느린 과정으로 표면 장력이 흑연을 플레이크 대신 구상 입자로 형성.

구상흑연주철(Ductile Iron):

구상흑연주철 또는 연성 철로도 알려짐. 1948년 개발. 매우 작은 결절(nodule) 형태의 흑연, 동심층으로 결절 형성. 흑연 플레이크가 만들 응력 집적 효과 없는 스펀지 같은 강철 특성. 0.02~0.1% 마그네슘, 0.02~0.4% 세륨 첨가로 흑연 평면 가장자리에 결합해 흑연 석출 성장 지연.

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주철의 장단점

장점:

• 좋은 주조 특성
• 대량 공급 가능
• 저렴한 재료 비용
• 회주철의 좋은 가공성
• 좋은 감도
• 뛰어난 내마모성
• 20~350°C 사이 일정한 기계적 특성
• 높은 내구성
• 변형 저항

단점:

• 낮은 인장 강도
• 녹슬기 쉬움
• 두꺼운 단면의 느린 냉각으로 단면 민감성
• 높은 취성
• 백주철 가공 불가
• 항복점 나타나지 않음

이상으로 주철의 정의, 용도, 특성, 조성, 유형, 장단점을 논의했습니다. 이 글이 도움이 됐다면 다른 학생들과 공유해 주세요. 읽어주셔서 감사합니다!