주철 재질 종류와 특징 정리

 

주철 재질 종류와 특징 정리

 

 

주철 재질 종류와 특징 정리

주철은 철(iron)을 기준으로 주조(cast)하여 만들어진 재질입니다. 다양한 제조방법으로 만들어지는 주철 종류와 각 재질별 특징에 대해 정리했습니다.

 

목차

 

 

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1. 주철의 특징

주철은 강도는 다소 낮으나, 주조성이 좋고, 값이 싸며, 기계가공성이 좋아 널리 사용된다.

주철에는 주조시에 흑연이 석출하여 파단면이 회색인 회주철(灰鑄鐵; grey cast iron)과 흑연의 존재가 적은 백주철(白鑄鐵; white cast iron)이 있으며, 이 두 가지의 중간에 속하는 반주철(斑鑄鐵; mottled cast iron)이 있다.

최근에는 회주철의 강도도 많이 향상되었고, 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵) 등이 출현하여 주강(鑄鋼) 및 가단주철(可鍛鑄鐵) 못지 않게 많이 사용된다.

 

 

 

 

 

2. 주철의 종류

 

(1) 회주철 (灰鑄鐵; grey cast iron)

회주철 (구글)

주철 중의 탄소의 일부가 유리되어 흑연화되어 있는 것을 회주철이라 하며, 선철과 고철을 용해하여 만든다. 

 백주철에 비해서 연하지만 잘 깨어지지 않는 성질을 가졌으며, 단면에는 검은 색깔의 흑연이 덮여 있으므로 회색으로 보인다. 회주철의 흑연을 현미경으로 보면 지렁이와 같은 모양으로 벌려 있는 것처럼 보인다.

백주철보다 냉각속도를 늦추면 회주철이 된다.

 

가. 보통주철

  - JIS 호칭 : FC100 ~ 200

  - KS 규격 : KS D 4301
  - KS 호칭 : GC100 ~ 200

FC100~200 규격을 말하며, 페라이트 + 편상흑연 조직으로 되어있다.

주조성(鑄造性)과 절삭성(切削性)이 양호하므로 각종 기구, 내연기관 실린더, 피스톤 및 주철관 등에 사용된다.

규격 뒤에 숫자는 대표인장강도를 나타낸다

 

 

나. 고급 주철

  - JIS 호칭 : FC250 ~ 350

  - KS 규격 : KS D 4301
  - KS 호칭 : GC250 ~ 350

 FC250 ~ 350 규격을 말하며, 조직은 펄라이트와 흑연으로 되어 있고 펄라이트주철이라고도 부른다.

보통주철의 인장강도는 10~20kg/mm²인데 반하여, 고급주철의 인장강도는 30~40kg/mm²정도이다.

※ 제조법

Lanz법은 T.C.(total carbon; 全炭素量)=2.5%~ 3.5%, Si=0.5~1.5%, T.C.+Si=4.2%를 표준 성분으로 하고, 주형을 예열하여 냉각속도를 느리게 함으로써 백선화(白銑化)를 방지한 pearlite 조직을 얻는다. 이를 일명 pearlite 주철이라고도 한다.

Emmel법은 용선로에 50% 이상의 강철 scrap와 선철을 용해하여 T.C.를 3% 이하로 저하시켜 제조하며, 조직은 흑연이 미세하고 균일하게 분포된 기지의 pearlite 이다.

Piwowarsky법은 주입온도를 높게하면 흑연이 미세하고 균일하게 되는 경향을 이용하여 용선로에서 용탕을 전기로에 옮겨 1500~1600℃까지 가열하여 주입함으로써 강도가 큰 주철을 얻는 방법이며, 일명 고온주철이라고도 한다.

Deschene법은 용융상태의 주철에 진동을 주어 비중이 작은 불순물 같은 것을 뜨게 하고, 흑연의 성장을 방해하여 흑연이 완전히 용입(熔入)되며 미세하게 된다. 압탕구가 있는 주형에 이 방법을 사용하면 흑연이 생긴다하여도 S와 같은 불순물과 함께 위로 부상(浮上)하여 제거되기 때문에 일명 진동탈황주철(振動脫黃鑄鐵)이라고도 한다.

Meehanite 주철은 미국의 Meehan 회사가 개발한 것으로 선철에 많은 강 scrap을 배합한 저탄소 주철에 Ca-Si, Fe-Si 등으로 접종하여 균일 미세화시킨 고급주철의 일종이다. 열처리 경화가 가능하고, 내마모성이 우수하여 실린더, 캠, 크랭크, 축, 치차 등에 사용된다.

 

 

 

 

 

 

(2) 구상흑연주철 (nodular graphite cast iron)

  - JIS 호칭 : FCD400-15, FCD400-18, FCD500-7, FCD600-3, FCD700-2

  - KS 규격 : KS D 4302
  - KS 호칭 : GCD400-15, GCD400-18, GCD500-7, GCD600-3, GCD700-2

구상흑연주철 (구글)

보통 주철에 마그네슘이나 칼슘을 약간 첨가하면, 편상흑연(片狀黑沿)은 구상(球狀)으로 변화하여 회주철의 2 ~ 3배나 강하고 질긴 주철이 된다. 이러한 주철은 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵)이라하며, 연성(軟性)이 필요한 중요 기계부품이나 수도관 등에 사용한다. 종류에 따라 pearlite 형과 ferrite 형이 있다. 

pearlite 형은 인장강도가 50 ~ 70kg/mm2, 연율이 1 ~ 5%, ferrite 형은 인장강도가 50 ~ 60kg/mm2 , 연율이 10 ~ 20%이다.

경도는 220 ~ 230HB 이며, 내열성 및 내마모성이 우수하고, 절삭성이 좋다.

※ 제조법

- 선철, 강 scrap 등이 사용되고, 제품의 종류 및 용해로에 따라 배합비율이 다르다.
- 용선로, 저주파전기로 등의 노를 사용한다.
- 황(S)은 흑연구상화가 되기 전에 0.02% 이하가 되도록 탈황되어야 한다.
- 주입하기 직전 용탕에 원소를 첨가하는 Mg 처리법, Ce 처리법, Ca 처리법에 의하여 구상흑연주철을 얻는다.
- 시멘타이트(cementite) 분해와 펄라이트(ferrite)화를 위하여 풀림한다.

 

구상흑연주철은 회주철과 달리 늘어나는 성질이 있어 규격에 “대표인장값+대표연신율%”을 표시한다.

 

(3)  백주철 (white cast iron)

백주철 (구글)

주철의 탄소 함량에서 시멘타이트(Fe3C)는 준안정상인데, 시멘타이트가 안정상인 페라이트와 흑연으로 분리되지 않고 그대로 존재하는 주철을 백주철이라고 한다. 

세멘타이트는 굳은 화합물이므로, 세멘타이트를 많이 함유하는 주철은 단단하고 내마모성(耐磨耗性)은 우수하지만 부서지기가 쉽다. 이와 같은 주철의 단면은 조직이 치밀하고 백색으로 빛나기 때문에 백주철이라고 한다.

주철의 용탕을 고속으로 냉각하면 백주철이 된다.

 

 

 

 

 

 

(4) 가단주철 (malleable cast iron)

 가. 흑심가단주철

  - KS 규격 : KS D 4303
  - KS 호칭 : FCMB

 나. 페라이트 가단주철

  - KS 규격 : KS D 4304
  - KS 호칭 : FCMP

 다. 백심가단주철

  - KS 규격 : KS D 4305
  - KS 호칭 : FCMW

가단주철 (구글)

백주철에 열처리해서 인성을 부여하여 단조할 수 있도록 만든 주철. 규소 성분을 추가하여 주조시 세부 부분까지 정밀하게 표현할 수 있다.

백선철(白銑鐵)을 열처리해서 가단성(可鍛性)을 부여한 것이며, 파단면의 상태에 따라 백심가단주철(白心可鍛鑄鐵)과 흑심가단주철(黑心可鍛鑄鐵)로 나눈다. 

가단주철은 인장강도와 연율이 연강에 근사하고 주철의 주조성을 갖고 있어 주조가 용이하므로 자동차 부품, 관이음 등에 많이 사용된다.

※ 제조법

- 화학조성: 앞의 표에서와 같이 백심가단주철에는 흑심가단주철에 비하여 S가 많고 Si가 적다. 반대로 흑심가단주철에는 Si가 많고 S가 적다. 흑연화를 촉진하는 것으로서 큰 것부터 나열하면 Co, Cu, P, Ni, Ti, Al, Si 등이고, 흑연화를 방해하는 것은 W, Mo, Mn, V, Cr. S의 순이다.

- 용해 및 주조: 용해에는 용선로, 도가니로, 반사로, 전기로 등이 이용된다. 주입온도가 너무 높으면 흑연화에 시간이 너무 오래 걸리므로 용선로와 반사로에서는 1320 ~ 1420℃ 정도가 적당하다. 백선철은 탄소량이 보통주철보다 적으므로 용해온도가 높다.

- 열처리: 백선철 주물을 상자에 넣어 풀림로에서 다음 그림과 같이 열처리한다. 열처리 온도가 흑연화에 미치는 영향은 크며, 저온에서 열처리를 행하면 시간은 오래 걸리나 흑연이 미세해져 가단성이 커진다.

 

(5) 합금주철 (특수주철, 合金鑄鐵)

합금주철 (구글)

원소 C, Si, Mn, P, S 외에 Ni, Cr, Cu, Mo, Al, W. Mg, V 등을 첨가하던가 Si, Mn, P를 증가시켜 강도, 내열성, 내부식성, 내마모성 등을 개선한 주철을 합금주철이라 하며, 첨가되는 원소의 영향은 다음과 같다.

▷ 내마모성 합금주철: Ni, Cr, Mo 첨가. 경도, 내마모성 우수
▷ 내마멸성 합금주철: Cr, Mo, Cu 등 첨가. 경도 우수

※ 첨가 원소별 영향

- Cu(구리): 0.25 ~ 2.5% 첨가하면 경도, 내마모성 및 내부식성이 커진다.
- Cr(크롬): 0.2 ~ 1.5% 첨가하면 pearlite 조직이 미세화되며, 경도, 내열성, 내마모성이 증가한다.
- Ni(니켈): 두꺼운 부분의 조직이 조대화되는 것을 방지함과 동시에 얇은 부분의 chill 발생을 방지한다. 14~38% 첨가하면 내열성, 내산성, 내 alkali 성이 되며, 비자성(非磁性)인 austenite가 된다.
- Mo(몰리브덴): 흑연화를 방지하며, 0.25~1.25% 첨가하면 흑연을 미세화시키고 강도, 경도, 내마모성을 증대시킨다.
- Ti(티타늄): 탈산제로서 흑연화를 촉진하나, 너무 많이 첨가하면 흑연화를 방해한다. 0.3% 이하 첨가하면 고탄소, 고규소철의 흑연을 미세화시켜 강도를 높인다.
- V(바나듐): 0.10 ~ 0.50% 첨가하면 흑연을 미세화시키고, 강력한 흑연화의 방지제가 된다.

 

(6) 반주철(칠드주철)

주조할 때 모래주형에 필요한 부분만 금형에 접촉된 부분만이 급랭에 의해 경화되는 주철로 칠드주철로 불린다.

외부는 백주철, 내부는 회주철로 구성되어 인성 우수하다.

주 용도는 제강용 롤, 분쇄기 롤, 제지용 롤, 기차바퀴 등의 부품 제작에 적용된다.

 

 

 

 

 

 

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마무리

주철 공법을 통해 생산되는 재질의 종류와 특성, 규격 번호에 대해 정리했습니다. 업무 중에 개략적으로 내용 파악이 필요하실 때 활용되면 좋겠습니다. 내용의 오류나 보완해야할 사항은 댓글로 알려주시면 좋겠습니다. 감사합니다.

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끝까지 읽어주셔서 감사합니다.

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