주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

 

<기출> 

• 기계 22-3-6 금속의 주조과정 중 응고 시 발생하는 수지상정의 형성과정을 도식화하여 설명하시오.
• 기계 18-1-2 특수주철의 종류와 제조법에 대하여 설명
• 기계 16-1-10 합금주철과 구상흑연주철에 대해 설명하시오 
• 기계 14-1-11 주철에 포함되는 흑연의 역할을 설명하시오 
• 기계 14-2-1 주조작업시 주철이 성장하는 원인과 방지대책에 대해 설명하시오
• 금속 23-1-7 주철은 탄소 함량에 따라 성질이 가장 크게 변화되며 망간, 규소, 인 3가지 원소에 영향을 받는다. 규소의 역할에 대하여 설명하시오.
• 금속 22-1-10주강과 비교하여 주철의 보수용접 시 예열이 필요한 이유를 설명하시오.
• 금속 22-1-6 주철 제조 시 사용하는 CE미터(신속열분석계)에 대하여 설명하시오.
• 금속 21-3-4 구상흑연주철을 만들기 위해서는 흑연 구상화를 현저하게 저해하는 S의 함량을 낮추 어야 하므로, 용탕의 S량을 낮추는 방법 3가지를 설명하고, 탈황법으로서 분사주입법 (injection process) 및 포러스플러그법(porous plug process)에 대하여 설명하시오.
• 금속 20-1-13 주물용 주철재료를 구성하는 기본 3원소의 역할
• 금속 19-1-2 주강용해공정에서 사용하는 탈산제 (Deoxidizer)의 종류를 2가지 쓰고 각각에 대하여 설명 
• 금속 19-1-10 구상흑연주철 용탕에서 발생하는 패이딩(Fading)현상의 발생원인과 방지대책을 설명 하시오.
• 금속 17-1-5 주조공정 중 모형 제작 시 사용되는 수축여유(Shrinkage allowance)를 설명하고, 일반적인 회주철과 탄소주강에 사용하는 주물자(Foundry scale)의 수축여유를 쓰시오.
• 금속 17-1-10 주철의 보수용접방법 4가지를 설명하시오 
• 금속 16-1-11 구상화처리 후의 용탕유지에서 페딩(fading) 현상과 Compact Vermicular 흑연주철 (C-V 주철)에 대하여 설명하시오.
• 금속 15-1-3 백주철이 회주철보다 수축이 심한 이유는 무엇인지 설명하시오.
• 금속 15-1-2 구상흑연주철 제조시 구상화제로 가장 많이 사용하는 접종제 2가지 
• 금속 14-1-12 주철에 함유된 인 (P)의 역할을 설명 
• 금속 14-2-5 구상화흑연주철과 가단주철의 제조방법과 용도를 설명 

 

1. 개요

 

1) 주철(Cast Iron)의 정의

2.11% 이상의 탄소를 함유하는 철의 합금
단단하기는 하나 부러지기 쉽고, 강철에 비해 쉽게 녹이 발생함
주조하기가 쉬워 공업용 재료로 널리 사용됨 

주철 맨홀 뚜껑

 

2) 주철의 종류

• 회주철, 보통주철 (Grey Cast Iron)
• 백주철 (White Cast Iron)
• 반주철 (Mottled Cast Iron)
• 고급주철 (펄라이트주철) 
• 합금주철 (Alloy Cast) : Cu, Cr, Mo, Ni, Ti 
• 고합금주철 (특수목적 주철)
• 미이하나이트 주철
• 구상흑연주철
• 칠드주철
• 가단주철
  • 흑심가단주철
  • 펄라이트가단주철
  • 백심가단주철

3) 주철의 합금 원소 종류 및 역할 

(1) 주철 구성 5원소 

• Mn (망간)
• Si (규소)
• C (탄소)
• S (황)
• P (인) 

(2) 합금 원소 종류

• Cu (구리)
• Cr (크롬)
• Mo (몰리브덴)
• Ni (니켈)
• Ti (티타늄)
• W (텅스텐)
• Al (알루미늄)

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4) 주철의 형성 과정 

일반적으로 응고는 외부에서 내부로 결정이 성장해나감 
부분적으로 고상이며, 부분적으로 액상인 지역이 외부에서 내부로 이동해 나가는 현상을 전진성 응고 (progressive solidification)이라 함 
탕구계는 기본적으로 모든 부분이 급탕이 되도록 전진성 응고를 조절할 수 있게 설계되어야하며 (용탕으로 다 채우지 못했는데 일부분 먼저 응고가 발생하면 안됨) 이런 응고를 방향성 응고라 함

 

(1) 방향성 응고의 중요성

• 급탕이 가능한 부분으로부터 가장 멀리 떨어진 지역으로부터 응고가 진행되어 오는 것이 효과적인 급탕 (압탕의 반대부터)
• 압탕(riser)는 수축에 의해 부족한 용탕을 공급 → 방향성 응고를 구현 → 적절한 위치에 적절하게 설계되어야함  

압탕에 의해 구현되는 방향성 응고 예시

(2) 수지상정의 형성과정

수지상정이란 금속이나 합금 등의 용융액이 응고할 때 생기는 결정 형태의 하나로, 나뭇가지 모양으로 발달한 것 
액의 온도가 녹는점보다 어느정도 낮아졌을때, 용탕은 응고하기 시작하는데 녹는점과 용탕의 온도 차이를 (용탕 < 녹는점) 과냉도라고 함
수지상 결정 (수지상정)은 과냉도가 넓은 범위에 걸쳐, 과냉도가 클 때 생김 

1. 표면에 생긴 고체상의 어느 부위에 돌기부가 생김 
2. 돌기부는 평면부에 비해 열의 소산 속도가 크기 때문에 (접촉 면적이 넓음) 우선적으로 성장하여 줄기 (1차수지상 결정) 형성
3. 이 과정이 되풀이됨으로써 수지상 결정이 형성 
4. 성장은 특정한 방향으로 세주나 평판모양으로 급속히 발생 (쌍정판이 접합된 형태로 성장) 

수지상정의 형성과정, 핵성장 &rarr; 결정의 성장 &rarr; 결정입계의 형성. 금형주조는 표면이 가장 과냉도가 크기 때문에 표면부터 형성이 됨

 

단면조직의 구조 개략도, 돌기부에서 조직이 성장하여 줄기가 형성된 것을 알 수 있음

 

5) 주철에서 흑연의 역할

주철의 조직과 흑연의 모양은 대단히 밀접한 관계를 가지고 있음 

• 인장강도 감소
• 흑연의 양, 크기, 모양 및 분포 상태 → 주물의 특성인 주조성, 내마멸성, 절삭성, 인성 ↑ (큰 영향) 
• 마찰에 있어서 윤활유의 역할 
• 기름을 보존, 유지
• 주철 → 내마멸성이 있는 재료
• 고온에서 성질 우수 

6) 주철의 성장과 방지대책 

주철의 성장 : A1변태정 (723도) 이상의 온도에서 가열 및 냉각을 반복하면 부피가 팽창하여 변형, 균열이 발생하는 현상

(1) 성장의 원인 

① 펄라이트 조직 중 시멘타이트의 흑연화에 의한 팽창

시멘타이트는 불안정 / 흑연은 안정

450 ~ 600도에서 분해되기 시작해서 750 ~ 800도에서 Fe3C → 3Fe + C 로 분해됨 

 

② 페라이트 중 고용되어있는 Si의 산화로 팽창

산화막이 형성되면서 팽창 

 

③ 불균일한 가열에 의한 팽창 및 균열에 의한 팽창

 

④ 흡수된 가스에 의한 팽창

 

(2) 방지 대책

① 흑연의 미세화 → 조직을 치밀하게 구성

② C, Si함량 감소, Si를 Ni로 치환 (산화 방지) 

③ 탄화 안정화 원소 첨가 (Cr, V, W, Mo 등)

④ 편상흑연을 구상화

 

7) 주물의 열처리

주철은 주방상태로 사용하는 경우와, 열처리를 행하여 사용하는 경우가 있음.
사용목적에 맞게 요구하는 성질을 갖도록 열처리를 실시함

(1) 열처리의 목적 

• 주물의 잔류응력 제거 
• 주조조직 개선 및 기계적 성질 향상 
• 절삭성 향상 

(2) 열처리 방법

• 주철주물 : 흑연화처리, 응력제거풀림, 연화풀림 
• 주강 : 풀림, 노멀라이징, 담금질, 뜨임

 

2. 주철의 구분

• 보통주철 : 회주철
• 고급주철 : 펄라이트주철, 미이하나이트 주철
• 특수주철 : 구상흑연주철, 칠드주철, 가단주철, 합금주철

분류	명 칭		주요성분(%)	특징 및 용도
보통주철	회주철		C:3.0~3.6 Si:1.5~2.6	대표적인 주철, 가정용기기에서 일반기계부품까지 용도가 넓다.
강인주철 (보통주철)	펄라이트주철 (개량회주철,고급주철)		C:2.8~3.1 Si:1.4~1.8	보통주철보다 강도·인성이 크다 ;  대형부품,엔진부품 등에 사용
특수주철	합금주철		Mn,Si,Ni,Cr,  Mo,V,Al,Cu 등	인성을 강화한 주철
	구상흑연주철		C:3.2~4.0 Si:2.0~3.0 Mg:0.04~0.08	탄소강과 유사한 강도와 인성 ;  기어,크랑크축,캠 등에 사용
	칠드주철			표면층이 단단하고 내마모성 우수
	가단주철	흑심가단주철	C:2.2~3.0 Si:0.8~1.3 Mn:0.2~0.	인성 양호 ; 자동차부품, 철도부품,관류, 송전선부품 등에 적용
		펄라이트가단주철	C:2.2~3.0 Si:0.8~1.3 Mn:0.2~0.	강도 및 내마모성 양호: 크랭크 축,캠축
		백심가단주철	C:2.8~3.2 Si:0.6~0.8 Mn:0.2~0.	가단성 : 자전거 부품 등

 

 

1) 회주철 (Grey Cast Iron) : 보통주철 

탄소가 흑연상태로  존재하며 파단면이 회색인 주철 

KS 호칭 : GC100 ~ 200 (KS D 4301, 숫자는 인장강도)
JS 호칭 : FC100 ~ 200

(1) 특징

• 주로 편상 흑연과 페라이트로 구성되어있는데, 약간의 펄라이트를 함유 
• 기계 가공성이 좋고 값이 저렴하여 대표적인 주철

(2) 용도 

• 일반 기계부품, 수도관, 난방용품, 가정용품, 농기구 등에 사용하며 공작기계의 베드, 프레임 및 기계구조물 몸체로 사용 

회주철 조직 사진

2) 백주철 (White Cast Iron)

탄소가 시멘타이트로 존재하여 백색(급랭으로 인해)의 탄화철(시멘타이트, Fe3C)이 혼합되어있음  

(1) 특징

• 탄소가 거의 시멘타이트로 되어있어 경하며 여리다 
• 기계부품으로는 적합하지 못함 
• 저규소(si), 크롬 함유시 백주철 형성 
• 백주철을 열처리하면 가단주철을 형성 
• 보통 주철이라도 급냉하면 백주철이 됨 

백주철 조직 사진

3) 반주철 (Mottled Cast Iron)

파면이 회색과 백색의 중간인 색상
백주철과 회주철의 중간

(1) 특징

• 백주철과 회주철의 중간 특성을 가지고 있음 (기계적 물성치, 조직 상태 등) 

4) 고급주철 (펄라이트 주철, 개량회주철, 강인주철) 

 강력하고 내마멸성이 있는 인장강도 245MPa 이상의 주철 
흑연이 미세하고 균일하게 분포된 조직, 바탕은 펄라이트며 펄라이트 주철이라고도 함 

KS호칭 : GC250 ~ 350 (KS D 4301)
JS 호칭 : FC250 ~ 350 

(1) 특징

• 기계적 성질 우수
• 내마멸성 우수 

(2) 용도 

• 대형부품, 엔진부품

6) 합금주철,  고합금주철

 주철의 여러가지 성질을 향상시키기 위해 특정 합금원소를 첨가한 주철 

(1) 특징

• 강도, 내열성, 내부식성, 내마멸성 개선 
• 첨가물의 함유량에 따라 저합금 주철과 고합금 주철로 구분됨 

(2) 종류

① 고력합금 주철 

Ni, Cr, Mo 첨가하여 강도 및 내마멸성, 강인성 증대

크랭크축, 캠축, 실린더, 압연용 롤러 등에 사용

 

② 내마멸성 주철

Cr, Mo, Cu등 첨가하여 내마멸성 증대 

③ 내열주철

주철은 일반적으로 400도까지는 강도를 유지하나 더 고온에서는 성장 현상이 발생 → 내산화성, 내성장성 및 고온 강도 등을 개선

 

④ 내산주철 

물이나 산류 등에 침식되기 쉬운 회주철을 개선 

 

 

7) 미이하나이트 주철 (고급주철에 포함)

 흑연의 형을 미세하고 균일하게 분포되도록 (고급주철) 규소 또는 Si-Ca 분말을 접종한 주철. 탄소량 감소 
연성과 인성이 대단히 크며 두께의 차에 의한 성질 변화가 아주 적음 

(1) 특징

• 연성, 인성 높음 
• 두께의 차에 의한 성질 변화 적음 
• 인장강도 높음 
• 바탕이 펄라이트 
• 담금질이 가능하여 내마멸성이 요구되는 공작기계의 안내면과 강도를 요하는 실린더 등에 사용

(2) 용도 

• 피스톤 링 
• 공작기계 안내면
• 실린더 

8) 구상흑연주철, 노듈라주철(Nodular Cast Iron), 덕타일 주철(Ductile Cast Iron)

보통 주철은 내부의 흑연이 편상으로 되어있어 내부 균열의 역할을 하고 있어 강도와 연성이 떨어짐
편상 흑연을 큐폴라 또는 전기로에서 용해한 다음 주입 직전에 Mg, Ce, Ca 등을 첨가하여 흑연을 구상화한 주철
탄소강에 유사한 기계적 성질을 갖는다  

KS호칭 : GCD400-15, GCD400-18, GCD500-7, GCD600-3, GCD700-2 
JIS호칭 : FCD400-15, GCD400-18, FCD500-7, FCD600-3, FCD700-2 

(1) 특징

• 편상 흑연의 결점을 개선시켜 강도와 연성 우수
• 주조상태에서 흑연을 구상화
• 열처리가 가능하여 조직 개선 가능 

(2) 종류

• 시멘타이트형
• 페라이트형
• 펄라이트형

(3) 구상흑연주철 제조시 접종제 2가지 

• 페로 실리콘 (Fe-Si)
• 칼슘 실리케이트 (Ca-Si) 

(4) 구상흑연주철 제조방법

1. 큐폴라 또는 전기로에서 선철, 강 스크랩 등을 적절히 배합, 용해
2. 탈황 (황은 구상화를 방해한다, 아래 탈황법 참조)
3. 흑연을 구상화시킴 : 접종제, 구상화제 첨가 (Ca, Ce, Mg 등 첨가)
4. 시멘타이트 분해를 위해 풀림 처리함  

(5) 용도

• 자동차 크랭크축
• 캠축
• 브레이크 드럼 

구상흑연주철 조직 사진

9) 칠드 주철

 주형에 쇳물을 주입했을 때 주물의 표면이 주조과정에서 급랭으로 인해 경도가 높은 배주철이 되는 것을 칠(Chill)이라 함 
해당 재질을 칠드주철이라 함 (필요한 부분만 금형으로 급랭시켜 백주철화하고 내부는 연한 조직으로 남게 한 주물)

(1) 특징

• 냉각속도의 차이에 의해 외 내부 조직이 다름 : 내충격성과 내마멸성 동시 보유 
• 내부는 회주철로 되어있어 연성이 있음
• 표면은 백주철로 되어있어 마멸과 압축에 잘 견딤
• 사형과 금형을 동시에 사용한 주형에서 조성 

2024.03.06 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 칠드주조 (Chilled Casting), 주조, 특수주조

칠드주조 (Chilled Casting), 주조, 특수주조

(2) 용도 

• 제강용롤
• 분쇄기롤
• 제지용롤
• 철도차륜

10) 가단주철 

 보통 주철의 결점인 약한 인성을 개선하기 위해 백주철을 고온에서 장시간 열처리하여 시멘타이트 조직을 분쇄.  인성 또는 연성을 개선한 주철

흑심가단주철 : FCMB (KS D 4303)
페라이트가단주철 : FCMP (KS D 4304)
백심가단주철 : FCMW (KS D 4305)
 

(1) 특징 (아주 우수) 

• 탄소강과 유사한 정도의 강도
• 주조성과 피삭성이 좋음 
• 대량 생산에 적합
• 보통 주철의 취성을 개선 

(2) 종류

① 흑심가단주철

일반적으로 많이 사용함

백주철 주물을 열처리해서 2단계의 흑연화처리(풀림)에 의해 시멘타이트를 분해, 대량생산에 적합

2단계 흑연화처리

1단계 : 850 ~ 950도에서 20 ~30시간 가열
2단계 : 700 ~ 730도에서 25 ~ 40시간 가열  

 

② 펄라이트가단주철 (적절히 조절한 흑심가단주철) 

흑심가단주철의 2단계 흑연화처리 중 1단계인 850 ~ 950도에서 30~40시간 유지하여 서랭한 것 

조직은 뜨임된 탄소와 펄라이트로 구성

강력하고 내마모성이 좋음 

 

③ 백심가단주철 (탈탄)

백선 주물(백주철)을 산화철 분말 등의 산화제로 싸서 풀림상자에 넣고 900~1000도의 고온에서 장시간 가열 유지

백주철을 탈탄시켜 가단성을 부여 (인성 및 연성을 증가)

단면이 희고 굳으며 강도는 흑심가단주철에 비해 높고 연신율은 적음 

(3) 용도 

• 자동차 부품
• 기계기어
• 파이프 이음쇠
• 농기계 부품 등

가단주철 조직 사진

 

3. 주철에 대한 고찰

 

1) 접종제, 접종

접종제는 1) 흑연화를 위해 실시하며, 2) 주철의 기계적 성질을 개선하기 위해 실시한다 

2024.04.12 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 접종제, 구상흑연주철(노듈라 주철, 덕타일 주철, ductile cast iron), 구상화제 (Ca, Ce, Mg), 구상화처리

접종제, 구상흑연주철(노듈라 주철, 덕타일 주철, ductile cast iron), 구상화제 (Ca, Ce, Mg), 구상화처리

 

2) 탈황제, 탈황

황은 고온에서 황화철을 만들어 적열취성의 원인이 되며 불순물로 취급된다 
또한, 구상흑연주철을 만들기 위해서는 탈황이 필수적으로 선행되어야한다 

2024.04.11 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 탈황법, 탈황제, 분사주입법, 포러스플러그법

탈황법, 탈황제, 분사주입법, 포러스플러그법

 

3) 탈가스, 탈산제, 탈산

탈산은 주조에서 가장 중요한 공정 중 하나이다 
탈산 등의 탈가스 작업을 하지 않을 경우 기공, 핀홀 등의 결함을 야기하며 산화물이 혼입되어 라멜라 균열 등의 원인이 된다 

2024.04.16 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 주철 용탕 처리 - 탈가스처리, 탈산처리(Deoxidiser)

주철 용탕 처리 - 탈가스처리, 탈산처리(Deoxidiser)

 

4) 주물의 보수

주물의 용접은 굉장히 어렵다 (면접 기출문제) 
주물 내 높은 탄소 농도의 영향으로 쉽게 경화되며, 용접열의 급열, 급냉으로 쉽게 경화(칠화, 백주철화)됨. 
또한 주물 내 탄소가 일산화탄소로 바뀌어 기공을 형성하게 되고, 기공 형성시 해당 부분 제거 후 재용접이 필요하다 

2024.04.13 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 주물의 보수용접, 주물 보수 방법, 스터드법, 비녀장법, 버터링법, 로킹법, 용접 보수

주물의 보수용접, 주물 보수 방법, 스터드법, 비녀장법, 버터링법, 로킹법, 용접 보수

 

5) 백주철이 회주철보다 수축이 심하고 빠른 이유

(1) 주철의 수축 구분

• 융체의 수축
• 응고시 수축
• 응고 후 고체 상태일때 수축 

금속은 일반적으로 응고하면 수축하지만, 흑연이 생성되면 팽창한다 (수축하는 양이 줄어든다) 
그래서, Si가 많아지면 생성되는 흑연의 양이 많아져서 수축량이 줄어들어 주조가 용이해짐 (부피 차이가 적은게 유리)
같은 원리로, Mn이 많아지면 생성되는 흑연의 양이 적어져서 수축량이 많아진다 

 백주철은 회주철에 비해 탄소가 흑연으로 존재하기보다 시멘타이트의 형태 (탄화철)로 존재함 
 따라서 흑연이 생성되는 회주철에 비해 응고시 수축이 더욱 심하고 빠른 것이다 

 

6) 용탕의 화학성분 분석, CE 미터(신속 열분석계)의 역할

용탕내 탄소당량을 측정하는 CE미터, 실리콘(규소)의 양을 측정하는 실리콘미터, 퀀터미터 등이 있음 

2024.04.17 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 용탕, 용융금속의 화학성분 분석, CE미터

주철 - 용탕, 용융금속의 화학성분 분석, CE미터

 

7) 고급주물 제조 방법

1) 주철의 흑연 분포상태를 미세하게 하여, 2) 강도도 크고 연신율도 증대하기 위해 특수 원소를 첨가하여 주물의 기계적 성질 개선

(1) 흑연의 형상, 분포를 조절하는 방법 

① 에멜법 (Emmel Process)

50% 이상의 강철과 선철을 이용, 전체 탄소의 양을 3% 이하로 저하시켜 조직에 흑연이 미세하고 균일하게 분포되도록 처리

이를 저탄소주철 혹은 반강주물(semi-steel casting)이라 하며 강도는 크지만 구조적 결점이 많음

 

② 피보왈스키법 (Piwowarsky Process)

주입온도를 높게 해서 흑연이 미세하고 균일하게 하도록 함. 고온주철이라고도 함 

 

③ 데셰네법 (Dexchene Process)

주조시 쇳물에 진도을 주어 밀도가 작은 성분을 위로 떠오르게 하고 흑연의 성장을 방지. 탈황주철이라고도 함

 

(2) 기지(Matrix)조직을 개선하는 방법 

쇳물의 성분을 조정하여 기지의 조직을 개선하는 방법, Lanx법이 있음.
2.5~3.5C%, 0.5~1.5Si% or C+Si = 4.2% 

• 강도가 크고 연성이 있는 조직
• 해당 방법으로 만든 주철을 펄라이트 주철이라고도 함