주철의 3원소, 합금주철의 합금성분별 역할

<기출> 

• 기계 16-1-10 합금주철과 구상흑연주철에 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 20-1-13 주물용 주철재료를 구성하는 기본 3원소의 역할
• 금속 14-1-12 주철에 함유된 인 (P)의 역할을 설명 

 

1. 개요

 

1) 합금주철의 정의

아래 주철의 기본 원소로 구성된건 합금주철이라고 하지는 않고 일반 주철임
주철재료를 구성하는 기본 3원소 : Mn(망간), 규(Si), 탄소(C)
주철 5원소 : Mn(망간), 규(Si), 탄소(C), 황(S), 인(P) 

합금주철은 주철의 여러가지 성질을 향상시키기 위해 특정 합금원소를 첨가한 주철 
강도, 내열성, 내부식성, 내마멸성을 개선한 주철 
첨가 원소의 함유량에 따라 저합금 주철과 고합금 주철로 분류됨

2) 합금 성분의 종류 

(1) 주철 5원소 종류

• 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)

 

2. 주철 구성 원소의 역할 

 

1) C (탄소) 1st of 3대장

주철에서 탄소는 흑연 상태로 존재 (냉각속도가 느릴때) 
주철은 냉각속도와 화학성분(Si, Mn량)에 따라 탄소 상태에 영향을 미침 
: 흑연의 양은 Si의 양과 비례하고, Mn량과 냉각속도에 반비례함


 탄소는 화합탄소 및 흑연탄소의 형태로 존재
: 흑연탄소가 많으면 주철은 연하고 결정은 조대해지며 유동성은 좋아짐(주조성이 좋아짐) 
: 화합탄소(ex. 시멘타이트)는 주철을 경하고 여리게 하며 유동성이 나빠짐 

화합탄소 및 흑연탄소는 Si 와 Mn의 함유량으로 생성이 지배됨 (냉각속도가 작을수록, Si량이 많을수록 흑연탄소 석출 용이) 
주철의 강인성을 증대하려면, 흑연탄소가 조직 중에 미세하고 균등하게 분포되어있을 필요가 있음

(1) 특성

• 주철에서 흑연 상태로 존재 
• 시멘타이트는 주철을 단단하고 강하게 하지만 0.9% 이상이 되면 여려짐 (너무 단단해서 깨짐)
• 흑연의 양이 많으면 주철은 무르고 강도가 낮으나 분포상태 및 형상이 미세할수록 강도가 높아짐
• 전 탄소량이 3.3%를 넘으면 다른 원소와 무관하게 조직이 조대해지고 매우 여려짐

 

2) Si (규소) 2nd of 3대장

Fe와 고용체 (Si 약 16%)를 만들고 흑연 생성 촉진 원소 (C 3.25%까지) 
금속은 용해하면 일반적으로 부피가 줄어들지만, 흑연이 생성되면 부피가 팽창한다 
Si를 첨가하면 흑연 생성을 촉진하므로, 응고 수축이 상대적으로 적어져 주조가 용이함 

(1) 특성

• 경도, 탄성한도, 인장강도 ↑ (기계적 성질 개선)
• 신율 및 충격치 ↓
• 내열성, 내식성 ↑

(2) 마우러(Maurer) 조직도 

규소와 탄소가 냉각속도에 따라 주철의 조직의 변화를 나타낸 선도
사선부가 양호한 주물을 얻는 범위 (넘어가면 지나치게 경하거나 여린 주철을 얻을 수 있음)

마우러선도

 

3) Mn (망간) 3rd of 3대장

Mn은 S와 친화력이 커서 황화철이 존재하면(FeS) 황화망간(MnS)를 생성하고 슬래그가 되어 S의 해를 제거
Mn은 흑연 생성을 방지함 
: Mn과 Fe는 완전히 고용 → 탄화망간(Mn3C)로서 시멘타이트 중에 고용 → C의 용해도를 감소시켜 화합탄소량을 증가시킴 (반대로 흑연의 양이 줄어든다) 

(1) 특성

• 자경성 부여, 담금성 ↑  
• 기계적 성질 (경도, 강도) ↑
• 고온경도, 내열성 ↑
• 연성 약간 감소 
• 1.5% 이상에서는 강도가 지나치게 커져서 가공성이 불량해져 0.5~1.5%로 조절

4) S (황) 4th of 5대장 

주물에 해로운 불순물, 고급 주철에서는 0.1% 이하로 제한함 
Fe와 결합하여 FeS, Mn과 결합하여 MnS로 존재 
S는 1% 이하일 경우 시멘타이트 중에 고용체로 되어있으나, 그 이상 Mn이 적은 경우 FeS는 선상 혹은 구상의 형태를 띄어 해로운 작용을 함

(1) 황의 해로운 작용 (FeS의 역할) 

• 유동성을 나쁘게 함 (주조성 악화)
• 주조시 수축률을 크게 하여 기공을 만들기 쉽게 하고, 주조 응력을 크게 하여 균열 발생 유도
• 흑연 생성을 방해하며 고온 취성을 발생
• 인장강도, 연신율, 충격치 감소 
• 절삭성이 증가 (유일한 장점)  

5) P (인) 5th of 5대장 

일부분 페라이트 중에 고용되나, 보통 스테아다이트 (페라이트 + Fe3C + Fe3P)로서 존재 
스테아다이트의 Fe3P(인화철)는 주철을 단단하고 여리게 만듬 

(1) 특성

• 인화철을 형성함
• 결정립을 거칠게 함 
• 경도와 인장강도를 다소 높이지만 연신율을 감소시킴 (악화) 
• 상온 충격치 감소 (상온 취성의 원인으로 작용) 

6) Ni (니켈) : 합금원소 중 가장 좋음 

(1) 특성 (장점만 있음) 

• 탄성한도 및 경도를 증대 (기계적 성질 증대)
• 내식성, 내열성, 내산성 향상
• 인성을 해치지 않음 
• 얇은 부분의 Chill을 방지 

7) Cr (크롬) 

(1) 특성

• 탄소강의 결정을 미세화
• 강도나 경도를 뚜렷하게 ↑ (기계적 성질 증대) 
• 연신율을 그다지 해치지 않음
• 담금질성 ↑
• 내마멸성, 내식성, 내밀성 ↑

8) Mo (몰리브덴) 

(1) 특성

• 니켈 대용으로 사용
• 기계적 성질이나 담금질 질량 효과도 니켈, 크롬강과 별 차이가 없음
• 용접이 용이함 
• 뜨임취성 방지
• 고온에서 인장강도 ↑
• 경도 ↑  

9) 그 외 (Cu, W, Al, Ti) 

(1) Cu

• 공중 내산성이 증대 

(2) W

• 고온 경도와 고온 인장강도 증대

(3) Al

• 탈산제
• 고온에서 산화를 방지함 

(4) Ti

• 탈산제
• 흑연화를 촉진 
• 0.3% 이하 첨가하면 고탄소, 고규소 주철의 강도를 증대시킴 

 

2024.03.01 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 구상흑연주철의 페딩 현상, 페이딩 현상 (Fading)

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