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4. 주철(Cast Iron)

구조용 재료로는 용융점이 낮고 유동성이 좋아 주조성이 우수한 것이 요구되므로 탄소가 많이 함유되어 있는 철, 탄소의 합금강이다.

(1) 주철의 성질

[1] 주철의 장점
① 주조성이 우수하여 크고 복잡한 것도 제작이 가능하다.
② 단위 무게당의 값이 싸다.
③ 표면은 굳고 녹슬지 않으며 칠도 잘 된다.
④ 마찰저항이 우수하며 절삭가공이 쉽다.
⑤ 인장강도, 휨 강도 및 충격 값이 작으나 압축강도는 크다.

[2] 주철의 수축
① 융체의 수축
② 응고할 때의 수축
③ 응고 후의 고체 수축

[3] 주철의 성장

① 원인
시멘타이트 중의 흑연화에 의한 성장(Fe₃C→ 3Fe+C)
페라이트 중의 고용된 Si의 산화(Si + O₂→ Si O₂)
Al변태에서 체적 변화가 생기면서 가는 균열이 형성되어 생기는 팽창
불균일한 가열로 생기는 균열에 의한 흡수된 가스의 팽창

② 방지법
조직을 치밀하게 한다.
흑연을 미세화한다.
흑연화 방지 원소를 첨가한다.(Cr, W, Mo, V)
산화하기 쉬운 Si양을 줄이고 내산화성 원소인 Ni로 치환시킬 것.
※ 흑연화 촉진제: 규소(Si), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 알루미늄(Al)

< 주철의 첨가원소의 역할>

크롬
(Cr)

흑연화 방지, 탄화물 안정. 1.5% 포함시 퍼얼라이트 조직은 미세화, 경도 증가, 내열성 및 내부식성이 좋아짐 많이 넣으면 고온에서의 내열성이 좋아진다.

니켈
(Ni)

흑연화 촉진제
0.1-1% 첨가시 조직 미세화, 흑연화 능력은 규소의 1/2-1/3
주물에서 두꺼운 부분의 조직이 크게 하는 것 방지
얇은 부위의 칠(Chill)의 발생 방지, 두께가 고르지 않은 주물을 튼튼하게 한다.

몰리브덴(Mo)

흑연화 다소 방지. 0.25-1.25% 첨가시 흑연을 미세화
강도, 경도, 내마멸성 중대, 두꺼운 주물의 조직 균일화

구리
(Cu)

0.25-2.5% 첨가시 경도 증가
내마멸성 개선, 내부식성 개선

티탄(Ti)

강한 탈산제인 동시에 흑연화 촉진. 많이 첨가시 오히려 방지

바나륨(V)

강력한 흑연과 방지제

※ 합금 원소에 의한 압도 증가율: V>Mo>Cr>Mn>Cu>Ni

※ 자연 시효(시즈닝)

주조후 장시간 외부에 방치하면 자연히 주조 응력이 제거되는데 이를 자연시효라 한다.

(2) 주철의 종류

회주철: 탄소가 흑연상태로 존재하며 파단면이 회색

백주철: 탄소가 시멘타이트 상태로 존재

반주철: 회주철과 백주철의 중간

[1] 보통주철(GC 100 – GC 200)
보통 주철은 회주철의 대표적 주철로 인장강도가 10-20Kg/mm² 정도가 기계 가공성이 좋고 값이 싼 것이 특징이며 일반 기계, 부품 기계 구조물의 몸체 등의 재료로 사용된다.

[2] 고급주철(GC 250 – GC 350)
편상 흑연 주철 중에서 인장강도가 25 Kg/mm² 이상의 주철로 조직이 펄라이트며 강도를 요하는 기계부품 사용된다.

[3] 미하나이트 주철
접종을 이용해 만드는 주철로 바탕이 퍼얼라이트이고 흑연이 미세하게 분포되어 있어 인장강도가 35-45 Kg/mm² 정도이며 담금질이 가능해 내마멸성이 요구되는 공작기계의 안내면과 강도를 요하는 기관의 실린더에 사용.

[접종] 흑연의 형을 미세하고 균일하게 분포되도록 하기 위하여 규소나 칼슘-규소 분말을 첨가하여 흑연의 핵형성을 촉진하는 방법

[4] 구상흑연 주철(GCD)
주철은 편상 흑연 때문에 연성이 나쁘고 메지다. 그리고 편상흑연은 열처리를 오래햐야하는 결점이 있다. 이것에 대해 용융상태에서 흑연을 구상화로 석출시킨 것이 구상흑연 주철로 Ce, Mg을 첨가하거나 그 밖의 특수한 용선처리를 해서 흑연을 구상화 한다.

① 주조한 그대로 인장강도 50-70 Kg/mm², 연신을 2-6%
② 풀림시 인장강도 45-55 Kg/mm², 연신을 12-20%
③ 구상흑연 주철의 분류와 성질
     (가) 시멘트타이트형: Mg많고 Si 적을 때 냉각속도 빠름. H_B 220이상
     (나) 페라이트형: Mg많고 Si 많을 때 냉각속도 느림. H_B 150-200
     (다) 퍼얼라이트형: 중간상태
④ 벌즈아이(Bulls Eye)조직: 펄라이트를 풀림 처리하여 페라이트로 변할 때 구상흑연 주위에 나타나는 조직

[5] 칠드 주철(냉간 주철)
보통 주철에 비해 규소가 적은 용선에 적당량의 망간을 주입해서 금형에 주입하면 금형에 접촉된 부분은 급냉되어 백주철이 된다. 이를 칠드 주철 또는 냉경 주철이라 한다. 칠드된 부분은 시멘트타이트로 되어 경도가 높아져 내마멸성과 압축강도가 크게 된다. 칠드로울, 기차바퀴, 분쇄기 로올 등에 사용.

[6] 가단 주철
회주철은 주조성이 좋으나 취약하여 거의 연신율이 없는데 이 결점을 보충한 것이 가단 주철이다. 먼저 백주철의 주물을 만든 후 장시간 열처리하여 탈탄과 시멘타이트 흑연화에 의하여 연성을 가지게 한 것이다.

① 흑심 가단 주철(BMC)
백주철을 철광석, 산화철 등의 탈탄제와 함께 상자에 채워 풀림 열처리한 주철이다.
② 백심 가단 주철(WMC)
백선주물을 철광석 밀스케일과 같은 산화철과 함께 풀림처리에 쓰이는 상자안에 다져놓고 장시간 가열하여 백선의 표면을 탈탄하고 구상화한 주철이다.

[7] 내열 주철
주철 중에 내산화성, 내성장성 및 고온 강도를 개선한 주철이다.
<종류>
니크로 실락 (Ni-Cr-Si 주철)
니레지스트 (Ni-Cr-Cu 주철)
고크롬주철 (Cr 14-17%)

[8] 내산 주철(고 Si 주철)
14% Si가 첨가되어 내산성을 향산시킨 주철로 듀리런이 있다.
※ 주강의 특징
① 대량 생산에 적합하다. ② 주철에 비하여 용융점이 낮아 주조하기 힘들다.