주철의 성질과 특징에 대해서 공부하기

주철의 성질과 특징

주철의 성징과 특징에 대해서 공부해보려고 한다. 주철은 철, 탄소, 규소 합금에 광범위한 적은 양의 몇가지 다른 원소가 함유된 유형을 말하는 일반적인 명칭이다. 주철은 많은 양의 탄소를 함유하고 있으며 전성이 없는 금속이다. 주철은 매우 다양한 성질을 가진다. 왜냐하면 원소의 적은 양의 변화에도 큰 변화를 가져오기 때문이다.

 

주철은 한가지 원소로 이루어진 단일 금속이 아닌 6가지 이상의 원소가 함유된 금속이다. 모든 주철은 철, 탄소, 규소, 망간,인 및 황을 포함하고 있다. 더욱이 합금 주철은 또 다른 원소를 포함하고 있으며 이것들은 재료의 물리적 성질에 중요한 영향을 끼친다. 

 

회주철은 파단면이 보통 회색을 띄며 이 색깔은 철 안에 함유되어 있는 탄소의 형태인 편상흑연에 의하여 나타난다. 회주철은 기계가공이 용이하고 높은 압축강도를 갖는다. 인장강도는 140~415Mpa까지 변하나 전연성은 대체적으로 낮은 편이다. 함유된 각 원소의 백분율은 상당한 차이가 있으며 일반적으로 아래 범위 한도 내에서 존재한다.

• 탄소 : 3.0~3.5%
• 규소 : 1.0~2.75%
• 망간 : 0.4~1.0%
• 인 : 0.15~1.0%
• 황 : 0.02%~0.15%

그리고 나머지 대부분의 성분은 철이다.

 

사진1의  A와 B는 회주철의 조직을 현미경 사진으로 나타낸 것이다. 검은 선은 주철의 강도를 크게 감소시키는 흑연의 작은 박편 성분이다. 이 흑연의 작은 박편이 금속 전체에 균일하게 분포되어 있으면 강도는 높아 진다. B에서의 부식된 시편의 밝은 색 성분은 스테다이트(steadite)이고 주철의 조직성분으로서 인의 성분을 포함한 것이다.

 

사진1

 

그리고 다른 조직 성분은 펄라이트(pearlite)라고 알려져 있다. 스테다이트는 백색의 수지상 조직으로 알 수 있다. 이것은 α철의 공정조직을 가지며 인화철이다. 페라이트, 즉 순철은 높은 규소 함유량을 가진 회주철 또는 서냉된 주철 성분으로 나타난다. 페라이트와 탄화철이 교대로 층상을 이루고 있는 펄라이트는 대부분의 주철에서 찾아볼 수가 있으며 펄라이트 철과 비슷하다.

 

사진에 검은 흑연 박편이 보인다. 백주철은 탄소가 탄화물인 Fe3C형태를 띠고 있어서 파단면이 백색이다. 이 탄화물을 시멘타이트(cementite)라 하며 주철 중 가장 단단한 성분이다.

 

백주철은 탄화물이 많이 포함되었을 때는 연삭은 되나 기계절삭은 되지 않는다. 사진2에서 나타난 주요성분은 시멘타이트와 펄라이트이며, 검정부분은 펄라이트이고 밝은 부분은 시멘타이트이다. 백주철은 냉각쇠에 닿도록 주조하거나 성분을 조절하여 제조한다. 냉각쇠는 차륜, 롤러, 석재 분쇄기판과 같은 내마멸성 표면을 얻고자 할때 사용한다. 

사진2

 

가단주철을 제조하기 위한 첫 단계는 금속의 성분을 조절함으로써 백주철의 주물을 만드는 것이다. 이와 같은 주물을 제조하기 위한 한가지 방법은 다음과 같다. 

• 탄소 : 1.75~2.3%
• 황 : 0.85~1.2%
• 망간 : 0.4% 이하
• 인 : 0.2% 이하
• 황 : 0.12% 이하

나머지는 철성분이다. 반선철 주철은 회주철과 백주철의 중간 주철이다. 이 이름은 파단면의 외양에서 유래하며 표면에 강도가 요구되는 주물을 급랭하여 얻는다.

 

가단주철과 가단철은 백주철로 부터 만들어 진다. 백심주물을 철상자 안에 넣고 노 주위를 열이 자유롭게 회전할 수 있도록 하여 어닐링로에 넣는다. 어닐링 시간은 815~1010'C 에서 3~4일 간이다. 이 공정에서 굳은 탄화철은 사진3에 나타난 바와 같이 굳은 Fe3C는 비교적 순철 메트릭스에 구상흑연탄소로 변한다. 이와 같은 주철은 인장강도 약 380MPa, 연신율 18%를 갖는다.

 

사진3

 

상당히 좋은 내충격성과 양호한 피절삭성을 가진 가단주철은 주로 철도차량, 자동차, 배관 및 농기구와 가튼 곳에 많이 사용된다. 주물과 산화재와 함께 철상자에 넣어서 열처리된 것을 흑심가단주철이라 한다. 백주철은 큰 단면의 재료로 주조 소형 주물에 사용된다.

 

강인주철(구상흑연주철)은 사진3 B에서와 같고 높은 인장강도와 높은 전연성을 가진 주철이다. 이 강인주철은 일련의 3가지 수(XX-YY-ZZ)로써 분류하며, 첫번째 XX는 인장강도, 두번째 YY는 항복강도, 세번째 ZZ는 연신율을 나타낸다. 예로서 60-50-15는 인장강도 60,000psi, 항복강도 50,000psi, 연신율 15%를 나타낸것이다. 강인주철의 탄소는 구상흑연을 형성하며 회주철에 소량의 Mg-Ni 또는 Mg-Cu-FeSi합금과 같은 마그네슘을 포함한 접종 재료를 첨가함으로써 제조된다.

 

흑연을 생산하기위해 소요되는 마그네슘의 양은 황의 양에 따라 달라진다. 황은 황화마그네슘으로 바꿔줌으로서 가장 먼저 제거된다. 더 추가되는 마그네슘은 흑연을 구상화시킨다. 이 형식의 주철은 일반적으로 주조한 그대로 사용한다. 그러나 주조 후에 어떤 요구되는 성질을 가지게 하기위하여 짧은 시간에 어닐링을 할때도 있다. 이 과정에서 어닐링에 소요되는 시간은 가단주철에서 소요되는 시간보다 훨씬 짧다. 이 개량된 물리적 성질은 크랭크축 등 넓은 범위의 기계부품에 사용된다.