주조공학 2-1

2-1 주물용 금속 재료와 조직 및 특성

 

주철의 조직 특성

 

• 주철은 Fe와 C로 이루어진 합금이고, 탄소를 약 2.0~4.0% 정도 포함하고 있습니다.
• 실제로 주철 속의 탄소는 두 가지 형태로 존재:
  1. 유리탄소 (free carbon): 흑연(graphite) 형태로 존재
  2. 화합탄소 (combined carbon): 펄라이트나 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 존재
• 주철에 들어있는 전체 탄소의 양은 전탄소량(total carbon) 이라고 칭합니다.

Fe3C 상태도

 

• 주철이 녹아 있을 때(용융 상태)는 탄소가 철 속에 고르게 녹아 있습니다.
• 주철이 빨리 식으면(급냉)      탄소는 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 응고.
• 반대로 천천히 식으면(냉각)   탄소는 흑연(graphite) 형태로 석출.
• 그래서 Fe-C 상태도를 볼 때,
  - 흑연이 석출되는 경우는 안정 평형 상태 (solid line)
  - 시멘타이트가 석출되는 경우는 준안정 상태 (dashed line) 로 구분한다.

 

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주철 조직의 상(phase)과 성질 요약

 

주철 조직상

• 주철에는 철 외에도 여러 원소(예: Mn, S, P 등)가 섞여 있어서 조직이 복잡하다.
• 주로 나타나는 상(phase):
  - 흑연(graphite)
  - 시멘타이트(Fe₃C)
  - 고용체(Fe 중심)

 

 

흑연의 종류와 성질 변화

• 주철 속 탄소는 냉각 시 흑연 또는 시멘타이트로 나타난다.
• 흑연의 형태에 따라 주철의 성질이 크게 달라진다.
  1. 편상흑연 (flake): 응고할 때 바로 생긴 것 – 깨지기 쉬움
  2. 괴상흑연 (lump): 시멘타이트가 먼저 생긴 후 흑연으로 바뀐 것
  3. 구상흑연 (spheroidal): 쇳물을 특별히 처리해 만든 것
     흑연을 구상화하면 흑연이 철중에 미세한 알갱이 모양으로 존재하여
     강도와 인성이 좋아져서 탄소강과 비슷한 성질로 변함

 

 

주철 조직의 구성 상

 

시멘타이트 (Fe₃C)

• 주철에서 가장 단단한 상.
• 경도(HV)는 약 1100으로 매우 높다.
• 시멘타이트가 많이 들어 있으면 → 백주철이 되는데,
  → 단단하지만 가공(절삭)하기 어렵다.

페라이트 (Ferrite)

• 철 중심의 고용체로,
  - Si는 전부
  - Mn 일부
  - C는 아주 조금 포함
• 보통은 펄라이트와 함께 존재하고,
  - 냉각 속도나 규소 함량에 따라 조직 전체나 일부를 차지할 수 있다. → 비교적 부드럽고 연한 상.

펄라이트 (Pearlite)

• 단단한 시멘타이트(Fe₃C) + 연한 페라이트(Ferrite)가 섞여 있는 조직.
  → 너무 단단하지도 않고, 너무 부드럽지도 않은 중간 정도의 강도를 가진다.
• 회주철(흑연이 포함된 주철)에서는
  → 펄라이트 + 페라이트 + 흑연이 섞여서
  → 여러 가지 조직 형태로 나타날 수 있다.

주철 조직도

 

주철 조직도

 

 

밑에 사진은 주철의 조직변화를 쉽게 알 수 있도록 만든 실용적인 선도 입니다.

세로축: C 함유량

가로축: Si 함유량

마우러 조직도

두 성분의 조합에 따라
→ 주철이 어떤 조직(예: 펄라이트, 페라이트, 흑연 등)으로 변화하는지를 보여준다.
실제 주철 설계나 분석에 많이 사용되는 유용한 도표 입니다.

 

I: 백주철 (시멘타이트+펄라이트)

II: 펄라이트 주철 (펄라이트+흑연)

IIa:  반 주철 (시멘타이트+펄라이트+흑연)

IIb: 회 주철 (펄라이트+페라이트+흑연)

III: 페라이트 주철 (페라이트+흑연)

 

 

흑연 형상과 분포

 

 

흑연은 주철 안에서 형태에 따라 I ~ VI형으로 나뉜다.
그중에서 세 가지 형태가 가장 일반적이다:

1. I형 – 편상흑연 (flake)
   : 얇고 가늘게 퍼진 형태 → 깨지기 쉬움
2. V형 – 괴상흑연 (lump)
   : 뭉쳐 있는 불규칙한 형태
3. VI형 – 구상흑연 (spheroidal)
   : 동그랗게 정돈된 형태 → 강하고 인성이 좋음
   → 구상화 처리(특별한 첨가제 사용)로 만들어짐

흑연 형상 분류

그 외 중간 형태:

• II형 – 성상흑연: 편상과 구상 중간 형상
• III형 – 응편상흑연: 약간 응집된 편상
• IV형 – 응집상흑연: 더 뭉쳐진 형태로 흑심가단주철에서 나온 불규칙한 형상
• V형 – 괴상흑연: 흑심가단주철에서 나온 불규칙한 형상

형태	명칭	특징	기계적 성질
A	표준형 흑연	균일하고 고르게 분포된 평상흑연	우수
B	장미형 흑연	불순물 및 가스가 많을 때, 장미꽃 처럼 뭉침.	미흡
C	키슈흑연	과공정 주물에 나타나고, 직선형 흑연이 크다.	미흡
D	공정상 흑연	Si가 많고 빠르게 냉각된 경우, 작고 불규칙한 흑연	절삭성 우수, 기계적 성질 미흡
E	수지상 분포 흑연	약한 방향성이 있는 작은 형태 수지상 조직과 닮음	보통 이하