주조공학 2-2

안녕하세요!

봄비가 보슬보슬 내리네요. 벚꽃이 떨이지고 나무에는 푸릇한 새순이 나기 시작해서

본격적인 봄이 시작됐네요! :)

 

 

2-1 주철의 특성

 

주철의 물리화학적 특성

 

[물리적 특성]

주철의 물리적 성질은 화학조성과 조직에 따라 크게 달라진다.

 

 

-비중 (Density)-

탄소(C), 규소(Si)가 많아질수록 → 비중은 작아진다

 

주철 내부 조직별 비중은:

• 페라이트: 7.85 %
• 시멘타이트: 7.66 %
• 흑연: 2.55 %

 

 

-용융점-

탄소와 규소가 많을수록 → 용융점 낮아진다.

→ 주조가 쉬워짐

 

 

-열전도율 / 전기비저항-

흑연량에 따라 영향을 받는 성질도 있고

영향을 받지 않는 성질도 있다→ 예: 열전도율은 흑연이 많을수록 좋음

회 주철의 물리적 성질

 

 

[화학적 특성]

 

-내식성에 영향을 주는 요소-

편상 흑연이 잘 분산돼 있을수록 → 내식성 좋다

펄라이트가 많을수록 → 내식성 나빠진다

흑연이 공정상 형태로 존재할수록 → 내식성 나빠진다

 

 

-산과 염기에 대한 반응-

산(염산, 질산 등): 약함 → 잘 부식된다

알칼리(염기성): 강함 → 잘 견딘다

 

 

-실생활 적용 예-

상수도용 주철관에 많이 사용된다
→ 물과 토양에 대한 내식성이 좋기 때문

 

주의할 점:

금속염, 산이 섞인 폐수에는 약하다

물의 흐름이 강한 곳에서는 마찰 때문에 침식되기 쉽다.

 

 

 

 

주철의 기계적 특성

 

-인장강도-

주철의 인장강도는 조직도로 나타낼 수 있다.

• 파선: 조직이 바뀌는 경계선
• 실선: 인장강도의 변화 경계선

인장강도란?
→ 재료가 끊어지지 않고 잡아당기는 힘을 버티는 능력

주철의 인장강도는 강(steel)에 비해 낮다→ 특히 '편상 흑연(Flake graphite)'이 많을수록 쉽게 깨진다.

 

 

주철의 조직과 인장 강도의 관계

 

 

-주철의 경도-

 

경도 측정법:
→ 보통 브리넬 경도 (Brinell Hardness, HB) 로 나타낸다.

 

C + Si 함량이 많을수록 → 경도는 낮아짐

 

조직에 따른 경도 예시: 조직 브리넬 경도 (HB)

 

페라이트 많은 주철	약 HB 80 ~ 120 (부드러움)
백주철 (Fe₃C 많음)	약 HB 420 (매우 단단함)

 

C+Si량과 주철 경도, 경도와 인장강도

 

 

 

-압축강도 (Compression Strength)-

주철의 가장 큰 장점 중 하나!

• 압축강도 > 인장강도
• 일반적으로 압축강도는 인장강도의 3~4배 정도

 

 

-충격값 (Impact Value)-

단점: 주철은 충격에 약하고 깨지기 쉬움, 특히 편상 흑연이 많으면 더 잘 깨짐

하지만 다음 조건을 만족하는 고급 주철은 충격에 어느 정도 강하다:

• 저탄소
• 저규소
• 흑연 함유량이 적음
• 유리 시멘타이트(Fe₃C)가 없음

= 이럴 경우 충격값이 크다, 즉 충격에 더 잘 견딤

 

C+Si량 % 와 충격값의 관계

 

 

 

주철의 내마모성과 감쇄능

 

-내마멸성 (Wear Resistance)-

• 주철 속 흑연이 윤활제 역할을 한다.
• 기름을 넣으면, 흑연이 기름을 흡수해서 '유막'을 형성 → 마모에 강해진다.
• 결과적으로, 강보다 내마멸성이 좋다
• 흑연이 크고 거친 주철도, 기어 등에 쓰면 오래 쓸 수 있다.
  → 흑연의 자연 윤활 작용 덕분이다..

 

-감쇄능 (Damping Capacity)-

• 어떤 물체에 진동을 주면 → 시간이 지나면서 진동이 약해져 사라진다.
• 이처럼 진동을 흡수하고 줄이는 능력을 '감쇄능'.
• 주철은 감쇄능이 뛰어나서
  → 소음, 진동을 줄이는 기계 부품에 적합

주철과 강 진동의 감쇄능 비교

 

 

 

-비감쇄율이란?-

• 진동이 반복될 때, 변형률(늘어나는 정도)이 얼마나 줄어드는지 나타내는 비율이에요.
• 이 비율이 일정하게 감소하면 → 비감쇄율(Damping Ratio) 이라고 불러요.

 

-주철 vs 강 비교-

재료비감쇄율

강(Steel)	약 2~3%
주철(Cast Iron)	약 10~35% ❗

= 주철이 진동을 훨씬 더 잘 흡수한다.

 

 

 

-비감쇄율이 높은 주철의 활용 예-

• 진동이 많고 소음을 줄여야 하는 곳에 사용됨
•  예: 방직기 부품, 기어박스, 기계의 몸체, 프레임 등

주철의 인장 강도와 비감쇄율의 관계

 

 

주철의 고온성과 절삭성

 

[주철의 고온 성질]

 

1. 시멘타이트의 흑연화 (Graphitizing)

• 450~600℃: 시멘타이트(Fe₃C)가 분해 시작
• 750~800℃: 완전히 분해 → Fe3C → 3Fe+C(흑연)Fe₃C → 3Fe + C(흑연)Fe3​C→3Fe+C(흑연)
• 이 현상이 '시멘타이트의 흑연화'.

 

2. 주철의 성장 (Growth of Cast Iron)

• 723℃ 이상 (A1 변태점)에서 오랫동안 가열하면 → 체적이 점점 커지고 → 결국 균열이 생겨 파괴될 수 있음
  → 이 현상이 '주철의 성장'.

 

-주철이 고온에서 팽창하는 이유 4가지-

1. Fe₃C가 흑연으로 변하면서 부피 팽창
2. Si가 산화되면서 부피 증가
3. 내부 가스가 팽창
4. A1 온도 근처에서의 열처리로 미세한 균열 발생

 

 

밑에 그림,

(a)

주철을 반복해서 가열했을 때의 팽창 형태

• 여러 번 가열할수록 → 주철의 길이 or 체적이 점점 증가
• 이건 내부의 시멘타이트가 흑연으로 변하면서 팽창하기 때문이에요.
• 즉, 주철이 되풀이 가열될수록 → 팽창량이 누적됨을 보여주는 그래프예요.

(b)

회주철이 성장(growth)으로 인해 변형된 모양

• 오랜 시간 고온에 노출된 회주철 부품이
  → 처음과 다른 모양으로 휘거나 뒤틀림
• 즉, 성장에 의한 실제 변형 예시를 보여주는 그림이에요.

(a) 반복 가열에 의한 팽창, (b) 성장의 보기

 

 

-합금 주철의 내열성과 활용-

 

크롬(Cr) 첨가 효과

• 주철에 Cr을 조금 넣으면
  → 어느정도 내열성 향상.

 

고온에서도 내마멸성이 좋음

• 그래서 마찰과 고온에 잘 견딤.
  → 내마모성 + 내열성 모두 우수

 

주요 활용 분야:
 고온, 고마찰 부품에 사용:

• 자동차 실린더
• 내연기관의 실린더 라이너
• 피스톤 등

 

보통 주철 (고온에서의 성질)

 

 

 

[절삭성]

 

-경도와 절삭성의 관계-

• 경도(HB)가 클수록 절삭성은 나빠짐
• HB 200 이하 → 가공하기 쉬움 (경제적인 절삭 가능)
• HB 250 이상 → 절삭성 나빠짐, 가공이 어려움
• 백주철, 반주철 → 매우 단단해서 절삭 거의 불가능에 가까움

 

-회주철의 장점-

• 흑연이 윤활제 역할
• 절삭할 때 흑연 덕분에 칩이 잘 부서짐
• 그래서 회주철은 절삭성이 좋음