주조공학 2-4

안녕하세요!

이번에는 칠드주철, 가단주철, 구상흑연주철에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

 

칠드주철은 주물 표면을 급속히 냉각시켜 백주철 상태로 만든 주철입니다.

금형과 같은 냉각 속도가 빠른 주형에 용융 주철을 주입하면,

표면의 탄소가 철과 결합해 시멘타이트 형태의 화합 탄소로 존재합니다.

 

특징:

• 표면이 매우 단단하고, 취성 높음
• 파단면은 백색을 띠며, 이러한 조직을 가진 주철을 '칠드주철(chilled cast iron)'

활용: 마모가 심한 부위에 적용되는 칠드롤(Chilled Roll) 등

칠드롤 주물 미세조직

칠드 형성 원리

• 금형과 같은 빠른 냉각 조건에서, 표면의 탄소가 철과 결합하여 '시멘타이트(Cementite)' 형성
• 결과적으로 백색 파면, 높은 경도, 높은 취성을 가지는 표면이 형성

칠드 깊이에 영향을 주는 요소

• 깊이를 증가시키는 원소: Si 감소, Mn, Mo, Cr, Sn, V 첨가
• 깊이를 감소시키는 원소: C, Cu, Co, Ni, Ti, Al

용도

• 압연용 롤, 분쇄기용 해머, 공기 해머, 차륜 등
• 특히 내마멸성이 필요한 기계 부품에 널리 사용됨

칠드 주물에 알맞은 C, Si의 범위

 

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가단주철은 백주철을 고온에서 장시간 열처리하여
시멘타이트를 분해하거나 제거함으로써 **인성(질김)과 연성(늘어남성질)**을 개선한 주철입니다.

특징:

• 흑연은 '불규칙한 괴상 형태의 '템퍼 탄소(Temper Carbon)'로 존재
• 이로 인해 강도, 연성, 내식성이 향상됨
• 주조성과 **절삭성(피삭성)**이 우수하여 대량 생산에 적합

종류 (열처리 방식에 따라 구분)

1. 흑심 가단주철 (Black Heart, BMC)
   • 표면은 탈탄, 내부는 흑연화
   • 파단면이 검게 보임
2. 백심 가단주철 (White Heart, WMC)
   • 파단면이 흰색
3. 펄라이트 가단주철 (Pearlite, PMC)
   • 입상 흑연 + 펄라이트 조직
   • 일부 탄소가 시멘타이트(Fe₃C) 형태로 존재

용도

• 자동차 부품
• 파이프 이음쇠
• 방직기계 부품 등

→ 탄소강과 유사한 강도를 가지면서도 주조와 가공이 쉬워
실용성과 경제성을 동시에 갖춘 재료.

 

가단주철 화학 조성

 

가단주철의 열처리 원리와 종류

열처리 과정에 따라 가단주철의 조직과 성질이 달라집니다.

 

가단주철은 산화철(Fe₂O₃)을 첨가해 고온에서 장시간 가열하면서 다음 과정을 거칩니다:

• Fe₃C(시멘타이트)를 분해
• 분해된 탄소는 산화철과 반응하여 탄소가 산화되어 제거
• 결과적으로 거의 철(Fe)로만 이루어진 부분이 생겨 가단성(연성과 인성)이 향상

 

가단주철의 종류별 열처리와 특징

1. 백심가단주철 (White Heart Malleable Cast Iron, WMC)
   • 산화철 첨가 후 고온에서 장시간 가열해 탄소를 제거하는 것이 목적
   • 내부가 시멘타이트와 흑연으로 구성되어 파단면이 백색
   • 표면은 주로 페라이트 조직
2. 흑심가단주철 (Black Heart Malleable Cast Iron, BMC)
   • Fe₃C의 흑연화가 목적
   • 탄소 제거는 주로 표면에서만 반응
   • 1단계: 약 850~950℃에서 Fe₃C가 흑연으로 변화
   • 2단계: 약 680~730℃에서 펄라이트 내 Fe₃C도 흑연으로 변화
3. 펄라이트가단주철 (Pearlite Malleable Cast Iron, PMC)
   • 흑심가단주철에서 2단계 열처리(680~730℃)를 생략한 형태

 

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구상흑연주철은 용해 후 주조 상태에서 '흑연이 구상' 으로 정출되도록 처리한 주철입니다.

배경:

과공정 회주철(탄소 함량 4.3% 이상)에 '세륨(Ce)'을 첨가한 뒤,

Si/Mn/Zr 합금으로 접종하여 주철 중 Ce 함량이 0.2% 이상이 되게 하여 만들기 시작.

이후, 회주철 용탕에 'Mg'을 첨가한 뒤, Fe/Si으로 접종해 Mg 함량을 0.04% 이상 포함하도록 하는 방법이 발표되어

공업적으로 더 쉽고 경제적이어서 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다.

 

특징:

• 구상흑연 덕분에 더욱 강하고 연성이 좋아짐
• 제조 방법과 기계적 성질이 뛰어나 산업용 재료로 폭넓게 활용

용도:

• 대형 주철관, 자동차 부품, 크랭크 축

 

구상흑연주철 주요 조직 유형

1. 페라이트형
   • 연성과 인성이 뛰어남
   • 주로 충격에 강하고 가공성이 좋음
2. 펄라이트형
   • 경도와 강도가 높음
   • 내마모성과 내열성이 우수
3. 시멘타이트형
   • 매우 단단하지만 **취성(깨지기 쉬움)**이 큼
   • 일반적으로 기계 가공에는 부적합

 

조직에 영향을 주는 요소

• 냉각 속도가 빠르면 시멘타이트 조직이 생기기 쉽다.

흑연화제를 많이 넣더라도, 냉각이 빠르면 시멘타이트가 많이 형성되어
기계적 성질이 나빠질 수 있다.

 

구상흑연주철은 조직 구성에 따라 기계적 성질이 결정되기 때문에,
용도에 맞는 조직 설계와 열처리가 매우 중요합니다.

 

구상흑연주철의 기본 조직

 

구상흑연주철은 일반적으로 큐폴라 또는 전기로에서 용해한 후,
주입 직전에 특수 원소를 첨가해 흑연을 구상화시켜 만듭니다.

 

구상화 처리에 사용되는 원소

• Mg 합금 (예: Fe/Si/Mg), 세륨(Ce), Ca

이들 원소는 주철 내 흑연이 둥근 구형으로 정출되도록 도와줍니다.

 

밑은 KS규격의 화학조성표 

KS규격의 화학조성표