주철의 성질

주철의 성질

1) 주철의 장․단점

   (1) 용융점이 낮고 유동성이 좋으며 절삭성이 우수하다.

(2) 마찰저항이 좋고 압축강도(인장강도의 3․4배 정도)가 크며 값이 저렴하다.

(3) 충격에 약하고 메짐이 크며 소성변형이 어렵다.

(4) 가공이 안되고 단련, 담금질 및 뜨임처리가 어렵다.

2) 주철의 물리적 성질

    (1) 비중

     ① 흑연이 많을수록(C와 Si함유량이 많을수록) 비중은 작아지며, 인장강도가 높을수록 크고 동일성분이라도 살두께, 냉각속도에 따라 다르다.

② Ferrite, Pearlite, Cementite, 흑연 등의 양적 비율에 따라 다르다.

③ 일반적으로 비중은 7.0~7.3이다.

(2) 용융점

① P의 함유량이 많을수록 응고온도는 저온 쪽으로 처진다.

② 흑연이 많을수록(C와 Si량이 많을수록) 용융점은 낮아진다.

③ 주철의 용융점은 1145~1350℃이다.

(3) 전기저항

① 전기전도도는 흑연량이 많을수록 저하된다(전기전도도：0.5~2.0m/Ωmm2).

② Si, Ni량이 증가하면 전기 비저항은 높아진다.

③ C, Si함유량이 높고 강도가 낮을수록 비저항은 높아진다.

④ 조대한 편상흑연 조직의 비저항이 가장 크고 미세해짐에 따라 감소한다.

(4) 비열은 용융점까지는 온도상승과 함께 증가하나 용융 후에는 무관하다.

    (5) 흑연편이 클수록 자기감응도가 나빠지며 투자율을 크게 하기 위하여 화합탄소를 적게 하고 유리탄소를 균일하게 분포시킨다.

(6) 열전도도

① 흑연량이 많은 Ferrite기지의 것이 크며 일반적으로 온도 상승에 따라 감소한다.

② Si, Mn, P, Ni, Cu, Al 등은 열전도율을 감소시킨다.

③ 편상흑연이 다른 형상보다 크다.

3) 주철의 기계적 성질

   (1) 경도(硬度)

① 경도는 C＋Si량이 많을수록 작아지고, P(S, Mn)이 많을수록 증가한다.

② Ferrite가 많은 주철의 경도는 HB80~120, Pearlite주철의 경도는 HB70~220이다.

③ 합금주철의 경도는 (HB250~300), 백주철의 경도는 백주철((HB420)이다.

(2) 인장강도

① 주철의 인장강도는 C와 Si의 함유량, 냉각속도, 용해조건, 용탕처리 등에 의존한다.

② 주철의 인장강도는 흑연의 모양, 분포상태 등에 좌우된다.

     ③ 회주철의 인장강도 범위는 10~40kgf/mm2, 구상흑연주철 등은 50~70kgf/mm2가 된다.

④ 인장강도(σt)와 경도(HB)와의 관계：HB=100＋4.3×σt

⑤ 탄소포화도가 증가하면 흑연이 많이 발생하여 강도가 저하된다.

⑥ 탄소포화도값이 0.8~0.9 정도의 주철이 인장강도가 가장 크다.

※인장강도(σt)와 탄소포화도(SC)와의 관계：σt(kgf/mm2)=102-32.5×SC

⑦ 인장강도는 약 400℃ 이상이 되면 급속히 저하된다.

(3) 압축강도

① 보통주철은 압축강도는 인장강도의 4배 정도이고 고급주철일수록 배율이 작아진다.

② 주철의 압축강도는 56~110kgf/mm2 정도, 굽힘강도는 인장강도의 1.5~2.0배 정도이다.

(4) 연신율

① 연신율은 1.0% 이하이다.

② 약 400℃ 이상에서 증가하기 시작하여 800℃에서 최대가 된다.

(5) 충격값

① 주철은 충격에 약하여 깨어지기 쉽다.

② 고탄소, 고Si이고 조대한 흑연편을 함유하는 주철은 충격값이 작다.

③ Ferrite조직의 주철이 Pearlite조직의 주철보다 충격값이 높다.

(6) 내마멸성

주철은 자체의 흑연이 윤활제 역할을 하고 흑연자체가 기름을 흡수하므로 내마멸성이 커지며, Pearlite부분이 많을수록 내마멸성이 있다.

(7) 기타 성질

① 피로한도：인장강도의 약 30~50%이다.

② 탄성한도：7000~11000kgf/mm2정도다.

③ 응력제거：500~600℃로 6~10시간 동안 저온풀림 또는 자연시효한다.

4) 주철의 화학적 성질

   (1) 내식성 주철은 염산, 질산 등의 산에는 약하나 알칼리에는 강하다.

(2) 물과 토양에 대한 내식성이 좋고, 흑연이 조대한 편이 묽은 산에서의 내식성이 좋다.

(3) 금속염이나 산을 함유한 광산폐수, 공장폐수 등에는 내식성이 나쁘다.

(4) Ni나 Cr은 내식성을 향상시킨다.

5) 유동성 및 수축

   (1) 주조성은 용해도 난이(융점, 열량, 액화산화도) 및 편석, 기포, 가스의 유무에 따라 다르다.

(2) 유동성(liquidity)

① 유동성=

② 주철은 C, Si, Mn, P 등의 함유량이 많을수록 유동성은 향상된다.

③ S은 0.2% 정도로 불량하게 되고, 0.8% 이상이면 주조가 불가능하다.

④ 화학성분이 일정할 때는 용해와 주입온도가 높을수록 유동성이 좋다.

(3) 수축(shrinkage)

① 냉각응고시 부피의 변화가 나타나며 응고 후에도 온도의 강하에 따라 수축된다.

② 수축에 의해 내부응력이 생기고 균열과 수축구멍 등의 결함이 생긴다.

③ Si가 증가하면 수축은 완화하고 더욱 증가하면 팽창한다.

6) 감쇠성(damping capacity, 減衰能, 振動吸收能)

   (1) 회주철은 편상흑연이 있어 진동을 잘 흡수한다.

(2) 회주철의 감쇠능은 구상흑연주철의 3~10배, 저탄소강의 6~20배이다.

(3) 풀림 Ferrite기지 또는 담금질경화조직에서는 주방(鑄防)조직보다 감쇠능이 높다.

7) 피삭성

흑연은 피삭성을 좋게 하며 흑연조직, 기지조직, 경도, 표면결함 등에 영향을 받는다.

8) 주철의 성장(growth of cast iron)

   (1) 주철을 A1변태점(약 900℃) 상하의 고온으로 가열시켜 가열과 냉각을 반복하면 점차 체적이 커지며 변형되고 균열의 발생 및 수명이 단축되는 현상을 말한다.

(2) 주철의 성장 원인

① 불균일한 가열에 의한 팽창 및 흡수된 가스에 의한 팽창

② Pearlite 주의 Cementite의 흑연화에 의한 팽창

③ A1변태점에서 체적변화가 일어날 때 미세한 균열이 형성되어 생기는 팽창

④ 고용원소인 Si가 용적이 큰 산화물을 만들 때의 팽창

⑤ 흑연과 Ferrite기지의 팽창계수의 차이에 의거 그 경계에 생기는 틈새

(3) 주철의 성장 방지책

① 흑연의 미세화로 조직을 치밀하게 한다.

② 산화하기 쉬운 Si 대신에 내산화성이 Ni로 치환한다.

③ 탄화물 안정원소(Cr, V, W, Mo 등)를 첨가하여 Fe3C의 흑연화를 방지한다.

④ 편상흑연을 구상흑연으로 하고, 탄소 및 규소의 함유량을 적게 한다.

9) Cementite의 흑연화(growth of cast iron)

    (1) 주철조직에 함유한 Fe3C가 고온에서 불안정한 상태로 존재하며 이것은 450~600℃에서 Fe과 흑연으로 분해하기 시작하여 750~800℃에서 Fe3C→3Fe＋C로 완전히 분해된다. 이것을 Cementite의 흑연화라 한다.

(2) 흑연화 촉진원소

① 강：Si, Al, Ti, 미량의 B

② 중：Ni, Ca, B(0.1% 이하)

③ 약：Sb, Co, P, W, Cu, U

(3) 흑연화 방해원소

① 강：V, S, (S 존재하의 Ce, La, Se), Cr, Sn, Zn, As

② 중：Mo, W, Mn, Bi

③ 약：S 존재하의 Ce, La 및 Se