주철의 종류 및 흑심가단주철[black heart malleable cast iron]

흑심가단주철[black heart malleable cast iron]

보통주철에 나타나는 편상흑연은 강도를 저하시키므로, 이것을 제거하거나 괴상(塊狀)으로 하고 인성을 높인 것이 가단주철이다.

 

흑심가단주철은 백선철 중의 시멘타이트(Fe3C)를 풀림함으로써 흑연화시킨 것으로, 파면이 흑색을 띠는 것에서 명명되었다.

 

Fe3C의 흑연화 풀림조건은 2단계로 한다.

 

제1단계에서는 870～950℃×4～40시간에서 레데부라이트 속의 Fe3C를 흑연화하고, 제2단계에서는 펄라이트 속의 Fe3C를 흑연화하기 위해 760℃에서 700℃까지 8～30시간 걸쳐 서냉한다.

 

JIS에는 FCMB 270, 310, 340, 360이 있고, 숫자는 인장강도 [N/mm2]를 나타낸다.

 

C 2.20～3.00%, Si 0.85～1.30%, Mn 0.20 ～0.40%, P＜0.1%, S＜0.1%, Cr＜0.05%, 나머지 Fe.

 

주철(cast iron)
C2.0%~6.67%이나 일반적으로 C4.3% 부근(공정점)을 많이 사용한다.
용광로에서 얻은 선철과 강 스크랩, 주철 스크랩 등을 용선로(큐폴라)에 넣고 코크스를 사용해서 용해한 것으로 인장강도는 강에 비해 작고, 취성이 크며 고온에서도 소성변형되지 않는 단점이 있으나 주조성이 양호하여 복잡한 형상도 쉽게 주조할 수 있으며 가격도 저렴하여 널리 사용되고 있다.

 

일반적으로 주철이라 함은 회주철을 말하며 주조하기 쉽고 절삭성이 좋아 각종 구조재로서 공작기계의 베드(bed), 피스톤, 내연기관의 실린더, 주철관 및 각종 가정용품 등에 널리 사용된다.
흑연이 많을 경우 그 파면은 회색을 띠고 각종 철강 중에서 가장 많은 불순물을 함유하며, 성분은 탄 2.5~3.6%, 규소 0.5~3.0%, 망간 0.~1.2%, 인 0.1~1.6%, 유황 0.05~0.10%로서 탄소의 일부분은 철과 화합하여 탄화철로 존재, 나머지는 철에서 분리하여 편상의 흑연으로 존재한다.
탄화철은 질이 단단하고 흑연은 연하며 흑연을 많이 함유하는 주철은 인장강도가 낮은데, 그 결정편이 조대할수록 강도가 감소한다.

 

레데뷰라이트
주철에 있어서 오스테나이트와 시멘타이트의 공정(共晶)조직. 일반적으로 상온에서는 불안정하고 Fe3C는 흑연과 금속으로 분해한다.

 

넓은 의미의 주철의 분류
회주철 : 회주철, 합금주철, 고급주철, 구상흑연주철
백주철 : 백심가단주철, 흑심가단주철, 펄라이트주철
반주철(얼룩주철)

 

조직학적인 주철의 분류
아공정 주철 : 2.0~4.3% C
공정 주철 : 4.3% C
과공정 주철 : 4.3~6.67% C

 

탄소량에 의한 분류
회주철 : 파면이 회색을 띄고 있으며 유리탄소(흑연)이 많고 화합탄소(Fe3C)가 적다. 일본에서는 네즈미주철이라고 한다.
백주철 : 파면이 백색을 띄고 있으며 화합탄소(Fe3C)가 많고 유리탄소(흑연)가 적다.
얼룩주철(반주철)

 

성질면에서 주철의 분류
회주철 : 유동성(복잡한 형상 주물 적합)은 양호하나 조직이 불균일(편상흑연)하고 취성이 있다.
고급주철 : 강도와 인성을 부여하기 위해 합금원소를 소량 첨가하거나 열처리시킨 주철
합금주철 : 특수한 성질을 부여하기 위해 합금원소를 다량 첨가한 주철(내산주철, 비자성주철)

탄소함유량 3.4~4.5%이고, 연해서 단조할 수 없으며, 주철물 또는 강의 원료로서 쓰이는데,

 

선철에는 아래의 2종류가 있다.
① 백선철(white pig iron)
규소의 함유량이 0.8% 이하인 것은 그 파면이 백색이고, 함유탄소의 총량이 시멘타이트
(Fe3C) 모양으로 되어 있으며 결정은 치밀하고 경도가 현저하게 높다.

② 회선철(gray pig iron)
가장 일반적인 주철로 규소의 함유량이 1.0~3.5%인 것은 그 파면이 회색이고, 함유탄소
의 대부분이 흑연으로 되어 존재하고 있으며 결정은 비교적 조대하고 연질이다.

 

주철 중의 5대 원소의 영향
① C : 3% 이하에서는 초정의 오스테나이트가 많고 3% 이상에서는 편상흑연을 가진 공정 cell(인선조직)
② Si : 가장 강력한 흑연화 원소로 Si의 첨가는 C의 첨가와 동등한 효과(0.7~5%)
③ Mn : 백선화 원소 즉 흑연화를 방지하며 탈황작용을 한다. 강도, 경도 증가
④ P : 유동성을 좋게 하며 0.3%까지는 인장강도를 증가시키지만 그 이상에서는 인장강도, 항장력, 충격치 저하. 유동성 때문에 1%까지 허용
⑤ S : 유동성, 주조성을 불량하게 한다.(백선화 원소)

 

흑연 현상에 따른 주철의 분류
① 회주철(보통주철) : 편상흑연을 갖는 것. 인장강도 12~20㎏/mm2
② 구상흑연주철 : 흑연의 형상이 구상으로 인장강도 50~65㎏/mm2, 신장률(연율) 10~20%
③ 가단주철 : 괴상흑연을 갖는다(구상~편상의 중간 정도)
④ 백주철 : 흑연의 형상이 없다.