1 주철 기호
1) 주철 정의
- FC, FCD의 재질은 일본의 JIS규격이며 한국의 KS규격은 GC, GCD이다.(이하 GD, GCD)
- GC는 회주철주물의 규격이며, GCD는 구상흑연주철 주물의 규격이다.
2) 주철의 표기
- GC250 : 회주철 주물의 기계적 성질의 대푯값을 나타낸 것으로 주철의 인장강도를 나타낸다.
- GCD550 : 구상흑연주철의 인장강도를 나타낸 것이며, 이 이외에 경도, 신율이 규정되어있다.
참고) ISO가 제정되기 전에는 GC30, GCD60등 kgf.mm2으로 표시하였으나 지금은 MPa규격인 GC300, GC600으로 표시한다.
2 주요주철의 특징
1) 회주철
- 회주철은 용해로(전기로 또는 큐포라)에서 주물용 선철, 고철 등을 배합, 용해하여 제조하며, 닥타일주철은 고순도의 원/부재료를 용해로에서 용해한 다음 마그네슘(Magnesium) 모합금을 용탕에 첨가하여 제조한다.
- 회주철의 파단면은 회색(Grey)이기 때문에 회주철(灰-)이라 부른다. 현미경으로 보면 조직중의 흑연(탄소)의 모양이 편상(조각)으로 되어 있어서 일명 편상흑연주철 이라고도 부른다.
- 화학성분은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S)의 5성분을 기본으로 하고 용도에 따라 구리(Cu)나 크롬(Cr)등의 합금을 첨가한다.
- 인장강도 250~300N/㎟ (GC250, GC300급) 정도이며 경도는 HB 150~250정도이다. 신율은 거의 없으며 내마모성이 좋고, 가격에 비해 강성이 좋아서 기계의 본체 부품으로 널리 사용되고 있다.
참고) 주물소재 경도는 HB로 표시하며 경화열처리 후에는 HRC, HS로 표시함.
2) 구상흑연주철/덕타일(GCD)
- 덕타일 주철(Ductile Cast Iron)은 덕타일(Ductile Iron)이라고 부르나, 이는 상품명이며 금속학적으로는 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵, Nodular Cast Iron)이라한다.
- 회주철의 약점인 인장강도(최대 300~350N/㎟)를 합금첨가량에 따라 400~800N/㎟까지 개선하고, 신율(회주철은 거의 0임)을 20%선 까지 대폭 향상시킬 수 있게 되었다.
- 화학성분은 회주철과 같이 5성분을 주성분으로 하나, 회주철의 편상흑연을 마그네슘을 용탕에 첨가하여 구상흑연으로 바꾸기 위해서는 유황(S)이나 망간(Mn)등의 구상화 방해 원소들이 매우 낮아야 한다.
- 강성과 내마모성을 최대한으로 하기 위해서는 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 동(Cu)을 첨가하고 가공 후에는 표면경화 열처리를 한다.
3) 회주철과 구상흑연주철의 차이
- 둘다 용해를 하기 위해서는 선철, 고철, 회주철이 필요하나 회주철에서는 일반 주물용 선철을 사용(가격지수100), GCD에서는 고순도 선철(닥타일용)을 사용한다.(가격지수140)
* 선철의 사용량도 GC보다 GCD는 10% 많으므로 용해 원가가 비싸다.
* GCD 구상흑연주철은 GC 회주철과 달리 구상화에 필요한 Mg을 사용하며, GC에는 사용하지 않는 고가의 특수접종제를 사용한다.
- GC는 1ton의 제품을 만들기 위해서는 탕도, 압탕을 포함하여 1.2ton 의 용탕이 필요하나, GCD에서는 1.35ton 의 용탕이 필요하다. 이는 응고과정에서 발생하는 수축에 의한 손실 및 후처리로 인한 제거로 발생한다.(GCD가 상대적으로 고가인 이유)
3 주물의 생산
1) 주물의 합금
- 주물은 기본적으로 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 유황(S)의 5성분으로 구성된다.(강의 5대 합금원소와 동일)
- 내마모성을 크게 요구하거나, 내열성, 내식성 등을 특별하게 요구한 경우에는 그 용도에 적합한 합금원소를 첨가한다.
* 동(Cu) : 강도와 경도를 증가시키는데 효과가 크며 기계가공성을 향상시킨다.
* 몰리브덴(Mo) : 조직을 미세화 시켜서 강도와 경도를 증가시키는 강력한 효과가 있으며, 기계가공성을 저하시키지 않은 장점이 있다.
* 니켈(Ni) : 가공성과는 무관하게 경도를 증가시키며, 단면 변화가 심한(주물두께의 변화가 심한) 주물에서 매우 균일한 조직을 만든다. 내식성이 좋아지며 닥타일에서는 구상흑연입수가 증가하여 구상화율이 증가하고 수축에 의한 결함이 감소한다.
- 합금의 첨가로 인해 각각 원하는 기계적 성질이 향상되나 한가지 합금원소 보다는 여러 원소를 함께 조합하여 사용하면 상승효과를 가져온다.
2) 고철의 영향(녹, 수분, 오일에 의한 영향)
- 주물을 만들기 위해 전기로내에 고철을 투입하는데 이때 고철에 습기가있거나 기름기가 있어도, 전기로가 고온이므로 수분과 유분은 타서 없어진다.
- 연속 조업을 하는 전기로에서 잔탕이 있는 경우가 있는데 그 위에 이러한 고철을 장입하고 조업을 하면 충분하게 수분과 유분을 제거하지 못하고 수분은 수소(H)와 산소(O)로 분해되어 용탕 속으로 흡수/용해된다.
* 수소(H)가 수소 핀홀(직경 3mm 이하의 작은 기포)의 원인이 됨.
* 산소(O)는 용탕의 산화의 원인이 되어 기포 및 수축결함을 일으킨다.
- 양질의 주물을 생산하기 위해서는 고철 표면의 오염을 관리해야한다.
- 고철마다 포함하는 합금이 달라지므로 일정한 유형의 고철을 수거하여 생산에 이용해야 양질의 주물을 생산할 수 있다.
참고) 철광석을 제철소의 고로(용광로)에서 용해하여 첫 번째로 만들어 지는 것이 선철이다. 이 선철은 철광석의 산지와 제철 기술에 따라 불순물의 함유량이 매우 다르다. 즉 좋지 않은 선철은 불순물의 함량이 많아서(예 : Ti, Al, Cr, V등) 주물의 기계적 성질을 저하시킨다. 선철은 전체 장입량의 15~30%이지만 처녀성의 특성 때문에 나머지 장입재료인 고철 및 회수철(약70~85%)의 성질을 지배한다. 즉 좋은 선철은 재질을 좋게하고, 나쁜 선철은 재질을 더욱 나쁘게 한다.
참고) 고철은 선철보다 더욱 다양한 재질이 많다. 동일한 재질의 고철은 성분을 미리 알고 용해를 할 수 있지만, 종류가 잡다하면(잡 고철) 성분을 알 수가 없어서 원하는 재질의 주물을 만들 수가 없다. 또한 오염된 고철은 열성유전의 특성 때문에 용해과정에서 원부재료의 성질을 더욱 나쁘게 한다. 외부에서 제작한 주물은 그 제조과정을(원부재료, 성분) 알 수가 없다. 이러한 이력을 알 수 없는 회수철을 사용하면 예기치 않은 결함이 발생할 위험이 크다. 가탄재나 접종제와 같은 부재료도 주철의 특성에 예민하게 영향을 미친다.
4 주철의 후처리
1) 열처리의 목적
- 응고시 주물은 수축이 발생하는데, 응고는 외곽에서 내측으로 진행된다. 이로인해 중간 부분에서는 바깥쪽으로의 수축에 의한 내부응력(Stress)이 발생한다.
- 내부 응력이 주물의 인장강도보다 크게 되면 균열이 발생한다. 또는 수축이 진행될 때 주물의 형상이나 구조에 따라 또는 주물사의 저항이 약하면 주물은 임의의 방향으로 냉각하게 된다. 이로인해 주물은 변형(휨)이 발생한다.
- 만약 주물사의 저항이 크고 형상이 휨을 방해하게 되어 있으면 주물은 변형없이 냉각되나 주물내부에는 매우 큰 응력이 남아 있게 된다. 이것을 잔류응력(Retained Stress)이라한다.
* 잔류응력은 외형상 이상이 없으나 가공도중에 또는 가공 후 조립과정 또는 운행도중에 서서히 변형이 진행되기 때문에 정밀한 기계구조물에는 치명적인 결함이 될 수 있다.
- 잔류응력을 미리 제거하는 것을 응력제거소둔열처리(Stress Relieve Annealing)라 한다.
* 고강도 재료일수록 수축률이 크기 때문에 잔류응력은 더욱 커지므로 열처리가 반드시 필요하다.
2) 기타 열처리
- 주물 자체에 경도를 증가시켜서 내마모성을 향상 시키고자 할 때에 담금질(소입/Quenching) 또는 경화열처리(Hardening Heat Treatment)를 한다.
- 소입열처리를 하기위해서는 화학성분과 조직자체가 반드시 일정한 기준의 재질 이상 이어야한다.(모든 주물이든지 전부 경화열처리가 가능한 것은 아님)
3) 쇼트 블라스트 처리
- 주입 후 응고와 냉각의 과정을 거치면서 천천히 상온까지 온도를 저하시키면 가장 안정된 주물이 된다. 그러나 제조공정상 냉각과정이 길어지는데 한계가 있으므로 일정한 시간(온도기준)이 지나면 다소 높은 온도에서 해체작업을 하게 된다. 즉, 주물은 급냉을 하게 되므로 잔류응력이 발생한다.
- 이 응력을 제거시키기 위해 응력제거 소둔을 해야 하지만 비용문제등으로 특별한 경우가 아니고서는 일반적으로 모든 제품에 열처리를 진행하는것은 불가능하다.
- 잠재된 응력을 제거시키는 방법으로 주물에 진동을 주어서 서서히 응력이 풀리게 하거나 주물에 쇼트 블라스트를 장시간 하면 응력이 일부 제거된다.
* 쇼트블라스트는 표면을 치닝하는 효과로 내부의 잔류응력(내측에서 외측으로 잡아당기는힘)을 역으로 상쇄하는 효과를 낸다. 또는 가공 경화를 일으켜 표면을 경하게 만들어 크랙등의 발생을 억제하는 효과를 낸다.
5 주물의 요구사항
- 주조품에 대한 재질적으로 품질의 향상 및 무결함에 대한 요구가 높아지는 추새임.
* 기계가공시의 양호한 절삭성, 균일한 현미경조직에 의한 기계적 성질 및 균열, 기포가 없는 건전성 등이 일관되게 유지되기 위해서는 용해와 용탕처리, 화학성분의 관리에 영향을 받으며 또한 주철중의 미량원소의 미묘한 변동 및 용해나 용탕처리의 미묘한 변화에 의해서도 주철의 품질에 심각한 영향을 미친다.
- 이 용탕 관리의 중요한 분야는 원, 부재료의 선택기술 및 장입지금의 화학 성분 및 미량성분의 축척농도의 영향을 인식해야 한다. 용해과정 및 출탕 후 주입까지의 과정, 즉 조업방법이 결정적으로 주철의 품질에 영향을 미친다.
참고 : 동진주철
