탄소 함량은 주철 야금에서 가장 영향력 있는 단일 변수입니다. 주철 중량 기준으로 2.0%~4.5%의 탄소 함량으로 정의됩니다. — 강철의 0.02~2.0% 범위를 훨씬 초과합니다. 이 범위 내에서는 탄소가 0.3%만 이동해도 주물의 미세 구조, 기계적 강도, 경도, 기계 가공성 및 열적 거동이 근본적으로 바뀔 수 있습니다. 탄소가 철 및 기타 합금 원소와 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것은 안정적으로 사용 가능한 주물을 생산하는 기초입니다.
연성과 인성을 극대화하기 위해 탄소를 낮게 유지하는 강철과 달리 주철은 우수한 주조성, 진동 감쇠 및 내마모성을 달성하기 위해 의도적으로 높은 탄소 수준을 유지합니다. 주요 차이점은 응고된 금속 매트릭스 내에서 탄소가 어떤 형태를 취하는지에 있습니다.
주철의 탄소는 두 가지 주요 형태 중 하나로 존재합니다. 무료 흑연 (응고 중에 침전된 원소 탄소) 또는 탄화철(Fe₃C, 시멘타이트라고도 함) . 어떤 형태가 지배적인지는 탄소 함량, 냉각 속도 및 기타 원소, 특히 실리콘의 존재 여부에 따라 결정됩니다. 이러한 구별은 미용적인 것이 아닙니다. 이는 철이 회색인지, 흰색인지, 가단성인지, 연성이 있는지를 정의합니다. 각각은 완전히 다른 기계적 특성을 가지고 있습니다.
다양한 등급의 주철은 임의적인 범주가 아닙니다. 이는 특정 처리 조건과 결합된 의도적으로 제어된 탄소 범위의 결과입니다.
| 주철 종류 | 탄소 함량(%) | 탄소 형태 | 주요 특징 |
|---|---|---|---|
| 회색 철 | 2.5 – 4.0% | 플레이크 흑연 | 우수한 가공성, 높은 감쇠, 낮은 인장강도 |
| 백철 | 1.8 – 3.6% | 시멘타이트(Fe₃C) | 매우 단단하고 부서지기 쉬우며 내마모성이 우수함 |
| 가단성 철 | 2.0 – 2.9% | 템퍼 카본(로제트) | 어닐링 후 연성이 좋고 충격에 강함 |
| 연성(구상성) 철 | 3.2 – 4.2% | 구형 흑연 | 높은 인장강도, 연성, 피로저항성 |
| 압축 흑연 철 | 3.1 – 4.0% | 버미큘러(벌레 모양) 흑연 | 회주철과 연철의 중간 |
탄소는 단독으로 작용하지 않습니다. 규소와 인은 또한 용융물의 효과적인 "탄소 유사" 거동에 기여합니다. 주조 엔지니어는 다음을 사용합니다. 탄소당량(CE) 공식 이러한 상호작용을 설명하려면 다음을 수행하세요.
CE = %C(%Si%P) / 3
순수한 철은 1,538°C에서 응고됩니다. 철-탄소 시스템의 공융점은 다음에서 발생합니다. CE = 4.3% , 이는 녹는점이 가장 낮고(~1,150°C) 유동성이 가장 좋은 조성입니다. 대부분의 상업용 회주철은 CE를 목표로 합니다. 3.9~4.3% 주조성과 기계적 성능의 균형을 유지합니다.
탄소 함량과 기계적 특성 사이의 관계는 선형이 아닙니다. 이는 탄소가 매트릭스 내에서 어떻게 분포되는지에 크게 좌우됩니다. 그러나 명확한 방향성 추세가 존재합니다.
회주철에서는 일반적으로 총 탄소가 증가합니다. 인장강도를 감소시킨다 더 많고 더 거친 흑연 플레이크가 응력 집중 장치 역할을 하기 때문입니다. 회주철은 일반적으로 다음과 같은 인장 강도를 달성합니다. 150~400MPa , 비교 400~900MPa 동일한 탄소가 플레이크가 아닌 구형으로 존재하는 연성 철의 경우. 흑연 형태는 총 탄소 비율보다 더 중요합니다.
시멘타이트(백철) 형태의 탄소 함량이 높을수록 경도가 극적으로 증가합니다. 백철은 일반적으로 경도가 400~700HBW , 비교 150~300HBW 회색 철용. 그러나 이는 연성이 거의 0에 가까운 대가를 치르게 됩니다. 냉각 주조에서는 마모 표면에 단단한 흰색 철 표면층이 의도적으로 생성되는 반면 벌크는 회색으로 유지됩니다.
회색 철에는 본질적으로 연성 제로 (신율 <0.5%) 내부 노치 역할을 하는 흑연 플레이크로 인해 발생합니다. 탄소가 동일하거나 더 높지만 구상 형태인 연성이 있는 철은 다음과 같은 연신율 값을 얻습니다. 2~18% 등급에 따라 다름 - 탄소를 줄이는 것이 아니라 마그네슘 처리를 통해 흑연 형태를 변경하는 것만으로도 극적인 개선이 가능합니다.
유리 흑연은 가공 중에 내장된 윤활제 역할을 합니다. 회주철은 가공하기 가장 쉬운 금속 중 하나입니다. . 흑연 함량이 높을수록(회주철의 탄소 함량이 높을수록) 일반적으로 가공성이 향상됩니다. 이와 대조적으로 백철은 시멘타이트 함량으로 인해 기계 가공이 매우 어렵고 일반적으로 주조 또는 분쇄된 형태로만 사용됩니다.
기계적 특성 외에도 탄소 함량은 일반적인 주조 결함 발생에 직접적인 영향을 미칩니다. 일부는 탄소가 너무 많아서 발생하고 다른 일부는 너무 적게 발생합니다.
탄소와 실리콘은 모두 촉진합니다. 응고 중 흑연 팽창 . 흑연이 침전되면 부피가 팽창하여 액체 금속이 냉각될 때 발생하는 수축을 부분적으로 상쇄합니다. 회주철(CE 약 4.3%)의 더 높은 탄소 함량은 충분한 흑연 팽창을 생성하여 다음을 달성합니다. 거의 0에 가까운 순 수축 , 대형 라이저의 필요성을 줄입니다. 저탄소 회주철(CE ~3.6%)은 순 수축을 나타낼 수 있습니다. 0.5~1.5% , 세심한 라이저 설계가 필요합니다.
과공정 철(CE > 4.3%)에서 1차 흑연은 공융 반응 전에 침전되어 주물이나 주형의 상단 표면으로 떠오를 수 있습니다. 이 "키시" 흑연 표면 공극, 함유물 및 외관상 결함을 생성합니다. 과공정 임계값 아래로 탄소를 제어하면 키시 형성이 방지됩니다.
탄소 함량과 냉각 속도가 일치하지 않는 경우(특히 경계선 CE가 있는 얇은 단면에서) 부분적인 백철 형성이 회주철 영역과 함께 발생합니다. 이 "얼룩덜룩한" 미세구조 예측할 수 없고 불균일한 경도를 생성하여 기계 가공을 일관되지 않게 만들고 기계적 성능을 신뢰할 수 없게 만듭니다. 이는 의도적인 냉각 주조 설계를 제외한 모든 경우에 결함으로 간주됩니다.
탄소는 결코 혼자 행동하지 않습니다. 실리콘은 주철에서 가장 강력한 흑연화 원소이며 탄소와 직접 협력하여 최종 미세 구조를 결정합니다. 상업용 주철의 실리콘 함량은 일반적으로 다음과 같습니다. 1.0%~3.0% .
이것이 바로 탄소만 지정하는 것만으로는 불충분한 이유입니다. 파운드리 엔지니어는 항상 탄소와 실리콘을 함께 지정하고 일반적으로 복합 제어 매개변수로 CE를 모니터링합니다.
생산 과정에서 탄소 함량을 제어하는 것은 화학이자 공정 분야입니다. 다음 방법은 현대 주조 공장의 표준 관행입니다.
탄소 함량은 주철 야금의 주요 변수이지만 그 효과는 항상 냉각 속도, 실리콘 함량 및 가공 조건과의 상호 작용을 통해 표현됩니다. 총 탄소는 흑연이나 탄화물이 얼마나 형성될 수 있는지를 결정합니다. 처리 환경에 따라 어느 것이 수행되는지가 결정됩니다. 목표가 회주철의 감쇠 능력이든, 백주철의 내마모성이든, 연성철의 인성이든, 일관된 주조 품질을 달성하는 것은 실시간 용융 분석을 통한 정밀한 탄소 제어에서 시작됩니다. 파운드리 엔지니어와 주조 구매자 모두에게 항상 실리콘 및 CE와 함께 탄소를 지정하고 검증하는 것은 선택 사항이 아닙니다. 모든 고품질 캐스팅의 출발점입니다.
