주철의 성질에 대해 정리해 보도록 하겠습니다. 주철의 장·단점부터 살펴보겠습니다. 주철은 용융점이 낮고 유동성이 좋으며 절삭성이 우수한 장점을 가지고 있습니다. 또한 마찰저항이 좋고 압축강도(인장강도의 3.4배 정도)가 크며 값이 저렴합니다. 하지만 반면 충격에 약하고 메짐이 크며 소성변형이 어렵습니다. 또한 가공이 안되고 단련, 담금질 및 뜨임 처리가 어렵다는 단점이 있습니다.
이 같은 장점과 단점이 명확한 주철에 대하여 물리적, 기계적, 화학적 성질에 대해 좀 더 자세히 알아 보도록 하겠습니다
(1) 주철의 물리적 성질
먼저 주철의 물리적 성질 중 비중에 대해 살펴보겠습니다.
주철속에 흑연이 많을수록(C와 Si함유량이 많을수록) 비중은 작아지며, 인장강도가 높을수록 크고 동일성분이라도 살두께, 냉각속도에 따라 다르고 Ferrite, Pearlite, Cementite, 흑연 등의 양적 비율에 따라 달라지게 됩니다. 일반적으로 주철의 비중은 7.0~7.3입니다.
다음으로 용융점에 대해 살펴보겠습니다. 주철 속에 P의 함유량이 많을수록 응고온도는 저온 쪽으로 처지게 됩니다. 반면 흑연이 많을수록(C와 Si량이 많을수록) 용융점은 낮아집니다. 일반적인 주철의 용융점은 1145-1350℃입니다.
주철의 전기전도도는 흑연량이 많을수록 저하되게 됩니다(전기전도도 : 0.5~2.0m/2 mm²). 또 Si, Ni량이 증가하면 전기 비저항은 높아지게 되고 또한 C, Si함유량이 높고 강도가 낮을수록 비저항은 높아지게 됩니다.
그 외에도 주철의 물리적 성질을 살펴보면 조대한 편상 흑연 조직의 비저항이 가장 크고 미세해짐에 따라 감소하게 되고 비열은 용융점까지는 온도상승과 함께 증가하나 용융 후에는 무관합니다. 흑연 편이 클수록 자기 감응도가 나빠지며 투자율을 크게 하기 위하여 화합탄소를 적게 하고 유리탄소를 균일하게 분포시키게 됩니다.
마지막으로 주철의 열전도도를 통해 물리적 성질을 살펴보도록 하겠습니다. 흑연량이 많은 Ferrite기지의 것이 크며 일반적으로 온도 상승에 따라 감소하게 됩니다. Si, Mn, P, Ni, Cu, Al 등은 열전도율을 감소시키게 됩니다. 또 편상 흑연이 다른 형상보다 큰 경향이 있습니다.
(2) 주철의 기계적 성질
주철의 물리적 성질을 살펴보았습니다. 다음으로는 주철의 기계적 성질에 대해 알아 보도록 하겠습니다.
1) 경도(硬度)와 인장강도
경도는 C+Si량이 많을수록 작아지고, P(S, Mn)이 많을수록 증가하게 됩니다. Fermite가 많은 주철의 경도는 HB80~120, Pearlite주철의 경도는 HB70~220입니다. 합금주철의 경도는 (HB250~300), 백주철의 경도는 (HB420)입니다.
주철의 인장강도는 C와 Si의 함유량, 냉각속도, 용해조건, 용탕처리 등에 의존하게 됩니다. 주철의 인장강도는 흑연의 모양, 분포상태 등에 좌우되는데 회주철의 인장강도 범위는 10~40kg/mm², 구상흑연주철 등은 50~70kg/mm²가 됩니다. 인장강도(o)와 경도(HB)와의 관계 : HB = 100 +4.3 ×oi으로 탄소포화도가 증가하면 흑연이 많이 발생하여 강도가 저하되게 되고 탄소포화도값이 0.8~0.9 정도의 주철이 인장강도가 가장 큽니다.
[인장강도(a)와 탄소포화도(SC)와의 관계: o(kg/mm²)=10-32.5 ×SC]
인장강도는 약 400℃ 이상이 되면 급속히 저하되게 됩니다.
2) 연신율과 충격값, 내 마멸성
주철의 연신율은 1.0% 이하입니다. 약 400℃ 이상에서 증가하기 시작하여 800℃에서 최대가 되고 주철은 보통 충격에 약하여 깨어지기 쉽습니다. 고탄소, 고 si이고 조대한 흑연 편을 함유하는 주철은 충격값이 작습니다. 이는 Ferrite 조직의 주철이 Pearlite조직의 주철보다 충격값이 높기 때문입니다.
내 마멸성 특면에서는 주철은 자체의 흑연이 윤활제 역할을 하고 흑연자체가 기름을 흡수하므로 내 마멸성이 커지며, Pearlite부분이 많을수록 내마멸성이 있습니다.
(3) 주철의 화학적 성질
이번에는 주철의 화학적 성질에 대해 알아보도록 하겠습니다. 내식성 주철은 염산, 질산 등의 산에는 약하나 알칼리에는 강합니다. 또 물과 토양에 대한 내식성이 좋고, 흑연이 조대한 편인 묽은 산에서의 내식성이 좋습니다. 금속염이나 산을 함유한 광산폐수, 공장폐수 등에는 내식성이 나쁜 것을 확인할 수 있습니다. Ni나 Cr은 주철의 내식성을 향상합니다.
주철의 주조성은 용해도 난이(융점, 열량, 액화산화도) 및 편석, 기포, 가스의 유무에 따라 달라지는데 주철은 C, Si, Mn, P 등의 함유량이 많을수록 유동성은 향상됩니다. 또 화학성분이 일정할 때는 용해와 주입온도가 높을수록 유동성이 좋아지게 됩니다.
주철의 냉각응고 시 부피의 변화가 나타나며 응고 후에도 온도의 강하에 따라 수축되게 됩니다. 수축에 의해 내부응력이 생기고 균열과 수축구멍 등의 결함이 생기게 됩니다. 또 si가 증가하면 수축은 완화하고 더욱 증가하면 팽창합니다.