주철은 다양한 화학성분의 영향을 받고 있습니다.
이를 크게 5가지의 영향으로 나누어 볼 수 있는데 C의 영향, Si의 영향, Mn의 영향, P의 영향, S의 영향입니다.
주철의 화학성분에 따른 다양한 영향들과 탄소당량 및 탄소포화도에 관해 알아보도록 하겠습니다.
주철의 화학성분의 영향
(1) C의 영향
주철 중에 함유한 탄소함유량은 보통 2.5-4.5% 정도이며 그 일부는 유리탄소 또는 흑연으로 존재하고 나머지는 화합상태로 Pearlite 또는 Fe, C로 존재하는 화합탄소입니다. 유리탄소(Free carbon)는 Si함유량이 많고 냉각속도가 느릴 때 나타나게 되는데 냉각속도가 느릴 때나 Mn량이 적을 때, Si량이 많을수록 흑연량이 많아지게 됩니다. 흑연량이 많을수록 강도는 낮으나 그 분포상태 및 형성이 미세할수록 증가하게 됩니다. 또 흑연탄소가 많으면 유동성은 좋고 냉각시 수축이 작은 장점이 있습니다.
주철에서 화합탄소(Combined carbon)는 Mn이 많고 냉각속도가 빠를 때 나타나게 되는데 주철에 함유하는 탄소량은 두 가지의 탄소를 합한 탄소의 전량으로 나타낼 수 있습니다.
전탄소(total carbon)는 흑연+ 화합탄소를 의미하는 것으로 주철주물의 경우에는 3.8% 정도 입니다. 보통주철에서는 화합탄소가 0.5~0.7% 정도 함유하고 있습니다.
Mn, Si의 영향력을 탄소의 영향력으로 환산하는 것을 탄소당량이라 하는데 이를 구하는 공식은 아래와 같습니다.
[C·E = C% +0.3%(Si+P) 또는 C%+ Si% 또는 C%+ - (Si%+P%)]
탄소당량이 4.3%일 때(공정) 흑연과 Austenite가 동시에 정출 하게 됩니다. 반면 탄소당량이 4.3% 이상일 때(과공정) 초정흑연이 정출 하게 되고 탄소당량이 4.3% 이하일 때(아공정) 초정 Austenite가 정출하고 흑연이 감소하게 됩니다.
주철의 탄소량과 그 공정탄소량의 비를 탄소포화도라고 합니다. 즉, C, Si와 P의 함유량에서 수정된 공정 성분값과의 비를 의미하는데 이는 전체 탄소량 과 관련이 있습니다. 보통주철의 탄소포화도는 0.9 ~ 1.0이고, 고급주철 또는 강인주철은 0.83 이하입니다.
이렇듯 탄소의 용해도를 증가시키는 원소는 Mn, Cr, Mo, W, Ta, V, Nb 등 입니다. 탄소의 용해도를 감소시키는 원소로는 Si, Cu, Ni, Co, Zr, P, S 등이 있습니다.
(2) Si의 영향
주철의 화학적 성분의 영향 중 Si의 영향을 살펴보도록 하겠습니다. Si는 Fe과 고용체를 만들고 강력한 흑연화 촉진제이며 주철 중의 화합탄소를 분리하여 흑연을 유지시키는 역할을 합니다. si나 P이 함유한 주철은 공정점을 저탄소 쪽으로 이동합니다. Si와 Ni은 주철 바탕의 Pearlite 중에 고용되므로 양이 증가함에 따라 전기비저항이 낮아지며, 주조성, 경도, 강도가 증가하며 연성, 전성 및 수축률이 감소되게 됩니다.
(3) Mn의 영향
Mn과 Fe은 완전히 고용하며 Mn은 보통주철 중에 0.4~1.0% 정도 함유하며 흑연화를 방해하여 백주철화를 촉진합니다. 또 Mn은 S과 친화력이 크므로 FeS+Mn→ MnS+Fe로 되어 S의 해를 억제합니다. Mn1.0% 이상 첨가하면 주철의 질과 경도 증가로 절삭성을 해치고 수축률이 커지게 되고 Mn의 증가로 Pearlite는 미세화하고 Ferrite의 석출을 억제하는 현상이 발생하게 됩니다. 이는 Cementite의 안정화 및 강도, 경도, 수축률을 증가시키는 데에도 영향을 미칩니다.
(4) P의 영향
P은 일부분이 Ferrite 중에 고용되나 대개 steadite(Ferrite+Fe3C+FeP의 공정)로 존재하며 공정온도는 980℃입니다. steadite 중의 Cementite는 분해되기 어렵고 단단하며 취약한 성질을 띄고 있습니다. steadite가 함유된 주철은 내마모성이 강하나 다량일 경우는 취약합니다. 따라서 얇은 두께의 주물, 깨끗한 면을 필요로 하는 주물 등에는 P을 많이 첨가하고는 합니다. 용융점을 낮게 하고 유동성을 좋게 하며 수축율을 감소 시키고 백주철의 촉진원소입니다.
(5) S의 영향
주철에서 S의 영향은 Fes로 되어 주로 결정립계에 미립자로 균일하게 분포하게 됩니다. 이는 유동성을 해치고 주조시 수축을 크게 하며 기공, 주조응력, 균열을 일으키는 영향을 끼칩니다. 역시 흑연생성을 방해하며 고온취성의 원인또한 됩니다. 백선화촉진 원소로 FeC를 안정화시키며 주조작업이 곤란하고 정밀주조가 어렵게 되기도 합니다.
이렇듯 다양한 화학적성분에 의해 주철의 성분과 성질이 변하게 되는데 이렇게 변한 주철을 분류하는 데에도 기준이 있습니다. 먼저 파단면의 색에 따른 분류로는 회주철(grey cast iron) , 반주철(얼룩주철, mottled cast iron), 백주철, white cast iron)으로 나누어집니다.
회주철은 C와 Si의 함유량이 많고 Mn분이 적어 탄소가 흑연상태로 유지되는데 파단면이 회색이며, 주조성과 절삭성이 좋고, 공작기계 배드, 농기구 등에 사용되는 주철을 말합니다. 반주철(얼룩주철, mottled cast iron)은 함유탄소의 일부는 유리흑연으로 존재하고 일부는 화합탄소로 존재하는 주철 입니다. 회주철과 백주철의 중간의 성질을 가진 주철로서 강력주물용으로 사용하게 됩니다. 마지막으로 백주철 (white cast iron)은 Si분이 적고 Mn분이 많아 탄소가 화합탄소로 존재하므로 파단면이 백색입니다. 주철을 급랭 시켜도 나타나며, 강도가 높고 취약하고 경도와 내마모성을 요구하는 기계부품에 사용하는 경우가 많습니다.
이처럼 파단면의 색에 따른 분류 외에 탄소함유량에 따라서도 분류가 가능합니다. 아공정주철은 탄소함유량이 2.0~4.3%인 주철을 말하고 공정주철은 탄소함유량이 4.3%인 주철 그리고 과공정주철은 탄소함유량이 4.3-6.68%인 주철을 말합니다.
마지막으로 주철을 용도에 따라서도 분류하게 되는데 보통주철은 C, Si이 높고 Mn이 낮은 주조성, 절삭성이 좋은 주철을 말합니다. 합금주철은 주철에 특수한 성질을 주기 위하여 특수원소를 첨가한 주철을 의미하고 가단주철은 내충격성, 내열성, 절삭성이 좋고 강도가 높은 주철을 나누어서 분류합니다.