구상흑연주철(Nodular graphite cast iron, 연성주철, ductile주철)에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.
(1) 구상흑연주철의 특징
구상흑연주철은 주철 중의 흑연을 구상화시켜 균열발생을 어렵게 하고 연성을 향상한 주물로 주조성, 가공성, 내마모성, 강도가 높고 연성, 인성, 가공성 및 경화능이 강과 비슷한 주철입니다. 조성은 3.3~3.9% C-2.0-3.0% Si-0.2~0.7% Mn 정도로 P나 S의 양이 회주철보다 1/10 정도 낮은 선철을 전기로 등의 용해로에서 용해한 후 주형에 주입 전에 Mg, Ca, Ce 등을 첨가하여 흑연을 구상화합니다.
(2) 구상흑연주철의 조직
구상흑연주철의 조직을 기지조직으로 분류해 보도록 하겠습니다. 기지조직으로 분류한다면 Cementite형, Ferrite형, Pearlite형, 불즈아이형으로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 조직은 Ferrite형과 Pearlite형이 있습니다. 강도는 Pearlite형이 가장 강인하고 Ferrite형은 가장 연하며 불즈아이형은 중간입니다. 내식성은 Ferrite형이 가장 좋고 Pearlite형은 나쁘며 절삭성은 Ferrite형이 좋습니다.
이 중 불즈아이 조직(bull's eye structure)에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
구상흑연 혹은 괴상흑연의 둘레를 Ferrite가 둘러싸되 바탕이 Pearlite로 되어 황소의 눈처럼 되는 조직을 불즈아이 조직이라고 합니다. Pearlite 주위의 Fe3C가 분해되고 흑연이 집합하여 구상으로 되기 때문에 그 둘레가 연한 Ferrite로 둘러싸인 조직으로 경도, 내마모성, 압축강도가 커지게 됩니다. 구상흑연주철의 기지조직은 주방상태에서 화학성분(C, Si, Mn량)과 냉각속도에 따라 달라지게 되는데 미세한 Pearlite조직은 노말라이징 또는 조질에 의해서 얻어집니다. Ferrite조직은 주방 또는 풀림으로 얻어지게 되고 bull's조직(Ferrite + Pearlite) 조직은 주방 또는 풀림으로 얻어지게 됩니다.
(3) 구상흑연주철의 성질
다음으로 구상흑연주철의 성질에 대해 알아보도록 하겠습니다. 크게 물리적 성질과 기계적 성질로 나누어 볼 수 있습니다.
1) 물리적 성질
구상흑연주철의 밀도는 고탄소의 Ferrite기지에서 7.1g/mm², Pearlite기지에서 7.15g/mm²입니다. 열전도도는 완전 흑연구상화에서는 0.085~0.095 cal/cms.℃입니다.
2) 기계적 성질
구상흑연주철의 인장성질은 내력에 대한 인장강도의 비는 0.7~0.8입니다. 피로강도는 인장강도의 증가에 따라 증가하며 피로한도는 회주철의 1.5~2.0배 정도입니다. 내식성은 흑연이 보호 피막이 되므로 우수하며 Ferrite형이 가장 좋고 Pearlite형이 나쁜 경향이 있습니다. 구상흑연주철의 내마모성은 건조분위기에서는 Ferrite량이 증가에 따라 마모는 커지게 되고 내열성은 550℃ 부근에서 Pearlite가 흑연 화하며 편상 흑연주철보다 우수합니다.
(4) 흑연의 구상화처리
흑연의 구상화처리 시 Mg은 13.5%, Ca을 25% 정도 첨가하며 산소와 유황과의 친화력이 강하여 탈산, 탈황작용이 크게 됩니다. 흑연의 구상화하는데 가장 많이 사용되는 것은 Mg 및 Mg계 합금으로 구상화제는 Ce, Mg, Fe-Si, Ca-Si, Ni-Mg, Mg-Si, Fe 등입니다.
용탕 중에 Mg이나 Ca을 1.0% 정도 첨가하면 Mg은 80℃, Ca는 약 65℃의 온도를 강하시키므로 용탕의 온도를 1400℃ 이상으로 해야 합니다. 구상화처리를 할 때 주물 두께가 얇으면 백선화 경향이 크고 구상흑연 정출이 쉽게 됩니다. 구상화처리를 할 때 주물 두께가 두껍고 냉각속도가 늦으면 편상 흑연이 되기 쉽습니다. 흑연구상화처리 후 용탕상태로 방치하면 흑연 구상화효과가 소멸되는데 이것을 피이딩(fading) 현상이라 하며 편상 흑연화되는 것입니다.
(5) 구상흑연주철의 제조법
구상흑연주철의 원재료는 선철, 파쇠, 회수쇠 등으로 적당한 배율로 배합합니다. 제조는 주로 용선로, 전기로에서 용해하게 됩니다. 용탕의 S함유량을 낮추는 방법(탈황법)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 먼저 s은 구상화처리 전에 탈황해서 약 0.02% 이하로 하는 것이 좋습니다. 배합재료 중의 S, P 등의 함유량이 낮은 것이 좋고 용해로 중의 용해과정에서 탈황처리를 하고 용탕을 노 밖에서 탈황처리하면 좋습니다.
(6) 구상흑연주철에 미치는 각종 원소의 영향
구상흑연주철에 영향을 미치는 원소들이 있습니다. 각 원소들 별로 그 영향에 따른 특징을 정리해 보겠습니다.
1) C의 영향
탄소량이 저하할수록 접종량이 적으며 불규칙하게 되기 쉽고 탄소량이 높아지면 dross(거품) 결함이 나타나기 쉽습니다.
2) Si의 영향
흑연의 구상화에 별로 영향이 없습니다. 단, 두께가 크게 되면 Si함유량은 낮게 하는 것이 좋습니다,
3) Mn의 영향
4.0%까지는 별로 영향이 없으나 그 이상이 되면 접종제를 증가시키지 않으면 구상화에 영향을 미치게 됩니다. Pearlite를 안정화하므로 주방상태에서 Ferrite를 얻고 싶을 때는 양을 낮추는 것이 좋습니다.
4) P의 영향
4.0%까지는 구상화에 큰 영향이 없으나 그 이상은 잔류 Mg를 많게 합니다. 0.05% 이상이면 steadite를 만듬으로 연성의 재질은 P%가 적은 것이 좋습니다.
5) S의 영향
0.012-0.013% 일 때는 잔류 Mg이 0.067~0.072%로 흑연을 완전히 구상화하게 됩니다. 0.049%의 경우에는 구상화가 불안정 해지는 경향이 있습니다.
구상화를 저해하는 원소들은 Te> Bi> Pb> Sb> B> Zr> Sn> Al> Cu 순으로 구상화를 저해하게 됩니다.