회주철이란 무엇입니까? 구성, 특성 및 응용

회주철이란 무엇입니까?

회주철 함유한 철 합금이다. 탄소 2.5~4.0%, 실리콘 1.0~3.0% 중량 기준으로 탄소의 대부분은 철 매트릭스 전체에 분포된 흑연 조각으로 존재합니다. 파단 표면을 검사할 때 이러한 흑연 조각은 금속에 특유의 회색 색상을 부여하는데, 이것이 이름의 유래입니다. 그것은 세계에서 가장 널리 생산되는 주철 형태입니다. 전 세계 주철 생산량의 약 70~75%를 차지합니다. .

"회주철이란 무엇입니까?"에 대한 짧은 대답은 다음과 같습니다. 회주철은 우수한 진동 감쇠, 우수한 압축 강도, 뛰어난 기계 가공성 및 고유한 취성을 갖춘 저비용의 주조성이 뛰어난 엔지니어링 소재입니다. 인장 강도나 충격 인성보다 감쇠, 내마모성 및 복잡한 형상이 중요한 경우에 선택되는 소재입니다. - 광범위한 산업, 자동차 및 인프라 애플리케이션을 포괄합니다.

회주철은 중국에서 기원전 5세기부터 지속적으로 생산되어 18세기와 19세기에 걸쳐 산업 제조의 중추를 형성했습니다. 연철, 강철, 알루미늄과의 경쟁에도 불구하고, 특정 특성 조합이 다른 재료와 경제적으로 일치할 수 없는 응용 분야에서는 여전히 대체할 수 없습니다.

회주철을 정의하는 미세구조

회주철의 특징은 미세구조입니다. 페라이트, 펄라이트 또는 두 가지의 조합으로 이루어진 금속 매트릭스에 내장된 흑연 플레이크 . 이 미세 구조를 이해하면 재료가 나타내는 거의 모든 기계적, 물리적 특성을 설명할 수 있습니다.

흑연 플레이크: 강점과 약점의 원천

회주철에서는 철 매트릭스에 용해될 수 없는 과잉 탄소가 응고 중에 흑연으로 침전됩니다. 높은 실리콘 함량(1.0~3.0%)은 탄화철(시멘타이트)의 형성을 억제하여 흑연화를 촉진합니다. 탄화철은 단단하고 부서지기 쉬우며 거의 가공할 수 없는 재료인 백주철을 생성합니다.

흑연 플레이크는 응력 집중 장치의 내부 네트워크 역할을 합니다. 인장 하중 하에서 균열은 플레이크의 날카로운 끝 부분에서 시작되어 매트릭스를 통해 빠르게 전파되어 회주철의 특징적인 낮은 인장 강도와 거의 0에 가까운 연신율을 제공합니다. 그러나 이러한 동일한 플레이크는 중요한 이점을 제공합니다. 즉, 주기적 진동(댐핑) 하에서 균열 전파를 방해하고, 마모를 줄이는 자체 윤활 효과를 제공하며, 플레이크가 칩 브레이커 역할을 하기 때문에 재료를 가공하기가 매우 쉽습니다.

흑연 플레이크 유형: ASTM A247 분류

ASTM A247은 흑연 플레이크 형태를 기계적 특성에 직접적인 영향을 미치는 5가지 유형으로 분류합니다.

• 유형 A(균일 분포, 무작위 방향): 가장 바람직한 플레이크 유형. 철분을 잘 접종하여 적당한 냉각 속도로 생산됩니다. 강도, 기계 가공성 및 감쇠의 최상의 조합을 제공합니다.
• 유형 B(로제트 그룹화): 적당히 급속 냉각하여 생성됩니다. A형에 비해 기계적 특성이 약간 감소합니다. 얇은 단면 주조에 일반적입니다.
• 유형 C(중첩된 플레이크 크기, 키시 흑연): 과공융 조성과 관련됨. 큰 1차 흑연 플레이크는 강도를 크게 감소시키며 구성 문제 또는 접종 부족을 나타냅니다.
• 유형 D(수지돌기 간, 과냉각): 급속 냉각 또는 접종 부족으로 인해 생성되는 미세하고 무작위 방향의 플레이크입니다. 경도는 높지만 가공성은 감소합니다. 얇은 부분이나 주조 표면 근처에서 흔히 발생합니다.
• 유형 E(수지돌기 간, 선호 방향): 급속 냉각되는 강한 아공정 철에서 발생합니다. 기계적 특성에 방향성을 부여하고 가공성을 감소시킵니다.

매트릭스: 페라이트, 펄라이트 또는 혼합

흑연 조각을 둘러싸고 있는 철 매트릭스는 회주철의 강도와 경도를 결정합니다. 에이 완전 펄라이트 매트릭스 페라이트와 시멘타이트의 교번 층인 펄라이트는 본질적으로 페라이트 단독보다 더 강하기 때문에 가장 높은 인장 강도와 경도(일반적으로 200~300HB)를 제공합니다. 에이 완전 페라이트 매트릭스 강도는 낮지만 더 부드럽고 가공하기 쉬운 철을 생산합니다. 대부분의 상업용 회주철 등급은 페라이트-펄라이트 혼합 매트릭스를 가지며, 펄라이트 비율은 합금 조성과 냉각 속도에 따라 제어됩니다.

회주철의 화학 성분

회주철의 특성은 화학적 조성에 의해 직접적으로 제어됩니다. 다섯 가지 요소가 구성을 지배하며 각 요소는 특정한 야금학적 역할을 수행합니다.

탄소당량(CE)은 회주철 거동을 예측하는 데 널리 사용되는 단일 숫자 지수입니다. CE = %C(%Si%P) / 3 . 4.3의 CE는 공융입니다. 4.3 미만의 값은 아공정(더 강하고 단단하며 구조 등급에 더 좋음)이고 4.3보다 큰 값은 과공정(더 유동적이고 복잡한 주조에는 더 좋지만 강도는 낮음)입니다.

회주철의 기계적 성질

회주철은 독특하고 고도로 비대칭적인 특성을 갖고 있습니다. 그 강점은 무겁고, 진동이 발생하기 쉽고, 마모가 심한 응용 분야에 가장 필요한 특성입니다. 취성 및 낮은 인장 강도와 같은 약점은 단순히 적절한 사용의 경계를 정의합니다.

• 인장 강도: 등급에 따라 100~400MPa. 이는 회주철의 가장 약한 기계적 치수로 연성주철과 강철보다 훨씬 낮습니다. 회주철은 주요 인장 지지 구조 역할에 사용되어서는 안 됩니다.
• 압축 강도: 인장강도는 3~5배 - 일반적으로 570~1,380MPa입니다. 이것이 회주철이 공작 기계 베이스, 엔진 블록, 압축 하중이 지배적인 기둥 구조와 같은 응용 분야에서 탁월한 이유입니다.
• 경도: 브리넬 경도(BHN)는 150~320입니다. 고급 펄라이트 철은 300BHN에 가까워 내마모성이 뛰어납니다. 회주철의 경도는 회주철이 브레이크 부품 및 기계 활주로 표면에 사용되는 주요 이유입니다.
• 신장: 1% 미만 - 파손 전 소성 변형이 사실상 0입니다. 회주철은 본질적으로 부서지기 쉬우므로 냉간 가공하거나 주조 후에 성형할 수 없습니다.
• 진동 감쇠 용량: 강철보다 20~25배 더 크다 연성 철보다 훨씬 높습니다. 흑연 플레이크는 진동 에너지를 흡수하고 분산시켜 회주철을 공명 제어가 중요한 공작 기계 베이스, 엔진 블록 및 압축기 프레임의 주요 소재로 만듭니다.
• 열전도율: 46 ~ 52 W/(m·K) - 대부분의 강철보다 높으며 스테인리스강보다 훨씬 높습니다. 이는 브레이크 로터, 실린더 헤드 및 조리기구의 열 방출을 촉진합니다.
• 탄성률: 66 ~ 172 GPa - 흑연 플레이크 부피, 크기 및 방향이 강성에 미치는 영향을 반영하는 넓은 범위입니다. 이는 강철(200GPa)보다 낮습니다. 이는 회주철이 단위 응력당 더 많이 편향된다는 것을 의미합니다.

회주철 등급 및 표준

회주철은 최소 인장 강도와 일부 표준에서는 경도 범위를 정의하는 표준화된 등급으로 생산됩니다. 전 세계적으로 사용되는 기본 표준은 ASTM A48, ISO 185 및 EN 1561입니다.

ASTM A48(북미)

ASTM A48은 회주철을 ksi 단위의 최소 인장 강도로 분류합니다. 등급 번호는 최소 인장 강도와 직접적으로 동일합니다. 클래스 20 = 최소 138MPa(20ksi) . 등급 범위는 20에서 60까지이며 숫자가 높을수록 더 강하고 단단하며 더 많은 펄라이트 미세 구조를 나타냅니다.

ISO 185 및 EN 1561(국제)

ISO 185 및 유럽 EN 1561 표준에 따라 회주철 등급은 다음과 같이 지정됩니다. EN-GJL-100~EN-GJL-350 , 여기서 숫자는 최소 인장 강도(MPa)를 나타냅니다. EN-GJL-250(250MPa 최소 인장)은 ASTM 클래스 35~40과 대략 동일하며 유럽과 아시아에서 자동차 및 일반 엔지니어링 응용 분야에 가장 일반적으로 지정되는 등급입니다.

회주철 제조 방법

회주철의 생산은 대부분의 다른 엔지니어링 금속보다 더 간단하며 이는 저렴한 비용의 중요한 이유입니다. 세부 사항은 장비 유형 및 등급 요구 사항에 따라 다르지만 이 프로세스는 전 세계 주조 공장에서 대체로 일관됩니다.

1. 충전 준비 및 용해: 선철, 고철, 주철 반환(게이트, 라이저, 불합격 주물) 및 합금철과 같은 원자재는 전기 유도로 또는 용선로에 장입됩니다. 코크스를 연료로 사용하는 큐폴라 용해로는 전통적인 방법이며 낮은 에너지 비용으로 인해 대량 생산에 널리 사용됩니다. 유도로는 보다 엄격한 구성 제어를 제공하며 고급 작업에 선호됩니다.
2. 화학 조정: 용선 조성은 광학 방출 분광법(OES)을 사용하여 측정하고 규소철, 망간철 또는 기타 모합금을 첨가하여 조정합니다. 탄소함량은 탄소(흑연)를 첨가하거나 철스크랩으로 희석하여 조정한다. 목표 CE는 주물의 의도 등급 및 단면 두께에 따라 설정됩니다.
3. 접종: 따르기 전에 페로실리콘 접종제가 국자에 추가되거나 주형 흐름에 직접 추가됩니다. 접종은 A형 흑연 플레이크 형성을 촉진하고, 과냉각(D형) 흑연을 감소시키며, 얇은 단면에서 냉기 형성을 최소화합니다. 후기 스트림 접종 - 금속 흐름이 금형에 들어갈 때 접종제를 추가하는 것이 가장 효과적인 방법이며 현대 주조 공장의 표준 관행입니다.
4. 금형 준비 및 붓기: 대부분의 회주철은 녹색 모래 주형(패턴 주위에 압축된 촉촉한 모래)으로 주조됩니다. 금속은 다음 온도에서 부어집니다. 1,300°C 및 1,450°C 단면 두께와 복잡성에 따라 다릅니다. 회주철은 강철이나 연성철보다 유동성이 뛰어나 얇은 부분과 복잡한 형상을 안정적으로 채울 수 있습니다.
5. 응고 및 쉐이크아웃: 회주철은 응고 중에 흑연이 침전되면서 공융 팽창을 겪는데, 이는 전체 부피 수축을 부분적으로 보상합니다. 이는 강철 주물에 비해 수축 다공성의 심각도를 감소시킵니다. 응고 후 주형을 흔들어서 주물을 모래에서 분리합니다.
6. 청소 및 마무리: 게이트, 라이저 및 플래시는 연삭 또는 쇼트 블라스팅으로 제거됩니다. 치수 검사 및 경도 테스트를 통해 사양 준수 여부를 확인합니다. 응력 완화 어닐링 500°C ~ 600°C 후속 가공 중 치수 변화를 최소화하기 위해 정밀 공작 기계 주조에서 때때로 수행됩니다.

회주철이 사용되는 분야: 산업별 응용 분야

제조 분야에서 회주철의 위치는 진동 감쇠, 압축 강도, 내마모성, 주조성, 기계 가공성 등의 핵심 특성을 기반으로 하며, 이는 성능 대비 비용 측면에서 다른 어떤 소재와도 비교할 수 없는 특정하고 대규모 응용 분야에 선호되는 소재입니다.

자동차: 엔진 블록 및 브레이크 부품

회주철은 여전히 주요 소재로 남아 있습니다. 브레이크 로터(디스크) 및 브레이크 드럼 복합재 및 세라믹과의 경쟁에도 불구하고 승용차 및 상업용 차량에 사용됩니다. 높은 열 전도성(브레이크 열을 빠르게 발산), 뛰어난 마찰 특성(브레이크 패드에 ​​대한 일정한 마찰 계수) 및 매우 낮은 킬로그램당 비용으로 인해 이 응용 분야에서는 기능적으로나 경제적으로 탁월한 성능을 발휘합니다. 일반적인 승용차 브레이크 로터의 무게는 다음과 같습니다. 7~12kg 클래스 30 또는 클래스 35 회주철로 생산됩니다.

회주철 엔진 블록은 소재의 감쇠 능력이 알루미늄에 비해 소음과 진동을 감소시키는 상업용 차량, 디젤 엔진 및 고배기량 가솔린 엔진에서 일반적으로 사용됩니다. 알루미늄 블록의 실린더 라이너는 보어 표면에 필요한 내마모성을 제공하기 위해 회주철로 제작되는 경우도 많습니다.

공작기계 및 산업용 장비

선반, 밀링 기계, 머시닝 센터 및 연삭 기계의 베드, 컬럼 및 헤드스톡은 거의 보편적으로 회주철(주로 클래스 30~40)로 주조됩니다. 회주철의 감쇠 능력이 결정적인 요소입니다. : 진동을 효과적으로 감쇠시키는 공작 기계 베이스는 동등한 강철 용접물보다 더 나은 표면 조도와 더 긴 공구 수명을 제공합니다. 회주철 공작 기계 베이스는 시간이 지나도 치수 안정성이 뛰어나며 용접 강철 구조물보다 잔류 응력 완화에 대한 민감도가 낮습니다.

파이프, 밸브 및 물 인프라

회주철 파이프는 19세기 이후 도시 물 분배 시스템의 중추였습니다. 새로운 수도 본관 설치에서는 연성철이 회주철을 대부분 대체했지만, 전 세계적으로 수십만 킬로미터의 회철 송수관이 여전히 사용되고 있습니다 , 일부는 100년이 넘었습니다. 회주철 밸브, 맨홀 뚜껑 및 배수 부품은 압축 하중과 내식성이 인장 강도보다 더 중요한 인프라 응용 분야를 위해 계속해서 대량 생산되고 있습니다.

조리기구 및 요리 장비

프라이팬, 더치 오븐, 철판 등 주철 조리기구는 소비자가 가장 많이 사용하는 용도로 사용되는 회주철입니다. 이 소재는 높은 열용량과 균일한 열 분포로 인해 지속적이고 균일한 열 전달이 필요한 작업에 얇은 스테인리스 스틸보다 우수합니다. 잘 양념된 회주철 프라이팬은 중합 오일의 천연 들러붙지 않는 층을 형성하여 재료의 다공성과 표면 질감을 기능성 요리 표면에 결합합니다. 고품질의 주철 조리기구는 적절하게 관리하면 여러 세대에 걸쳐 지속됩니다.

압축기, 펌프 및 유압 부품

압축기 실린더 및 프레임, 펌프 본체 및 유압 밸브 블록은 일반적으로 클래스 30~40의 회주철로 주조됩니다. 압축 후프 응력 하에서 재료의 압력 보유 능력은 정밀 보어 및 밀봉 표면에 대한 뛰어난 기계 가공성과 유체 기반 입자로 인한 마손 및 마모에 대한 우수한 저항성과 결합되어 최대 압력에서 작동하는 유체 동력 장비에 대한 안정적이고 비용 효율적인 선택이 됩니다. 250바 .

회주철과 기타 주철 유형: 언제 어느 것을 사용해야 할까요?

주철은 단일 재료가 아니라 가족입니다. 해당 제품군에서 올바른 구성원을 선택하려면 각 유형이 무엇을 제공하는지, 회주철의 특성이 어디에 장점과 단점을 제공하는지 이해해야 합니다.

회색 철을 선택하세요 진동 감쇠, 압축 강도, 가공성 및 저렴한 비용이 우선순위이고 인장 하중이나 충격 저항은 설계 요구 사항이 아닙니다. 인장강도, 신장률, 충격저항이 필요할 때 연성주철을 선택하세요. 기계 가공성이 필요하지 않은 극한의 마모 응용 분야에만 백주철을 선택하십시오.

가공성: 회주철이 가공하기 가장 쉬운 금속 중 하나인 이유

회주철은 철금속 중 가공성의 기준이 됩니다. 흑연 플레이크는 칩 브레이커 역할을 하여 강철과 관련된 길고 끈끈한 칩보다는 짧고 부서지기 쉬운 칩을 생성합니다. 이를 통해 절삭력, 공구 온도 및 공구 마모율이 크게 감소합니다. 흑연은 또한 공구와 가공물 사이의 건식 윤활제 역할을 하여 마찰을 더욱 줄여줍니다.

• 절단 속도: 페라이트 등급(클래스 20-25)은 다음과 같이 가공할 수 있습니다. 200~300m/분 코팅된 초경 공구를 사용합니다. 펄라이트 등급(클래스 40-60)은 더 높은 경도와 마모성으로 인해 100~200m/min의 감소된 속도가 필요합니다.
• 건식 가공이 표준입니다. 강철과 달리 회주철은 일반적으로 건식 가공됩니다. 절삭유는 공구-가공물 경계면에서 회주철에 열충격 균열을 일으킬 수 있으며 일반적으로 선삭, 밀링 및 보링 작업에서는 사용하지 않습니다.
• 표면 마무리: 선삭 및 보링 작업에서 표준 초경 공구를 사용하여 Ra 0.8 ~ 3.2μm의 표면 마감을 가공하는 회주철 기계는 추가 연삭 없이 대부분의 베어링 및 밀봉 표면에 충분합니다.
• 툴링의 마모: 쉽게 절단할 수 있음에도 불구하고 흑연 플레이크는 특히 고실리콘 등급에서 절단 도구 가장자리를 약간 마모시킵니다. 대량 생산에는 코팅 초경(TiN, TiCN, Al₂O₃) 또는 CBN 공구를 사용하여 일관된 공구 수명을 유지합니다.

회주철의 한계와 사용하지 말아야 할 경우

모든 재료에는 적절한 사용의 한계가 있습니다. 회주철의 한계를 이해하면 치명적인 설계 오류를 방지하고 올바른 재료 대체 결정을 내릴 수 있습니다.

• 1차 장력 지지 구조에는 사용 불가: 회주철은 상당한 인장 또는 굽힘 응력을 받는 구조물의 주요 하중 전달 부재가 되어서는 안 됩니다. 연신율이 거의 0에 가깝다는 것은 파손 전에 경고를 제공하지 않으며 과부하의 소성 재분배가 없음을 의미합니다.
• 충격이나 충격 부하 없음: 망치 머리, 리프팅 후크, 안전이 중요한 브래킷 등 갑작스러운 충격 하중과 관련된 응용 분야는 근본적으로 회주철의 취성 파괴 거동과 호환되지 않습니다. 대신 연성이 있는 철이나 강철을 사용해야 합니다.
• 용접이 어렵다: 회주철의 높은 탄소 함량과 취성으로 인해 용접은 기술적으로 어렵고 신뢰할 수 없습니다. 예열로 보수용접 가능 300°C ~ 600°C 니켈 기반 전극이지만 용접된 회주철 조인트는 모재만큼 신뢰할 수 없으며 압력을 포함하는 용도 또는 구조용 용도로 사용해서는 안 됩니다.
• 냉간 가공 불가: 회주철은 실온에서 소성 변형 능력이 없습니다. 구부릴 수도, 형성할 수도, 말거나 끌 수도 없습니다. 모든 성형은 주조나 기계 가공을 통해 이루어져야 합니다.
• 공격적인 환경에서의 부식: 회주철은 습한, 산성 또는 염분 환경에서 부식됩니다. 실외 또는 매립 서비스에는 보호 코팅(페인트, 에폭시, 역청 코팅)이 필요합니다. 흑연 플레이크는 갈바니 전지에서 음극 역할을 하여 보호 없이 전해질이 포함된 환경에서 철 용해를 가속화할 수 있습니다.
• 섹션 민감도: 동일한 주물에서도 단면 두께에 따라 특성이 크게 달라집니다. 얇은 부분은 더 빨리 냉각되어 더 미세하고 단단한 미세 구조를 생성합니다. 두꺼운 부분은 천천히 냉각되어 더 거친 흑연과 더 부드러운 매트릭스를 생성합니다. 설계에서는 이러한 가변성을 고려하거나 중요한 위치의 경도 범위를 지정해야 합니다.