각 원소들이 주철에 미치는 영향 C, Si, Mn, P, S

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아래 게시글에서 각 원소들이 강의 성질에 미치는 영향을 알아보았다.

각 원소들이 주철에 미치는 영향도 꼭 정리해야 하겠다.

2020/12/25 - [금속재료 기술사] - 탄소 이외의 원소가 강의 성질에 미치는 영향 Mn, Si, P, S, Cu, 비금속개재물

탄소 이외의 원소가 강의 성질에 미치는 영향 Mn, Si, P, S, Cu, 비금속개재물

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탄소가 주철에 미치는 영향

주철에 있어서의 탄소는 시멘타이트와 흑연상태로 존재하며, 주철의 성질을 개선하기 위해서는 이들 2가지 형태의 탄소가 적당히 조합되어 있어야 한다. 이것의 탄소 존재 상태는 다음 인자에 의해서 결정된다.

1. 냉각속도
2. 화학성분 (Si량과 Mn량)

냉각속도는 늦을수록, Si량은 많을수록, 그리고 Mn량은 적을수록 흑연의 양이 많아진다.
시멘타이트는 주철을 단단하고 강하게 하지만, 그 양이 0.9% 이상이 되면 너무 단단하여 여려진다. 한편, 흑연의 양이 많아지면 주철은 무르고 강도가 낮으나, 그 분포 상태 및 형상이 미세해질수록 강도가 높아진다.

주철의 마우러 조직도 : 한국산업인력공단

 

마우러 조직 구역별 조직과 종류 : 한국산업인력공단

 

Si가 주철에 미치는 영향

Si는 C 다음으로 중요한 성분으로서 Fe와 고용체 (Si 약 16%)를 만들고, 흑연의 생성 촉진 원소이다.
주물의 주조 후의 냉각속도는 그 두께가 두꺼울수록 느리며 얇을수록 빠르다. 냉각이 빠를 경우에는 C가 시멘타이트로 되기 쉬우므로, 흑연을 발달시키려면 얇은 주물에서는 Si를 다량 첨가해야 한다.
일반적으로 금속은 융해 후 응고하면 부피가 줄어들지만 흑연이 발생하면 부피가 팽창한다.
따라서 Si를 첨가하면 흑연의 발생을 촉진하므로 Si를 첨가한 주철은 응고 수축이 적어져서 주조가 용이하다.

 

Mn이 주철에 미치는 영향

주철 중에는 일반적으로 0.4%~1.0% 정도의 Mn을 함유한다.
Mn과 Fe는 완전히 고용하며, 보통 주철의 성분에서는 탄화망간(Mn3C)으로서 시멘타이트 중에 고용하므로 Mn%의 증가와 함께 고상에 있어서 C의 용해도를 감소시켜 화합 탄소량을 증가시킨다.
즉, Si와 반대로 흑연의 생성을 방지한다. 또한 Mn3C는 Fe3C의 분해를 방지하며, 이 경향은 Si량이 적을수록 심하다.

Mn은 S와 친화력이 크기 때문에 황화철(FeS)이 존재하면,
FeS + Mn -> MnS + Fe 와 같은 반응에 의하여 황화망간(Mns)을 생성하고, 슬래그로 되어 용선과 분리되므로 S의 해를 제거할 수 있다.
Mn의 탈황작용 이외에 용선 중의 산소와 화합하여 탈산작용을 하는데, 1% Mn 이상의 다량일 경우에는 주철의 질을 강하고 단단하게 만들어서 절삭성을 나쁘게 하고, 수축률을 크게 하기 때문에 최고 1.5% 이상을 넘지 않도록 한다.

 

P이 주철에 미치는 영향

주철 중에 포함되어 있는 P는 일부분 페라이트 중에 고용되나, 대개 스테아다이트(Steadite : 페라이트 + Fe3C + Fe3P 삼원공정조직)로서 존재한다. 스테아다이트 중의 시멘타이트는 분해하기 어렵기 때문에 P를 함유하며, 주철을 단단하고 여리게 하므로 유해한 것이다.

P가 소량이면 스테아다이트는 서로 분리하여 점재하기 때문에 영향이 적으나 0.1%의 함유량에서 그 영향이 나타나기 시작하고, 2.0% 이상이 되면 스테아다이트가 접근하여 연결되기 때문에 전체로서 심히 여리게 된다. 그러나 P가 많이 함유되면 용융점이 낮아져서 쇳물의 유동성이 매우 좋아지므로, 얇은 두께의 주물이나 특히 깨끗한 표면을 필요로 하는 주물 등에는 P의 함유량을 많게 한다.

 

S가 주철에 미치는 영향

S는 주물에 해로운 불순물이므로, 좋은 질의 주철에 있어서는 0.1% 이하로 제한한다. 주철 중의 S는 Fe와 화합하여 FeS, 그리고 Mn과 화합하여 MnS로서 존재하는데, FeS는 주로 결정입자의 경계에 미립으로 균일하게 분포하며, MnS는 결정입자 안에 비교적 거친 결정을 만든다.

S는 1% 이하일 경우에 FeS가 시멘타이트 중에 고용체로 되어 있으나, 그 이상 Mn이 적을 경우에 FeS는 선상 또는 구상으로 되어 다름과 같은 해로운 작용을 한다.

1. 유동성을 나쁘게 하여 주조 작업이 곤란하며, 정밀한 주물을 제조하기가 어렵다.
2. 주조 시 수축률을 크게 하므로 기공을 만들기 쉽고, 주조응력을 크게 하여 균열을 일으키기 쉽다.
3. 흑연의 생성을 방해하며, 고온 취성을 일으킨다.
4. 경점 (Hard spot), 역칠을 일으키기 쉽다.

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