주철에 관하여

 1. 주철용접

1.1 주철의 구성
(1) 액상변태
→ 강, 주철의 분기점: 2% C
→ 안정된 Eutectic: Austenite와 흑연(Graphite)로 구성
→ 준안정된 Eutectic : Austenite와 철산화물(Cementite)로 구성
→ 주철: 응고시 철, 탄소공정(Eutectic)을 생성하는 철, 탄소합금
→ 흑연화 촉진원소 (안정된 Eutectic) : Si, Cu, Ni
→ 탄화물 안정원소 (준안정된 Eutectic) : Ca, Mg, Te
→ 느린 냉각속도: 안정된 공정응고 (흑연화) 빠른 냉각속도: 준안정된 공정응고 (탄화물)

 

(2) 고상변태
준안정 상태(Cementite)는 고온의 고체상태에서 안정상태(흑연)로 분해
⊙ Austenite → 서냉시 → Ferrite, Pearlite
→ 급냉시 → Bainite, Martensite

 

(3) 종류
⊙ 백주철: Cementite 구성
⊙ 회주철: 흑연 구성
 

1.2 주철의 종류
(1) 회주철 (Grey Cast Iron)
⊙ 2.0∼4.5 % C, 1.0∼3.0 % Si
⊙ 나뭇가지 형태의 불연속적 흑연 Flake (편상흑연)
⊙ 10∼25 Kgf/㎟ : σY
⊙ 가공기 Base, 진동흡수 부분에 사용

 

(2) 구상흑연 주철 (Nodular Cast Iron)
⊙ Mg, Ce를 주탕전에 첨가시 구상흑연 생성
⊙ 40∼70 Kgf/㎟ : σY
 

(3) 가단주철 (Malleable Irons)
⊙ 백주철을 열처리하여 제작: 좋은 용접성을 가짐
⊙ Cementite가 분해하여 Ferrite와 Pearlite기지내에 탄소덩어리 형성

 

(4) 백심가단주철 (Whiteheart Malleable Irons)
⊙ 900∼1000℃에서 탈탄분위기하에서 장시간 소둔(Annealing): 기계적 성질 양호
 

(5) 흑심가단주철 (Blackheart Malleable Irons)
⊙ 탈탄없이 850∼950℃에서 백주철 주물을 소둔
⊙ 백주철의 탄소함량이 적은 것을 사용하므로 작업난이

 

(6) Pearlite가단주철
⊙ Ferrite흑심가단주철을 한번 더 열처리
⊙ Ferrite흑심가단주철보다 연성은 낮고 강도는 높다.

(7) Compacted Graphite Iron
⊙ Flake와 구상흑연의 중간 형상
⊙ Ti, Mg, Ce 첨가

 

(8) 백주철
⊙ Austenite와 Cementite 구성
⊙ 경도, 취성이 높다

(9) Austenite 주철
⊙ 편상흑연과 구상흑연의 형태로 제조

 

1.3 주철의 용접성
(1) 용접특성
⊙ 탈탄된 백심가단주철외에는 용접난이
⊙ Ferrite기지를 갖는 주철이 고 탄소기지를 갖는 주철보다 용접 용이
⊙ 편산흑연주철이 구상보다 취성이 강하고 용접이 난이

 

(2) 금속학적 영향
→ 용접부가 급냉시 백선화되면서 수축량이 편상흑연 주철에 비하여 많아 높은 잔류응력으로 균열의

    위험성,가공성 불량, 재질의 취성이 높다.

→ 용접시 백주철의 생성은 피할 수 없다.
→ 대책: 낮은 입열로 모재의 용융정도를 억제하거나 Brazing, soldering, 또는 분발용접을 적용
→ P의 함량이 높은 회주철은 응고시 저융점의 Fe-Fe3P공정물을 생성
    : 용착금속과 HAZ에 고온균열 발생, P>0.5% 일때 용접은 거의 불가
→ 주철은 높은 탄소함량으로 산소와의 반응에 의해 CO, CO2기공 형성

 

(3) 예열 및 후열
⊙ 예열
- 용접부를 서냉하여 Martensite를 최소화
- 수축응력을 분산하여 변형을 감소시키고 균열의 위험성을 낮춘다.
- 복잡한 형상의 예열시 불균일한 팽창이 일어나 균열의 가능성이 크다, 이경우 추천 예열온도보다

  100℃ 상승시킨다.
⊙ 후열
- 백주철과 Martensite가 생성된 용접부는 균일한 조직을 가진 유사부분에 비해 열등한 기계적

  성질을 갖는다.
- 이 경우 후열처리하여 기계적 성질을 향상시킨다.
: 백주철을 900∼950℃에서 최소 3시간 유지시키면 분해되며, 620℃에서 응력제거열처리(350℃까지 노냉)를 용접직후 실시하면 Martensite가 분해되어 연화되고 잔류응력도 감소한다.

 

1.4 용접재료의 선택
(1) 주철 용접봉(Nodular Iron) : ECI
⊙ 용착부가 모재와 동일
⊙ 고온예열 용접

 

(2) Ni합금 용접봉 : ENi-Fe, ENi-Fe-CI
⊙ 순수 Ni경우 강도가 낮아 절삭성이 좋다.
⊙ 모재 희석률이 높을 경우 흑연 석출로 인해 취성이 발생된다.
⊙ Ni-45%Fe는 모재와 기계적 성질이 비슷하다.
⊙ 냉간 또는 저온예열 용접
 

(3) 연강 용접봉 : Est
⊙ 탄소 Pick-up으로 인한 경한 Martensite가 냉각시 생성된다.
⊙ 백심가단주철과 같이 주철표면이 탈탄된 경우에는 저탄소층을 용접비드가 침투하지 않아 사용가능
⊙ 냉간용접

 

(4) 구리합금 용접봉 : ENiCu-A, EniCu-B
⊙ Bronze
⊙ 융점이 낮고 희석에 잘 견딘다.
⊙ 연화된 용접부는 수축력을 흡수한다.
⊙ 냉간용접
 

1.5 용접적용
(1) 용접구분
⊙ 열간용접
- 모재전체를 400∼600℃로 예열, 후열 및 응력제거 소둔이 필요하다.
- HAZ의 백선화를 억제
- 고온에서의표면산화 및 용접변형을 방지
⊙ 냉간용접
- 예열하지 않거나 국부적으로 낮은 온도에서 예열한다.
- 작업용이하며 변형을 최소화
- HAZ의 백선화에 의한 균열, 절삭성 감소

 

(2) 용접 전처리
⊙ 용접부 개선작업
- 결함부는 기계적 또는 가우징으로 제거
- 가우징시에는 균열방지위해 국부적으로 300℃ 예열
- 필요시 균열부 제거전에 양끝단 Hole드릴링
- Cone형, U형, V형, X형

(3) 회주철의 보수용접
⊙ 주철봉 사용시
- 예열 500℃ 및 서냉시 : 무결함
- 예열 300℃ 및 공냉시 : 횡균열 및 Fusion line따른 종균열
⊙ Ni봉 사용시
- Fusion Line을 따라 MT결함 표시: 비자성체 Ni와 주철경계에 자분집적에 기인
- 예열 300℃ 및 공냉시 : 횡균열 및 Fusion line따른 종균열

 

[유동성에 따른 Flat 자세위한 3등분 구분]

 

2. TMCP강의 특성
2.1 구조용 강판의 제조
(1) As-Rolled Plate
⊙ 연속주조로 생산된 슬라브를 1100∼1200℃로 재가열하여 요구두께로 압연후 대기중에 냉각
⊙ 강도와 인성이 낮은 저급강 (A-Grade)

 

(2) Normalized Plate
⊙ 강도증가위해 합금원소를 첨가
⊙ 인성증가위해 불림처리로 조직미세화

 

⊙ As-Rolled와 Normalized Plate의 조성은 공히 Ferrite + Pearlite이며 미세화의 차이에 있다.

 

(3) TMCP(Thermo-Mechanical Control Process) 강의 제조

⊙ 제어압연(Controlled Rolling)시 Austenite→Ferrite + Pearlite, 가속냉각(Accelerating Cooling)

    시에는 Pearlite → Banite로 바뀌어진다.

⊙ 제어압연시 Austenite의 결정립이 늘어나 단위부피당 입계면적이 증가하며, 연신된

    Austenite결정립에서 변태되어 생성되는 Ferrite의 결정립은 극히 미세화되어진다.

⊙ 만약 ‘부분적인 재결정구역에서 압연시에는 재결정부위와 미 재결정부위의 최종조직이 불균일해지므로

    본 구역을 통과후 제어압연해야 한다.
⊙ 비 재결정구역을 확장하여 압연필요시 Nb을 첨가하며, 비 재결정구역의 냉각속도를 지연시키기

    위해서는 가열이 필요하나 작업상 불가능하다.
⊙ 가속냉각은 Ar3∼Ar1 (800→500℃)에서 물분사하여 급냉한다.

 

(4) 가속냉각 System
⊙ 강판전체가 균일하게 냉각
⊙ 잔류응력 및 변형을 최소화
⊙ 냉각속도, Ts, Tf의 정확한 조절

 

(5) TMCP강의 공정
⊙ 낮은 Slab재가열 온도 (950∼1200℃)

⊙ 재결정되는 Austenite영역에서의 압연
⊙ α+γ의 이상온도에서의 제어압연
⊙ 변태온도 영역에서의 가속냉각

 

(6) 선급용 자재구분
⊙ 연강(Mild Steel) : 인장강도 40 Kg/㎟
- A급, B급: 0℃에서 2.8Kg-m (27J), D급: -10℃, E급: -40℃
⊙ 고장력강(High Strength Steel, HT강): 인장강도 50 Kg/㎟
- AH급, BH급: 0℃에서 3.5Kg-m (34J), DH급: -10℃, E급: -40℃
* 1 Kg-m = 7.22 ft-lb

 

2.2 제어압연 및 가속냉각된 강의 특징
(1) 금속적 측면
⊙ 압연결과 단위부피당 입계면적을 증가시키고 결정립 내부에는 Deformation Band를 형성시켜 Ferrite의 핵생성 자리를 증가시킨다.
⊙ 이 상태에서 가속냉각시 Austenite가 Ferrite와 Pearlite의 변태시 발생Band를 분산, Pearlite대신 Banite가 생성되며 가속냉각시 조직은 더욱 미세화 된다.
 

(2) 기계적 측면
⊙ 인성의 변화없이 강도의 증가
⊙ 조직의 미세화는 인성 향상, Banite체적분률 증가 및 고용강화는 인성저하 측면으로 영향을 미친다.
⊙ 균일한 냉각을 위한 냉각속도는 약 10℃/sec이다.

 

(3) 용접측면
⊙ CE감소에 따른 저온균열 민감성을 감소시키고 예열의 저하를 가져온다.
⊙ 예열완화, 비수소계 용접봉 사용, 대입열 용접이 가능하다.

(4) 작업성
⊙ Hot-Forming
- 생성조직이 Bainite 및 Hardened Ferrite이므로 불안정한 조직이다.
- Ac3이상 가열시 Normalized 강재로 변환
- Hot-Forming은 절대불가하되 선상가열은 허용된다.
⊙ 열처리후의 연화현상
- Normalized 강이나 CR강재에 비하여 후열처리시 강도저하가 심하다.
⊙ 용접열영향부의 연화현상
- HAZ부위의 경도치 저하 즉 강도감소를 가져온다. 충격치 인성은 양호하다.
⊙ 절단후 변형