구상흑연주철에 미치는 규소(Si)의 영향
구상흑연주철에 미치는 규소(Si)의 영향
주방상태 및 열처리한 구상흑연주철에서 요구되는 조직과 기계적 성질을 얻기 위해서는 규소함량을 조정할 필요가 있다.
1. 조직에 미치는 영향
규소함량이 증가하면 조직에 다음과 같은 영향을 미친다.
1) 공정탄화물의 발새이 적어진다.
2) 주방상태 및 노말라이징 처리(normalizing treatment)한 구상흑연주철에서 훼라이트(ferrite)가 퍼얼라이트(pearlite)보다 용이하게 형성된다. 형성되는 훼라이트와 퍼얼라이트의 양적 비율은 함유하고 있는 퍼얼라이트 조장원소의 함유량에 따라 달라진다.
3) 열처리에 의해 퍼얼라이트와 공정탄화물의 흑연화가 촉진된다.
2. 훼라이트형 구상흑연주철(ferritic nodular iron)의
기계적 성질에 미치는 영향
1) 훼라이트와 퍼얼라이트의 양
규소함량이 증가하면 조직 중에 훼라이트량이 증가하고 퍼얼라이트량이 감소한다. 이러한 결과로 그림 1에 나타낸 바와 같이 인장강도와 proof stress는 감소하게 되고 연신율은 증가하게 된다.
2) 인장 성질(tensile properties)
규소는 훼라이트를 강화시키고 경화시키나 (그림2) 함량이 너무 높아지면 실온에서 인장하중에 의해 취성파괴(brittle failure)를 야기시킬 수 있다. 이는 규소 함량이 높아짐에 따라 연성-취성 전이온도(ductile-to-brittle transition temperature)가 실온 이상으로 상승하기때문이다.
그림2. 훼라이트형 구상흑연주철에 대한 규소의 영향
취성 파괴를 조장하는 규소의 효과를 그림 3에 나타냈다.
3) 충격성질(impact properties)
규소함량이 증가하면 연성-취성전이온도(ductile-to-brittle transition temperature)는 상승한다(그림4). 인(P)과 망간(Mn) 도 비슷한 영향을 미친다. 규소함량이 높은 구상흑연주철에서는 연성-취성 전이가 시작하는 온도가 실온보다 높아질 것이다.
그림 . 소둔처리한 훼라이트형 구상흑연주철의 노치 - 충격성질과 규소의 함량 취성파괴(brittle failure)는 입자(grain) 내를 통과하여 전파되는 균열면에 빛이 반사하기 때문에 밝은 파단면을 보인다.(그림5,6). 연성파괴에서는 파괴가 훼라이트 입계를 따라 발생하여 많은 구 상흑연내를 통하여 전파하기 때문에 파단면은 회색이다.
(그림7). 노차형 충격시험편은 전이온도내에서는 회색과 밝은 파단면이 혼합되어 있는 파단면을 보인다.
3. 퍼얼라이트형 구상흑연주철(pearlitic nodular iron)의
기계적 성질에 미치는 영향
1) 인장 성질
퍼얼라이트형 구상흑연주철에서 규소함량이 증가하면 주어진 온도에서 소성변형(plastic
deformation)에 대한 저항이 증가하고 연성-취성 전이가 발생하는 온도가 상승한다. 20℃와 100℃ 에서 시험한 주방상태의 퍼얼라이트형 구상흑연주철의 인장성질을 그림8에 나타내었다.
20℃에서 proof stress는 규소함량이 증가함에 따라 증가하나 인장강도와 연신율은 감소한다. 인장 강도와 연신율은 100℃에서 시험을 행한 경우가 훨씬 더 크다. 이는 시험온도가 연성-취성 전이온 도 이상이기 때문이다.
노말라이징처리(normalizing treatment)에 의해 어느정도 규소가 재질을 취약하게 하는 효과를 제거 할 수 있다. 그림 9 에 노말라이징 처리된 구상흑연주철의 인장성질에 미치는 규소의 영향을 나타 냈다. 그림8과 그림9를 비교하여 보면 노말라이징 처리에 의해 강도가 상당히 증가한 것을 알 수 있다. 그러나 노말라이징 처리하는 중에 상당히 주의하여 냉각하지 않으면 이러한 강도의 증가는 항상 얻을 수 없다.
퍼얼라이트형 구상흑연주철의 연성, 취성 파괴의 거동은 훼라이트형 구상흑연주철의 거동과 같다. 그림10, 11에 연성, 취성파괴를 나타내었다. 퍼얼라이트 구상흑연주철에서 proof stress와 인장강도의 비율은 보통 0.55-0.58 정도이다. 이 비율이 높으면 높을수록 재질이 취약하다는 것을 나타낸다.
4. 규소함량의 선택
구상흑연주철의 규소함량은 일반적으로 2-2.8% 범위에 있다. 이 범위 내에서 최종적인 규소함량을 선택하는데 고려하여야 할 인자들은 다음과 같다.
1) 재질규격(특히 노치-충격값을 고려한다)
규소함량이 높으면 충격전이온도(impact transition temperature) 가 상승하기 때문에 좋은 재질을 필요로 하면 규소함량이 적당히 낮아야 한다.
2) 주조품의 열처리 유무
열처리가 행해진다면 규소함량이 더 낮아도 된다.
3) 주조품의 크기와 두께
주조품의 크기와 두께가 크면 규소함량이 더 낮아도 된다.
4) 사용할 구상화 처리방법
구상화제로 Fe-Si-Mg 합금을 사용한다면 구상화제로부터 규소의 흡수를 고려하여야 한다.
5) 후접종 기술과 효율
후접종 작업이 매우 효과적이라면 규소함량이 더 낮아도 된다.
6) 사용하는 원재료의 형태
원재료의 품질이 불량하면 규소함량이 더 높아야 한다.
