주조 부품 내 원소의 역할 및 첨가 순서

주조 생산 공정에서 화학 성분을 요구되는 범위로 조정하기 위해 합금 원소를 첨가해야 한다. 주조품에 첨가하는 각 원소의 양, 첨가 시점 및 첨가 순서는 주조 품질에 영향을 미친다. 여기서는 일반적으로 사용되는 몇 가지 원소에 대해 분석해 보고자 한다.

I. 각 원소의 역할 및 첨가 원칙

(1) 탄소(C)

기능:

기지 강화: C는 강철의 핵심 고용체 강화 원소로, 철과 결합하여 시멘타이트(Fe₃C)를 형성함으로써 경도와 강도를 향상시킨다.

응고 제어: C 함량이 높을 경우 용융 강철의 유동성이 감소하고 수축 경향이 증가한다.

가산 원칙: 내용물은 목표 성능에 따라 조정되어야 하며(일반적으로 저합금강에서는 0.15%~0.3% 범위에서 제어됨).

과잉 위험: 탄소(C) 함량이 0.5%를 초과할 경우 인성은 급격히 감소하고 용접성도 악화된다.

(2) 실리콘(Si)

기능:

탈산제: 산소(O)와 우선적으로 반응하여 SiO₂를 생성함으로써 용융 강철을 정련한다.

고용 강화: 페라이트에 용해되어 강도를 증가시킨다(실리콘 함량이 0.1% 증가할 때마다 인장강도는 약 4 MPa 증가함).

가산 원칙: 산화 손실을 방지하기 위해 제련 후기(환원기)에 첨가해야 한다(예: 페로실리콘 합금).

과잉 함량의 위험: 실리콘 함량은 0.2%~0.5% 범위에서 제어되며, 과도하게 높으면 인성이 저하된다.

(3) 망간(Mn)

기능:

탈산 및 탈황: 산소(O)와 반응하여 MnO를 생성함으로써 탈산을 하고, 황(S)과 반응하여 MnS를 생성함으로써 탈황을 한다.

경화성 향상: 펄라이트 전이를 지연시키고 마르텐사이트 경화성을 향상시킨다.

가산 원칙: 산화 기간 동안 배치 단위로 첨가(탈산 + 탈황), 환원 기간 동안 첨가(연소 시).

과잉 함량 위험: 함량은 0.8%~1.5%로 관리되며, 과도하게 높으면 담금질 취성 발생 가능성이 높아진다.

(4) 인(P)

기능:

유해 원소: 페라이트에 고용되어 연성 및 인성을 저하시키며(저온 취성 경향).

고용 강화: 극미량의 P는 강도를 향상시킬 수 있으나, 함량을 엄격히 관리해야 한다. 중주파 용선로 생산에서는 첨가를 권장하지 않는다.

관리 원칙: 가능한 한 저인 원료(예: 폐강)를 선택하고, 제련 과정에서 추가 첨가를 피한다.

과잉 함량 위험: 함량은 0.035% 미만이어야 하며(고품질 강재의 경우 0.025% 미만 요구).

(5) 황(S)

기능:

유해 원소: Fe와 반응하여 FeS를 생성하며, 고온 취성(고온 가공 시 균열 발생)을 유발한다.

불순물 포함 제어: Mn과 함께 사용하여 MnS를 생성해야 함(해로운 영향 감소).

제어 원리: Mn을 첨가하여 탈황하는 것(Mn:S 비율 권장 범위 2:1~3:1).

과다 첨가 위험: 함량은 0.035% 미만이어야 함(특수강의 경우 0.02% 미만).

(6) 크롬(Cr)

기능:

경화성 향상: 오스테나이트 분해 지연 및 마르텐사이트 경도 증가.

내식성: 밀착된 Cr₂O₃ 산화막 형성(예: 스테인리스강).

결정립 미세화: 오스테나이트 결정립 성장 억제.

첨가 원리: 용해 기간 중 첨가(고융점, 고온 용해 필요). 일반적으로 함량은 0.5%~2.0%이며(내식성 또는 내마모성 요구 사항에 따라 조정 가능). 저항 요구 사항).

(7) 몰리브덴(Mo)

기능:

결정립 미세화: 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하고 인성 향상

고온 안정성: 적경도(적열경도) 및 크리프 저항성 향상

고용 강화: 기지 강도 향상

첨가 원칙: 고온에서의 휘발을 방지하기 위해 용해기(융해기) 단계에서 첨가(크롬과 유사한 방식). 일반적으로 함량은 0.1%~0.3%이며(몰리브덴 함량이 높은 강에서는 이보다 높음)

ⅱ. 원소 간 상호작용

(1) 탄소(C)와 규소(Si)/망간(Mn)의 시너지 효과

탈산 균형: 규소(Si)가 먼저 탈산을 담당하고, 망간(Mn)은 탈황을 보조하지만, 과도한 규소(Si)는 망간(Mn)의 탈황 효과를 억제함

상변화 효과: 탄소(C) 함량이 높을 경우 망간(Mn)이 펄라이트 상변화를 지연시켜 잔류 오스테나이트의 증가를 초래함

(2) 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 보완 효과

경화성 중첩 효과: 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)이 공동으로 경화성을 향상시켜 고강도 강(예: HSLA)에 적합함

부식 저항 시너지: Cr은 불활성 피막을 형성하고, Mo는 점상 부식 저항성을 향상시킨다(예: 스테인리스강에서의 Cr-Mo 조합).

(3) P와 S의 시너지적 유해성

저온 취성: P는 냉간 취성을 악화시키고, S는 고온 취성을 유발한다. Mn 첨가 및 공정 제어를 통해 이러한 위험을 줄여야 한다.

ⅲ. 중주파 용해로 용해 공정의 적응성

(1) 첨가 순서 최적화

용해기: Cr, Mo 등 고융점 원소를 먼저 첨가하여 완전 용해를 보장한다.

산화기: Mn을 분할 첨가하여 탈산 및 탈황을 동시에 수행한다. 품질 요구 수준이 높은 제품의 경우 산소 분사 기술을 적용할 수 있으나, 산소 분사량은 과도한 산화를 방지하기 위해 엄격히 제어해야 한다. 과도한 산화.

환원기: Si를 첨가하여 최종 탈산을 수행하고, 소실된 Mn을 보충한다.