주철 용접

주철의 본질 — 왜 용접이 어려운가?

주철(Cast Iron)은 C 2.5~3.5%, Si 1.5~2.5% 정도를 함유한 Fe-C 합금으로, 강(< 2.0%C) 대비 탄소가 매우 많습니다. 강도가 10~20 kg/mm² 정도로 낮고 매우 취약합니다.

주철 용접의 4대 문제점:

1. 백선화(Chilling) — 용접부가 급냉되면 흑연(Graphite)이 시멘타이트(Fe₃C)로 변태 → 백선 조직이 되어 단단하고 취약
2. 균열 다발 — 주철은 연성·강도가 낮아 열응력에 모재가 균열
3. CO₂ 가스 발생 — 탄소가 용접 중 산화 → CO₂ 발생 → 비드 작업성 저하 + 블로우홀
4. 시멘타이트 분해 + 급냉 백선화 — 용접열에 의해 Fe₃C가 분해되어 체적 팽창했다가, 급냉 시 다시 백선화하며 수축 → 균열

핵심 대책: 흑연화(Graphitization) 촉진 + 백선화 방지 — 예열·후열·Si/Ni/Al 함유 용접봉.

주철 3종 분류 — 파면 색상으로 구분

회주철이 80% 이상으로 보수 용접의 주 대상입니다. 흑연이 박편 모양이라 stress riser 역할을 해 균열에 취약하지만, 구상흑연주철은 흑연이 구형이라 강도와 연성이 양호합니다.

주철 용접봉 5종 — AWS A5.15 기준

선택 가이드:
- 절삭 가공 必 → 순 Ni계 (가공성 우수)
- 구속·강도 필요 → Ni-Fe계 (현재 가장 보편)
- 색상 매칭 → 주철계
- 도색 산화재 보수 → 연강계로 1층 후 Ni계로 마감

열간 용접법 vs 냉간 용접법 — 2대 전략

1. 열간 용접법(Hot Welding) — 고온예열법

핵심 이유: 시멘타이트 분해는 500℃부터 시작되고 700℃ 부근에서 팽창 심해짐 → 600℃ 이하 예열이 권장.

2. 냉간 용접법(Cold Welding) — 저온예열법

현장에서 90%는 냉간 용접법 — 대형 주물을 500℃ 가열하는 것이 비현실적이기 때문입니다.

구상흑연주철의 용접 + 후소둔

구상흑연주철(Ductile Iron, FCD)은 보통 주철보다 용접성이 양호합니다. 인장강도 40 kg/mm² 이상, 연신 2~12%로 강에 가깝습니다.

용접봉 선택:
- 구속 적음 → Ni계
- 구속 큼 → Ni-Fe계 (현장 권장)
- 예열: 150~200℃

후소둔(Post-Anneal) — FCD 용접의 특수 절차

온도 변화 속도는 650℃/hr 이하가 원칙 — 너무 빠르면 잔류응력이 다시 생깁니다. 이 절차로 FCD의 흑연 구상 조직이 회복되며 모재 수준의 인성을 얻을 수 있습니다.