주철용접봉과 주철용접방법

주철은 탄소가 많은 철 합금이라 일반 강재용 용접봉으로 보수하면 용접부 옆이 단단하고 취약해지기 쉽습니다. 그래서 주철 보수용 피복 아크 용접봉으로는 니켈이나 니켈-철 합금 봉이 널리 쓰입니다. 탄소가 문제를 만드는 구조와 니켈계 봉이 그 문제를 줄이는 방식을 제조사·기술기관 자료로 정리합니다.

주철의 탄소는 강재의 약 10배입니다

영국 용접연구소 TWI는 주철의 탄소 함량을 흔히 2~4% 정도로 보고, 대부분의 강재보다 약 10배 많다고 설명합니다. Kobelco(고베제강) 교육 자료는 일반 산업용 주철을 탄소 2.0~4.5%, 규소 1~3%로 정리합니다.

회주철에서는 이 탄소의 상당 부분이 얇은 조각 모양의 편상 흑연으로 들어 있습니다. Kobelco 자료에 따르면 편상 흑연은 표면적이 커서 용접 열에 잘 녹아들고, 흑연이 둥근 구상흑연주철이 다른 주철보다 용접성이 좋습니다.

용접 열이 백주철층과 마르텐사이트층을 만듭니다

Kobelco 자료는 용접부 바로 옆 모재가 매우 높은 온도로 가열됐다가 빠르게 식으면서, 용접금속 쪽에는 탄화철이 석출된 백주철 조직이, 그 바깥에는 고탄소 마르텐사이트가 생긴다고 설명합니다. 두 층 모두 단단하고 취약합니다.

주철은 연성이 낮아 냉각 수축 응력을 소성 변형으로 받아내지 못합니다. 그래서 열영향부에서 냉각 직후나 사용 중 하중을 받을 때 균열이 생기기 쉽습니다. 탄소가 산화해 생긴 CO 가스가 용접금속에 기공을 만들 수 있다는 점도 같은 자료에 적혀 있습니다.

니켈 용접금속은 탄소를 미세한 흑연으로 풀어냅니다

Kobelco 자료는 주철 용접에서 용접금속이 모재 희석으로 늘어나는 탄소를 견뎌야 하므로 니켈합금계·저탄소강계 같은 봉을 쓴다고 설명하고, 대표 등급으로 AWS ENi-CI, ENiFe-CI, ESt를 듭니다.

같은 자료에 따르면 니켈계 용접금속은 모재에서 넘어온 탄소를 미세한 흑연으로 분산시켜 연성과 절삭성을 확보합니다. 또 경계부의 탄소 확산을 억제해 열영향부의 백주철 조직을 줄입니다. TWI도 니켈계 봉이 높은 탄소 희석을 받아들이고 미세한 흑연, 적은 기공, 가공하기 쉬운 용착금속을 만든다고 설명합니다.

Kobelco의 시험 사진 설명(FC250, 두께 20mm)에서는 용융부의 백주철 조직을 억제하는 데 니켈계 봉은 150℃ 예열, 강계 봉은 300℃ 예열이 필요했다고 적고 있습니다.

ENi-CI와 ENiFe-CI는 절삭성과 강도에서 갈립니다

Kobelco 자료는 니켈계 ENi-CI를 회주철·가단주철·구상흑연주철에 쓰며 절삭성이 매우 좋다고 설명합니다. 다만 모재의 황·인을 받아 응고균열에 민감하므로, 충분한 용융이 확보되는 범위에서 전류를 낮추라고 권합니다.

니켈-철계 ENiFe-CI는 니켈이 적어 더 경제적이고 황·인에 의한 응고균열에 덜 민감하며, 인장강도와 경도가 높은 대신 절삭성은 낮습니다. 공칭 니켈 53%가 희석 후 35~45%로 내려가면 선팽창계수가 낮아져 수축 응력이 줄어든다는 설명도 있습니다. 두 계열 모두 모재와 색은 잘 맞지 않습니다.

제품 예로 ESAB OK Ni-CI 데이터시트는 용착금속 니켈 92% 이상, 경도 130~170 HB를 적고 있고, ESAB OK NiFe-CI 자료는 니켈 53%, 철 44%를 대표 성분으로 적고 있습니다. 회사·제품마다 값이 다르므로 쓰는 제품의 자료를 확인해야 합니다.

예열은 낮게, 비드는 짧게 끊어 놓습니다

표 2는 Kobelco 자료가 한 용접재료 제조사의 저온 예열 권장값으로 소개한 범위입니다. 같은 자료는 적정 예열 온도가 주철 종류, 주물 크기, 용접재료에 따라 달라진다고 밝힙니다. 층간 온도는 예열 온도 이상으로 유지하되 용접부가 600℃를 넘지 않게 하라고 하는데, 600℃를 넘으면 시멘타이트가 흑연으로 분해되며 급격히 팽창해 균열을 부를 수 있기 때문입니다.

비드 운용 수치는 자료마다 조금씩 다릅니다. Kobelco는 비드 길이 30~50mm의 짧은 비드, 가는 봉과 낮은 전류, 봉 지름의 약 1.5배 이내 위빙을 제시합니다. TWI도 가능한 작은 지름의 봉과 낮은 전류로 희석을 줄이라고 권합니다.

ESAB OK Ni-CI 데이터시트는 위빙 없는 스트링거 비드를 최대 50mm로 놓고, 비드가 어두운 적색일 때 바로 해머링하며, 용접 후 톱밥·질석·오븐 속에서 천천히 식히라고 적고 있습니다. 같은 데이터시트는 대부분 예열 없는 냉간 용접이 가능하지만 약 250℃ 예열·층간 온도가 도움이 될 수 있다고 설명합니다.

보수 전에 기름, 균열 끝, 가우징 방식을 확인합니다

기름이 밴 주물은 기공과 균열의 원인이 됩니다. Kobelco 자료는 그루브를 파라핀으로 닦고 약 400℃로 가열해 기름을 태우는 방법을, ESAB 데이터시트는 고압 증기·화학 처리나 약 450℃에서 1시간 가열하는 방법을 소개합니다.

ESAB 데이터시트는 균열 끝에 구멍을 뚫어 진행을 막은 뒤 균열을 완전히 열어 내고, V형 그루브는 약 70°로 강재보다 넓게 잡으라고 권합니다. 가우징 방식은 자료끼리 다릅니다. Kobelco는 국부 급열·급랭을 일으키는 아크 에어 가우징을 피하라고 하고, ESAB는 자사 가우징봉으로 균열을 파내는 방법을 소개합니다.

압력이나 하중을 받는 주철 부품이라면 보수 용접 가능 여부와 절차는 설계·시공 기준과 담당 기술자의 확인이 필요합니다. 예열 작업의 화상·화재 위험과 용접 흄에 대한 환기·보호구 기준도 안전관리자와 함께 확인하는 것이 안전합니다.