주조방안

작성자우영메탈|작성시간11.02.14|조회수10,711 목록 댓글 0

주조방안

● 중요성

주조품의 양부는 용탕이 주형에 어떻게 유입되고, 응고할 것인가에 달려 있다. 용탕이 화학적으로 완전히 안정하고, 전혀 기체를 혼입하지 않으며, 응고시 아무런 수축(shrinkage)을 일으키지 않으며, 주형벽에서 전혀 침식을 일으키지 않으며, 비중이 균일하다면 주물을 만드는 일은 더욱 쉬울 것이다. 그러나 실제로 그렇지 못하므로 여러 인자를 주조방안에서 고려하여야 한다.

● 탕구계(gating system)

일반적인 응고에서는 외부에서부터 내부로 결정이 성장하여간다. 부분적으로는 고상이며, 또 한편으로는 부분적으로 액상인 지역(mush zone)이 외부에서 내부로 이동해 나가는 현상을 전진성응고(progressive solidification)라고 한다. 탕구계는 응고과정을 통하여 모든 부분이 급탕이 되도록 전진성응고를 조절할 수 있도록 설계되어야 하고 또 이런 응고형태를 방향성응고라 한다.

위에 말한 전진성 응고는 냉각 중 피할 수 없는 산물이지만 어느 정도는 조절할 수 있다. 급냉된 주물은 응고의 시작점과 마지막점간의 거리가 짧다. 이러한 경우에 전진성 응고가 크다고 한다. 원칙적으로 말하면 급탕이 가능한 부분으로부터 가장 멀리 떨어진 지역으로부터 응고가 진행되어 오는 것이 효과적으로 급탕이 이루어지는 것이라 할 수 있다. 압탕(riser, head)은 수축에 의해 부족한 용탕을 공급해 주어서 위와 같은 목적을 달성시키는 별도의 용탕저장소인 셈이며 따라서 적절한 위치에 설치해야 한다. 이러한 방향성 응고의 예를 그림 1에 나타냈다. 주조방안은 주물에서 수축되는 곳에까지 용탕을 운반하는 것과, 또한 수축이 일어났을 때 필요한 여분의 금속을 보충할 수 있도록 하는 두 경우를 다 고려해야 한다.

그림 1. 압탕을 설치하여 전진성응고 및 방향성응고를 보여주는 예

◆ 탕구계

미국의 주조학회(A.F.S)가 발표한 내용을 근거로 탕구계의 구성을 요약하면 다음과 같다.

(1) 주입대야(pouring cup): 용융금속이 제일 먼저 부어지는 곳으로 탕구입구에 있는 확대된 지역.
(2) 탕구(sprue): 용융금속이 탕구계의 여러 부분에 흘러가는 수직통로.
(3) 탕구저(sprue base): 탕구바닥에 있는 넓은 원통형이나 장방형 부분.
(4) 탕도(runner): 금속이 흘러 지나가는 중요수평통로.
(5) 주입구, 탕구(gate): 탕도와 주형공간을 연결하는 짧은 입구.
(6) 탕도연장(runner extension):탕도가 막힌 끝부분으로 마지막 주입구를 지나 연장된 부분.
(7) 초우크(choke): 주물 본체에 슬래그나 잡물이 들어가는 것을 막거나, 주입속도를 조절하기 위해 탕구를 조인부분.
(8) 이외에도 슬래그, 잡물의 혼합을 막기 위한 스키머코어(skimmer core), 스트레이너(strainer), 스크린(screen), 스푸루플러그(sprue plug)등을 사용하며, 대량의 용탕을 주입하는 경우 탕구계의 침식을 막기 위해 주입대야 밑과 탕구 밑에 스플래시코어(splash core)를 사용하기도 한다.

◆ 탕구의 종류

용탕은 여러 가지 방법으로 주형공간에 유입될 수 있다. 각 탕구계의 설계는 목적에 따라 다르다.

(1) 분할탕구(parting gate): 이런 탕구는 주형의 상형과 하형의 분할선을 따라 주형공간에 도달하게 된다.
(2) 저면탕구(bottom gate): 저면탕구는 하형의 바닥면에서 주형공간으로 도달하게 된다. 탕구저의 효과나 용탕흐름의 방향전환이 이 탕구계의 유속을 감소시킬 수 있다.
(3) 분지탕구(branch gate): 분지탕구는 여러개의 주물에 대해서, 또는 한 주물의 여러 지점에서 급탕시킬 수 있도록 되어 있다.
(4) 뿔모양 탕구(horn gate): 저면탕구의 변형된 것. 이 탕구를 사용하면 주물에서 분수(fountain)효과가 생긴다. 이 경우 저면탕구에서 코어를 사용할 필요가 없다.
(5) 기타 그 목적에 따라 여러 가지 탕구들이 쓰이고 있다.

● 탕구계의 설계

◆ 유체의 흐름

설계시에는 용탕을 주형으로 조용히 그리고 균일하게 흘러 들어가게 하도록 하여야 한다. 이렇게 하기 위해서는 유체의 거동을 설명해 주는 유체현상의 법칙을 충분히 연구하여 주조방안을 개선하도록 하여야 한다. 그러기 위해서는 무엇보다도 먼저 층상류(laminar flow)와 유류(turbulent flow)에 대한 이해를 해야 하는데, 일반적으로 흐름의 난류도는 세 가지 인자, 즉 유체의 속도, 유체가 흘러가는 경로의 단면적, 유체의 점성(viscosity)에 따르게 된다. 이러한 관계를 레이놀드(Reynold)의 수에 의해 설명할 수 있다.

Reynold수가 어떤 임계값에 도달하면 난류라고 부를 수 있는데 그값을 강에 있어서는 3,500으로 보고 있다. 주형내에서 유체의 흐름은 이 이외의 다른 변수들에 의해 정해지는데 이것을 정리한 이론이 Bernoulli 의 정리이다. 이 정리의 의미는 위치에너지, 운동에너지, 압력에 의한 에너지, 마찰에너지의 합이 언제나 일정하다는 것이다.

     w: 유체의 총중량(lb),      Z: 유체의 높이(ft),      P: 유체의 정압(lb/ft²),
     v: 유체의 specific volume(ft³/lb), g: 중력가속도(32ft/sec²), V: 속도(ft/sec)
     K: 상수

이 식을 w로 나누면 모든 항은 길이의 차원을 갖게 되며 이때의 각 항은 다음과 같다.

Z: potential head(위치헤드), Pv:pressure head(압력헤드), V²/2g: velocity head(속도헤드)
F: friction loss of head(마찰헤드)

◆ 탕구계 설계에 있어서 중요인자

탕구계에 설계가 적절하게 되지 못할 경우에 생길 수 있는 문제점을 요약하면 다음과 같다.

(1) 주물사, 슬래그, 드로스, 이외의 불순물
(2) 주물의 거친 표면
(3) 혼입되어 갇힌 가스
(4) 과다하게 산화된 금속
(5) 국부적 수축소(pipe shrinkage, macro shrinkage)
(6) 내부에 분포하는 기공(porosity)
(7) 두 흐름이 만나는 곳에서 용탕의 불완전접합(cold shut)
(8) 미리 응고되어 남아 있는 금속입자(cold shut)
(9) 주형이 덜 채워짐(misruns)
(10) 사형, 코어에 대한 용탕의 침식작용

이런 문제점들을 참작하여 Wallace와 Evans는 탕구계를 설계함에 있어서 다음과 같은 기준을 세웠다.

(1) 용탕의 요동없이, 그리고 너무 주입온도를 높이지 말고 신속히 주입할 것.
(2) 난류도를 줄여 주형 내에서의 드로스형성을 막거나 줄일 것.
(3) 탕구계를 적절히 설계해서 슬래그나 부유물을 막고, 주형의 침식을 줄일 것.
(4) 주형으로부터 용탕으로의 가스혼입을 막을 것.
(5) 주형과 코어의 침식을 막을 것.
(6) 적당한 온도구배로 방항성응고를 이루게 하고, 응고 후의 주물의 휨을 막을 것.
(7) 최대의 주물회수율을 얻도록하며 가공비를 줄여줄 것.
(8) 주입을 쉽게 하기 위해 래들(ladle)이나 크레인(crane)장치를 이용할 것.

◆ 주입시간

주입시간을 길게 하여 낮은 온도에서 주입하면 주형을 다 채우지 못한 채 응고하든지 cold shut등을 야기시키며, 너무 빠르면 주형의 침식, 거친 주물의 표면, 많은 수축소 및 다른 결함등이 나타날 수 있다. 주철과 같은 금속은 주입 속도에 그리 민감하지 않으나 강과 같은 금속은 다른 주물용 합금에 비해 응고구간이 높은 온도에 위치하고 있으므로 미리 응고하는 것을 막기 위해 빠르게 주입하여야 한다.

주철, 주강, 황동, 청동의 주입속도(시간)를 수식화해서 표시하면 다음과 같다.

(1) 회주철(<1,000lb)

주입시간(sec)=

K: fluidy factor, 유동도/40*

T: 평균주물두께, inch

W: 주물두께, lb

(2) 회주철(>1,000lb)

주입시간(sec)=

(3) Shell 주형에 주입한 구상흑연주철(수직주입)

주입시간(sec)=

K1은 3/8~1inch 두께인 부분에서는 1.8, 1inch 이상에서는 2.0, 3/8inch 이하에서는 1.4이다.

(4) 주강

주입시간(sec)=

k는 주물중량이 (log scale의 경우) 100lb일 때 약1.2이고 100,000lb일 때 0.4가 된다.

◆ 주입대야(pouring basin)

탕구계에 용탕을 주입함에 있어서 가장 이상적이라고 할 수 있는 것은 탕구에 용탕이 유입되었을 때 간능한 빨리, 그리고 충분히 정상류로 되어야 하며, 이렇게 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다.

(1) 주입대야의 내부를 유선형으로 만드로 턱(dam)을 설치하여 sprue에 유입되기 전에 흐름이 일정한 상태로 되게 한다.
(2) 주입대야 내에 strainer core를 설치한다.
(3) delay screen이나 sprue plug를 사용한다.

◆ Choke 부

급냉경로에서 최소의 면적이 되는 부분이 주형공간에 들어가는 유속을 조절하며 주입시간을 결정시킨다. 대개 이러한 초크부는 sprue의 하부에 위치하나, 그렇지 않은 경우도 있다. 초크부가 sprue의 밑에 있는 경우 Bernoulli의 정리에 의해 적절한 단면적을 계산할 수 있는데 그 식은 다음과 같다.

A_B: 초크단면적, inch², W: 주물중량, d: 용탕의 밀도, H: 용탕의 유효높이,

C: 유효계수 또는 노즐(nozzle)계수, g: 중력가속도, 386.4in/sec², t: 주입시간, sec

◆ sprue의 설계

용탕이 sprue를 지나면서 속도를 얻게 되면 압력에 의한 에너지(head)는 잃게 된다. 이 사실은 주입홈통(pouring spout)으로부터 얼마간 떨어진 지점에서 흘러가는 용탕의 단면적 감소로부터 알 수 있다. sprue에서의 압력에너지의 감소는 용탕의 소용돌이나 보통보다 낮은 압력효과를 나타내게 하여 주형으로부터 용탕의 흐름내로 가스를 빨아들이게 할 수 있다.

sprue의 단면적은 주입속도를 조절한다. 즉 탕구계에서 가장 중요한 용탕흐름의 제어는 sprue에서 일어난다. 이리하여 미리 적절한 형태로 용탕을 흐르게 하고, 주형공간에 들어가기 전에 유속을 줄일 수 있게 한다. 드로스에 민감한 알루미늄과 같은 금속은 속도를 제한하기 위해서 sprue의 단면적을 감소시키면 용탕의 유속은 줄일 수 있으나 탕도로 들어갈 때 부유물을 형성하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위한 탕구계 방안이 그림 2에 나타나 있다.

그림 2. 경금속용 수직탕구계의 예

◆ 탕구-탕도-ingate(sprue-runner-ingate)의 차

탕구-탕도-ingate의 차(S.R.G 차)는 매우 다양하며, 이러한 단면적비에 따라 가압계와 비가압계로 분류할 수 있다. 비가압계는 1:2:4 또는 1:3:3 과 같이 최초의 초크가 탕구에 있게 되며, 가압계는 4:8:3 또는 1:2:1과 같이 ingate에서 최대의 압력을 갖게 된다.

◆ 탕구계 계산

앞 절에서 설명한 바와 같이 일단 주입시간이 결정되면 다음과 같은 일반계산법에 의하여 탕구계 각 부분의 계산을 할 수 있다.

(1) 유효탕구높이

탕구의 높이는 주물에 미치는 용탕의 정압과 관계가 있으며, 실제 상주입, 하주입 등의 주입방법에 따라 그 유효높이를 다르게 설정한다.[그림 3]

그림 3. 각종 탕구계의 용융금속의 유효높이 Dietert계산식

(2) 초크의 단면적

초크의 단면적, AB는 앞절에서 설명한 바와 같이 계산할 수 있다. 구배진 탕구의 상부 단면적은 다음의 식으로 구한다.

     A_T: 구배진 탕구 상부의 단면적, inch²
     h1: 탕구 실제높이, inch
     b: 주입대야의 용탕깊이, inch

(3) 탕도면적( 및 주입구면적)

탕도나 주입구가 하나 이상일 경우 각각의 단면적은 총단면적을 그 개수로 나눈 값이 될 것이다. 단 주입구가 여러개일 경우 첫 번째 주입구를 지난 뒤의 탕도와 주입구단면적은 마찰손실의 보충을 위하여 5%증가시킨다. 두 번째 주입구를 지난 뒤에도 다음의 탕도와 주입구단면적들은 계속 5%씩 증가시킨다. 그러나 탕도확장이 이어지는 마지막 주입구를 지나면 탕도면적은 감소시키지 않는다.

(4) 탕구저(sprue base, well) 및 탕도확대부

회주철이나 비철합금주물의 경우와 같이 넓고 얕은 탕도가 사용될 때에는 탕구저가 효과적이며, 주강과 같이 좁고 깊은 탕도가 사용될 때에는 탕도확대부가 효과적이다. 이외에 탕도연장은 수 inch 정도로 충분히 길게 하여 주입구로의 역류를 방지한다.

그러나 실질적인 탕구계의 계산 예제와 설명은 생략하기로 한다. 이외에도 계산도표에 의한 약식계산법, computer software를 이용한 계산법이 있다.

◆ 탕도와 ingate

탕도와 ingate는 다음과 같은 조건을 구비해야 한다.

(1) 날카로운 모서리나 급격한 단면적의 변화는 난류나 가스혼입을 일으키게 되므로 피할 것.
(2) 여러 ingate 들간의, ingate와 탕도간의, 탕도와 탕구 사이에 적절한 단면적비를 갖게 할 것.
(3) ingate들을 적절히 배치시켜 저속의 용탕도 주형내에 충분히 급냉되도록 할 것.

위와 같은 조건을 염두하고 살펴보면, 어떤 gate들은 목적한 기능을 다하지 못할 수 있다. 예를 들어 whirl gate, riser gate, horn gate의 경우에는 주입할 때 주형 내에서의 난류를 막는데에는 그리 효과적이지 못하다. ingate의 단면적배분에 대한 지침을 덧붙이면 다음과 같다.

(1) 운동량의 효과를 분산시키기 위해 탕구와 탕도의 연결부위에 큰 공간(enlargements)을 만들어 줄 것.
(2) 주물에서부터 탕도를 휘어서 뻗어 나가게 할 것.
(3) 탕도에 구배를 줄 것.

◆ 수직탕구계

금형, 셀형 및 사형의 주조에서는 수직 또는 edge 탕구계가 가장 좋다. 탕도에는 주석도금한 강판으로 만든 고리모양의 스크린(screen)이 있고, 그 스크린 내부에는 거친 강섬유(steel wool)가 있어서 용탕의 흐름을 조절하면서 외부에서 들어온 산화물을 걸러낸다. 이러한 수지탕구계는 셀주형을 쓰는 몇몇 동합금에서 좋은 효과를 얻을 수 있다.

◆ 슬래그(slag)와 드로스(dross)의 제거

탕구계에서 주입대야(pouring basin), 스트레이너 코어(strainer core) 및 댐을 적절하게 사용함으로써 용탕이 주형공간 내로 들어가기 전에 슬래그나 드로스를 제거 할 수 있다. 경합금류에서는 동합금, 주철, 주강등과는 달리 비중차가 아주 적어서 문제점이 더 심각하다고 할 수 있다. 유속을 줄이기 위한 탕구 밑의 확대부나 압탕의 중심부로 드로스나 슬래그를 회전시키는 whirl gate와 같은 특수한 방법은 용탕을 청정하는 색다른 방법이라 할 수 있다. 알루미늄 주조에서는 탕도는 하형에 설치하고 ingate는 상형에 두어 주형내의 불순물의 혼입을 막도록 함이 좋고, 주철, 주강류는 이와는 반대로 상형에 탕도를 설치하고 ingate는 하형에 설치토록 함이 좋다.

● 압탕(risers)

◆ 압탕의 역할

압탕의 주요기능은 주물이 응고하는 마지막까지 용탕을 공급하는 데에 있다. 어느 경우에는 압탕을 탕구계의 일부로 보기도 한다. 압탕의 크기는 주입할 금속의 종류에 따라 다를 수 있다. 주형에 대한 과도한 압력이나 약한 주형 때문에 주물이 원래의 치수보다 팽창하거나 부풀어 오를 경우 압탕으로부터 모자라는 양만큼 더 용탕을 보충하여야 한다.

◆ 압탕의 계산

주물이 완전히 응고를 완료할 때까지 용탕을 공급할 수 있어야 한다는 문제는 몇 가지 변수에 의해 좌우되며 이들 중 중요한 것을 다음에 열거하였다.

(1) 압탕의 형태
(2) 주물의 형태에 따른 압탕의 크기
(3) 압탕의 위치
(4) 제조할 주물들의 조합배치
(5) 압탕과 주물과의 연결
(6) 냉금(chill)의 사용
(7) 단열재나 발열재의 사용
(8) 연결부분에서 일어나는 특수한 조건

◆ 압탕의 형태

주물은 자신의 열에너지를 복사, 전달, 대류에 의해 외부로 전달한다. 이때 주물의 표면적과 체적의 차가 열전달속도에 있어 중요하다. 이러한 개념을 수식적으로 나타낸 거시 시보리노프의 식(Shivorinov's rule)이다.

이식으로부터 주물과 같거나 더 큰 응고시간을 갖는 압탕의 최소크기는 그 형태가 구형일 때라는 사실을 알 수 있다. 그러나 이러한 형태는 압탕의 형태로는 사용될 수 없고 실제조업에서는 원주형의 모양이 사용되고 있다.

◆ 주물형태에 따른 압탕의 크기

위의 시노리노프 법칙으로부터 판상의 주물이 원주형 주물보다 훨씬 짧은 응고시간을 갖는다. 따라서 압탕의 표면적 대 부피의 차와 주물의 표면적 대부피의 차 다음과 같은 관계식이 성립한다.

(X는 응고비 또는 상대응고시간)

압탕계산에서 또 한가지 고려해야 할 점은 압탕에서 형성되는 파이프(pipe)의 형상이다. 만일 이러한 파이프가 주물에까지 연속이 된다면 아무리 주물의 다른 부분이 건전하더라도 건전한 주물을 얻을 수 없다. 압탕의 크기를 계산하는데에는 여러 가지 방법들이 제시되고 있다. 이 방법 중의 한가지가 형상계수를 이용하는 것이다. 여기서 형상계수란 주물의 길이와 너비의 합을 주물의 두께로 나눈 값(L+W)/T를 말한다. 이외에 다른 방법들에서는 주물형상과 수축의 양상에 따라 압탕크기를 계산할 수 있다.

여기서 가단주철에서 상당히 성공적이었다고 입증된 방법을 소개한다. 이방법은 건전한 주물을 얻을 수 있는 압탕계에서 실제로 수축파이프와 주물을 측정한 방법이다. 측정방법은 파이프에 물을 채워 그 부피를 재거나, 외형의 크기로부터 계산한 압탕의 무게와 실제무게로부터 비교하여 구한다. 일반적으로 압탕을 결정하는 과정은 다음과 같다.

(1) 주물의 중량을 구한다.
(2) 응고시 보충에 필요한 용량의 부피를 계산한다.

(V_F는 보충되어야 할 용탕의 부피)

(3) D_P와 H_P, 즉 파이프의 지름과 높이를 계산한다.

(4) D_R을 구하여야 한다. 이 값은 압탕의 직경을 의미하며 D_R=2W+D_P이다. 여기서 W는 주물의 유효두께를 의미한다.
(5) 압력부를 결정한다. 급탕의 마지막 단계까지 주물 내에 있는 용탕의 압력을 유지시켜 주는 것이 바로 압탕의 압력부 H_M이다. 압력부의 직경은 급탕부의 직경 D_R과 동일하다. 만일 주물의 최고지점이 분할선보다 위에 있다면 압탕을 부분 또는 모두 상형에 연결함으로써 H_M을 줄일 수 있다. 주물의 최고지점이 측면압탕의 ingate 밑에 있다면 H_R=H_P+H_B+1.0 이다.
(6) 저면부(bottom section)를 결정한다. 압탕의 저면부는 압탕연결부보다 높이가 낮은 부분을 말한다. 이 부분의 역할은 용탕이 주물까지 흘러가는 경로이다. 이 부분의 직경은 D_R이며 높이 HB는 최소한 2W이고 2W+D_P 또는 D_R보다 커야 할 필요는 없다. 안정적인 H_B값은 3W이다.
(7) 압탕연결부(riser connection)는 단면이 장방형일 때 너비는 2.5W에서 0.8D_R, 높이는 W로 한다. 단면이 원형일 때에는 2W×2W이다. 압탕에서 주물까지의 거리는 0.5W에서 1.5W로 한다.
(8) 압탕의 높이를 결정한다. 수축파이프를 갖는 압탕의 높이 H_R=H_P+H_M+H_B이다. 최소높이는 H_R=H_P+1.0+3W(inch)로 주어진다.

◆ 압탕의 위치

압탕을 설치하지 않고 긴 봉이나 판재를 주조할 때 양끝으로부터 어떤 길이까지는 건전한 조직이 얻어진다. 이것은 다른 곳보다 끝부분에서의 열방출이 커서 이곳에서부터 방향성으고가 진행되기 때문이다. 또한 이러한 긴 봉이나 판재의 중앙지점 적절한 곳에 압탕을 설치하여 수평으로 주조하면 압탕으로부터 양쪽의 얼마만큼의 거리까지는 압탕의 급냉에 의해 건전한 조직이 얻어지고 이 이외의 지점은 수축에 의해 건전하지 못한 곳이 생기게 된다. 이러한 두 효과를 각각 단부효과(end effect)와 압탕효과(riser effect)라고 정의한다. 만일 여러 가지 두께를 갖는 주물을 만든다면 두께가 서로 다른 부분의 경계부분의 어느 한쪽에는 건전성에 문제가 생기는 부분이 나타날 것이다. 만일 두께가 얇은 것을 두꺼운 것에 붙여 놓는다면 두꺼운 쪽의 건전한 구역의 넓이는 짧은 쪽의 것보다 적어진다. 역으로 얇은 부분 옆에 두꺼운 부분이 붙어 있으면 두꺼운 부분이 없는 경우보다 있는 경우에 건전한 영역이 얇은쪽에 더 크게 나타난다. 또 다른 경우로서 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분이 동시에 중간두께의 부분에 붙어 있을 때를 생각할 수 있다. 표 3-4는 주강에 있어서 여러 가지 경우에 대한 급탕거리를 계산할 수 식을 표시하고 있다. 다른 합금의 경우에서도 이와 비스한 식을 만들 수 있다. 이러한 연구에 대한 결과 중의 하나가 균일한 두께의 경우보다 두께에 구배를 가진 경우에 건전한 조직이 더 쉽게 얻어진다는 사실이다. 이러한 압탕과 단부의 효과를 알고 있다면 봉이나 판재의 주물 전체가 건전한 조직을 갖도록 하는 압탕의 위치를 찾을 수 있다.

표 3. 주물의 두께 T에 따른 압탕의 급탕거리

◆ 맹압탕(blind risers)

대부분의 압탕들은 대기에 노출되어 있다. 표면적 대 부피의 차를 최소로 줄이기 위하여 사형으로 밀폐되어진 압탕을 맹압탕이라고 한다. 강의 경우에서는 응고중 외부로부터 껍질을 만들므로 탕구가 일찍 응고하여 주물과 맹압탕은 밀폐된 금속의 껍질을 만든다. 따라서 응고도중에 형성되는 수축에 의해 부분적으로 진공이 된다.

압탕의 껍질에는 흑연 또는 주물사로 만든 코어를 꽂아 대기와 통하도록 해야 한다. 이런 맹압탕을 특히 대기연계압탕(atmospheric-riser) 또는 가압압탕(pressure-riser)이라고 부른다.

이외에도 맹압탕은 여러 가지 이점을 갖고 있는데 그 중 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.

(1) 가장 고온의 금속은 맹압탕에 있고 가장 저온의 금속은 주물내에 있게 된다. 이러한 현상은 방향성응고를 촉진한다.
(2) 맹압탕의 위치를 결정함에 어느 정도 융통성이 있다.
(3) 맹압탕의 크기는 개방압탕보다 작아도 된다.
(4) 응고 후에는 주물로부터 맹압탕의 제거가 비교적 용이하다.

◆ 내부압탕(internal riser)

주물의 전체 또는 부분적으로 둘러싸여진 압탕을 내부 압탕이라고 한다. 이러한 형태의 압탕은 내부의 모양이 원형 또는 원주형의 공간을 갖는 주물의 내부에 설치할 수 있다. 압탕이 부분적으로나마 주물에 둘러싸여 있으면 그 냉각속도가 느려져서 급탕 능력이 우수해진다. 따라서 이러한 압탕은 주물의 위나 옆에 설치한 압탕보다 이점을 갖고 있다. 이러한 이유 때문에 보통의 압탕보다 크기가 작아도 되며 주물의 회수율을 높일 수 있다.

◆ 여러 개의 주물을 한 그룹으로 모으는 경우

내부압탕과 매우 밀접하게 관계된 경우로서 한 개의 압탕에 여러 개의 주물들을 연결하여 효율을 높이는 방법이 있다. 한 개의 압탕이 여러 개의 주물에 대해 급탕역할을 할 뿐 아니라 압탕 근처에서 주물들이 모여 연결되면 냉각속도를 늦추어서 압탕의 크기를 줄일 수 있다.

◆ 주물과 압탕의 연결

압탕을 어떻게 주물에 연결할 것인가는 첫째로 압탕에 얼마나 주물에 대해 잘 급냉할 수 있는가, 둘째로 압탕의 응고 후 제거가 얼마나 용이한가를 결정해주기 때문에 중요한 문제가 된다. 또한 연결방법에 따라 어느 정도까지는 압탕이 응고를 완료하기 직전에 응고에 의해 생겨나는 수축부의 깊이를 조절할 수 있다. 수축부의 깊이를 잘 조절한다면 주물에까지 수축부의 침투는 일어나지 않을 것이다. 주강인 경우(상부압탕이든 측면압탕이든) 목부분의 직경, 높이, 폭에는 관심을 둘 필요가 없다. 중요한 것은 목부분의 면적이며 이것은 압탕목의 길이에 의해 주어진다.

◆ 단열 및 발열재

압탕의 응고시간을 증대시키는 기술의 발전에 의해 재래의 방법에서는 큰 압탕을 사용했던 것이 보다 작은 압탕으로 꼭 같은 역할을 하게 하고 있다. 이러한 결과로 회수율이 증대되며 압탕제거와 같은 후처리비용이 감소되었다. 단열 또는 발열슬리브(sleeve)의 사용으로 압탕의 응고시간을 증가시킨다는 것은 열전달의 이론을 생각하면 당연한 것이다. 단열재는 열이동속도를 감소시키기 위해 아주 낮은 열확산도를 갖는 재료를 이용한다. 단열 및 발열슬리브는 대기로 복사되는 열손실을 최소로 하기 위해 압타의 상부에 보온물질을 사용한다. 상부에 덮는 보온재료는 압탕을 파이프형보다는 접시 모양으로 수축시키기 때문에 antipiping compound라고 부른다. 이 antipiping compound로써 사용되는 재료로는 발열재 및 단열재, 분말목탄, 흑연재, 쌀겨, 보리겨, 분말로 된 내화물이 있다. 이들 재료의 사용에 있어서 한 가지 문제점은 반응에 의한 가스의 방출이다. 주물에서 가스에 의한 결함을 방지하기 위해서는 가스배출에 상당한 주의를 기울여야 한다.

◆ 냉금(칠, chill)

냉금(chill)을 시용하면 보다 빠른 열방출속도를 가져오는데 이는 냉금재료가 높은 열확산도를 갖기 때문이다. 따라서 냉금은 방향성응고를 촉진시키는 급격한 온도구배를 갖게 한다. 냉금은 단부효과를 증가시키고 정상적으로는 단부효과가 일어나지 못하는 압탕사이에 사용될 때 인위적인 단부효과를 일으킬 수 있다. 냉금으로 사용되는 일반적인 재료는 흑연, 구리, 강, 주철 등이다. 냉금은 표면이 주형에 고정되게 하기 위해 주형 또는 코어에 박아서 사용한다. 이러한 식으로 사용하는 냉금을 외부냉금이라고 한다.

이외에도 종종 사용되는 또 다른 형태의 냉금이 내부냉금이다. 이것은 주형의 공간내로 튀어나와 있다가 주물과 융착되어 완전히 주물의 일부분이 되는 금속의 냉금이다. 내부냉금의 사용은 외부냉금보다 사용에 엄격한 제한이 따른다. 내부냉금을 사용할 때는 다음의 사항을 유의해야 한다.

(1) 냉금이 주물과 같이 융착되지 않으면 이로 인한 취약점이 생긴다.
(2) 냉금은 금속에 의해 완전히 둘러싸이고 발생된 가스는 쉽게 도망갈 수 없으므로 냉금의 청결은 특히 중요하다.
(3) 냉금으로 인하여 주물의 기계적 성질이 바뀔 수 있다.
(4) 냉금의 조성은 주물과 거의 같아야 한다. 주철의 내부냉금은 비주조물이나 주강에 사용할 수 없다. 보통냉금은 그것이 사용되는 주물의 금속과 거의 같은 특성을 가져야 한다.

◆ 패딩(padding)

경우에 따라서 급냉을 사용하기보다는 오히려 단면 그 자체에 구배진 패딩을 함으로써 방향성 응고를 얻는 것이 편리할 때가 있다.

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⊙주조의 응고이론⊙

◆ 용융점
순금속과 같은 단일성분계에서 고상, 액상, 기상의 각 상이 온도와 압력에 따라 안정하게 존재하는 영역을 나타내는 도표를 평형상태도라 한다. 그림 1에는 가장 단순한 1성분계의 상평형도를 도시하였다. 이때 정압 a에서 온도 T_M과 T_B는 각각 용융점과 비등점이다. 또 2상의 공존은 한 온도에 국한되는 것을 나타낸다.
그림 1. 성분계 상평형도
그런데 액상금속을 냉각하면 응고가 시작하지만 그 응고개시온도는 열역학적 평형용융점보다 낮은 온도이고 여기에서 과냉의 현상이 나타난다.
◆ 균일핵생성
용탕이 냉각되어 고체결정이 나타나면 용탕과 결정과의 사이에는 고액계면이 형성된다. 이 계면 부근에 있는 원자는 고액 양상의 어느 쪽에도 속하지 않는 높은 에너지 상태에 있다. 이 높은 에너지상태의 양을 최소로 유지하게 되고 먼저 융액내에 결정핵이라고 정의된 안정한 미소고상의 영역이 발생하여 다음에 이것이 성장하여 응고가 진행된다. 그런데 용탕내에서 안정한 핵이 생성되는 조건이 같다면 핵생성은 용탕내에서 균질하게 일어나므로 균일핵생성이라고 한다. 이때 그림 2와 같이 순금속의 액상과 고상의 단위부피당 자유에너지(부피에너지)와 온도의 관계에 따라 TM에서는 같지만, TM이하의 온도에서는 부피에너지차가 생긴다. TM이하의 온도에서 온도차에 따른 자유에너지차와 핵의 반경(r*)을 구해보면 다음과 같다.
(2-1)
(2-2)

그림 2. 액-고 양상의 자유에너지와 온도와의 관계

◆ 불균일핵생성
용액내의 불순미립자 또는 주형면에서 불균일핵생성이 일어나면, 결정핵은 그 이물질입자표면에 붙어서 생성하므로 계면에너지생성량이 균일핵생성 때보다 훨씬 작고 따라서 필요한 과냉도도 기껏해야 수 ℃정도다.
그림 3. 이물입자표면상에 붙어서 생성한 클러스터
그림 3에서 보여주는 바와 같이 이물질립표면에 클러스터가 부착하여 형성되면 A점에서의 이물질입자와 융액 사이의 표면장력과 용탕과 클러스터 사이의 표면장력, 이물질과 클러스터사이의 표면장력에는 다음과 같은 관계가 있다.
이들 각 장력에 기인하는 표면에너지 에 대해 다음 관계가 성립한다.
그림 3에 표시한 것 같은 형태의 클러스터가 생성된다면, 앞에서 설명한 균일핵생성 때와 같이 생각해서 자유에너지차와 핵의 반경(r*)을 구하면 다음과 같다.
(2-3)
(2-4)
이식에서 =0°, 즉 클러스터가 완전히 적셔져서(wetting) 형성되면 =0로 되어 핵생성에 대한 구동력이 필요 없게 되어 과냉은 불필요하다. 또 =180° 즉 적셔지지 않았을 때에는 이물질입자는 핵생성조장효과는 없고 균일핵생성으로 된다.
◆ 주조조직의 미세화
미세한 조직의 주조품을 제조하기 위해서 주입전에 적당한 결정립미세화제를 첨가 처리하여 주형에 주입하는 경우가 있다. 예를 들면, Al 합금에 Ti나 B의 첨가, Mg합금에 Zr첨가, 주철에 Si첨가에 의한 흑연조직개선등을 들수 있다. 그러나 핵생성은 매우 micro적 현상이고 계속해서 일어나는 결정성장에 의해서 핵은 조직적으로 판별이 곤란하므로 미립화제의 핵생성촉진메카니즘의 관찰은 거의 불가능하다.
일반적으로 핵생성은 핵생성을 보다 쉽게 하는 물질표면에 불균일핵생성한다고 생각되지만 이 핵생성을 용이하게 하는 인자를 열거해 보면 다음과 같다.
(1) 접촉각이 작은 것 : 불균일핵생성에서처럼 접촉각가 작을수록 핵생성에 필요한 구동력이 작아 핵생성이 쉽게 된다. 그러나 격자면 정합성이 좋은 경우에 반드시 핵생성이 용이하지 않은 경우도 지적되고 있고 이것으로부터 정합성보다도 표면에서의 화학적 친화력이나 물리적 특성이 보다 중요하다고 생각된다.
(2) 표면특성 : 표면에서 미세한 구멍이나 예각에서 패여 들어간 홈이 있으면 그 중에서 핵생성은 평면보다 핵생성되기 쉽다.
(3) 미세화제 효과의 Fading : 미립화제를 첨가하는 융액의 온도가 높을수록 또 첨가 후의 경과시간이 길수록 미립화효과가 점점 감소한다. 이 fading은 핵생성촉진물질의 화학성이나 표면특성의 변화, 응집등에 기인하는 것으로 보인다. 따라서 융탕온도를 낮게 하고 첨가후 그다지 시간이 경과하지 않을 때 주입해야 한다.
그외에 핵생성을 촉진시키기 위해서 충분한 강도의 충격파(초음파와 같은)를 응고진행 중에 주어서 cavitation에 의해 핵생성을 일으킬 수 있다.
● 합금의 응고
합금의 응고에 있어서, 단상의 고용체의 경우에도 순금속에서와 같이 간단하게 생각할 수 없다. 순금속에서 핵생성에 필요한 과냉으로는 열적과냉만을 고려했지만, 합금의 경우에는 조성적 과냉이 더욱 중요한 역할을 하게 된다. 합금의 응고에서는 액상과는 다른 고상이 정출하고, 응고계면에서의 액상과 고상의 용질농도는 합금계의 평형상태도에 나타난 것같이, 액상선과 고상선에서 결정된 조성관계를 갖게 된다. 이 계면에서의 조성의 관계는 온도에 따라 변화하지만, 실제의 응고에서는 합금계 전체가 평형관계를 유지하면서 진행하는 것은 우선 있을 수 없는데 응고 후의 조성에 있어서는 평형상태도가 설명해 주지 않는다. 응고속도, 확산속도, 액상의 유동, 고상과 액상의 양적 비율 등 응고에 관련된 여러 조건이 정출고상의 조성에 직접 영향을 미치고 또 응고성장양상에도 관계된다.
더욱이 공정응고와 같이 응고시에 2상조직으로 되는 경우에는, 액상이 2개의 고상으로 분리해서 정출되므로 단상고용체의 응고와는 달리, 같이 정출되는 2고상이 서로 영향을 주게 되므로 응고조직생성에 꽤 복잡한 인자가 포함된다.
◆ 평형분배계수
그림 4와 같이 고용체합금이 정출하는 평형상태도에서 조성 C₀의 액상이 그 조성의 액상선온도 T_L보다 낮은 온도 T에 있다면 평형을 유지하며, 공존하는 고상과 액상의 용질농도는 C_S와 C_L이다. C_S/C_L의 비를 평형분배계수 k₀라 한다.
그림 4. 평형상태도의 일부
액상선과 고상선이 직선으로 나타나는 경우는 k₀값은 일정하고 양선의 경사가 우측아래쪽으로 되는 때는 k₀<1, 좌측위쪽으로 되는 때는 k₀>1이 되지만 후자의 경우는 매우 드물다. 그런데 응고진행 중 고상과 액상이 그 계면에서 평형을 유지한다고 가정하면, 계면에 있는 고상농도 C_S는 계면의 액상 C_L의 k₀배인 값이 되고, 따라서 k₀<1이면, 계면에서는 저농도의 고상이 생성되고, 나머지의 용질은 액상쪽으로 배출된다. 이 배출된 용질이 액상에 누적되면 계면에서의 액상농도 C_L이 증가하고, 다음에 정출하는 고상농도 C_S도 증가한다.
따라서 이 용질이 계면에 누적하여 액상계면농도를 변화시킨다는 것은 중요한 인자가 되고 또 응고조건에 영향을 받게 되므로 이에 대한 몇가지 예를 든다.
◆ 평형응고
평균용질농도에서 좌측으로부터 우측으로 평면계면을 유지하면서 정상응고하는 경우를 고려하면, 응고중 고상 및 액상 중에서 확산이 완전히 일어나서 각 상 중의 용질이 균일하게 유지된다. 앞의 그림 4에서 농도 C₀의 액상선온도 T_L에 시료가 도달할 때 최초의 고상이 좌측에 응고한다고 가정하면(과냉 고려 안함), 그 고상온도는 C_S = k₀C₀이다. 응고가 진행되면 액상과 고상의 용질온도가 증가해서 온도 T에서 고액계면이 생성된다. 이때의 고상분율을 f_S라면 C_Sf_S + C_L(1-f_S)=C₀ 의 관계가 성립한다. 더욱 응고가 진행되어 온도 T_S에 도달하면 전부 응고하게 되고 C_S=C₀로 된다. 그러나 고상 중에서의 확산속도는 느리므로 이와 같은 평형응고가 실제로 일어나는 것은 불가능하다. 더욱 실제에 가까운 응고조건을 고려해 보자.

◆ 고상누적은 무시 가능하고 액상은 완전혼합되는 경우
이 경우 계면의 액상쪽은 완전히 혼합되므로 계면 부근에서의 용질의 누적은 생기지 않는다. 따라서 응고 중 계면에 정출하는 고상농도는 그때의 액상농도(균일)의 k₀배의 값을 갖게 된다. 이와 같은 조건을 갖는 정상응고를 보면 용질의 재분배는 다음과 같은 식으로 나타난다.
(2-5)
여기서 f_S는 고상분율, C_S는 이때 계면에서의 고상의 용질농도이다. 이때 k₀값은 용질농도에 따라 변화하지 않는다고 가정한다.

◆ 고상누적은 무시 가능하고 액상누적은 일어나나 유동이 없는 경우
그림 5. 고상누적은 무시 가능하고 액상누적은 일어나나 유동이 없는 경우의 조성경계층의 분포
(a) 초기과도상태, (b) 초기과도상태, (c) 정상상태
이 경우 액상쪽에서는 용질은 확산에 의해 이동하고, 유동에 의한 혼합이 없으므로 응고가 진행함에 따라 고상에서 액상으로 배출되는 용질이 계면액상쪽에 누적하여 그림 5(a)에 표시한 것과 같이 확산경계층을 형성한다. 이 계면액상의 용질농도는 응고가 진행함에 따라서 그림 5(b)와 같이 증가하며 마침내 그림 5(c)와 같은 정상상태에 도달한다.
응고시작에서 정상상태에 이르는 구간에서의 고상농도는 k₀C₀로부터 C₀까지 증가한다. 이와 같이 이 구간의 C_S는 변화하므로 초기과액의 상태가 된다.
다음에 정상상태에 도달한 후에는 꽤 긴 구간을 그와 같은 상태가 지속되지만, f_S값이 0.9 정도되면, 잔류액상의 용질이 적으므로 고상계면으로부터 배출된 용질에 의한 액상의 농도증가가 급격하게 되어 재과도상태가 된다.

● 조성적 과냉과 계면안정성
◆ 조성적 과냉
앞서 설명한 것과 같이 고용체를 정출하는 합금의 응고계면에서는 액상쪽으로 정출고상이 배출하는 용질이 누적되어 확산경계층이 형성된다. 따라서 그림 6과 같은 각 위치에서의 용질농도에 대응하는 액상선 온도분포가 나타난다. 한편 이 계면 부근에서의 실제의 온도분포는 그림 6에 표시한 것 같이 그때의 냉각조건에 따라 서로 다른 기울기를 갖는 A,B,C가 존재한다. 계면상태에서 실제의 온도는 액상선의 평형온도보다 계면성장에 필요한 과냉만큼 낮지만 그 차이는 수10분의 1도 정도이므로 그 차이를 무시한다.
그런데 B 또는 C와 같은 온도구배의 분포에서는 실제온도가 액상선온도보다 낮은 영역이 있다. 그 부분은 과냉상태에 있으며 이러한 과냉현상을 조성적 과냉이라 한다.
그림 6. 응고하고 있는 계면의 액상측에서 용질농도와 액상선온도.
그런데 조성적 과냉의 발생 여부는 계면에서의 액상선온도곡선의 접선의 기울기와 실제온도분포의 기울기의 크기에 의해 결정된다. 따라서 조성적 과냉이 일어나지 않을 조건은 다음과 같다.
(2-6)
◆ 계면안정성
응고계면에서 조성적 과냉을 일으키면 계면 부근의 액상쪽은 고상이 열역학적으로 안정하므로 이때까지 평면이던 계면의 액상쪽은 불안정하게 되어 액상쪽에서 고상이 성장하려는 구동력이 생긴다. 그러나 계면에 불안정성이 나타나는데 구체적으로 어떤 메카니즘에서 계면이 변화하는 것까지는 알려져 있지 않다. 계면불안정성을 설명하기 위한 이론으로 perturbation 이론이 있다. 이 이론은 계면에서의 열적분포, 용질의 흐름, 계면에너지 등의 계면성장에 관계하는 구동력을 고려해서 계면불안정성이 생기면 계면에서는 돌기(perturbation)가 생기기 시작해서 이윽고 파장의 돌기가 시간에 따라 진폭이 증가하여 계면형상이 결정되는 양상을 설명한다.
◆ Cell 응고
앞의 2-6식에서 G_L/R 값이 작아지면 조성적 과냉이 일어나고, 계면에 불안정성이 생겨서 평면계면이 돌기를 만들기 시작하여 작은 물결형태로 되고 더욱 cell상의 계면으로 변화한다. 충분히 발달한 cell 계면은 6각형의 벌집모양을 나타내며, 각 셀의 경계부는 용질이 많이 모여 있다.
◆ Cell 응고에서 가지상(dendrite) 응고로의 변화
성장속도가 증가하여 G_L/R 값이 더욱 작게 되면 셀이 우선성장방립(입방형에서는 <100>)로 성장하려는 경향이 나타나고 성장이 하나의 모양으로 되어 편향하게 된다. 동시에 둥근 기가 있는 셀단면에는 결정학적 영향이 나타나 주름이 생기기 시작하여 굵은 †자형이 되려는 경향이 나타난다. 이 주름에도 불안정 때문에 돌기가 생긴다. 이것이 가지상의 2차가지로 발달하여 Cell 상 수지상으로 되어, 이어서 수지상으로 변화한다.
● 수지상응고
◆ 수지상응고
주물이나 ingot용 주형에 합금을 주입하면 곧 수지상 성장형의 응고가 일어나는 것이 일반적이다. 시판되는 순금속 지금은 99.9~99.99% 순도까지의 것이 많이 사용되지만 이들 지금중에는 반드시 불순물원소가 있으므로 이들 순금속을 용해해서 응고시키면 C₀가 작아 결국 희석합금으로서 거동한다. 특수고순도 이외의 순금속이나 합금에서는 수지상 응고성장이 응고양식으로서 가장 중요하다. 수지상으로 응고성장하고 있는 상태의 수지상의 양상을 직접 관찰하는 것은 불투명한 금속에서는 불가능하지만 투명한 유기화합물의 합금에서는 수지상형상을 관찰할 수 있다. 그런데 금속합금에서도 응고진행중에 주형을 뒤집어 아직 응고하지 않은 융액을 제거하면 그때의 조건이 좋으면 성장 중의 수지상이 노출되어 관찰이 가능하다. 다음에 응고시의 냉각속도를 느리게 하면 더욱 큰 수지상이 성장한다. 예를 들면 구리를 소형 도가니에서 용해하여 이 도가니를 로 외로 끌어내어 그 상태대로 도가니 안에서 응고시킨 후 도중에서 잔류융액을 배출하면 조대한 수지상으로 된다.
1차가지의 주축으로부터 여러 개의 2차가지가 발생하고 2차가지 간격은 좁기 때문에 2차가지 선단부를 제하고 판막상고상(1차판)에서 각 2차가지는 연결 되고 있다. 또 이들 2차가지로부터 1차판에 수직으로 돌기가 보이며 그 부분의 성장단계가 진행하면 3차가지로 발달하는 것이다. 이 3차가지에는 그 후에 더욱 고차의 가지로 나누어져 수지상가지의 모임의 입체적 망상으로 되어 1개의 결정립의 골격을 형성하며 각 가지 사이의 용탕이 응고하면 결정립이 된다.
◆ 가지상의 성장방향
수지상의 가지에는 우선성장방위가 있고 면심립방정과 체심입방정에서는 <100>방향으로 수지상 가지는 서로 직교하는 방향으로 늘어나 있다. 6방조밀정에서는 <1010>방향이 우선성장방위다. 실제 주조조직에서는 주형면에 대체로 수직방향으로 주상정이 발달하고 있다. 주형면에 가까운 곳에서는 비교적 미세한 입자의 random 방위의 수지상 결정립이 다수 보이는 것이 많지만 그 중에서 열흐름방향(주형면에 수직인 방향)에 <100>방위를 갖는 수지상은 빠르지 않은 방위의 수지상에 비교해서 보다 빨리 성장하여 도태된 결과 <100> 또는 그것에 가까운 방위를 갖는 수지상만이 남아서 반복하여 가지가 나누어지고 굵어지면서 성자하여 주상정을 형성한다. 따라서 개개의 주상정은 각각 1개의 결정핵으로부터 발생하여 발달된 것이며 같은 주상정에서는 앞에서 설명한 것과 같이 고차로 가지가 나누어진 가지의 모임으로부터 이루어지고 같은 주상정에서의 각 가지는 대체로 동일방위를 갖는다. 이와 같이 해서 수지상으로 성장한 주상정의 성장방향은 가지의 성장방향이다. 주상정의 반경은 제법 크게 되어 현미경관찰하면 1개 주상정의 일부분만을 관찰하게 되는 경우가 많다.
◆ 가지상 가지의 간격
수지상의 주축(1차가지) 및 2차가지의 각각의 간격은 모두 냉각속도가 증가할수록 좁아진다. 예를 들어 가지 주위의 액상에서도 냉각속도가 증가하면 가지가 불안정하게 되어 가지를 만들어 조성적 과냉을 감소시키려 하여 가지간의 간격은 짧아진다. 반대로 냉각속도가 감소하면 조성적 과냉도가 감소하여 가지 중에 비교적 늦게 성장하고 있는 가지가 성장을 거의 정지하고 그 결과 가지간격이 증가한다.
지금까지의 많은 실험결과로부터 다음 식과 같은 관계가 알려지고 있다.
여기서 d는 가지의 간격, GR은 냉각속도, t는 부분응고시간, a와 b는 계수이다. 그래서 1차가지의 간격에서는 n=1/3~1/2, 2차가지의 간경에서는 n=1/4~1/3을 갖는 것이 많다.
◆ 가지상 가지간격과 기계적 성질
재료의 기계적 강도는 그 조직 중의 용해되지 않은 제2상의 양과 분포상황 또는 조직균질도에 관계되지만 그 요인과 가지의 간격은 깊은 관련이 있다. 가지의 간격이 작으면 불용 제2상은 보다 미세하게 분산하여 가열에 의해 이들을 고용시킬 때 고용화가 보다 빨리 이루어진다. 또 미세편석을 균질화하기 위해 가열하면 균질화에 필요한 확산거리는 가지의 간격이 작을수록 짧게 되어 균질화가 보다 쉽게 이루어진다. 기계적 강도의 보다 우수한 고품질 주조품을 제조하기 위해서는 가지상 가지의 간니격을 잘 조절해야만 한다. 또 주조품에 국한되지 않고 소성가공재에 대해서도 그 ingot에서의 가지의 간격이 기계적 강도에 크게 영향을 주는 것도 알려져 있다.
● 공정응고
◆ 층상공정
공정조성의 용탕이 과냉되면 우선 상의 핵생성이 일어나 미소판상 정이 생성된다. 이때 정계면에서는 B성분이 액상쪽으로 배출되어 B성분의 농도가 크게 되고 상에 관해서 조성적 과냉이 일어난다. 과냉도가 가장 큰 정 표면의 중앙부에서 정이 핵생성하고 차차로 정을 따라서 성장한다. 이 정의 성장에 수반하는 표면은 정에 대해서 조성적과냉을 일으킨다. 이 경우에는 정이 정 표면중앙에 핵성하는 것보다 먼저 기존의 정으로부터 정을 넘어서 결정성장하여 정 표면에 정을 씌우게 되는 것 같다. 이후 이와 같은 현상이 반복하여 공정조직이 형성된다. 이와 같이 발생한 공정상의 성장방향에 대해서는 '공정상의 성장계면은 층상조직에 수직이다'라는 Vogel 설과 '그 성장계면은 층상입계에 평행하다'는 Tammann 설이 있었지만, 그 후에 Straumanis 등에 의해서 Vogel 설이 맞다는 것이 실증되고 그 후에 더욱 Winegard 등에 의해 공정성장계면은 층상공정입계에 거의 수직인 것이 확인되었다.
◆ 봉상공정
공정조직이 층상으로 되는가, 봉상으로 되는가는 공정입계의 계면에너지와 관계가 있다. 따라서 같은 합금에 대해서 고려해 보면 공정입계의 총면적이 작은쪽 상태의 조직이 형성될 것이다. -공정에서와 두 상의 부피비가 인 때 층상과 봉상 각각의 총입계면이 같게 되는 것은 간단히 계산된다. 따라서 소량인 상의 부피비가 이하 값인 공정에서는 봉상조직으로 되고 이상의 값에서는 층상조직으로 되는 것이 기대된다.
◆ 공정 Cell 응고
2원공정조성의 합금에 소량의 제3첨가원소 또는 불순물이 존재하면 이들 제3원소에 의한 조성적 과냉이 생기고 공정 전체의 성장표면이 정면으로는 있을 수 없게 되어 안정성이 상실된다. 계면안정항의 G/R(G는 온도구배, R은 계면응고속도)값이 정면계면이 되는데 필요한 최소값보다 작으면 조성적 과냉을 일으키고 단상고용체의 경우와 같이 공정으로부터 생긴 Cell이 성장한다. 더욱 G/R값이 작게 되면 공정셀성장면에 돌기에 의한 가지가 생기는 경향이 있고, '제2상가지상'이라고 일컬어지는 성장형태에 도달한다.
● 주물의 Macro 조직
주물 또는 ingot의 단면을 macro etching해서 그 macro 조직을 보면 주물의 표면부 즉 주형면에 가까운 부분에서는 비교적 미세한 결정립으로 이루어진 층이 보이는 경우가 많다. 이것을 칠(chill)층이라 한다. 그 내부에서는 주상정이 주물 중심부를 향하여 발달한다. 주상정은 내부로 성장할수록 조대화하는 경향이 있다. 더욱 주상정대의 안쪽에서는 등축정이 존재한다. 이를 칠(chill)정대, 주상정대, 등축정대로 이루어진 주소 macro 조직이 전형적이라고 생각되지만 합금종류 또는 주조조건에 의해서 이를 3개 부분에서 어느 것은 나타나지 않는 경우도 있다. 또 응고완료 후 상온까지 냉각하는 도중의 온도에서 각 상이 다량으로 석출하거나 또는 고상변태에 의해서 새로운 상의 결정이 생성되면 상온의 micro 조직은 응고완료 후의 주조조직과는 다르게 된다. 예를 들어 Al 청동 또는 황동에서도 상의 다량 석출에 의해 냉각도중에 조직이 크게 변한다. 따라서 응고완료 직후 고온으로부터 급냉하지 않는한 micro 조직은 변화한다. 그러나 macro 조직의 경우는 micro 조직이 변화하여 2상조직으로 되어도 macro 결정립계는 보존되는 것이 많고 선명한 macro조직은 아니라 하더라도 응고완료시의 모양을 알 수 있다.

◆ 칠(chill)층의 생성
용융금속을 주형에 주입하면 주형에 접한 주물이나 ingot 표면에 미세결정립으로 된 칠층이 생성되는 것이 많다. 비교적 최근에 있어서 칠층 생성메카니즘도 주목되어 칠층생성에 관계하는 요인이 알려지고 있다. 즉 Bower 와 Flemings 은 그을음으로 피복한 강제의 주형에서 얇은 시편을 주조해서 칠생성을 관찰한 결과 시료표면부에 생긴 미세결정립은 가지상구조이고 이를 결정립은 용융금속의 유동에 의한 증식메카니즘에 의해 발생한 것으로 단정했다. 여기서 만약 유동이 완만하면 미세결정립이 생기지 않는다.
◆ 주상정대의 생성
칠층에서 발생한 각 결정립의 방위는 임의의 방향을 갖는다. 그런데 가지상성장의 우선방위는 입방정금속에서는 <100>이므로 열흐름방향에 평행한 <100>방위를 갖는 결정립이 가장 잘 성장하여 그것이 경사진 결정립보다 선행하고 또 성장과 함께 옆방향으로도 수지상 가지가 나누어져 성장하므로 결국 주상정으로 되어 조대하게 발달한다.
또 입방정금속에서는 주상정이 늘어나는 방향은 <100>이지만 이<100>방향은 열전도에도 가장 형편이 좋은 방향이다. 입방정에서는 없고 조밀 6방정의 아연(Zn)합금에서는 chill 주형에서 우선 가능한 결정은 수지상의 우선성장방위가 <1010>방향이므로 칠주형면 부근에서는 수직으로 저면(0001)이 먼저 발달하지만 주괴내부의 주상정에서는 저면(0001)은 칠면에 평행한 위치를 갖는 것이 보고되고 있다.
◆ 등축정의 생성
주물의 ingot의 단면 macro 조직을 보면, 주상정대의 안쪽에 등축정이 나타나는 것이 자주 있다. 이들 등축정의 성인에 대해서는 새로운 핵생성에 의한 것으로 보는 Winegard 등의 조성적 과냉설이 있다. 즉 그림 7과 같이 응고계면에서 액상쪽에 조성적 과냉이 생기고 시간 t₁에서 t₂로 되면 계면이 거리 a인 위치에서 핵생성온도에 도달하여 여기서 새로운 핵생성에 의한 결정립이 생기고 이들이 등축정으로 성장한다고 본다.
그림 7. 조성적 과냉과 핵생성온도
● Macro 편석
Macro 편석은 주괴 또는 주물의 내부에서 넓은 범위에 걸쳐 나타나는 편석으로 특히 두꺼운 주괴에서는 종종 문제가 있다. 이 macro 편석을 발생하는 원인으로는 여러 가지가 있고 응고 중의 고액공존층(mushy zone)의 가지상 사이에서 아직 응고하지 않은 융액의 유동이나 융액 중에 분리되어 있는 자유수지상 또는 제2상의 밀도차로 생기는 부상이나 침하라든가 주괴 내 융액의 온도차에 의한 대류 등이 macro 편석의 요인이 되어 복잡한 현상을 나타내는 것이 많다.
◆ 정상편석(normal segregation)
정상편석은 평면계면이 냉각쪽에서 다른 끝부분으로 일방향으로 진행하는 정상응고 때에 나타나는 용질분포에 의한 편석이다. 이와 같으 정상편석이 주물 또는 ingot 내에서 macro 편석하는 조건으로서는 응고진행 중의 고액계면이 평면이든가 그 부근의 상태인 것이 필요하다. 계면에 가지상이 크게 발달하면 고액공존층을 형성해서 농축된 용탕은 수지상 사이 부분에 정지하고 macro적인 응고전진계면의 앞에는 배출되지 않기 때문이다. 만약 정상편석이 일어나면 용질원소의 분배계수가 1보다 작은 때 예를 들어 ingot 표면부의 용질농도는 평균농도보다 작고 내부로 갈수록 용질농도는 점차로 증가해서 중심부에는 급격히 용질농도가 증가하는 현상이 당연히 나타날 것이나 보통은 보이지 않는다.

◆ 중력편석(gravity segregation)
응고는 융액중에 분리한 가지상의 작은 조각이나 정출제2상의 밀도가 융액의 그것에 비교해서 다르면 침하 또는 부상 해서 중력방향으로 편석이 일어나며 이것을 중력편석이라 한다.예를 들면 Pb-20%Sb 합금이 응고하면 초정의 Sb상은 융액보다 밀도가 낮아 부상경향이 있어 상부에 Sb상이 모인 조직이 된다. 대형 ingot에서는 이 중력편석이 중요한 역할을 한다. 초정가지상은 용탕보다 밀도가 크고 유리된 수지상의 작은 조각은 침하하여 예를 들면 그림 8에 표시한 킬드(killed) 주괴에서는 하부내측은 초정의 수지상이 쌓이고 용질분포가 평균값보다 낮게 되고 이른바 부편석부를 만든다.
그림 8. 킬드(killed) 강괴의 부편석
또 주괴 상부에는 2종류의 정편석대가 보이며 바깥쪽의 편석은 그 형상으로부터 A 편석 또는 역V 편석이라 한다.
◆ 역편석(Inverse segregation)
이 역편석은 분배계수가 작은 값의 용질을 함유하는 합금, 다시 말하면 응고온도범위가 큰 합금에 일어나는 현상이다. 이와 같은 합금의 응고에서는 가지상이 보다 발달한 고액공존층이 두껍게 형성되며 가지상의 가지의 성장에 따라서 배출된 용질이 수지상의 가지사이에 누적되고 이 고농도화한 융액이 수지상간격을 응고성장방향과 역방향으로 주형방향에 유동하는 것에 의해서 편석한다. 따라서 초기에 응고하는 바깥표면에 가까운 조직중에 응고말기에 나타나는 고농도상이 보이는 것 때문에 역편석이라 한다. 용탕이 응고하여 온도가 내려가면 응고수축과 고액 양상의 열수축이 일어나므로 이것을 보상하기 위해서 용탕의 유동이 생긴다. 그래서 바깥쪽 부분일수록 응고와 온도의 감소가 빠르고 필요한 용량이 보다 많고 따라서 바깥쪽으로 융탕유동이 일어난다고 생각된다. ingot 중심부에서는 고농도용탕이 유동하여 없어지므로 용질 농도는 감소하고 결국 그림 9에 나타낸 것과 같은 용질농도분포로 된다.
그림 9. 역편석한 주괴 내부의 용질 농도분포의 개념도
더욱 역편석에 관계된 뚜렷한 현상으로서 응고 말기에 잔류고농도 용탕이 주물표면에까지 침투되어 나타나는 exudation 이 있다. 이 exudation 현상은 주형면과 주물표면 사이에 공기gap이 있어 열전달이 나쁘게 되면 발생한다. 금형이나 칠의 주형면은 열흡수가 크고 이것에 접한 부분은 온도가 낮게 되지만 주물표면이 주형면으로부터 떨어지면 열전달이 감소하고 그 부근의 부분온도는 다시 상승하여 국부적 용해가 일어나서 용탕의 유동통로(channel)가 생겨 부피수축에 의해 구동되어 용탕이 주물표면에 밀려 나타난 것이다.
◆ 대편석(banding)
예를 들어 고용체가 정출성장하는 경우에 고액계면의 액상쪽에 있는 용질확산층은 정상상태를 유지하며 성장을 계속하는 한다. 이때 열적 혹은 기계적인 돌기(perturbation)가 생기면 용질확산층은 균형을 상실하여 계면의 고상쪽의 용질농도가 변하게 되며 고농도나 저농도의 대상의 편석대가 계면에 평행하게 형성된다. 이것이 대편석이다.
● 급냉응고
금속, 합금은 아무리 급냉응고해도 결정으로 되는 것이 상식이었지만, 1960년 Duwez 등은 장치[건(gun)법]에 의해 Au-Si 합금을 급냉응고시키면 비정질금속이 얻어진다는 것을 발표하였다. 이어 피스턴-앤빌법도 고안되고 더욱 토숀 카타펄트법이라는 토숀(torsion)에 의해 튕겨날려 충돌급냉시키는 방법도 소개되었다.
이들 방법은 스플랫 쿨링(splat cooling)이라고 총칭되지만 어느 것이나 얻어지는 비정질시료는 부정형의 작은 얇은 편상의 것이었다. 그러나 그 후에 증본에 의해 원심급냉법이 개발되고 또 Chen 등에 의해 고속로울러에 의한 급냉압연법등이 고안되어 테이프상의 시료가 얻어지게 되어 공학적 성질의 측정도 가능하게 되었다. 그러나 여기에서는 비정질금속의 구조, 물성을 설명하는 것이 목적이 아니므로 응고에 관계되는 것만을 설명한다. 표 1에 스플랫 쿨링 각 방법의 냉각속도, 얻어지는 시료의 모양등을 나타냈다.
표 1. 각종 액체급냉법의 냉각속도와 얻어지는 모양

표 2. 액체급냉법에 따라 얻어지는 비정질금속

또 스플랫 쿨링에 의해 얻어지는 비정질금속을 정리하면 표2와 같다. 이 표로부터 알 수 있는 것은 비정질화하는 합금의 대부분은 금속-반금속을 조합한 것으로 또 조성은 용질원소의 원자율이 약 20%이다. 그러나 합금이 비정질화하기 쉬운가를 알아보기 위한 방법을 정성적으로 고려한 것은 유리 같은 비정질물질과의 비교다. 유리의 융액은 온도의 감소에 따라 점성이 증가하여 원자의 확산속도가 감소하며 융액상태대로 응고한다. 이 응고온도를 유리온도 Tg라 한다. 그런데 금속에서는 점성의 온도의존성이 작아 온도가 감소해도 확산속도가 빨라 결정이 되기 쉽기 때문에 응고해서 결정이 된다. 그러나 만약 융액을 매우 빨리 냉각하면 확산의 진행이 대부분 이루어지지 않은 채로 급속히 과냉되어 결정핵을 생성하지 않고 유리온도까지 내려가서 비정질화한다. 이때 고려되는 것은 비정질화하는데는 용융점부터 유리온도까지 융액이 빨리 과냉되는 것이 필요하다. 따라서 공정계합금에서 공정조성 부근의 것이 비정질화하기 쉽다.

◆ 급냉응고에 의한 강제고용
피스톤-앤빌법으로 급냉응고하면 40-60%Cu의 조성범위를 제외하고는 강제고용체가 얻어진다. 더욱이 응고속도가 빠른 건(gun)법을 적용하면 40-60%Cu 범위의 조성을 갖는 합금에서도 시료 중에는 단상의 고용체를 얻을 수가 있어서 전율고용체를 얻을 수 있다.
◆ 급냉응고에 의한 준안정 중간상
비교적 급속히 응고시키면 준안정 중간상을 생성하는 경우가 있다. 예를 들면 Cd-Sb합금에서는 보통의 방법으로 응고시키면 준안정계조직으로 되고 준안정중간상 Cd₃Sb₂(용융점420℃)가 생성되지만 안정중간상이 CdSb(용융점456℃)을 얻기 위해서는 적당한 온도범위에서 융액에 접종할 필요가 있다. 그런데 용탕을 급냉응고에 의해서 새로운 준안정상을 형성하는 경우도 있다. 예를 들면 Ag-Ge합금에서 급냉응고에 의해 고용량도가 증가하여 약 15~26%Ge 조성에서는 조밀육방정의 새로운 상이 생성된다.
요약하면 위에 설명한 것과 같이 합금용탕을 급냉시켜서 비정질합금, 강제고용체, 준안정중간상 등이 나타나게 되고 새로운 합금재료 개발의 가능성이 있는 흥미있는 분야인 것 같다.

● 주조방안/중요성

주조품의 양부는 용탕이 주형에 어떻게 유입되고, 응고할 것인가에 달려 있다.
용탕이 화학적으로 완전히 안정하고, 전혀 기체를 혼입하지 않으며, 응고시 아무런 수축(shrinkage)을 일으키지 않으며, 주형벽에서 전혀 침식을 일으키지 않으며, 비중이 균일하다면 주물을 만드는 일은 더욱 쉬울 것이다. 그러나 실제로 그렇지 못하므로 여러 인자를 주조방안에서 고려하여야 한다.

● 탕구계(gating system)

일반적인 응고에서는 외부에서부터 내부로 결정이 성장하여간다.
부분적으로는 고상이며또한편으로는 부분적으로 액상인 지역(mush zone)이 외부에서 내부로 이동해 나가는현상을 전진성응고
(progressive solidification)라고 한다.
탕구계는 응고과정을 통하여 모든 부분이 급탕이 되도록 전진성응고를 조절할 수 있도록 설계되어야 하고
또 이런 응고형태를 방향성응고라 한다.
위에 말한 전진성 응고는 냉각 중 피할 수 없는 산물이지만
어느 정도는 조절할 수 있다.
급냉된 주물은 응고의 시작점과 마지막점간의 거리가 짧다.
이러한 경우에 전진성 응고가
크다고 한다.
원칙적으로 말하면 급탕이 가능한 부분으로부터 가장 멀리 떨어진 지역으로부터 응고가 진행되어 오는 것이 효과적으로 급탕이 이루어지는 것이라 할 수 있다.

압탕(riser, head)은 수축에 의해 부족한 용탕을 공급해 주어서 위와 같은 목적을 달성시키는 별도의 용탕저장소인 셈이며 따라서 적절한 위치에 설치해야 한다.
주조방안은 주물에서 수축되는 곳에까지 용탕을 운반하는 것과, 또한 수축이 일어났을 때 필요한 여분의 금속을 보충할 수 있도록 하는
두 경우를 다 고려해야 한다.

◆ 탕구계

미국의 주조학회(A.F.S)가 발표한 내용을 근거로 탕구계의 구성을 요약하면 다음과 같다.
(1) 주입대야(pouring cup): 용융금속이 제일 먼저 부어지는 곳으로 탕구입구에 있는 확대된 지역.(2) 탕구(sprue): 용융금속이 탕구계의 여러 부분에 흘러가는 수직통로.
(3) 탕구저(sprue base): 탕구바닥에 있는 넓은 원통형이나 장방형 부분.(4) 탕도(runner): 금속이 흘러 지나가는 중요수평통로.
(5) 주입구, 탕구(gate): 탕도와 주형공간을 연결하는 짧은 입구.
(6) 탕도연장(runner extension):탕도가 막힌 끝부분으로 마지막 주입구를 지나 연장된 부분.
(7) 초우크(choke): 주물 본체에 슬래그나 잡물이 들어가는 것을 막거나, 주입속도를 조절하기 위해 탕구를 조인부분.
(8) 이외에도 슬래그, 잡물의 혼합을 막기 위한 스키머코어(skimmer core), 스트레이너(strainer), 스크린(screen), 스푸루플러그(sprue plug)등을 사용하며, 대량의 용탕을 주입하는 경우 탕구계의 침식을 막기 위해 주입대야 밑과 탕구 밑에 스플래시코어(splash core)를 사용하기도 한다.

◆ 탕구의 종류

용탕은 여러 가지 방법으로 주형공간에 유입될 수 있다.
각 탕구계의 설계는 목적에 따라 다르다.
(1) 분할탕구(parting gate): 이런 탕구는 주형의 상형과 하형의 분할선을 따라 주형공간에 도달하게 된다.
(2) 저면탕구(bottom gate): 저면탕구는 하형의 바닥면에서 주형공간으로 도달하게 된다. 탕구저의 효과나 용탕흐름의 방향전환이 이 탕구계의 유속을 감소시킬 수 있다.
(3) 분지탕구(branch gate): 분지탕구는 여러개의 주물에 대해서, 또는 한 주물의 여러 지점에서 급탕시킬 수 있도록 되어 있다.
(4) 뿔모양 탕구(horn gate): 저면탕구의 변형된 것. 이 탕구를 사용하면 주물에서 분수(fountain)효과가 생긴다. 이 경우 저면탕구에서 코어를 사용할 필요가 없다.
(5) 기타 그 목적에 따라 여러 가지 탕구들이 쓰이고 있다.

● 탕구계의 설계

◆ 유체의 흐름설계시에는 용탕을 주형으로 조용히 그리고 균일하게 흘러 들어가게 하도록 하여야 한다. 이렇게 하기 위해서는 유체의 거동을 설명해 주는 유체현상의 법칙을 충분히 연구하여 주조방안을 개선하도록 하여야 한다.
그러기 위해서는 무엇보다도 먼저 층상류(laminar flow)와 유류(turbulent flow)에 대한 이해를 해야 하는데, 일반적으로 흐름의 난류도는 세 가지 인자, 즉 유체의 속도, 유체가 흘러가는 경로의 단면적, 유체의 점성(viscosity)에 따르게 된다. 이러한 관계를 레이놀드(Reynold)의 수에 의해 설명할 수 있다.Reynold수가 어떤 임계값에 도달하면 난류라고 부를 수 있는데 그값을 강에 있어서는 3,500으로 보고 있다. 주형내에서 유체의 흐름은 이 이외의 다른 변수들에 의해 정해지는데 이것을 정리한 이론이 Bernoulli 의 정리이다.
이 정리의 의미는 위치에너지, 운동에너지, 압력에 의한 에너지, 마찰에너지의 합이 언제나 일정하다는 것이다.

w: 유체의 총중량(lb),
Z: 유체의 높이(ft),
P: 유체의 정압(lb/ft2),
v: 유체의 specific volume(ft3/lb),
g: 중력가속도(32ft/sec2),
V: 속도(ft/sec)
K: 상수이 식을 w로 나누면 모든 항은 길이의 차원을 갖게 되며 이때의 각 항은 다음과 같다.
Z: potential head(위치헤드),
Pv:pressure head(압력헤드),
V2/2g: velocity head(속도헤드)
F: friction loss of head(마찰헤드)

◆ 탕구계 설계에 있어서 중요인자탕구계에 설계가 적절하게 되지 못할 경우에 생길 수 있는 문제점을 요약하면 다음과 같다.
(1) 주물사, 슬래그, 드로스, 이외의 불순물
(2) 주물의 거친 표면
(3) 혼입되어 갇힌 가스
(4) 과다하게 산화된 금속
(5) 국부적 수축소(pipe shrinkage, macro shrinkage)
(6) 내부에 분포하는 기공(porosity)
(7) 두 흐름이 만나는 곳에서 용탕의 불완전접합(cold shut)
(8) 미리 응고되어 남아 있는 금속입자(cold shut)
(9) 주형이 덜 채워짐(misruns)
(10) 사형, 코어에 대한 용탕의 침식작용

이런 문제점들을 참작하여 Wallace와 Evans는 탕구계를 설계함에 있어서
다음과 같은 기준을 세웠다.
(1) 용탕의 요동없이, 그리고 너무 주입온도를 높이지 말고 신속히 주입할 것.
(2) 난류도를 줄여 주형 내에서의 드로스형성을 막거나 줄일 것.
(3) 탕구계를 적절히 설계해서 슬래그나 부유물을 막고, 주형의 침식을 줄일 것.
(4) 주형으로부터 용탕으로의 가스혼입을 막을 것.
(5) 주형과 코어의 침식을 막을 것.
(6) 적당한 온도구배로 방항성응고를 이루게 하고, 응고 후의 주물의 휨을 막을 것.
(7) 최대의 주물회수율을 얻도록하며 가공비를 줄여줄 것.
(8) 주입을 쉽게 하기 위해 래들(ladle)이나 크레인(crane)장치를 이용할 것.

◆ 주입시간주입시간을 길게 하여 낮은 온도에서 주입하면 주형을
다 채우지 못한 채 응고하든지 cold shut등을 야기시키며, 너무 빠르면 주형의 침식, 거친 주물의 표면, 많은 수축소 및 다른 결함등이 나타날 수 있다.
주철과 같은 금속은 주입 속도에 그리 민감하지 않으나 강과 같은 금속은 다른 주물용 합금에 비해 응고구간이 높은 온도에 위치하고 있으므로 미리 응고하는 것을 막기 위해 빠르게 주입하여야 한다.

주철, 주강, 황동, 청동의 주입속도(시간)를 수식화해서 표시하면 다음과 같다.
(1) 회주철(<1,000lb)>K: fluidy factor, 유동도/40*T: 평균주물두께, inchW: 주물두께, lb
(2) 회주철(>1,000lb)
(3) Shell 주형에 주입한 구상흑연주철(수직주입)K1은 3/8~1inch 두께인 부분에서는 1.8, 1inch 이상에서는 2.0, 3/8inch 이하에서는 1.4이다.
(4) 주강k는 주물중량이 (log scale의 경우) 100lb일 때 약1.2이고 100,000lb일 때 0.4가 된다.

◆ 주입대야(pouring basin)탕구계에 용탕을 주입함에 있어서 가장 이상적이라고 할 수 있는 것은 탕구에 용탕이 유입되었을 때 간능한 빨리, 그리고 충분히 정상류로 되어야 하며, 이렇게 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다
(1) 주입대야의 내부를 유선형으로 만드로 턱(dam)을 설치하여 sprue에 유입되기 전에 흐름이 일정한 상태로 되게 한다.
(2) 주입대야 내에 strainer core를 설치한다.
(3) delay screen이나 sprue plug를 사용한다.

◆ Choke 부급냉경로에서 최소의 면적이 되는 부분이 주형공간에 들어가는 유속을 조절하며 주입시간을 결정시킨다.
대개 이러한 초크부는 sprue의 하부에 위치하나, 그렇지 않은 경우도 있다.
초크부가 sprue의 밑에 있는 경우 Bernoulli의 정리에 의해 적절한 단면적을 계산할 수 있다.

◆ sprue의 설계용탕이 sprue를 지나면서 속도를 얻게 되면 압력에 의한 에너지(head)는 잃게 된다.
이 사실은 주입홈통(pouring spout)으로부터 얼마간 떨어진 지점에서 흘러가는 용탕의 단면적 감소로부터 알 수 있다.
sprue에서의 압력에너지의 감소는 용탕의 소용돌이나 보통보다 낮은 압력효과를 나타내게 하여 주형으로부터 용탕의 흐름내로 가스를 빨아들이게 할 수 있다.sprue의 단면적은 주입속도를 조절한다.
즉 탕구계에서 가장 중요한 용탕흐름의 제어는 sprue에서 일어난다.
이리하여 미리 적절한 형태로 용탕을 흐르게 하고, 주형공간에 들어가기 전에 유속을 줄일 수 있게 한다.

드로스에 민감한 알루미늄과 같은 금속은 속도를 제한하기 위해서 sprue의 단면적을 감소시키면 용탕의 유속은 줄일 수 있으나 탕도로 들어갈 때 부유물을 형성하게 된다.

◆ 탕구-탕도-ingate(sprue-runner-ingate)의 차탕구-탕도-ingate의 차
(S.R.G 차)는 매우 다양하며, 이러한 단면적비에 따라 가압계와 비가압계로 분류할 수 있다. 비가압계는 1:2:4 또는 1:3:3 과 같이 최초의 초크가 탕구에 있게 되며, 가압계는 4:8:3 또는 1:2:1과 같이 ingate에서 최대의 압력을 갖게 된다.

◆ 탕구계 계산앞 절에서 설명한 바와 같이 일단 주입시간이 결정되면 다음과 같은 일반계산법에 의하여 탕구계 각 부분의 계산을 할 수 있다.(1) 유효탕구높이탕구의 높이는 주물에 미치는 용탕의 정압과 관계가 있으며, 실제 상주입, 하주입 등의 주입방법에 따라 그 유효높이를 다르게 설정한다.
(2) 초크의 단면적
(3) 탕도면적( 및 주입구면적)탕도나 주입구가 하나 이상일 경우 각각의 단면적은 총단면적을 그 개수로 나눈 값이 될 것이다.
단 주입구가 여러개일 경우
-첫 번째 주입구를 지난 뒤의 탕도와 주입구단면적은 마찰손실의 보충을 위하여 5%증가시킨다.
-두 번째 주입구를 지난 뒤에도 다음의 탕도와 주입구단면적들은 계속 5%씩 증가시킨다. 그러나 탕도확장이 이어지는 마지막 주입구를 지나면 탕도면적은 감소시키지 않는다.
(4) 탕구저(sprue base, well) 및 탕도확대부회주철이나 비철합금주물의 경우와 같이 넓고 얕은 탕도가 사용될 때에는 탕구저가 효과적이며, 주강과 같이 좁고 깊은 탕도가 사용될 때에는 탕도확대부가 효과적이다.
이외에 탕도연장은 수 inch 정도로 충분히 길게 하여 주입구로의 역류를 방지한다.
그러나 실질적인 탕구계의 계산 예제와 설명은 생략하기로 한다. 이외에도 계산도표에 의한 약식계산법, computer software를 이용한 계산법이 있다.

◆ 탕도와 ingate탕도와 ingate는 다음과 같은 조건을 구비해야 한다.(1) 날카로운 모서리나 급격한 단면적의 변화는 난류나 가스혼입을 일으키게 되므로 피할 것.
(2) 여러 ingate 들간의, ingate와 탕도간의, 탕도와 탕구 사이에 적절한 단면적비를 갖게 할 것.
(3) ingate들을 적절히 배치시켜 저속의 용탕도 주형내에 충분히 급냉되도록 할 것.위와 같은 조건을 염두하고 살펴보면, 어떤 gate들은 목적한 기능을 다하지 못할 수 있다.

예를 들어 whirl gate, riser gate, horn gate의 경우에는 주입할 때 주형 내에서의 난류를 막는데에는 그리 효과적이지 못하다.
ingate의 단면적배분에 대한 지침을 덧붙이면 다음과 같다.
(1) 운동량의 효과를 분산시키기 위해 탕구와 탕도의 연결부위에 큰 공간(enlargements)을 만들어 줄 것.(2) 주물에서부터 탕도를 휘어서 뻗어 나가게 할 것.
(3) 탕도에 구배를 줄 것.

◆ 수직탕구계금형, 셀형 및 사형의 주조에서는 수직 또는 edge 탕구계가 가장 좋다. 탕도에는 주석도금한 강판으로 만든 고리모양의 스크린(screen)이 있고, 그 스크린 내부에는 거친 강섬유(steel wool)가 있어서 용탕의 흐름을 조절하면서 외부에서 들어온 산화물을 걸러낸다. 이러한 수지탕구계는 셀주형을 쓰는 몇몇 동합금에서 좋은 효과를 얻을 수 있다.

◆ 슬래그(slag)와 드로스(dross)의 제거탕구계에서 주입대야(pouring basin), 스트레이너 코어(strainer core) 및 댐을 적절하게 사용함으로써 용탕이 주형공간 내로 들어가기 전에 슬래그나 드로스를 제거 할 수 있다.
-경합금류에서는 동합금, 주철, 주강등과는 달리 비중차가 아주 적어서 문제점이 더 심각하다고 할 수 있다.
유속을 줄이기 위한 탕구 밑의 확대부나 압탕의 중심부로 드로스나 슬래그를 회전시키는 whirl gate와 같은 특수한 방법은 용탕을 청정하는 색다른 방법이라 할 수 있다.
-알루미늄 주조에서는 탕도는 하형에 설치하고 ingate는 상형에 두어 주형내의 불순물의 혼입을 막도록 함이 좋고,
-주철, 주강류는 이와는 반대로 상형에 탕도를 설치하고 ingate는 하형에 설치토록 함이 좋다.

● 압탕(risers)

◆ 압탕의 역할압탕의 주요기능은 주물이 응고하는 마지막까지 용탕을 공급하는 데에 있다.
어느 경우에는 압탕을 탕구계의 일부로 보기도 한다.
압탕의 크기는 주입할 금속의 종류에 따라 다를 수 있다.
주형에 대한 과도한 압력이나 약한 주형 때문에 주물이 원래의 치수보다 팽창하거나 부풀어 오를 경우 압탕으로부터 모자라는 양만큼 더 용탕을 보충하여야 한다.

◆ 압탕의 계산주물이 완전히 응고를 완료할 때까지 용탕을 공급할 수 있어야 한다는 문제는 몇 가지 변수에 의해 좌우되며 이들 중 중요한 것을 다음에 열거하였다.
(1) 압탕의 형태
(2) 주물의 형태에 따른 압탕의 크기
(3) 압탕의 위치
(4) 제조할 주물들의 조합배치
(5) 압탕과 주물과의 연결
(6) 냉금(chill)의 사용
(7) 단열재나 발열재의 사용
(8) 연결부분에서 일어나는 특수한 조건

◆ 압탕의 형태주물은 자신의 열에너지를 복사, 전달, 대류에 의해 외부로 전달한다. 이때 주물의 표면적과 체적의 차가 열전달속도에 있어 중요하다.

◆ 주물형태에 따른 압탕의 크기위의 시노리노프 법칙으로부터 판상의 주물이 원주형 주물보다 훨씬 짧은 응고시간을 갖는다.압탕계산에서 또 한가지 고려해야 할 점은 압탕에서 형성되는 파이프(pipe)의 형상이다. 만일 이러한 파이프가 주물에까지 연속이 된다면 아무리 주물의 다른 부분이 건전하더라도 건전한 주물을 얻을 수 없다.
압탕의 크기를 계산하는데에는 여러 가지 방법들이 제시되고 있다.
이 방법 중의 한가지가 형상계수를 이용하는 것이다.
여기서 형상계수란 주물의 길이와 너비의 합을 주물의 두께로 나눈 값(L+W)/T를 말한다.
이외에 다른 방법들에서는 주물형상과 수축의 양상에 따라 압탕크기를 계산할 수 있다.
여기서 가단주철에서 상당히 성공적이었다고 입증된 방법을 소개한다.
이방법은 건전한 주물을 얻을 수 있는 압탕계에서 실제로 수축파이프와 주물을 측정한 방법이다.
측정방법은 파이프에 물을 채워 그 부피를 재거나, 외형의 크기로부터 계산한 압탕의 무게와 실제무게로부터 비교하여 구한다. 일반적으로 압탕을 결정하는 과정은 다음과 같다.
(1) 주물의 중량을 구한다.
(2) 응고시 보충에 필요한 용량의 부피를 계산한다.
(3) DP와 HP, 즉 파이프의 지름과 높이를 계산한다.
(4) DR을 구하여야 한다. 이 값은 압탕의 직경을 의미하며 DR=2W+DP이다.
여기서 W는 주물의 유효두께를 의미한다.
(5) 압력부를 결정한다. 급탕의 마지막 단계까지 주물 내에 있는 용탕의 압력을 유지시켜 주는 것이 바로 압탕의 압력부 HM이다. 압력부의 직경은 급탕부의 직경 DR과 동일하다.
만일 주물의 최고지점이 분할선보다 위에 있다면 압탕을 부분 또는 모두 상형에 연결함으로써 HM을 줄일 수 있다.
주물의 최고지점이 측면압탕의 ingate 밑에 있다면 HR=HP+HB+1.0 이다.
(6) 저면부(bottom section)를 결정한다. 압탕의 저면부는 압탕연결부보다 높이가 낮은 부분을 말한다.
이 부분의 역할은 용탕이 주물까지 흘러가는 경로이다.
이 부분의 직경은 DR이며 높이 HB는 최소한 2W이고 2W+DP 또는 DR보다 커야 할 필요는 없다. 안정적인 HB값은 3W이다.
(7) 압탕연결부(riser connection)는 단면이 장방형일 때 너비는 2.5W에서 0.8DR, 높이는 W로 한다.
단면이 원형일 때에는 2W×2W이다. 압탕에서 주물까지의 거리는 0.5W에서 1.5W로 한다.(8) 압탕의 높이를 결정한다.
수축파이프를 갖는 압탕의 높이 HR=HP+HM+HB이다.
최소높이는 HR=HP+1.0+3W(inch)로 주어진다.

◆ 압탕의 위치압탕을 설치하지 않고 긴 봉이나 판재를 주조할 때 양끝으로부터 어떤 길이까지는 건전한 조직이 얻어진다.
이것은 다른 곳보다 끝부분에서의 열방출이 커서 이곳에서부터 방향성으고가 진행되기 때문이다. 또한 이러한 긴 봉이나 판재의 중앙지점 적절한 곳에 압탕을 설치하여 수평으로 주조하면 압탕으로부터 양쪽의 얼마만큼의 거리까지는 압탕의 급냉에 의해 건전한 조직이 얻어지고 이 이외의 지점은 수축에 의해 건전하지 못한 곳이 생기게 된다.

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탕구비 (Gating ratio )

Sprue의 단면적 : runner의 단면적 : gate 의 단면적 (S : R : G)
용탕의 유입상태는 탕구계의 조건에 따라 swirling(소용돌이), rolling(굴리기), rocking(흔들림), irregular(불규칙)등 여러 상태로 크게 변화하므로 탕구비를 변화시켜 유입상태를 조절.

(1) Pressurized gating system (가압 탕구계)

- 탕구비가 sprue - runner - gate 순서로 적어지는 gating system.

- gate쪽에 압력이 걸림.

- 비중이 크며 산화물생성이 적은 금속(회주철등)에 이용.

<이점>

탕구계에 항상 용탕이 충만되어 있어 주입속도의 조절가능.
gate가 많아도 압력이 일정하므로 각 주입구로부터 유입량도 대략 일정.
가압 탕구계는 일반적으로 비가압 탕구계보다 체적이 작아 탕구계로 손실되는 용탕량이 감소되므로 주조 실 수율이 큼.

<단점>

주입구에서의 유속이 커서 가스의 흡입, 주형 공간내에서 난류의 발생, 주형의 파손, 산화물의 형성 등 주조결함의 발생용이.

(2) Unpressurized gating system (비가압 탕구계)

- 탕구비가 sprue - runner - gate순서로 커지는 gating system

- gate쪽에 압력이 안 걸림

- 일반적으로 산화성이 큰 금속(Al, Mg합금 등)의 주물 주형에 이용.

즉 난류를 방지하고 공기나 가스의 흡입 또는 산화물의 형성을 피하도록 주형 공간부로의 유입속도를 낮추는 방법.

<단점>

용탕으로 완전히 채워진다는 보장이 없음. 즉 주입구에서 용탕이 전혀 압력을 받지 않으므로 부적당하게 설계된 sprue나 runner에는 용탕이 충만되지 않음.
주입구가 여러 개 있을 때 각 주입구에서 균등한 주입량을 얻기 어려움. 따라서 균일하게 용탕이 유입되도록 하려면 순차적으로 주입구의 크기를 신중하게 감소시켜야 함.
비가압 탕구계는 runner와 gate가 비교적 크게 되므로 가압 탕구계에 비해 주조 실 수율이 떨어짐. 탕구비는 주물의 종류, 연구자에 따라 각기 다르므로 필요 시 문헌을 참고

(3) 탕구 - 탕도 - 게이트(sprue - runner - gate)비 : (SRG비)

단면적 비에 따라 가압계와 비 가압계로 구분
비 가압계는 1:2:4 또는 1:3:3
가압계는 4:8:3 또는 1:2:1 → gate에서 최대압력
하나 이상의 gate가 사용되면 그 합으로 gate의 단면적 나타냄

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개요

탕구계 (gate system) : 용융금속을 주형 공동부로 보내는 통로

주입컵 (pouring cup, pouring basin), 탕구(sprue), 탕도 (runner),

주입구 (gate, ingate)의 집합을 의미

탕구계의 기능

주형의 구조 : 제품의 모양, 크기, 주조방안 등에 따라 달라진다.
탕구계 (gate system) : 용융금속을 주형 공동부로 보내는 통로

주입컵 (pouring cup, pouring basin), 탕구(sprue), 탕도 (runner),

주입구 (gate, ingate)

탕구계 (gating system)

Fig : Schematic illustration of a typical riser-gated casting. Risers serve as reservoirs, supplying molten metal to the casting as it shrinks during solidification.

탕구계의 기능

1. 주형공간에 용탕을 주입

2. 주형의 침식이나 가스의 흡입을 예방하기 위해 가급적 난류를 일으키지 않고 주형에 유도 할 것

3. 주물의 응고 시 가급적 최적의 온도기울기 부여.

4. 주입 금속에 대해 적절한 skimming action (산화물, slag 분리).

탕구계의 기능을 발휘하기 위해서는 다음과 같은 점을 조절

1. 주입속도

2. 주형으로 인도하는 주입구의 크기, 수, 위치

3. 탕구와 탕도의 치수와 형상

4. 래들, 주탕컵, 주입컵(pouring basin)가 같은 주입장치의 모양과 크기

5. 주입 시와 응고 시의 주형위치

6. 용탕의 온도 (유동성)

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탕구계의 용어

미국의 주조학회(A.F.S)가 발표한 탕구계의 요약

(1) 주입컵 (pouring cup) : 용융금속이 제일 먼저 부어지는 곳으로 탕구 입구에 있는 확대된 지역.

(2) 탕구 (sprue) : 용융금속이 탕구계의 여러 부분에 흘러가는 수직통로.

(3) 탕구저 (sprue base) : 탕구바닥에 있는 넓은 원통형이나 장방형 부분.

(4) 탕도 (runner) : 금속이 흘러 지나가는 중요 수평통로.

(5) 주입구 (gate) : 탕도와 주형공간을 연결하는 짧은 입구.

(6) 탕도연장 (runner extension) : 탕도가 막힌 끝부분으로 마지막 주입구를 지나 연장된 부분.

(7) choke : 주물 본체에 slag나 잡물이 들어가는 것을 막거나, 주입속도를 조절하기 위해 탕구를 조인 부분.

(8) 이외에도 슬래그, 잡물의 혼합을 막기 위한 skimmer core, strainer, screen, 등을 사용하며, 대량의 용탕을 주입하는 경우 탕구계의 침식을 막기 위해 주입대야 밑과 탕구 밑에 splash core를 사용하기도 한다.

주입시간 및 주입온도

주입시간

주형에 용융금속을 주입하는데 걸리는 시간 : 주입속도

주입온도

높은 주입온도 : 용융금속의 가스 흡입량 증가

⇒ 기공발생, 심한 수축으로 인한 균열발생

낮은 주입온도 : 압탕을 통한 용융금속의 추가 공급 전에 주물 응고

⇒ 불량원인 제공

유체

① 층류 (Stream line flow, Laminar flow)

유속이 작을 때는 어떠한 유체라도 층류. 어느 부분에서도 흐름 방향이 일정하며

직각방향의 속도성분은 0임.

② 난류 (Turbulent flow, 亂流)

유체의 각 부분이 시간적 · 공간적으로 불규칙한 운동을 하면서 흐르는 흐름
유속이 커지면 난류로 됨. 유체의 각 부분에는 흐름의 방향과 직각방향에

속도성분이 존재함.

①유체의 속도 ②유체가 흘러가는 경로의 단면적 ③유체의 粘性에 따르게 된다.

(2) 주입 컵, 주입대야 (pouring cup, pouring basin)

주입컵 (pouring cup) : 외부로부터 주형에 용탕을 붓는 곳
ladle을 조작할 때 필요한 유입속도를 용이하게 유지.
Sprue entrance에서의 난류와 와류의 발생 감소.
탕류(pouring basin, 湯溜) : 용탕이 일단 고인 후 dross나 slag를 부상 분리하여 제거할 수 있게 한 것
주입 컵의 형태

(a) : 주물의 재질을 크게 문제 삼지 않을 경우

(b)~(h) : 불순물이나 slag가 없는 용탕을 난류 없이 주입할 때 湯溜를 붙인다.

(b), (c) : 작은 주형에 사용

(d) : 불순물을 제거하기 위한 것

(e) : 湯溜에 용탕을 고이게 한 다음 stopper를 제거하여 깨끗한 용탕만 주입

(f), (g), (h) : 탕구의 입구에 strainer를 붙인 것.

strainer : 철강에는 규사로 만든 코어를 사용하고, 동합금이나 경합금에는 (g)와 같이 강으로 만든 망을 쓴다.

strainer를 주입 컵에 사용하면 불순물이나 slag는 잘 제거되나,

용탕의 주입력이 약해져서 유동성이 나빠진다.

strainer를 사용해서 slag를 제거할 경우

strainer : 구멍이 많이 뚫린 원판, 여과기, 도기제가 좋다.

strainer의 효과

	slag의 분리	용탕 흐름
(a)	좋음	나쁨
(b)	보통	좋음
(c)	보통	보통
(d)	보통	매우좋은

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5.2 탕구계의 설계

5.2.1 주입 컵(pouring cup, pouring basin)

용탕을 주입할 경우 비산해서 생긴 산화물이나 불순물 등이 탕구에 들어가지 않게, 또한 용탕이 조용히 들어 갈 수 있는 방법을 취하고 있다.
주입 컵 속에 칸막이를 붙인 것, stopper를 붙인 것 등 용탕이 난류나 와류를 Ⅹ
주입 컵에 용탕을 주입할 때에는 용탕의 높이를 탕구 직경의 2.5배 이상으로 유지해야 한다.
탕구 도입부에 스트레이너 코어를 붙이는 경우도 있다.

5.2.2 탕구계의 형상

용탕의 주입을 원할하게 하기 위해 반드시 유선형으로 설계
유선형 : 유속이 빠르다. → 주조 수율이 높아진다.
부적당한 탕구 설계

① 공기 또는 산화 개재물이 주물에 혼입된다.

② 탕구계의 주형 벽을 침식하여 주물에 주물사를 개재시킨다.

③ 용탕의 유속을 감소시킨다.

⇒ 적당한 유선형은 난류를 줄이고 가스혼입을 막을 수 있다.

유선형 : 유속을 대폭적으로 증가 → 그림 4.6 참고
돌연한 수축이나 팽창이 생길 때도 예각부와 같은 효과 발생 → 난류와 공기의 혼입

(a) : 균일한 단면적인 직선형 탕구 : 중력에 의해 속도가 증가, 심한 공기혼입을 초래
난류를 최소한으로 억제하기 위해서는 직선형 탕구 ⇛ 경사진 탕구
(b) : 용탕이 하강 시 주형 벽에 밀착되고, 용탕의 운동에너지를 흡수하여 공기 혼입을

최소한으로 한다.

그림 4.8 용탕의 난류에 미치는 탕구의 설계

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탕구 (sprue)

(1) 상주식 탕구 (Top gate)

(2) 분리선 탕구 (Parting line gate)

(3) 하주식(압상식) 탕구 (Bottom gate)

(4) 다단(계단) 탕구 (Step gate)

(5) 경주식 탕구 (주형의 반전 조작)

탕구 : 주입컵에서 용탕이 주형으로 들어가는 첫 통로까지. 단면은 원형
탕구의 위치를 결정할 때 고려할 사항

얇은 주물에 대해서는 용탕의 공급이 완전하고 급냉으로 인하여 chill과 같은 hard spot 이 생기지 않도록 균일한 응고를 진행시켜야 한다.
두꺼운 주물에 대해서는 최후에 응고하는 hot spot 의 급탕에 유의해야 한다.
표면모래가 붕괴하여 scab, buckle, penetration 등이 일어나지 않도록 해야 한다.

탕구의 위치

얇은 주물은 주입 전에 유동성이 충분해도 주형표면에 의한 흡열로 온도가 내려가기 때문에 급격히 유동성의 저하가 초래. → 주름, 기포(blow hole) → 저온의 용탕이 유입되면 냉각이 급속히 일어나므로 냉각부(chill zone)로 되기 쉽다.

⇛ 주입구의 수를 늘리거나 분산시킨다. (유동성↑) : 그림 4.9(a) 참조

주형의 온도가 낮을 경우 : 주형을 가열 후 고온의 용탕을 주입 → 용탕의 흐름과 급탕의 효과를 개선
두꺼운 주물이라도 고탄소, 고규소의 주철은 유동성이 좋고 응고수축이 거의 일어나지 않으므로 압탕에 대하여 고려할 필요가 없다. ⇛ hard spot의 발생을 방지하기 위해서 얇은 곳에 주입구를 만드는 경우도 있다. : 그림 4.9(b) 참조
저탄소, 저규소의 주철은 유동성이 불량하고 수축이 많이 일어나므로, 급탕에 대하여 충분히 고려해야 한다.
⇛ 가급적 압탕 쪽에 주입구를 만든다. : 그림 4.9(c) 참조
용탕이 주형에 장시간 주입됨으로써 주형이 붕괴되는 것을 피한다. : 그림 4.9(d) 참조
코어에 충돌하여 일어나는 씻김(washing)을 방지해야 한다. : 그림 4.9(e) 참조
리브가 붙은 것은 가능한 리브를 따라 주입구에 설치한다. : 그림 4.9(f) 참조

탕구의 종류

(a)와 같이 균일한 단면적인 직선형 탕구는 안 된다.
(b)와 같이 rounding을 붙인다.
(c )와 같이 갈때기 모양으로 하여 전체를 원추형으로 한다.
너무 강하게 용탕이 들어가서 곤란할 때는 (d), (e)와 같이 탕구 중간을 굽게 한다.
탕구 바닥은 주형이 파손되기 쉬우므로 (f)와 같이 강한 내화벽돌이나 건조형으로 한다.
(g)와 같이 탕구 바닥에 strainer를 설치하면 주입컵에서 불순물이나 slag를 제거하지 않아도 된다.

대형주물에서 용탕의 충격에 견딜 수 있게 내화벽돌을 이용한 탕구바닥

(1) 상주식 탕구 (Top gate)

간단하고 비교적 소형인 주물 제조 시 및 침식에 견디는 주형 사용 시 사용.
Mold cavity에 용탕이 들어갈 때 생기는 난류가 부딪치는 부분은 침식되기 쉽고 동시에 주물속에 공기 또는 산화물이 흡입되기 쉬움.
막대형(연필형) 탕구 : 주입구에서는 유입속도를 조절하고 slag를 탕구 위로 부상시켜 slag의 유입을 저지시킨다. 이 방식도 난류는 발생

(3) 하주(압상)식 탕구 (Bottom gate)

주형의 bottom에서 mold cavity로 용탕이 들어가는 형.
주형 내 침식, 난류를 최소화 할 수 있으나, 상부에 riser를 붙이면 온도 구배가 낮다.
주형 밑바닥으로부터 채워 올라오는 용탕에 의해 가열되므로 하부의 응고가 늦다.

→ 주입구의 입구에 강력한 열점 (hot spot)이 발생 → 수축공 발생

⇒ 주입구의 단면적을 적게 하여 여러 개의 주입구를 붙인다.

side riser와 같이 사용하면 매우 양호한 온도 기울기를 얻을 수 있다.
고온의 용탕이 압탕부에 공급 → 주입구의 열점은 압탕 쪽으로 shift

⇒ 양호한 온도 기울기

(수축공은 주물에서 어느 특정한 위치의 응고율이 그 주변보다 느릴 때 발생하는데

이런 위치를 열점(hot spot) 이라고 한다.)

(4) 계단(다단) 탕구 (Step gate)

top gate와 bottom gate를 절충한 것.
bottom gate의 장점을 살리고 단점을 줄이기 위한 설계이다.
용탕이 bottom에서 top으로 연속적으로 여러 gate를 통하여 들어 가도록 설계된 형 → 압탕이 가장 높은 온도의 용탕을 갖게 된다.
실제작업에서는 탕구를 통하여 낙하하는 관성에 의해 높은 위치에 있는 주입구를 그대로 지나 거의 대부분의 용탕은 최하단의 주입구를 통하여 주입하게 된다.

⇒ 주입구를 주물에 대해서 어떤 각도로 상향으로 경사

(5) 경주식 탕구 (주형의 반전 조작)

하주식 탕구를 용탕주입 전후에 기울여 주는 방법
용탕 주입 시에 상주식에 의한 난류와 침식을 방지
큰 난류가 생기지 않도록 주입 가능
주형을 어느 각도만큼 기울여주면 고온의 용탕은 상부로 올라가고 응고는 상부의 압탕을 향하여 진행되고, 반대로 고온의 용탕이 압탕으로부터 하부로 공급 하게 된다.
용탕 주입의 정도에 따라 반전하는 방법도 있다.

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탕도 (runner)

용탕이 탕구로부터 주형에 주입되는 주입구까지 용탕을 보내는 수평부분
역할 : 용탕 속에 섞인 불순물이나 slag를 최종적으로 걸러주어 용탕을 조용하고 빠르게 주형 속에 충만되게 한다.

: 3각형의 부분에서 불순물 제거
: 불순물이 떠 오를 수 있게 탕구를 2개로 한 것
: U자 모양 탕도의 도중에서 주입구로 향한 탕도를 유도한 것
(e) : (c)의 방법을 응용한 것으로 위에서 보면 (f) 와 같이 용탕이 와류현상을 일으키면서 주입되므로 불순물은 중앙에 모인다.

탕도는 탕구보다 큰 단면을 지니고 있는데 이 탕도를 이용해서 slag나 산화물을 제거하거나 혹은 용탕의 흐름이 조용하게 될 수 있게 강구한 것이 있다.

Fig. 탕도의 형상 (탕도에서의 slag 제거)

: 슬래그가 생기기 쉽고 침전물이 많은 경우
: 경합금과 같이 산화물이 생기기 쉬운 것
: 슬래그의 제거와 함께 압탕의 역할을 겸하고 있다.
: 각각 슬래그를 제거하기 위한 구조이다. (e), (f) 동일

(a)와 같은 원형이 최적
원형은 제작이 어려우므로 육각형(b)나 사다리꼴(c)이 많이 사용
U자 모양(d), 반원형(e), 삼각형(f)

주입구 (gate)

탕도에서 용탕이 주형에 들어 가는 곳
용탕의 역류가 없게, 공기와 가스가 잘 빠져 나가게 설계
→ 구석구석까지 장입
주입구의 크기, 위치, 방향, 개수 검토
각 부의 냉각이 고르고, 균열이나 수축 등의 결함이 없게 설계
gate의 위치 : 가공부나 두꺼운 부분을 피하고,

가장 아래 쪽의 얇은 부분

1 gate의 경우 : 용탕의 압력이 커져 주형이 파괴,

gate 부근의 과열 → 2 gate↑

gate와 runner가 구별되지 않는 경우도 있으나(a)

대부분 별도 설치

(b)~(e) : runner의 도중에서 많은 가지를 낸 모양
(b)~(c) : L 모양의 가지 모양의 branch gate
(d) : T자의 거꾸로 된 모양
어떤 경우라도 sprue의 바로 밑이나

runner끝에 gate를 설치해서는 안된다. (e), (b)

주입구의 단면

그림 4.27 제품 손상을 막기 위한 gate설치의 예

원형, U자형, 반원형, 삼각형, 사각형, W자형
gate쪽을 향하여 가늘게 한다. : 탕구계 분리를 위해서
주물 제품에 손상 예상 : 그림 4.27 참조

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주입구 (gate)

(1) 상부 게이트(top gate)

주입컵에서 바로 주입되므로 도중에 냉각되는 일이 없다.
소형 주물에 많이 사용되고, 용탕이 주입될 때 압력에 의하여 주형 파손이 쉽고, slag의 부상을 방해 → 일반적으로 사용 Ⅹ

(2) 샤워 게이트(shower gate)

상부 gate에서는 불순물을 제거하기 곤란하므로 주입컵을 크게 하고 주입구를 가늘게 하여 그 수를 많게 한 것.
상부 gate에서 주형이 파괴될 경우에 대책이 될 수 있다.
불순물이 혼합되면 안 될 경우에 적합.

(3) 휠 게이트(wheel gate)

원형 주물에 용탕을 주입할 때 사용.
주입할 때 코어 또는 주형 표면에 용탕과 충돌되어 파손되거나 과열되지 않게 만든 gate
용탕을 빠르고도 균일하게 주입할 때 사용.

(4) 말굽 게이트(horse shoe gate)

원 둘레에 간단히 설치한 gate
용탕을 빠르고도 균일하게 주입할 때 사용된다.

(5) 스텝 게이트(step gate)

주물의 높이가 높을 때 여러 단으로 사용
상부gate와 하부gate를 짝 지운 gate
일반적으로 대형주물에 적용된다.
(f) : 불순물 제거를 겸한 saxophone gate

(6) 하부 게이트(bottom gate)

상부에는 저온의 용탕이, 하부에는 고온의 용탕이 있으므로 압탕이 효력을 발휘할 수 없어 shrinkage cavity가 생기기 쉽다.

⇒ 압탕을 충분히 붙여서 최후에 응고하는 부분이 상부에 올 수 있게 한다.

horn gate (g), reverse horn gate (h)

(7) 나이프 게이트(knife gate)

탕도를 위에서 아래까지 쐐기상으로 한 것.
다량의 용탕을 신속하게 주입하는 방법이다.
薄肉 제품에 적합.

(8) 랩 게이트(lap gate)

runner를 굵게 하여 제품에 직접 얹히게 배치하여 riser의 작용을 겸한 것.

① runner에서 깨끗하게 된 용탕을 빨리 주입할 수 있을 것.

② 용탕은 주형의 구석구석까지 잘 흐르게 할 수 있을 것.

③ 주형 중에 들어 간 용탕은 흐름이 길게 되지 않게 할 것.

④ 주형이 파손되지 않게 할 것.

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탕구계의 설계 시 고려 할 사항

주물은 아랫쪽이 윗쪽보다 조직이 치밀하며 shrinkage cavity, 기타 결함이 적고 재질적으로 우수하다.
주물의 수평면에서는 아랫면에 shrinkage cavity, 협잡물 등의 흠이 없고 윗면보다 깨끗하다.
다듬질면에 형 받침을 사용하면 그 장소는 수압불량이 된다고 생각해야 한다.
주형내의 가스는 윗쪽으로 빠지기 쉽고, 아랫쪽으로는 잘 빠지지 않는다.
주형 내의 공기를 압축하는 주입방법을 취하면 주형이 파괴되거나 shrinkage cavity가 생긴다.
코어는 용탕에서 큰 부력을 받고 또 용탕이 충돌하는 경우도 있으므로 튼튼하게 장착하지 않으면 살 두께가 고르지 않을 때가 있다.
주물은 鑄入 후에 용융하고 있는 부분은 압탕의 영향을 받고 있는데, 응고 후는 그 영향이 미치지 않는다. 그러나 鑄入 시에는 탕구의 높이에 의한 靜壓과 용탕이 낙하하는데 따른 動壓의 작용에 의해 용탕 내의 가스는 제거되고 재질은 치밀하게 된다

탕구계를 고려한 주형제작

주물의 다듬질면이나 수압을 받게 되는 중요한 부분은 下型으로 한다.
수평면은 되도록 下型에 둔다.
코어는 되도록 코어 프린트로 下型에 장착하고 型 받침을 사용하지 않는다.
공기빼기는 되도록 상향으로 하여 각 부분의 頂部에 반드시 붙인다
용탕은 주형 내에 충만될 때 서로 충돌하지 않게 하고 조용히 게다가 짧은 시간에 충만될 수 있도록 강구한다.
코어는 장착되어 있는 방향으로 눌릴 수 있게, 가스빼기는 최후가 될 수 있게 용탕을 충만시켜야 한다.
탕구의 높이, 탕도, 슬래그 貯留部 등을 용탕이 조용하게 그리고 끝까지 힘차게 유입할 수 있게 설치한다.

5.3.8 가스빼기 (vent)

주형에 용탕이 주입되었을 때 발생하는 가스나, 남아 있던 공기를 배출시키는 구멍
간단하고 소형주물이라도 주물사의 통기도 만으로는 가스 배출이 어렵다.
압력에 의한 저항 때문에 용탕의 주입이 방해되거나 주물내부에 기포발생이 쉽다.
주입속도가 느릴 경우 : 주물사의 통기도와 기발침으로 어느 정도 가능.
생형 : 주입과 동시에 주물사에 함유된 수증기가 대량 발생

→ 탕구에서 멀고, 가스배출이 어려운 곳에 vent를 설치.

flow off, riser : vent 역할
그림 4.33 : 코어에서 가스빼기, 그림 4.34 : 주형하부에서 가스빼기 → vent hole 설치

5.3.9 플로 오프 (flow off)

용탕이 주형에 채워진 다음 넘쳐 올라오게 하여 주형에 충진 상태 관찰용
vent hole 보다 단면을 크게 하며, strain relief 라고도 한다.
vent hole 보다 Ø가 크므로 가스빼기, 주형안의 공기와 수증기 및 가스 배출
용탕 표면에 떠 있는 slag나 모래알 등의 잡물과 산화물 제거
일반적으로 탕구에서 가장 먼 곳에 직경 10mm 정도로 설치

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1. 탕구계의 개요

- 탕구계(gating system)라 함은 주형 중의 빈 자리에 용탕을 충만시키는데 필요한 통로를 말한다. 즉, 탕구계는 탕구(sprue, downgate), 탕도(runner, crossgate), 주입구(gate, ingate)등을 포함한 총칭이라 할 수 있다.

2. 탕구비(gating ratio)의 정의

1) 탕구비라 함은 탕구, 탕도, 주입구 등의 단면적의 비를 말하는 것이며 보통 탕구단면의 넓이, 전 탕도단면의 넓이, 전 주입면의 넓이로 표시한다. 예를 들면, 탕구는 25㎠, 탕도는 50㎠, 주입구는 50㎠라 할 때 이의 탕구비는 1 : 2 : 2로 된다.

2) 탕구비는 주조방안을 세울 때 매우 중요한 값이 된다. 그러나 이 관계는 용탕의 화학성분과 주형의 모양 및 주입온도 등에 따라 일정하지 않으며 실험값도 각각 다른 결과를 가져올 때가 많다.

3. 탕구비의 계산

1) 탕구, 탕도, 주입구의 치수를 그림과 같이 했을 때의 탕구비는 다음과 같이 주어지는데 반대로 먼저 탕구비를 결정했을 때에는 탕구, 탕도, 주입구의 어느 하나가 정해지면 탕구비에서는 다른 2개는 계산할 수 있다.

● 탕구 단면적 = π/4 x 30² = 707㎟

● 탕도 단면적 = 23+27/2 x 25 =625㎟

● 주입구의 총단면적(2개소) = (47x6) x 2 = 564㎟

2) 따라서, 탕구 단면적(707) : 탕도 단면적(625) : 주입구 단면적(564) 이므로

탕구비는 1 : 0.9 : 0.8이 된다.

3. 주입방식에 따른 분류

1) 가압식 탕구계

- 압력 주입방식(가압주입방식)에서는 탕구비가 주철에 많이 쓰이는 1 : 0.75 : 0.5또는 1 : 2 : 1등과 같이 주입구의 면적이 탕구의 면적보다 크지 않아서 용탕 흐름의 제한 때문에 남게 된다.

ⅰ) 장점

ㄱ. 탕구계에는 항상 용탕이 충만되고 있다. 즉 주입구에 걸리는 저항 때문에 생기는 압력에 의하여 용탕은 주형벽에서 분리되지 않으며 이로 인해서 공기의 혼입을 생각할 필요가 없다.

ㄴ. 여러 개의 주입구를 만들 때 각각의 단면적이 동일하지 않으면 용탕의 흐름도 동일하지 않고 압력이 걸리지 않는 비압력주입(비가압주입방식)방식에서는 용탕의 흐름에 의한 운동에너지는 탕도의 거리에 반비례하게 되어 탕구에서 멀리 떨어져 있는 주입구에서는 용탕이 부족하게 되는 경향이 있다.

압력 주입방식에 있어서 탕구 단면적을 제한하면 운동에너지의 효과는 감소하게 되고 동일한 탕구의 크기라면 유속은 거의 같게 된다.

ㄷ. 일정한 유속에 있어서 압력 주입 방식은 저압의 경우보다 부피가 적어지며 주물의 주조수율이 커진다(단면적이 적기 때문에).

ⅱ) 단점

ㄱ. 단면 형상이 양호산 유선형이 아니면 연결부나, 꺼지는 부분에서 상당한 난류가 일어나며 또한 용탕이 주형 내에 유입할 때의 속도가 크기 때문에 많은 난류가 생기며 공기의 혼입, 협잡물의 발생, 주형의 침식 등을 일으킬 가능성이 있다.

ㄴ. 주철 주조공장의 대부분이 탕도는 탕구보다 10%, 주입구는 탕도보다 10%씩 적은 단면을 가진 1 : 0.9 : 0.81의 압력 주입탕구를 이용하여 약간의 압력이 걸릴 정도로 하고 있다. 이는 탕구계에서는 다소의 난류가 일어나도 재질에 특별한 해를 끼치지 않는다고 생각하기 때문이다. 그러나 만일 주형 내에 유입되는 용탕의 속도가 너무 크면 주형 침식이 일어날 수 있다.

가압식 탕구계(탕구비 = 1 : 0.75 : 0.5)

2) 비가압식 탕구계

ⅰ) 장점

ㄱ. 황동과 청동은 합금 조성에 따라 압력 또는 비압력 탕구계로 설계할 수 있다. 산화성이 큰 경금속(알루미늄과 마그네슘)은 비압력 주입탕구계로 설계하는 것이 정상적이다. 이런 합금에서는 탕구계 내에서의 난류를 최소한으로 해야 하고, 공기 혼입과 산화물의 형성을 억제할 수 있을 정도로 주형에의 유입속도는 낮아야 한다.

ㄴ. 비압력 주입탕구계는 압력 주입탕구계에 비하여 용탕의 속도가 훨씬 낮다는 이점이 있다. 탕도와 탕구의 단면적이 크면 비교적 낮은 유속에서도 충분한 유량을 갖게 한다. 따라서 탕구 내의 난류가 주형의 공극부에서의 용탕 분출이 줄어든다.

ⅱ) 단점

ㄱ. 비압력 주입방식은 주입 중에 용탕이 완전하게 채워질 수 있도록 하기 위해서 신중한 설계가 필요하다. 탕구는 거의 또는 전혀 배압을 나타내지 않으므로 부적당하게 설계된 탕구나 탕도는 결코 완전히 충만되지 않으며, 만일 충만된다 하더라도 분리효과가 쉽게 일어난다. 하형에 탕도를, 상형에 탕구를 설치한다는 것은 완전 충만을 유지하는데는 도움이 되지만 유선형으로 하는 것이 분리효과 및 공기의 혼입을 막아주기 위해서 중요하다.

ㄴ. 비압력 주입방식에서는 여러 개의 주입구에서 균등한 유량을 얻기 힘들다. 다단탕구에서처럼 비압력 탕구계에서는 흐르고 잇는 용탕의 운동에너지에 의해서 용탕은 탕도 끝까지 운반되어 탕구에서 가장 먼 주입구에 유입되게 하는 경향이 있다.

ㄷ. 비압력 주입방식은 큰 탕도와 탕구를 필요로 한다. 비압력 주입탕구계는 탕도와 탕구의 비교적 큰 단면적 때문에 일반적으로 같은 유량의 압력 주입방식 탕구계에 비하여 탕구계의 크기가 더 크기 때문에 주조수율이 좋지 않다.

비가압식 탕구계(탕구비 = 1 : 3 :3)

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압탕(risers)

◆ 압탕의 역할

압탕의 주요기능은 주물이 응고하는 마지막까지 용탕을 공급하는 데에 있다. 어느 경우에는 압탕을 탕구계의 일부

로 보기도 한다. 압탕의 크기는 주입할 금속의 종류에 따라 다를 수 있다. 주형에 대한 과도한 압력이나 약한 주형 때

문에주물이 원래의 치수보다 팽창하거나 부풀어 오를 경우 압탕으로부터 모자라는 양만큼 더 용탕을 보충하여야

한다.

◆ 압탕의 계산

주물이 완전히 응고를 완료할 때까지 용탕을 공급할 수 있어야 한다는 문제는 몇 가지 변수에 의해 좌우되며 이들 중

중요한 것을 다음에 열거하였다.

(1) 압탕의 형태

(2) 주물의 형태에 따른 압탕의 크기

(3) 압탕의 위치

(4) 제조할 주물들의 조합배치

(5) 압탕과 주물과의 연결

(6) 냉금(chill)의 사용

(7) 단열재나 발열재의 사용

(8) 연결부분에서 일어나는 특수한 조건

◆ 압탕의 형태

주물은 자신의 열에너지를 복사, 전달, 대류에 의해 외부로 전달한다. 이때 주물의 표면적과 체적의 차가 열전달속

도에 있어 중요하다. 이러한 개념을 수식적으로 나타낸 거시 시보리노프의 식(Shivorinov's rule)이다.

이식으로부터 주물과 같거나 더 큰 응고시간을 갖는 압탕의 최소크기는 그 형태가 구형일 때라는 사실을 알 수 있

다. 그러나 이러한 형태는 압탕의 형태로는 사용될 수 없고 실제조업에서는 원주형의 모양이 사용되고 있다.

◆ 내부압탕(internal riser)

주물의 전체 또는 부분적으로 둘러싸여진 압탕을 내부 압탕이라고 한다. 이러한 형태의 압탕은 내부의 모양이 원형

또는 원주형의 공간을 갖는 주물의 내부에 설치할 수 있다. 압탕이 부분적으로나마 주물에 둘러싸여 있으면 그 냉각

속도가 느려져서 급탕 능력이 우수해진다. 따라서 이러한 압탕은 주물의 위나 옆에 설치한 압탕보다 이점을 갖고 있

다. 이러한 이유 때문에 보통의 압탕보다 크기가 작아도 되며 주물의 회수율을 높일 수 있다.

◆ 패딩(padding)

경우에 따라서 급냉을 사용하기보다는 오히려 단면 그 자체에 구배진 패딩을 함으로써 방향성 응고를 얻는 것이 편

리할 때가 있다.

◆ 맹압탕(blind risers)

대부분의 압탕들은 대기에 노출되어 있다. 표면적 대 부피의 차를 최소로 줄이기 위하여 사형으로 밀폐되어진 압탕

을 맹압탕이라고 한다. 강의 경우에서는 응고중 외부로부터 껍질을 만들므로 탕구가 일찍 응고하여 주물과 맹압탕은

밀폐된 금속의 껍질을 만든다. 따라서 응고도중에 형성되는 수축에 의해 부분적으로 진공이 된다.

압탕의 껍질에는 흑연 또는 주물사로 만든 코어를 꽂아 대기와 통하도록 해야 한다. 이런 맹압탕을 특히 대기연계압

탕(atmospheric-riser) 또는 가압압탕(pressure-riser)이라고 부른다.

이외에도 맹압탕은 여러 가지 이점을 갖고 있는데 그 중 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.

(1) 가장 고온의 금속은 맹압탕에 있고 가장 저온의 금속은 주물내에 있게 된다.

이러한 현상은 방향성응고를 촉진한다.

(2) 맹압탕의 위치를 결정함에 어느 정도 융통성이 있다.

(3) 맹압탕의 크기는 개방압탕보다 작아도 된다.

(4) 응고 후에는 주물로부터 맹압탕의 제거가 비교적 용이하다.

◆ 압탕의 위치

압탕을 설치하지 않고 긴 봉이나 판재를 주조할 때 양끝으로부터 어떤 길이까지는 건전한 조직이 얻어진다.

이것은 다른 곳보다 끝부분에서의 열방출이 커서 이곳에서부터 방향성으고가 진행되기 때문이다. 또한 이러한 긴 봉

이나 판재의 중앙지점 적절한 곳에 압탕을 설치하여 수평으로 주조하면 압탕으로부터 양쪽의 얼마만큼의 거리까지는

압탕의 급냉에 의해 건전한 조직이 얻어지고 이 이외의 지점은 수축에 의해 건전하지 못한 곳이 생기게 된다.

이러한 두 효과를 각각 단부효과(end effect)와 압탕효과(riser effect)라고 정의한다. 만일 여러 가지 두께를 갖는 주

물을 만든다면 두께가 서로 다른 부분의 경계부분의 어느 한쪽에는 건전성에 문제가 생기는 부분이 나타날 것이다.

만일 두께가 얇은 것을 두꺼운 것에 붙여 놓는다면 두꺼운 쪽의 건전한 구역의 넓이는 짧은 쪽의 것보다 적어진다.

역으로 얇은 부분 옆에 두꺼운 부분이 붙어 있으면 두꺼운 부분이 없는 경우보다 있는 경우에 건전한 영역이 얇은쪽에

더 크게 나타난다. 또 다른 경우로서 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분이 동시에 중간두께의 부분에 붙어 있을 때를 생

각할 수 있다. 주강에 있어서 여러 가지 경우에 대한 급탕거리를 계산할 수 식을 표시하고 있다. 다른 합금의

경우에서도 이와 비스한 식을 만들 수 있다. 이러한 연구에 대한 결과 중의 하나가 균일한 두께의 경우보다 두께에 구

배를 가진 경우에 건전한 조직이 더 쉽게 얻어진다는 사실이다. 이러한 압탕과 단부의 효과를 알고 있다면 봉이나 판

재의 주물 전체가 건전한 조직을 갖도록 하는 압탕의 위치를 찾을 수 있다.

◆ 여러 개의 주물을 한 그룹으로 모으는 경우

내부압탕과 매우 밀접하게 관계된 경우로서 한 개의 압탕에 여러 개의 주물들을 연결하여 효율을 높이는 방법이 있다.

한 개의 압탕이 여러 개의 주물에 대해 급탕역할을 할 뿐 아니라 압탕 근처에서 주물들이 모여 연결되면 냉각속도를

늦추어서 압탕의 크기를 줄일 수 있다

◆ 주물과 압탕의 연결

압탕을 어떻게 주물에 연결할 것인가는 첫째로 압탕에 얼마나 주물에 대해 잘 급냉할 수 있는가, 둘째로 압탕의 응고

후 제거가 얼마나 용이한가를 결정해주기 때문에 중요한 문제가 된다. 또한 연결방법에 따라 어느 정도까지는 압탕이

응고를 완료하기 직전에 응고에 의해 생겨나는 수축부의 깊이를 조절할 수 있다. 수축부의 깊이를 잘 조절한다면 주

물에까지 수축부의 침투는 일어나지 않을 것이다. 주강인 경우(상부압탕이든 측면압탕이든) 목부분의 직경, 높이, 폭

에는 관심을 둘 필요가 없다. 중요한 것은 목부분의 면적이며 이것은 압탕목의 길이에 의해 주어진다.

◆ 단열 및 발열재

압탕의 응고시간을 증대시키는 기술의 발전에 의해 재래의 방법에서는 큰 압탕을 사용했던 것이 보다 작은 압탕으로

꼭 같은 역할을 하게 하고 있다. 이러한 결과로 회수율이 증대되며 압탕제거와 같은 후처리비용이 감소되었다.

단열 또는 발열슬리브(sleeve)의 사용으로 압탕의 응고시간을 증가시킨다는 것은 열전달의 이론을 생각하면 당연한

것이다. 단열재는 열이동속도를 감소시키기 위해 아주 낮은 열확산도를 갖는 재료를 이용한다. 단열 및 발열슬리브는

대기로 복사되는 열손실을 최소로 하기 위해 압타의 상부에 보온물질을 사용한다. 상부에 덮는 보온재료는 압탕을 파

이프형보다는 접시 모양으로 수축시키기 때문에 antipiping compound라고 부른다. 이 antipiping compound로써

사용되는 재료로는 발열재 및 단열재, 분말목탄, 흑연재, 쌀겨, 보리겨, 분말로 된 내화물이 있다. 이들 재료의 사용에

있어서 한 가지 문제점은 반응에 의한 가스의 방출이다. 주물에서 가스에 의한 결함을 방지하기 위해서는 가스배출에

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