비철금속 재료
ꊱ 비철금속의 합금
⑴ 구리와 그 합금
① 구리 : 구리(Cu, coupper) 는 철이나 알루미늄처럼 많이 사용되는 금속으로 귀금속에서는 금, 은 등과 합금 하여 쓰는 매우 귀중한 비철금속이다. 원래 구리란 그리스에서는"chalkos"로마에서는"cypriumaes"그 후에는"cuprum"으로 알려져 왔다. 그 명칭의 유래는 풍부한 천연 동을 가진 지중해의 사이프러스(cyprus)섬에서 산출되었기에 사이프러스에서 cypriumaes로 이름이 변한 것으로 전해진다.
구리의 고유한 색깔은 오렌지계의 적등색으로 비중은 8.96, 용융점1,083℃, 비등점2,600℃, 주조수축률1.42%이다. 전기 전도율은 은(Ag) 다음으로 큰 비자성체(非磁性體)의 금속이다. 건조한 공기 중에서는 잘 산화되지 않으나 표면이 산화되면 암 적색이 되고, 특히 탄산가스나 습기가 있으면 염기성 탄산 등의 동녹이 생긴다. 이 녹 청색의 동 녹은 인체에 매우 해로우므로 치사량(致死量) 이상 먹으면 죽게 된다. 그리고 맑은 물에는 변하지 않으나 소금물에는 부식된다. 희유산에는 다소 저항이 있으 나 질산과 짙은 유산에는 쉽게 부식되어 용해된다. 인장강도는 압연재의 경우 34~36kg/㎟, 연신율5%, 브리넬 경도 65~75로서 질이 연하고, 전연 성 등의 가공성이 풍부하며 특히 냉간 가공에 의해서 기계적 성질을 개선할 수가 있다. 가공정도가 심하면 가공경화해서 연신 율은 줄어드나 중간에서 200℃이상의 온도로서 열 풀림을 하면 다시 신장 성을 회복하여 잘 늘어나며 퍼진다. 구리가 다른 금속과 비교하여 우수한 점은 다음과 같다.
㉠ 전기 및 열의 양도 체이다.
㉡ 부식이 잘 되지 않는다.
㉢ 아름다운 색을 가진다.
㉣ 전연 성(展延性)이 좋아 유연하고, 가공하기 쉽다.
㉤ 아연, 주석, 니켈 등과 합금을 하면 귀금속 적 성질을 갖는다.
㉮ 구리의 용도 : 구리의 황동광(CuFeS₂), 휘동광(Cu₂S), 반동광(3Cu₂
S"Fe₂S₂),적동광(Cu₂O),또는 기타의 합동광석에서 건식 법 또는 습식법에 의
해서 조 동(粗銅)을 제조하거나 다시 전기 정련에 의해서 순도 높은 제품을 만든다.
그 외 전극 동, 정련구리, 탈산동, 무 산소 구리 등
㉯ 구리의 성질
㉠ 물리적 성질 : 물리적 성질은 아래와 같으며, 특히 열전도도가 보통 금속 중에서
가장 높고, 전기 전도 도는 은 다음으로 우수한데
구리의 순도에 따라 약간의 차이가 있다. 전기 전도 도에 가장 해로운 불순물은
티탄, 인, 철, 규소, 비소 등이다.
|
용융점(℃) |
끓는점 (℃) |
비중 (20℃) |
비열 (㎈/g℃) |
용융숨은열 (㎈/g) |
선팽창계수 [20℃] (×10-6℃) |
열전도도 [20℃] (㎈/cm.sec.℃) |
비저항 [20℃] (μΩ․cm) |
|
1,083 |
2.360 |
8.96 |
0.092 |
50.6 |
16.5 |
0.94 |
1.7241 |
<구리의 물리적 성질
㉡ 기계적 성질 : 구리의 기계적 성질도 마찬가지로 불순물의 함유량,열처리 및
가공조건에 따라서 뚜렷한 변화를 가져온다. 구리는 소성가공을 하게 강도는
증가하나 연신 율은 감소한다. 예를 들면 인장강도 24kg/㎟의 가공하면 약 2배
인 40kg/㎟까지도 되나, 연신 율은 25%정도의 가공으로 처음의 1/10 정도인
4~5%가 그이상의가공으로도 더 감소하지 않는다. 이들 가공 재를 풀림 하면
100~150℃에서 약간 연화되고, 150~250℃에서 재결정되므로 350℃이며 750℃
이상 고온으로 하면 결정입자의 성장이 일어나 기계적 성질이 나빠진다.
㉢ 구리의 주조 및 가공 : 구리의 용해에는 도가니로, 반사로, 전기로 등이 사용되
며, 이때 산화를 방지하기 위하여 용융 구리의 표면을 숯가루, 소금, 붕사 등의
용재로 덮어 공기나 연소 가스와의 직접반응이 일어나지 않도록 한다. 탈산제
로써는 0.01~0.05% : P, 0.02~0.07% : Si, 0.25~1.0% : Mn 등을 각각 P-Cu, Si-
Cu, Mn-Cu등의 모 합금 형태로 첨가한다. 어떠한 경우라도 탈산 원소가 남아
있 지 않도록 주의해야 한다. 구리주물은 기포가 생기기 쉬우므로 통기성이 좋
은 생형을 사용하거나 압탕을 크게 한다. 주입온도는 1,300℃가 정도가 적당하
다. 구리의 가공은 고온이나 상온에서 다 할 수 있다. 고온 가공은 750~850℃
정도에서 하고, 필요에 따라 적당한 상온가공을 하여 제품을 완성하며, 경우에
따라서는 열처리로 한다.
② 구리 합금 : 구리합금 중에는 황 동과 청동이 중요하며, 이러한 합금은 순 동과
같이 기계부품, 건축재료, 가구장식, 화폐 등에 널리 사용된다.
㉠ 황 동(黃銅, brass : 구리-아연 계 합금) : 황 동은 구리에 아연 50% 이하를 함
유한 동 합금을 말하며, 진 유(眞鍮)또는 놋쇠라고도 한다. 실용되는 것은 아연
40%이하의 것이 많고, 아연의 중량이 많고, 아연의 중량이 증가됨에 따라 비
중, 전기, 열, 전도율이 감소된다.
상온에서 강한 가공을 받은 봉, 관등은 사용중이나 보관 중에 잔류된 잔류 응
력(residual stress)으로 인해 균열이 생기는 일이 있다.
이것을 자연균열(seasoning crack) 이라고 하며, 냉간 가공으로 생긴 내부 응
력에 그 원인이 있다. 따라서 이를 방지하려면200~250℃에서 풀림 하여 내부
응력을 제거 하든가, 수은(Hg)과 암모니아 또는 염류나 알칼리성 성질과의 접
촉을 피해야 한다.
㉠ 실용 황 동(實用黃銅) : 황 동은 주물 또는 봉, 파이프 류, 각종기계, 기구, 일용
품, 공예품 등에 많이 쓰인다.
ⓐ 톰 백(tombac,단 동(丹銅)), : 일명 단 동이라고도 하는데 아연 5~20%가 함유
된 모든 구리 합금을 말하며, 재료의 색깔이 황금색에 가깝고, 소량의 납(Pb)
을 합금 한 것은 더욱 그러하다. 즉, 색은 금색에 가까워 모조금(模造金)으로
사용한다. 그밖에 단 동은 칠보 유약의 발색이 좋아서 칠보(metal enameling)
바탕 금속의 가장 좋은 재료 중의 하나가 된다.
ⓑ 길딩 메탈 (gilding metal) : 구리(95%-아연(5%)
ⓒ 커머셜 브론즈 (commercial bronze) : 구리(90%-아연(10%)
ⓓ 레드 브라스 (red brass) : 구리(85%-아연(15%)
ⓔ 로우 브라스 (low brass) : 구리((80%-아연(20%)
ⓕ 7:3 황 동(catrige brass) : 구리(70%-아연(30%)
ⓖ 하이 브라스 (high brass)
ⓗ 6:4 황 동 (muntz metal)
㉯ 청동(靑銅, bronz : 구리-주석 계의 합금) : 넓은 의미에서 황동 이외의 동 합금
은 모두 청동이라고 말하는데, 이것은 마치 황 동을 탄소강에 비교한다면 청동은
특수강과 같다. 강하고 단단하며, 녹슬지 않는 내식성과 용해하여 주형에 부으면
잘 흘러 들어가는 특징이 있다. 고대의 가구, 장신구, 무기, 불상, 종, 화폐, 거울,
기타 금속제품 등은 모두 주석 청동으로 만든 것이다. 즉, 황 동 보다 내식성 및
내마모성이 좋으므로 오늘날에도 각종 기계부품, 공예품 등에 널리 사용되고
있다.
㉠ 실용 청동(實用 靑銅)
ⓐ 압연용 청동 : 주석 3.5-7%의 합금, 판, 선, 봉 등의 제작에 사용된다.
ⓑ 기계용 청동 : 주석 8-12%를 함유한 청동은 현재에는 포신(砲身) 재료로 쓰지
않으나, 옛날에는 대포의 포신 재료로 많이 사용되었기 때문에 포금(gun
metal)이란 명칭이 생겼다.
수압이나 증기압에 견디므로 강력한 내식성이 요구되는 선박, 프로 펠러, 피스
톤, 밸브, 톱니바퀴 등에 많이 사용된다.
ⓒ 화폐용 청동(coin bronze) : 주석(3~10%)-아연(1%) 내외를 첨가하면 단조성
이 좋아지고, 프레스 작업이 용이하며, 단단하고 강인하여 마모 부식에 잘 견디
므로 모조화폐, 상패 등에 많이 사용된다.
ⓓ 미술공예용 청동 : 동상(銅像)이나 실내장식 또는 건축물에 사용되는 것으로
대개 구리(80~90%)-주석(2~8%)-아연(1~12%)-납(1~3%)의 합금을 사용한다.
● 종금(鐘金) : bell metal) : 이상의 합금에다 주석을 많이 섞은 것으로 경도가 크
고, 음색(音色)이 좋아져서 향동(響銅)이라고 하는 것이 있다. 이것은 주조 할
때에 용금의 유통과 다듬질 뒤의 음색 효과를 좋게 하기 위해 극히 소량의 납,
아연, 안티몬 등을 혼입 하지만 이 때 음향을 해치는 일이 많게 된다. 금, 은, 철
혹은 니켈등을 함유하면 음향을 좋게 한다고 하지만 큰 변화는 생기지 않는다.
그리고 아연의 함유량이 너무 많으면 녹 청의 아름다운 색을 나타내지 않는다.
이 밖에도 종 주물 재료로 주석 20~25%의 강하고 경도가 높은 재료도 사용된
다.
ⓔ 베어링용 청동(bearing bronze) : 주석10~14%를 함유하는 것은 전연성이 감
소되나 경도가 크고, 내마모성이 특히 커서 베어링, 차축등 마모가 큰 부분에
사용된다. 특히 납(Pb)5~15%를 가한 것은 기름의 윤활성에 우수한 성질이 있
으므로 철도차량, 공작기계, 압연기계의 고압용 베어링 등에 적당하다. 또 구리
에 30~40% Pb를 첨가한 합금을 켈멧 합금(kelmet alloy)이라 하는데, 이것은
고속용 베어링으로 항공기, 자동차 등에 널리 사용된다.
㉰ 저먼실버(german silver : nickel silver) : 일반적으로 양은(洋銀), 양백(洋白),
니켈실버(nikel silver)라고 하며, 구리합금 중에서 색깔이 희기 때문에 황동이
나 청동과 비교되는 용어로 백동(白銅)이라고도 한다. 광범위에 걸쳐 구리(45
~63%) - 아연(15～35%) - 니켈(5~35%)계의 합금 대다수가 여기에 속한다. 색
깔과 성질은 은색 비슷하여 실버(silver)라고도 했으나 이 합금 계에서 은(Ag)
은 전혀 포함되어 있지 않는 것에 주의 해야한다. 이 계통의 것에서 특수 황 동
에서는 저먼실버라 하여서 7 : 3 황 동에다 니켈 7~30%정도를 합금하며, 특수
청동에서는 니켈 16~20%정도 합 금한 니켈청동(nickel bronze)이 있다. 니켈
합금에서는 아연의 함량을 많게 하여 용융 점을 낮게 하고, 주조 성을 좋게 한
니켈-구리-아연 계의 백동 또는 쿠프로스(cuprous) 니켈 등이 있다. 특히 니
켈은 황 동에 현저한 표백작용을 갖고 있는데, 니켈이 10%이상의 것은 은색을
띠고 부식저항이 크다.약20% 이상일 때에는 은백색을 나타내며, 주물 재료로
도 사용된다. 용도는 관, 새시, 선 등의 가공 재 이외에 식기, 가정용구, 악기,
장식품, 전기, 스프링, 자동차 라디에이터의 제조에 많이 사용된다.
(2) 알루미늄과 그 합금
① 알루미늄 : 알루미늄(Al)은 근대 기술이 낳은 금속재료의 하나로서, 오늘날에는
가장 대표적인 경금속의 하나로 되어 있다. 원래 알루미늄은 1827년 발견된 원소
로서 규소(Si) 다음으로 지구상에 다량으로 존재하는 금속이다. 이것은 보크사이
트(bauxite) 광석으로 정련 제조되며, 비중은 2,699로서 공업적으로는 현재 사용
하는 마그네슘 다음으로 가벼운 경금속이다. 용융 온도는 660.2℃로 낮아서 가열
해 녹을 때도 붉은색을 띠지 않고 녹으므로 주의를 요한다. 인장강도는 풀림재의
경우4.8Kg/㎟, 연신율48.8%,브리넬 경도 17이다. 대기 중에서는 표면에 산소등
과 화합하여 더 이상 내부까지 침입하지 않는 단단하고 치밀한 산화피막
(Al₂O₂)을 형성하는데, 이것 때문에 알루미늄은 잘 부식되지 않는 내식성을 갖
게 된다. 그리고 맑은 물에서는 안전하나 소금물에서는 잘 부식된다. 알루미늄
착색의 경우 산화피막이 되는 성질을 이용하여 여러 가지 색깔로 피막을 착색하
여 쓰게 되는데 알마이트 가공에서는 착색 알마이트의 경우 순도가999의 것은
양호하나 997이하의 것은 불량 하다고 한다. 전기 전도 도는 구리의 약 65%로서
양도체이며, 열과 빛의 반사율이 좋아서 그의 표면을 잘 연마한 것은 조명기구의
반사경에 쓰인다. 주조성의 경우 일반적으로 주조가 용이하나 유동성이 적고, 수
축률과 가스의 흡수와 발산이 많아서 순수한 알루미늄의 주조는 곤란하므로 이
러한 주조 성을 개선하기 위해 대개 구리, 아연, 기타의 금속과 합금을 해서 쓴
다.
알루미늄은 다른 금속과 합금이 잘 되고, 또 압연 등의 냉간 가공에 의해서 신장
성은 감소하나 인장강도와 경도가 현저히 증가되며, 열간가공이 쉬움 등 가공성
과 전연 성이 크다. 보통 260℃ 이상에서 재결정이 생기며, 연신 율은 400~500℃
에서 극히 증가됨으로 압연(壓延), 압출(押出) 등의 가공은 이 온도의 범위에서
하게 된다. 용도로는 알루미늄은 근대 기술이 낳은 금속재료의 하나로서 이 금속
이 처음 나왔을때 나폴레옹 3세는 이 진귀한 금속으로 왕관을 만들었다는 에피
소드가 있다.
오늘날에는 가장 대표적인 경금속의 하나로 판(sheet), 섀시(sash), 선 (wire), 봉(bar), 박(foil), 분말(powder), 등의 상태로 가공되어 나오고, 특히 인체에
무독성(無毒性)의 금속이기 때문에 식기(食器), 식품 저장용 캔, 박(foil), 등으로
많이 사용된다. 이밖에도 가구, 건축용 자재, 송전선(送電線) 등에도 많이 사용
된다. 생략.
② 두랄루민(Duralumin) : 독일의 알프레드 윌름(Alfred Wilm)이 발명한 것 으로
서 구리(4%) - 마그네슘(0.5 ~1.0%) - 망간(0.5 ~1.0%) - 규소(0.5%) -알루미
나(나머지 %)의 합금으로 단련용 알루미늄 합금의 대표적인 것이다. 바닷물에
서의 내식성은 순 알루미늄의1/3 정도밖에 안 될 정도로 약하다. 시 효성이 있으
면서 기계적 성질이 우수하고, 질기고 가벼워서 항공기의 중요 구조 재나 차량
부속품에 사용된다. 생략.
③ 마그네슘 : 마그네슘(Mg)은 비중 1.743, 용융점 650℃, 비등점 1.110℃로서 가장
가벼우므로 항공기, 기타 가벼운 것으로 필요로 하는 구조재로 많이 사용된다.
특히 알루미늄 합금용, 티타늄, 제련용에 사용된다. 고온에서 발화하기 쉬우므
로 분말이나 박으로 하여 사진용 플레시(flash)로 사용한다. 공작기계로 절삭할
때 절삭열(切削熱)로 인해서 작은 부스러기 칩이 연소할 때가 있는데, 여기에다
뿌리게 되면 화력이 더욱 커져서 매우 위험하다. 이 때 주 철 부스러기와 함께
이것으로 불을 끄도록 한다. 생략.
④ 티타늄 : 티탄(Ti)은 최근에 공업적으로 생산되고 있으며 비중은 4.5로서 알루미
늄보다 무겁고 철보다 가벼운데, 여러 가지 성질을 가지고 있다.
티탄은 티탄철광 등을 원료로 하여 제련하는 클로르법 에서 얻어진다. 클로르
법으로 만든 티탄을 스폰지 티탄이라 하는데, 불순물을 함유하고 있다. 강도는
알루미늄이나 마그네슘보다 크고, 순수한 티탄은 50㎏/㎟ 정도의 강도를 가지
고 있으며, 점성과 강도가 크다. 특히 내식성이 좋으며, 해수에 대해서는 18Cr-
8Ni 스테인리스강보다 좋고 내열성도 500℃ 정도에서는 스테인리스강 보다 좋
다. 생략.
⑤ 니켈(Ni) : 은백색의 화려한 금속인 니켈은 비중 8.85, 융점 1,455℃, 비점2,450~
2,900℃, 열간․냉간 가공이 쉽고, 일반 대기 중에서 잘 부식되지 않으나 아황산
가스를 함유한 공기 중에서는 심하게 부식된다. 화학적으로 안전하고 내식성,
내열성, 전연 성이 있으며, 값이 비싼 재료다. 판, 봉, 관, 선 등의 가공 재 이외
에 화학공업용, 식품공업용, 진공관, 화폐, 전기 도금용으로 사용된다. 생략.
⑥ 코발트(Co) : 코발트는 철 족 원소의 하나로 철과 비슷한 광택이 나는 금속이며,
강자 성이다.
가열해도 잘 융화되지 않으며, 공기 속에 방치해도 표면에 녹이 슬 뿐 잘 부식되
지 않으나 산에는 서서히 녹아 수소를 발생한다. 합금으로서 중요한 고속도 강,
영구자석 등의 자성재료, 내열, 내식강등으로 사용된다.
비철합금으로서는 고온에서의 내 산화성, 내식성, 내마모성, 기계적 성질이 뛰어
난 것을 얻을 수 있으며, 결합 재 등으로 사용된다. 또한 도금에도 사용되고, 화합
물로서 유리, 도자기 등의 청색안료 등에 사용된다.
⑦ 텅스텐(W) : 고 융점의 금속으로 텅스텐(W) 과 몰리브덴(Mo)이 있다. 텅스텐은 백색 또는 회백색의 금속으로 습한 공기 속에서는 산화된다. 전구나 진공관의 필라멘트, 용접용 전극전기접점 등에 사용된다. 또 합 금으로서는 고속도강에 약18%, 영구 자석 강에 5～6%, 스테라이트 계 통의 내열․내식 합금에 5～22%가 첨가된다.
⑧ 납(Pb)
납 : 방연광(PbS) 의 원광에서 정제한다. 비중이 11.34로서 다른 금속에 비해서 비교적 크나 용융점은 327.4℃로서 매우 낮은 편이다. 상온에서의 압연가공이 쉬워서 판 등을 만들기에 좋다. 그런데 인장강도가 적어서 관이나 선을 만드는 데에는 인발가공(引拔加工)이 안되고 주로 압출
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(extrusion)에 의한 가공이 되고 만다. 납의 내식성은 황산, 염소, 인산, 암 모니아, 탄산나트륨, 수산화나트륨 등에는 강하나, 염산에 대해서는 다소 약하다. 납은 우리 인체의 피부에 오래 접촉되면 피부가 중독 되며, 특히 인체 내에 축적되면 무서운 중금속의 중독현상을 나타내므로 식기, 완구 등에 사용하는 납에는 절대로 10% 이상 함유되어서는 안 된다.
내식성이 좋아서 수도관 등에도 쓰이나 경수 및 천연수의 경우 표면에 불활성의 탄산염 피막이 생겨 그 이상의 납이 용해되지는 않지만 아주 주의해서 사용해야 한다.
이 밖에도 화학공업용 그릇, 땜납, 반응 로, 연관, 연판, 활자합금, 축전지 의 전극, 전선의 피복, 패킹, 칠보와 도자기 유약, 플라스틱 제조 등에 널 리 사용된다.
⑨ 아연 : 아연(Zn)은 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산되는 비철 금속으 로 값이 싸다. 아연은 철강재료의 망식 피복용으로 가장 많이 사용되며, 합금 원료로서 구리나 알루미늄에 첨가하면 값이 싸고, 우수한 재료를 얻을 수 있는 것이 특징이다.
최근에는 주조 성이 좋으므로 다이캐스팅용 합금으로서 용도가 광범위하 다. 또 아연은 육방정계합금이나 가공성이 비교적 좋으며, 냉간 가공도 가능하고, 아연판으로서 건전지 재료나 오프셋 인쇄용의판재로 사용된다. 아연은 용융점이 420℃, 끓는점이 906℃로 비교적 낮아 증류 법에 의해 순도 98.5% 정도의 지금(증류아연)을 얻을 수 있다. 증류아연은 1% Pb 와 미량의 철, 카드뮴, 주석을 함유한다. 생략.
⑩ 수은과 아말감
수은(Hg mercury) : 일반적으로 금속은 모두가 상온에서 고체형식의 결 정체인데 수은(Hg)을 비롯한 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 칼륨(K), 나트륨(Na) 등은 상온에서 약체로 되어 있다. 수은은 비중 13.55, 경도 2, 용해온도 38.9, 비등점 357℃로서 눈부신 은백색의 금강광택을 나타내며, 저융점 합금(fusible alloy)을 만들기도 한다. 수은은 희초산(稀硝酸) 및 왕수에 용 해되고, 상온에서도 증발 현상이 생긴다. 가열하면 비등점(357℃)직전에 적색의 산화물인 HgO로 된다. 455℃에서 흑화되며 등축결정으로 변한다. 수은(Hg)이 휘발할 때 생기는 독성이 굉장하여 머리에 오랜 시간 닿으면 머리카락이 빠지게 되고, 인체 내에 치사량 이상 흡입되어 축적되면 무 서운 신경마비 증세가 생기거나, 죽게 되므로 취급에 매우 주의해야 한 다. 이 밖에도 수은은 진공펌프 한난계(온도계), 수은등(水銀燈), 약품(藥
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品 : 일정한 분량 이상 사용금지), 수은전지(카메라, 전자계산기, 컴퓨터 용으로 소형이 생산되는데 사용 후 환경 오염문제를 일으키므로 반드시 한 곳에 모아서 폐기 처분해야 한다) 등에 사용된다.
아말감(amalgam) : 수은과 다른 금속과의 합금을 아말감이라 한다. 수은 과 합금이 잘되는 금속은 금( Au), 은(Ag), 구리(Cu), 주석 등이며, 합금 이 잘 되지 않는 금속은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등이다.
ꊲ 합금
어느 한 가지의 순 금속에 다른 원소(이 때 금속 이외에 다른 원소도 가능함)를 적당히 가하면 물리적 성질이나 기계적 성질이 개선된다. 이처럼 합금은 대체로 순 금속에 다른 금속이나 비금속을 융합 혼화 시킨 것을 말하는데, 이 때의 합금은 대체로 순 금속 때보다는 용융점이 낮아지고, 경도와 강도는 높아진다. 그리고 여러 가지 색상의 변화를 얻는 외에 내 약품성이 강하게 되는 등 여러 가지 이점이 있어서 금속공예에서는 특히, 합금을 많이 만들어서 사용한다.
① 합금의 목적 : 여러 가지 보석을 중심 석의 제품으로 제작함에 있어서 사용하는 금속의 강약과 경도를 개선하는 데 목적이 있다.
단일금속으로고 99%이상의 백금과 순금, 순은이 그대로 사용되는 경우 와 그렇지 않은 경우가 많다. 예를 들면 민성용(보석 없이 만드는 제품 으로 남녀용의 갑환, 지환, 사방반지, 실반지)등은 백금, 순금, 순은으로 도 적당하지만, 보석을 중심으로 제품을 만들 때에는 99% 백금, 순금, 순은 등은 이상적인 금속이라 할 수 없다. 너무 연하여 보석을 물릴 경우 지탱을 못하기 때문이다. 그러므로 고급 보석의 제품을 만들 때에 는 경도가 강한 합금제의 금속을 필요로 하게 된다.
합금된 금속에는 90%, 70%, 50%의 백금이 있고, 화이트 골드(WG)의 합금에는 K18, K14, K12, K10 등이 있으며, 금의 합금과 은의 합금 등 여러 가지 종류가 있다.
② 합금의 성질 : 순 금속(100%의 순도를 갖는 금속)은 전성과 연성이 풍 부하고, 전기 및 열의 양도체이지만 금속재료의 대부분이 단일금속보다 는 합금상태로 사용되고 있으며, 합금의 공통된 성질은 다음과 같다.
㉮ 강도와 경도를 증가시킨다.
㉯ 주조 성, 내열 및 내산 성이 좋아진다.
㉰ 용융 점이 낮아지고, 전기 저항이 증가한다.
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㉱ 색이 아름다워지고, 단일 금속보다. 대체로 우수한 성질이 나타난다.
③ 합금의 분류
㉮ 2원 합금 : 2원 합금은 2종류의 금속 또는 비금속이 혼합된 것으로 물리적․기계적인 방법으로 금속을 구별하기 어려운 상태를 말하며, 그 합금의 상태는 다음 3가지의 경우가 있다.
㉠ 두 종류의 금속이 미세한 결정으로 결합된 상태
㉡ 원자상태로 고용 체 상태
㉢ 금속간 화합물을 형성한 상태
두 금속을 용해시켰을 때 두 금속이 서로 물과 기름처럼 융합하지 않 는 것은 합금이라 할 수 없다. 예를 들면 Pb와 Ag, Pb와 Zn, Cu와 Au, Cu와 Pb금속이 여기에 속한다. 그러나 합금은 두 고체를 서로 접촉시 키며 가열하면 접촉부분에서 서로 확산작용을 일으켜서 생기는 경우와 고체를 서로 가스에 접촉시켜서 가스의 확산으로 인한 침투작용이 일 어나서 생기는 경우 등이 있다. 예를 들면 300～400℃에서 구리와 아 연을 접촉시키면 황동(brass)이 생기고 500℃로 가열된 암모니아(NH₃) 가스 중에 철(Fe)을 넣으면 철 표면에 질화 철이 생긴다. 합금을 만들 때는 융점이 높은 금속을 먼저 용해하고, 다음에 융점이 낮은 금속을 용해 한 뒤 응고시키는데, 고체와 고체, 고체와 가스, 고체와 액체, 액 체와 액체간 어느 경우에도 합금의 형성은 원자간의 인력, 즉 금속의 친화력에 의해서 결정된다.
친화력이 크면 화합물을 만들고, 약하면 서로 고용되며, 더욱 약하면 혼합물을 만든다. 따라서 합금의 조직상에 나타난 상태는 화합물, 고용 체 및 미세 결정의 혼합물 상태로 나타난다. 이 조직상태에 따라서 합 금의 기계적 또는 전기적 성질이 달라지며, 굳고 강한 합금 또는 전 기 및 열전도도가 높은 합금 등이 필요할 경우에는 그 상태도가 부분 적으로 또는 완전한 고용상태를 나타내는 합금을 선택한다. 그리고 한 금속에 다른 금속을 용해하면 그 금속이 용매 금속보다 경(硬) 하거나 연(軟)하거나를 불문하고 용매금속의 경도와 강도를 증가시키며, 한 금속에 소량의 다른 금속을 첨가하여도 전기 전도 도와 열 전도도가 크게 감소되고, 일반적으로 융점도 떨어진다.
㉯ 3원 합금 : 이상에서 3가지 성분으로 된 합금을 말한다.
㉰ 4원 합금 : 이상에서 4가지 성분으로 된 합금을 말한다.
㉱ 5원 합금 : 이상에서 5가지 성분으로 된 합금을 말한다.
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④ 귀금속 합금의 종류
㉮ 금 합금 : 모 합금 (母 合金, mother alloy) 이란 금 계열의 합금인 경 우 금을 제외한 나머지 합금 재료를 말한다. 합금이란 금속끼리의 성분 을 서로 잘 배합하여 그 장점을 보완하는 데 목적이 있다. 보통 합금 하면 말 그대로 여러 종류의 금속을 한꺼번에 같이 담아 녹이면 된다는 생각을 하기 쉬우나 이 발상은 참으로 어이없는 생각일 것이다. 즉 각 금속의 융점, 분자의 결합, 비율들이 서로 다르므로 그들의 정확한 이해 가 없이는 용도에 부합되는 금속을 제작할 수 없다.
금, 은, 구리 등과 같이 보통 3가지 금속으로 이루어진 합금은 ꡐ3원합 금ꡑ이라 한다. 금, 은, 구리의 3원 합금에서 금을 제외한 은, 동의 2원 합금이 모 합금이 되며, 이 모 합금에 의하여 그 특성이 다양하게 달라 진다. 금속의 합금에 있어서 항상 모 합금을 만드는 것이 중요한 일이 다. 모 합금의 합금 때 금속을 녹이는 순서는 금속을 2원소, 3원소, 4원 소 순으로 그 비중과 융점의 차이가 작은 것끼리 서로 합금 하여 차례 로 조성해야 한다. 용해에는 탄소 분말과 붕사 분을 혼합하여 금속표면 을 덮은 후 가열한다. 금속을 용해 시 사용하는 붕사는 결정 붕사보다 는 붕사 초자(분말)가 좋다. 붕사는 분자 결정수가 많으므로 가열하면 거품 모양의 발포 현상이 생기며, 붕사의 역할은 용해 금속의 표면을 덮어줌으로써 산소의 침투를 막아주는 것이다.
그리고 산화된 금속을 용해할 때 금속표면을 청결하게 해주는 작용도 한다.
탄소 분말의 사용은 산소가 금 또는 은 속으로 용해, 흡수됨을 방지하 기 위함이다. 이 탄소 분말의 사용은 금속을 가열하기 전에 첨가하지 않으면 효과를 기대할 수가 없다. 구리 또는 은이 혼합된 합금일 경우 에는 탄소 분말을 넣어도 산소를 흡수하게 되므로 반드시 금속 총 중량 의 0.2～0.3%를 가해야 좋은 결과를 기대할 수 있다. 특히 18K, 14K의 합금 시에는 극소량의 인동을 사용함이 바람직하다. 인(燐) 이 많이 첨 가되면 빨갛게 달구어져서 단조 가공할 때 터지고 갈라지기 때문이다. 금속의 용해에 있어서 모든 금속의 성질을 이해하지 못한 채 용해작업 을 하는 경우 금속을 너무 가열시키는 경우가 많다. 용해온도는 각 금 속의 융점보다 10 ～15% 정도 높이는 것이 좋다. 그 이상 높이게 되 면 여러 가지 결함이 발생하기 때문이다. 일반적으로 금속의 용해 작업 시 산화방지제로써 목탄가루, 식염, 석회석 등이 사용되며, 탈산제로는
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망간, 규소, 칼슘, 알루미늄, 인, 탄소 등이 사용된다.
㉯ 은 합금 : 은과 구리 합금은 가공 중에 현저하게 산화 변색(酸化變色)한 다. 1912년 세휠드의 다나까는 은에 아연을 가해서 불변색 합금을 발표 한 바 있으나 그리 호평을 받지 못했다. 미국 B․S(표준국)는 은 합금 에 대하여 철저한 연구를 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
㉠ 은에 비금속을 합금해서 시험해 본 결과 완전한 불변색은 없다. ㉡ 비금속 중에서 다소라도 은의 변색을 느리게 하는 것은 아연, 카드뮴, 주석, 안티몬의 4가지 금속이고, 이 중에서 아연과 카드뮴은 은을 경화(硬化)시킬 수는 없으나 주석과 안티몬은 은을 경화시킨다.
㉢ 그 외 모든 비금속은 은에 합금 하였을 때 산화를 촉진하거나 또는 산화를 방지하는 역할도 한다.
㉣ 은을 불변시키기 위해서는 금, 백금 또는 백금 족 금속 원자 비를 같은 양 이상 가해야 된다. 이 계통의 합금 중 비교적 값이 싼 것은 팔라듐(Pd)이다.
㉤ 이 연구를 행하던 중 「인쥬무」라는 신 금속이 나왔는데, 이 「인쥬 무」는 은의 변색을 늦출 수 있는 효과가 있는 것을 알았다.
위에서 말한 4가지 비금속을 은과 합금하는 비율을 보면 주석 10%, 카 드뮴4%, 안티몬 7%, 아연 35%까지 있다. 이 이상이 되면 복잡한 합금 이되고, 가공성이 나쁠 뿐만이 아니라 실용성이 없다. 은과 금을 합금하 면 강도가 높아지고, 내식성이 좋아진다. 또 은에 팔라듐을 합금하면 내 식성, 강도 등이 높아진다.
은에 니켈을 합금하면 내황화성(耐黃化性), 내소모성(耐消耗性), 내용착 성(耐容着性) 등이 은보다 훨씬 우수해진다. 은은 용해될 때 은 부피의 약20배에 달하는 많은 산소를 흡수하여 은이 응고할 때 가스를 방출하 면서 기공을 만든다. 순은은 산소의 흡수율이 심하기 때문에 주조성이 좋지 않다. 다시 말해서 다량의 가스를 흡수한 용량은 응고될 때 다량 의 가스를 방출하므로 주조 체에 꽃피는 모양의 주조 결함으로 나타나 이를 해소시키기 위해 그에 적절한 탄산제의 사용이 불가피 해진다.
주조
⑴ 주조가공
주조는 주금 또는 주물이라고도 하며 그 전에는 용주라고도 했다.
금속을 가열 용해시켜 주형(鑄型)틀에 흘려 부어 응고시켜 형의 크기나
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복잡성에 관계없이 각종 형태의 공예품이나 공업 제품을 생산하는 금속 가공기법으로 가장 일반적인 기법 중의 하나이며, 금속가공 중 가장 기 본이 되는 기법이다. 즉, 이 가공법은 일반적으로 기계적 강도는 낮지만, 형상이 복잡한 것이나 다른 가공법으로는 비싸고, 제조가 곤란한 것을 주조하기에 적합하다. 살 두께가 얇은 주물이나 금형에 주입시킨 소형 주물에서는 주상조직이 되지 않고 입상조직(粒狀組織)이 된다. 주조 품은 경도, 내마모성 파열 등에 잘 견디나 취약성이 있어서 부서지기 쉽다. 주 물의 표면은 모래형에 의한 것은 그 모래의 입도(粒度)에 의해서 제품 표면의 모습이 다르고, 또 표면을 연마해서 매끄럽게 할 수가 있다.
금형에 의한 경우는 표면은 매끄러워서 그대로 쓰는 경우가 보통이고, 또 이 때는 정확한 치수를 얻을 수가 있다. 보통 주조용 금속 재로는 주 철 이외에 알루미늄과 그 합금, 마그네슘합금, 구리와 그 합금 등이 쓰이 며, 주조작업에 필수적인 것으로는 주물 사(鑄物砂), 모형(원형), 주형, 도 가니(crucible), 가열장치, 용금을 보내는 장치, 금형을 개폐하는 장치 등 등 여러 가지 문제가 뒤따른다. 특히 정밀 주조와 다이 캐스팅에서는 경 합금을 주로 사용한다.
⑵ 주조의 작업공정
① 모형제작 : 모형(模型) 또는 원형(原型) 제작에 쓰이는 주조의 모형에 는 목형, 금형, 왁스 (밀납과 파라핀의 혼합), 석고, 시멘트형 등을 주로 쓰며, 이 밖에도 점토, 흙, 돌, 고무, 플라스틱 등 여러 가지 재료로써 바라는 바의 모형을 깎고 다듬어 쓴다.
특히 주금에서는 이 모형 제작의 여하에 따라 금 공 디자인에 커다란 영향을 주는 주요한 작업이 되므로 모형 제작에 대한 디자인과 이에 관 한 연구가 크게 기대된다.
② 주형(Mould) : 주형에는 모래형, 금형, 자경성 주형(시멘트 주형, 석고 주형, 탄산가스 주형, 후란수지 주형), 가열성 주형(shell lost wax주형), 등 여러 가지가 있다. 주 철이나 동 합금에는 주형재료로써 모래형이 가장 많이 쓰이고, 베빗메탈(babbit metal) 같은 저 융점 백색 금속 등은 가열성 주형에 의하여, 그 밖의 경금속은 금속제의 금형을 주로 쓴다.
③ 원료의 용해 : 쿠폴라(cupola) 등의 용해로가 주로 쓰이고, 구리합금이 나 경합금 등은 도가니에다 녹인다.
④ 다듬질 : 탕 구(湯口, sprue gate)에 남아 있던 불필요한 돌출 부분을
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잘라내고, 형태와 치수를 다시 재어서 연 삭, 연마해서 완료한다.
⑶ 주조 기법
① 진토주조 : 주형 재료로써 규석분과 점토 등을 혼합한 진토로 만든 주 형에 주조하는 방법이다.
② 물형 주조 (거푸집 주조) : 돌(주로 사암) 등에 자형(雌型)을 새긴 뒤 이 속에 모형 없이 직접 그대로 용해 금속을 부어 응고 시켜서 제작하 는 방법으로, 고대인들이 대체로 이 방법을 많이 이용하여 여러 가지 동경(銅鏡), 화폐, 무기 등을 제작했다.
③ 모래형 주조(砂型 鑄造), sand casting) : 주형재료를 모래, 즉 주물 사 등을 이용하여 제작하는 방법으로 다음의 3가지가 있다.
㉮ 생형 주조 : 모래형을 주조시켜 형을 뜸으로써 가공비는 싸지만 형틀 이 단단하게 경화되지 않아서 복잡하고 어렵다, 메달 등의 간단한 공예 품 등의 양산에 적합하다.
㉯ 소형 주조 : 사토(또는 진토)로써 만든 형을 800℃ 이상에서 여러 시 간을 구워서 수분을 제거하고 형을 경화시켜 뜨거운 형 속에 용금을 부 어 넣는 방법으로써 세밀 복원이 가능하다. 동상을 비롯한 여러 가지 공예품 제작 등에 이용되나 고도의 기술과 형을 오래 굽는데 따른 가공 비등이 결점으로 되어 있다.
㉰ 건조형 주조 : 형의 가운데 면을 가볍게 구워서 생형보다도 경화시켜 주조하는 방법인데, 생형과 소형의 중간 성능을 가지는 기술이다.
⑷ 정밀 주조
① 레프리카 주조 : 로스트 왁스 주조법과 같은 원리에서 모형재료를 왁 스 대신 실물 그대로 사용하여 매몰 재 속에서 태워 없애버린 빈속에 용해 금속을 주입시키는 방법을 말한다. 이것은 모형이 700～900℃정도 에서 타서 재가되어 버릴 수 있는 것이면 모두 왁스 모델대신 쓸 수가 있다. 즉, 꽃이나 나무열매, 곤충 등의 자연물이나 복잡한 형태로 매듭 지은 섬유의 질감(texture) 표현 등 여러 가지 모형이 소재로 사용될 수 있다.
② 납형 주조 : 밀납, 송진(松津), 파라핀(paraffine) 등을 섞은 납(蠟, 초의 일종)으로써 모형을 만들고, 이것을 진토로써 매몰한 후 초를 뜨겁게 구워서 녹여 흘려 없앤 뒤 그 모형이 있었던 빈 속, 즉 공극(空隙)에 용
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금을 부어서 성형시키는 방법으로 고대로 부터 일품(逸品) 공예 제작 등 복잡한 형이나 정교한 부조, 세밀한 문양 등의 주출(鑄出)에 이용되 어 종, 불상 등 주로 부피가 큰 금공품의 제작에 활용되어 왔다.
③ 납형 주조 : 범종이나 불상같이 대형의 납형 주조에서는 처음에 가운 데에 넣을 중자(中子)를 만들고, 중자의 표면에는 따뜻하고 부드럽게 한 납판(蠟板)을 붙여 가면서 이 납으로 모형을 만들어 간다. 이것을 소형 주조와 마찬가지로 형지(形持), 가스 구멍을 낸 기토(肌土), 조토(粗土), 근금(筋金) 등으로서 외형을 만든다. 저온으로 납(초) 을 구워서 흘려 없앤 뒤 형 굽기를 하고 주조를 한다. 이 경우 납의 두께가 되므로 가 능한 한 제품의 두께가 고른 것을 얻으려면 최초로 중자를 만들고, 여 기에 납을 붙일 충분한 계획을 세워야 한다.
④ 로스트 왁스 캐스팅(lost wax casting) : 이것은 납형 법과 같은 원리이 지만 규모가 작고 복잡하며, 정밀한 입체형의 똑같은 모형을 대량 생산 할 수 있는 방법으로 반지나 액세서리 이외에 치과의 치형틀, 제트기, 인공위성, 정밀기계의 부속품 제작 등에도 널리 이용되고 있다.
보통은 금속재의 주조용 플라스크(flask)에 원형을 집어넣고 탈납 한 뒤 지구의 중력과 수증기의 압력을 이용해서 붓는다. 압박주조(pressure casting)의 방법과 기계의 원심력을 이용해서 용해한 금속을 주입하는 원심주조(centrifugal casting) 그리고 주조형 플라스크를 진공펌프대 위 에 올려놓아 흡입시켜 주조하는 진공 주조법(vacuum casting) 등이 있 다. 원래 로스트 왁스란 명칭은 초의 성분인 왁스의 모형을 주형틀 속 에 넣고 매몰재(埋沒材)로 메꾼 뒤 가열하여 왁스(wax)가 녹아 없어지 게 되는 것(lost)이란 뜻에서 나온 말이다. 이때 매몰재가 가득찬 주형은 암형이 되며, 여기에다 녹인 금속을 부어서 주조하는 것을 로스트 왁스 주조 법이라고도 한다.
즉, 일반 모래형 주조의 경우 주형 틀이 상형과 하형 2개가 있어서 이 가운데에 있는 모형이 주형에서 잘 떨어지는 디자인이 되어야 하지만 로스트 왁스 주조 법에서는 매몰 재로 메꾼 모형이 들어 있는 주형을 그대로 구워낸 뒤 속이 빈 주형 속에 용 금을 주입하는 방법이다.
⑸ 정밀 주조 주모형 제작
주모형 제작에는 두 가지 공정이 있는데 그 하나는 원형제작(금속 사용)→ 고무형 제작 → 왁스→패턴제작의 순서를 밟는 공정이고, 다른 하나는
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여러 종류의 왁스를 소재로 하여 자유스러운 디자인을 형성하고 그 모델을 주조하는 공정이다.
① 금속원형 모델제작 : 원형모델(original model) 제작에 사용되는 금속재 료는 금, 은, 백금, 팔라듐 등의 강도가 있는 금속으로 제작할 수 있으 나 일반적으로 원형제작 기능공들은 은과 니켈(은96.5% + 니켈35%), 은 과 팔라듐(은90% + 팔라듐10%), 은과 팔라듐과 니켈(은 93% + 팔라듐 5% + 니켈2%)을 합금 하여 사용하고 있다.
원형모델의 크기는 모든 제작 공정이 끝난 완제품의 크기보다 커야한 다. 그 이유는 대략 주조의 모든 과정에서 10%정도의 수축이 있기 때 문이다. 즉, 고무주형(rubber mold)의 성형에서 약 2～3%, 주조과정에서 수축이 약 2%, 마무리 끝손질 과정인 줄질 작업 및 광내기 등에서 작 아지기 때문이다. 원형모델은 아주 완벽하게 다듬어져야 한다. 약간의 결점이 있으면, 고무주형이나 왁스주형, 그리고 마지막의 주조까지 결점 이 그대로 나타나서 주조된 금속을 다듬질하는 데 불필요한 노동력과 시간을 소비하게 된다. 금속 원형 모델에 로듐을 도금하면 고무주형의 면이 매끄럽게 되어 효과적이다. 로듐은 고가(高價)이기 때문에 니켈도 금을 하는 수도 있다. 그러나 모형에 도금까지 하는 원형모델 제작자는 극히 드물다.
② 왁스 원형 모델 제작 : 정밀주조에 사용하는 원형 모델 재료는 직물류, 화학 섬유류, 조개패류, 왁스류 등이 있으나 완전한 것은 상온에서 변형 되지 않고, 1,000℃ 정도로 가열하였을 경우 재가 남지 않는 것이 가장 적당하며 왁스는 이 조건에 가장 알맞다. 왁스 원형모델용 왁스로는 카 빙왁스 (carving wax : 조각용 왁스)를 사용한다.
㉮ 튜브왁스를 사용하여 제작(조각용 왁스)
㉠ 디자인을 결정한다.
㉡ 튜브왁스를 필요한 두께만큼 자른다.
㉢ 잘라낸 왁스의 절단면을 고른 후 반지의 치수를 지환 및 링바로 정 한다.
㉣ 결정한 디자인에 따라 왁스 위에 가이드 라인을 긋는다. 로스트 왁 스, 캐스팅의 왁스 작업을 하는 경우에는 반드시 가이드 라인을 긋 는 연습은 한다. 가이드 라인은 금긋기 바늘을 사용하는 것이 좋은 데 될 수 있는 한 날카로운 것이 좋다.
㉤ 가이드 라인을 따라서 줄질한다. 줄은 폭이 있는 평 줄이 사용하기
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에 좋다. 줄의 눈이 너무 거칠면 왁스 표면에 깊은 상처를 입히고, 다듬질 할 때 손질을 해야 하므로 보통 줄이 좋다. 줄 눈이 너무 가 는 경우 깎아낸 왁스가루가 줄 눈에 붙어 줄질하기에 지장을 주므로 좋지 않다.
㉥ 대략의 모양을 만든다. 부분적으로 줄질하거나 스파튤라로 깎아 낼 경우에는 왁스표면에 깊은 흠이 생기지 않도록 싸인 펜 등으로 가이 드 라인을 긋는다.
㉦ 반지의 안쪽을 깎는다. 겉쪽의 디자인이 완전히 끝나면 안쪽을 깎 는 다. 필요이상의 금속을 쓰지 않게 하기 위하여 작업을 한다. 최저 두께가 0.6㎜ 정도가 한도라고 생각하면 좋다. 그 이하일 경우에는 주조하여도 구멍이 생기거나 다듬질할 때 구멍니 생길 우려가 있다. 보석은 세팅한 반지, 펜던트 등을 모델링할 경우 주조할 때의 수축 여유인 2～3% 정도를 꼭 계산해야 한다. 특히 왁스 디자인에 보석 을 끼워 넣는 디자인일 경우는 약간 헐거운 정도로 해두는 것이 좋 다.
㉯ 시트(sheet) 왁스를 사용하여 제작
㉠ 디자인을 결정한다.
㉡ 반지 치수에 맞추어 왁스 판을 가늘고 길게 자른다.
㉢ 지환봉 치수에 맞추어 왁스를 반지형으로 하고, 스파튤라나 왁스 펜으로 붙인다.
㉣ 반지 형태가 된 왁스 위에 왁스를 쌓아 반지 윗면을 만들어 디자인 한다.
㉰ 주조용 왁스의 성질
㉠ 69～80℃ 정도의 낮은 용해 온도 범위를 갖는다.
㉡ 60℃ 정도에서 저온도 조작이 가능하다.
㉢ 상온에서 방치해도 무르게 되지 않고 강도를 유지한다.
㉣ 깨끗하고 평평한 표면을 갖는 주조 물이 될 수 있다.
㉤ 주형과 잘 분리될 수 있다.
㉥ 주입하는 도중에 주조 물에 변형 및 응력이 남지 않는다.
㉦ 수축이 적다.
㉱ 왁스의 종류
㉠ 블록왁스 (block wax)
㉡ 판 왁스 (sheet wax)
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㉢ 관 왁스 (tube wax)
㉣ 선 왁스 (wir wax)
㉤ 조각용 왁스 (carving wax)
㉥ 수용 왁스 (water soluble wax)
㉦ 봉 상 왁스 (sticky wax)
㉧ 탕 구 왁스 (sprue wax)
㉲왁스의 원료
㉠ 파라핀(palafin) : 석랍(초 원료), 주로 알카리계의 탄화수소 화합물
㉡ 카르나우바(carnauba) : 브라질산 야자나무 잎에서 분비한 납으로 황․녹색을 띤다.
㉢ 비이즈 왁스 (bees wax) : 밀랍
㉣ 디글리콜 스테아닌 산염( diglycol stearate) : 주로 비누, 양초, 의약 에 쓰인다.
㉤ 로진(rosin) : 소나무에 함유된 수지에서 테레핀유를 증류한 다음에 남은 파편 상의 반투명 수지로 황갈색이며 물에 녹지 않는다.
㉥ 글리 세린(glycerin)
㉦ 레진(resin) : 천연수지, 와니스, 합성 수지의 원료로 쓰인다.
㉧ 피마자유 수소 화합물(hydrogenated caster oil) : 피마자 열매를 압 착(壓着)하여 나온 무 색 또는 황색의 점성 유(黏性油)를 수소 화합 한 것이다.
㉨ 코우펄(copal) : 열대 산 각종 나무에서 얻은 천연수지
㉳ 왁스 모델링 용 기구 (tools for wax modeling)
㉠ 기본기구
ⓐ 왁스용 스파튤라(spatula)
ⅰ직선 스파튤라
ⅱ곡선 스파튤라
ⅲ가열 스파튤라
ⅳ전열 스파튤라 : 온도 조절이 용이하므로 최근에는 많이 사용하 고 있다.
ⓑ 왁스용 조각도(wax carver)
ⅰ왁스용 갈기
ⅱ왁스용 줄(file)
ⅲ왁스 조각도
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ⓒ 기타
알코올 램프, 지환 봉, 전기왁스용해로, 사포, 게이지, 링 게이지.
㉴ 전동 식 기계
㉠ 핸드피스 조각기계
㉡ 핸드피스 용 각종 바(bar)
③ 주형 틀 제작
㉮ 기구 및 재료 : 고무 주형을 만들기 위해서는 주형 고무(mold rubber), 주형 틀(mold flame), 주형 칼(mold knife), 벤진(benzine), 황동 막대(∅ 0.3㎝, 1/8〃), 스푸루우(sprue), 주입 구 등이 필요하다.
㉠ 주형용 고무 : 가공하지 않고 경화되지 않은 고무를 사용한다. 고무가 경화되기 전에는 유연성이 없고 펼치면 쉽게 부서진다. 경화시킨 후에 는 주형 물질로서 우수한 특성을 갖는다. 매우 유연하고, 강하게 늘어 나는 힘이 있고, 재단하고, 절단하기 쉬우며 부드럽고 오래 견딘다.
주형용 고무는 두께0.32㎝, 폭 7.3㎝, 길이 45.7㎝의 덩어리이나 두루마 리 뭉치의 상태로 되어 있어 필요한 길이만큼 사용할 수 있다. 보관을 깨끗하게 하며 서로 달라붙지 않도록 하기 위해서 천이나 플라스틱, 비닐 등으로 싸 놓는다.
㉡ 주형 틀 : 주로 Aluminum(알루미늄)제가 많다. 알루미늄제의 경우 폭 은 1.9㎝ 이상이 되어야 하며, 만약 폭이 좁을 경우에는 고무 경화 시 파괴될 위험이 있다.
㉢ 주형용 칼 : 외과용(수술용) 칼을 주로 사용한다. 곧은 날은 절단용이 며, 급은 날은 경화된 고무 주형 절개에 사용한다.
㉣ 벤진 : 고무표면 세척에 사용된다. 벤진 대신 사염화 탄소(carbon fefrachoride)도 사용한다.
㉤ 황동 막대 : 지름 0.3㎝의 황동 막대(보통 길이 3.8㎝ 정도)를 장신구 모형에 땜으로 붙여서 왁스가 고무 주형에 주입될 수 있는 통로 구실 을 하도록 만들어 주는 것이다. 작은 모형에는 작은 막대를 사용하며 황동 이외의 다른 금속도 사용할 수는 있다.
㉥ 스푸루우 포머 : wax가 쉽게 주입될 수 있도록 하기 위해 사용되는 것으로 깔대기 모양을 하고 있다.
④ 고무주형 제작
㉮ 알 맞는 고무형 틀을 고른다 : 원형(原型)을 중앙에 두었다고 생각하고 가로 9.5㎜, 세로 19㎜, 깊이 3.2㎜의 여유를 갖도록 한다. 너무 위․아 - 53 -
래가 두꺼우면 절단할 때, 왁스 패턴을 끄집어 낼 때 힘이 들고, 경제 적 측면에서 볼 때 고무가 너무 고무형이 얇으면 왁스를 사출 할 때 망가질 염려도 있다.
㉯ 고무형용 주형 틀에 두께 12㎜의 실리콘 고무를 깔아 넣는다.
㉰ ㉯항에서 원형을 손으로 누르는 것처럼 묻는다.
㉱ 원형의 반절 정도가 고무 속에 파묻히면 바닥에 깔았던 고무판의 두께 만큼 실리콘 고무를 위에서 눌러서 묻은 뒤 알루미늄 판으로 덮는다.
㉲ 전기 경화 기(vulcanizer)에 고무주형을 넣어 경화시킨다. 전기경화기에 고무를 경화시킬 때 필요한 조건은, 사용되는 고무의 종류와 두께에 따라서 시간 차이가 난다. 보통 온도는 154℃, 시간은 고무주형 두께 0.64㎝당 15분이 소요된다.
㉳ 고무주형을 주형용 칼을 사용해 절개한다.
⑤ 사 출(injaction)
㉮ 사출 용 왁스 : 사출 용 왁스가 갖추어야 할 성질은 다음과 같다.
㉠ 융점이 낮아야 하며 녹았을 때 잘 유입되어야 한다. 사출 온도가 낮 으면 낮을수록 수축률이 작아진다. 너무 고온으로 고무주형에 사출된 왁스는 고무 틀에 달라붙기 쉽고, 지나치게 유동적이어서 공기를 흡 수하면서 냉각할 때 왁스에 기포가 생기게 된다. 주조용 왁스의 사출 온도는 70℃～73.8℃이다.
㉡ 신속하고 순조롭게 식어서 굳어져야 한다.
㉢ 완성된 모형을 고무주형에서 떼어낼 수 있을 만큼 다소의 유연성이 필요하다.
㉣ 재나 잔재가 생기지 않고, 완전히 소성 되어야 한다.
㉯ 사출 기 : 왁스 패턴을 만들기 위하여 왁스 사출 기나 원심 사출 기를 이 용해 고무 주형에 왁스를 사출 하여 주입한다.
㉰ 왁스 패턴을 고무주형에서 떼어내는 법 : 고무주형이 식은 후(보통 1～2분 후)에 왁스를 떼어내는데 그 굳는 시간은 주형의 두께와 사용 한 왁스의 형태에 따라 다르다. 고무 주형을 너무 빨리 열면 왁스가 흘러나오며, 너무 늦게 열면 지나치게 굳어져 유연성이 없어져 부서진 다.
㉠ 주입된 왁스와 고무 주형이 달라붙지 않도록 하기 위하여 먼저 고무 주형에 분가루를 칠한다. 이 분가루는 고무 주형에 뿌릴 수 있도록 구멍이 있는 주머니에 넣은 활석 가루․땀띠 분을 사용한다. 1.27～
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2.25㎜ 페인트 솔로 고무에 가루를 바르기도 한다. 가루를 바르는 요 령은 안전커트가 가능한 한 많이 벌어지도록 고무 주형을 구부려서 고무 주형에 생긴 장신구 모형 자국과 안전커트 부분까지 분가루를 바른다. 과다하게 분가루를 칠했을 경우 주조물 모형의 날카롭고 섬 세한 부분이 무디어 지므로 에어 건 이나 입으로 불어서 고무 주형을 작업대에 두드려 털어 버린다. 분가루를 칠할 때 고무 주형을 휘어야 하는 것은 분가루가 안전커트 부분까지 잘 칠해져 입으로 불어 버려 도 왁스를 주입할 때 공기가 스며들어 나갈 수 있는 커트에 통로를 내주기 때문이다.
㉡ 알코올(50%)로 묽게 한 주조용 오일의 묽은 혼합물을 솔로 고무 주 형에 칠할 수도 있고, 왁스 분리 제로써 규소를 분무할 수 있다. 복잡 한 주형에서 쉽게 분리해 낼 수 있으므로 초보자들이 규소 분무 방법 을 이용하면 좋다. 규소 분무 때에도 예리하고 섬세한 부분이 무디어 지지 않도록 주의한다.
㉢ 왁스를 제거할 때의 자세 : 고무 주형의 아랫부분 판을 작업대에 누 르고 왼쪽 판을 밑 부분에서 위로 향하도록 분리한다. 위쪽을 아래쪽 반쯤에서 벗겨내면 왁스 패턴은 아래쪽 반절만 남아 있게 된다. 왁스 모형을 완전히 떼어 낼 수 있도록, 필요하면 구부려서 아래쪽 반절을 떼어 낸다.
㉱ 수정 : 고무 주형에서 떼어 낸 후 왁스 모형에 생긴 사소한 결함은 왁스를 덧붙이거나. 깎아 내서 수정할 수 있다. 결함은 때때로 왁스 패 턴에 있는 작은 기포 때문에 생기며, 고무 주형도 2개의 반쪽으로 분 리하면서 왁스 패턴에 생기는 선 즉, 분리 선에 의해서 결함이 생기는 일이 빈번하다. 높이 나온 결함은 칼로 깎아 낸다. 수정 과정은 아주 간단하다. 작은 솔을 온도 조절장치가 부착된 전기로 속의 뜨거운 왁 스 속에 담갔다가 즉시 결함 위에 바른다. 금속 주조 후 표면의 왁스 칠한 곳이 두껍게 되면 그 부위를 줄로 갈아낸다.
⑥ wax패턴 세우기(spruing)
㉮ 스푸루우를 붙일 때 유의할 점
㉠ 스푸루우는 충분한 크기로 갖추어져야 한다. 크기가 충분하지 않으 면 주조 시에 용해 금속을 주입시켰을 때 깊은 속까지 도달하기 전에 굳어지기 시작한다. 또 용해 금속이 잘 흘러들어 갔어도 응고와 함께 약간 수축이 된다.
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㉡ 메몰(investment)공정이 끝난 후에 소성로내에서 왁스가 녹아서 주형 밖으로 아무 저항 없이 빠져 나올 수 있도록 접합해야 한다.
㉢ 성형된 왁스 모델과 왁스 패턴의 디자인에 변형을 줄 수 있는 위치 에 스푸루우를 붙이지 않는다. 반지의 경우를 예로 들면 링의 평평한 부분에 붙인다.
㉣ 스푸루우를 붙일 때 가능한 한, 급각도를 피하고 주조할 때에 용해 금속이 이리저리 흩어져 흘러 들어가지 않도록 붙여야 한다. 왜냐하 면 각도가 너무 예각이면 질서 없이 흩어져 흘러 들어감은 물론, 마 치 강의 급류가 강둑을 깎아 내리는 것처럼, 용해 금속이 주형의 내 벽을 깎아 버려 매몰 재를 혼합할 때 물의 양이 많아 경도가 충분하 지 않은 이유도 있다. 주형의 기본형을 망가뜨려 주조 결함의 사태를 초래한다.
㉤ 매몰된 주형 내부에서 발생하는 가스 영향도 미리 생각하여 작업하 면 아주 완벽하다. 먼저 스푸루우 베이스에 왁스 패턴을 심는 조건 여하에 따라 주조 상태의 좋고 나쁨이 결정되므로 스푸루우 붙이기는 매우 중요한 공정이다. 왁스 패턴․왁스 모델을 스푸루우 베이스에 세우기 전에 처리해야 할 것으로는
ⓐ 점성(粘性)이 강한 왁스를 사용하는 경우 왁스의 찌꺼기 가루가 왁스 패턴․왁스 모델의 표면에 부착되는 일이 있으므로 먼저 에어 건을 사용하거나 부드러운 돼지털 브러시를 사용하여 가루를 제거한 다.
ⓑ 왁스가 유성(油性)이므로 물을 배척한다. 매몰할 때에 물의 막이 왁스 표면에 생기는 것을 방지하기 위하여 왁스 표면에 계면 활성제 (界面活性劑)를 붓으로 얼룩지지 않게 칠한다. 휘발성이 있으므로 칠 한 후 20～30분 건조한 뒤에 매몰하면 효과적이다. 일반 공장에서 대규모 주조 시에 사용된다. 팽창 수축을 억제하기 위하여 규석 분, 소석회, 규산 나트륨, 인조 시멘트, 붕산, 황산 가리, 로셀 염 등의 계면첨가제를 활성제로 사용한다.
⑦ 매몰(investment)
㉮ 매몰재
㉠ 석고 원석(CaSO₄․2H₂O, 이수석고) : 황산(黃酸) 칼슘의 화합물 로서 석영(石英)과 성분은 같지만 결정형(結晶形)이 다르다. 손톱으 로 긁어서 자국이 날 정도로 표면이 무르다. 결정상의 덩어리로 산 - 56 -
출 된다.
㉡ 실리카(SiO₂이산화규소) : 화산암(火山岩) 속에서 산출되며 잘 깨 지지 않는다. 고온고압(高溫高壓) 하에서도 잘 녹지 않는다. 온도 변 화의 영향을 받지 않으므로 매몰 재의 안정제 성분으로 쓰인다.
㉢ 에틸실리(조절 제)
㉣ 산화마그네슘, 수산화 암모늄(산화촉진제)
㉤ 아교․전분, 구연산나트륨, 붕사(지연 제)
㉥ 마그네슘․인산암모늄 : 위의 원료들을 합성하여 매몰 재 파우더, 즉, 합성 석고를 만든다. 여기서 매몰재가 갖추어야 할 조건은 다음 과 같다.
● 부식(腐蝕)되지 않을 것
● 합성과정(合成過程)에서 산(酸)이 생기지 않을 것
● 소성(燒成)과정에서 소성 로(燒成爐)나 플라스크에 영향을 주지 않을 것
● 금속을 녹여 주입(鑄入)한 후 금속과의 떨어짐이 좋을 것
㉯ 매몰 재의 혼합(mixing) : 매몰 재를 물과 섞어서 액체 상태로 만들어 왁스 패턴․왁스 모델을 매몰하는데 이 매몰 재 파우더와 물과의 혼 합 비(混合比) 에서 물의 양이 적으면 건조 후에 주형이 거칠게 되어 왁스 패턴의 정밀한 부분이 잘 나타나지 않는다. 일밤적으로 원칙적인 혼합비율은 매몰 재 파우더 100에 물 40으로 되어 있는데 실제로 각 주조공장에서는 특유한 비율로 혼합하고 있다. 예를 들면 왁스 패턴이 섬세한 형태인 경우 매몰재가 섬세하고 세밀한 부분까지 잘 흘러들어 있도록 물을 2%정도 추가해서 물4%의 혼합비로 혼합하고 있다. 반대 로 큰 왁스 모델의 경우에 플라스크내에 왁스모형을 많이 심었을 때 원심주조 방법을 이용해 주조하려면 원심력에 의해 매몰재 내부가 무 너지는 것을 방지하기 위하여 물의 비율을 30%로 하여 혼합한다. 이 렇게 경우에 따라서 혼합비를 조정하여 작용하는 것은 상당히 바람직 한 일이다. 매몰 재 파우더의 양은 플라스크 용적(容積)의 1.5배가 적 당하다(이 때 왁스패턴과 왁스 모델의 용적은 고려하지 않아도 된다).
● 매몰 재 혼합순서
㉠ 플라스크 용적의 1.5배의 매몰 재 파우더를 준비한다.
㉡ 매몰 재 파우더에 맞추어 물의 양을 계산한다.
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㉢ 물의 온도를 확인해서 (적당한 온도 22℃) 산출된 물을 고무그릇에 부어 놓는다.
㉣ ㉢에 매몰 재 파우더를 부어 넣는다.(주의 : 저으면서 넣으면 안 된 다. 물의 표면에 매몰 재 파우더의 막이 만들어질 정도가 좋다.)
㉤ 스파튤라로 2분 동안 천천히 저어 섞는다. 천천히 섞는 것은 매몰재 중에 기포가 생기지 않도록 하기 위해서이다. 물 속에 파우더를 넣어 서 응고하기 시작할 때까지의 시간을 믹싱 타임이라 하는데 이 시간 은 8～9분간이 적당하며 매몰작업은 이 시간에 마무리되어야 한다. 매몰재가 물과 혼합한 후 9분이 지나면 응고하기 시작한다. 믹싱 타 임이 너무 짧으면 혼합되지 않고 물과 매몰재가 분리되어 버리거나 왁스 패턴과 왁스모델 사이에 물의 막이 생겨 주조에 지장을 준다. 또 시간이 초과되어 9분이 지나면, 이미 굳기 시작하여 매몰재가 유 동성이 감소되어 왁스 패턴의 세밀한 부분까지 침투하지 못하여 불량 주조가 된다.
㉰ 탈 포(Vacuuming) : 탈포 란 매몰된 플라스크 내에 혼합된 매몰 재에 들어있는 기포를 제거하는 작업이다. 이 작업은 주형제작 공정에서 2 회 실시된다. 1차는 매몰 재 파우더와 물의 혼합 때이며, 2차는 플라 스크에 혼합된 액상의 매몰 재를 부을 때이다. 혼합된 매몰 재에 기 공(氣空)이 발생하는 이유는 다음과 같다.
㉠ 매몰 재 파우더는 분말(粉末)이므로 그 분말 사이에는 공기가 있다. 물과 혼합할 때에 표면에서 발포(發泡)하는 것을 보아 알 수 있다.
㉡ 매몰 재 파우더를 균일하게 혼합할 때 공기가 들어간다. 혼합하는 동안에 표면에서 거품이 일어나는 것으로 알 수 있다.
㉢ 스푸루우 베이스와 플라스크 경계선에 간격이 있어 여기로 공기가 들어간다.
㉣ 왁스 패턴의 배수성(排水性)에 의하여 혼합된 매몰재 중에서 밖으로 나가지 못한 공기가 왁스에 부착된다. 이러한 이유로 기포가 발생 하 는 데 기포를 제거한 다음 주조해야 양질의 우수한 주조 품을 생산할 수 있다.
⑧ 소성(burn out) : 매몰한 플라스크를 소성에 들러가기 전에 최소한 5.08㎝(지름 2〃플라스크의 경우), 40분에서 2시간 정도는 건조시켜야 한다. 또한 자연 건조 후 즉시 소성하지 않고 24시간 이상 혹은 수 일간 상온에서 매몰된 플라스크를 방치해두었을 경우에는 함유된 수분 - 58 -
이 건조되어 소성 할 때 균열이 생기는 원인이 된다. 이 경우에는 소 성전에 플라스크를 물통에 3～4분 동안 넣어 충분한 습기를 흡수시킨 후, 플라스크를 마른 수건으로 닦아서 소성 한다. 소성 할 때 소성 로 의 온도는 플라스크를 넣고 서서히 올려야 한다. 고온이 된 노(爐)속에 플라스크를 넣으면 주형에 금이 가기 쉽다. 매몰 재에 함유된 수분은 소성 할 때에 균열을 방지할 뿐만 아니라, 노 속의 온도가 상승함에 따라 수증기로 변하여 녹기 시작한 왁스를 증기압으로 밀어내는 역할 을 하게 된다. 만약에 이 필요한 수분이 없다면 매몰 재 속에 함유된 황산 칼슘(CaSO₄)성분이 노의 고온으로 분해하여 황화가스나 황 화 합물을 발생하여 인베스트먼트 플라스크 자체를 파손시켜 버린다. 황 산칼슘이 분해되면 균열이 생기며 주조 불량을 유발시킨다. 1회에 보 통 30개 정도가 매몰된 플라스크를 소성 한다. 노의 온도는 서서히 올 려가며 최고 온도를 730～760℃로 정한다.(아무리 올려도 787℃를 넘어 서는 절대 안 된다. 이 온도를 넘으면 주형에 균열이 생긴다) 소성 로 속에서 플라스크를 소성 하는 소요 시간은 보통 수 시간으로 되어 있지 만 그것은 플라스크․인 베스트먼트의 크기, 개수에 따라 다르다. 또 온 도를 상승시키는 방법, 내리는 방법에 따라서도 달라진다.
① 한 개의 플라스크 소성
㉠ 작은 플라스크(ф5㎝이상) : 1～2.5시간
㉡ 큰 플라스크(ф10.16이상) : 2～4시간
② 60개 이상 의 플라스크 소성 사이클의 예
㉠ 작은 플라스크(ф6.35㎝, 높이 6.35㎝) : 5시간 사이클
1시간 150℃
1시간 371℃
2시간 732℃
1시간 각 금속의 지정된 주조 온도
㉡ 중(中) 플라스크(ф8.89㎝, 높이 10.16) : 8시간 사이클
2시간 150℃
2시간 371℃
3시간 732℃
1시간 각 금속의 지정된 주조 온도
㉢ 큰 플라스크(ф10.16㎝, 높이 20.32㎝) : 12시간 사이클
2시간 150℃
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2시간 300℃
2시간 482℃
4시간 732℃
2시간 각 금속의 지정된 주조 온도
이상은 소성 사이클의 예 인데 주조하는 사람의 경험에 의해 자신의 사이클을 정하는 경우가 많다. 앞서 말한 바와 같이 플라스크의 크기, 개수, 왁스의 형상에 따라 변하기 때문이다. 어느 것이든 다음의 사항 은 기본 원칙이다.
㉮ 플라스크․인베스트먼트를 충분히 소성 한다.
㉯ 소성 최고 온도 732℃까지 노의 온도를 올려 왁스가 완전 연소될 때 까지 이 온도를 유지한다.
㉰ 787℃ 이상으로 절대 올리지 않는다.
㉱ 주조 온도가 서로 다른 2개 이상의 플라스크를 동시에 소성 하는 경 우에는 소성 로 깊숙한 곳에 주조 지정 온도가 낮은 순서로, 플라스 크를 두면 좋다.
㉲ 주조 온도란 금속을 주입시키기 바로 직전의 온도를 뜻한다. 소성 온도의 마지막 사이클은 반드시 주조 온도를 유지해야 한다. 플라스 크의 온도가 바로 내려가지 않으므로 먼저 소성로의 온도를 유지해야 한다. 플라스크의 온도가 바로 내려가지 않으므로 먼저 소성 로의 온 도를 지정 주조 온도로 내려 30분쯤 그 온도를 유지하면 플라스크 본 체의 온도에 따라서 내려간다.
㉳ 플라스크 바닥면에 스푸루우의 색상을 기억하여 왁스가 완전히 연소 되었는가를 확인한다. 또 스푸루우 주변 인베스트먼트 색상이 백색이 면 완전 연소, 스푸루우 인베스트먼트 색상이 회색이면 불완전 연소 상태이다.(회색은 카본의 색).
현재 사용되어지고 있는 소성 로는 전열 식과 가스 식이 있는데 학교 나 소규모 주조공장에서는 전열 식을 사용하고 대규모 주조 공장에서 는 가스 식 소성 로를 사용하고 있다.
㉠ 전열 식 방법(전기로) : 전기 로에는 로의 정면을 열고 닫을 수 있 도록 한 도어 식과 로의 윗 부분을 열었다 닫았다 할 수 있는 원통형 이 있다. 전열방식 로 에서는 소성온도를 측정하는 온도계가 부착 되 어 있으나 로의 내부 상태는 플라스크 위치에 따라 온도 차이가 발생
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< 주 조 온 도 >
|
합금, 금속 |
주조온도 |
금속과 왁스와의비율 |
플라스크온도(주조할순간) |
|
은(silver) |
914～952℃ |
10.4:1 |
427℃ |
|
금 14K 황색 |
895～923℃ |
13.07:1 |
482℃ |
|
금 10K 황색 |
900～928℃ |
13:1 |
510℃ |
|
금 14K 백색 |
1,014～1,042℃ |
12.61:1 |
538℃ |
|
청동(bronze) |
1,065.6℃ |
10:1 |
482℃ |
|
알루미늄 합금 |
426.7℃ |
1/2 |
204℃ |
하므로 온도계에 나타난 온도가 가장 적당한 온도라고 볼 수 없는 경 우가 많다. 따라서 매몰 재 표면 색을 육안으로 관찰하여 완전 소성 을 판정하고 있다.
㉡ 가스 식 소성 로 : 가스는 보통 프로판 가스와 도시 가스를 사용하 며 로의 아랫부분부터 점화되어 열이 위로 회전하게 되는 원리를 이 용한 것이다. 주로 대량 생산공장에서 활용되고 있다.
⑨ 주조(casting)
㉮ 금속의 용해
㉠ 도가니 점검
ⓐ 도가니가 깨지지 않았나 확인한다.
ⓑ 불순물을 제거한다(묽은 황산 액 처리 등).
ⓒ 붕사 질을 용해한다.
㉡ 금속 량의 산출 법
주조에 필요한 금속의 양을 산출하는데 기초가 되는 것은 금속의 비중이다. 주조용 왁스와 물은 중량이 거의 같다. 주조 왁스나 물의 비중은 1.00로 표시된다.
그러므로 왁스 주형을 만들기 위해서 필요한 금속의 중량을 결정하 는 데 비중표가 사용된다. 필요한 금속의 중량을 결정하기 위해서는 스푸루우가 달린 주형의 중량을 구한 후 이 중량에 주조될 금속의 비중을 곱하면 된다.
필요한 금속의 중량 = 주형 중량 × 금속의 비중
예)31.18g(1온스)스터어링 실버로 만들어진 왁스주형 1×10.40=10.40 - 61 -
즉, 324.272g(10.40온스) 만큼의 스터어링 실버가 필요하다.
그러나, 비중 치를 모르는 금속의 경우는 다음과 같은 방법을 적용 하면 된다. 눈금이 있는 실린더를 2개 가지고 한다.
금속의 비중은 동일한 부피의 물의 부 중량에 대한 금속의 무게를 비교해서 얻는다. 예를 들면S(10.5)의 비중은 동일한 부피의 물보다 10.5배 무겁다는 의미이다.
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금속 |
주입적정온도 |
금속 |
주입적정온도 |
|
금(YG : 황금색) |
|
백금(W.G.) |
|
|
18K |
945℃～973℃ |
18K |
964℃～992℃ |
|
14K |
895℃～923℃ |
14K |
1,014℃～1,042℃ |
|
10K |
900℃～928℃ |
10K |
1,067℃～1,095℃ |
|
은(silver) |
914℃～952℃ |
|
|
㉢ 주조 온도 : 금속을 가열하여 녹일 때 가장 중요한 점은 온도 관리 이다. 금속을 가열 용해해 가면 그 온도가 올라가는 시간이 상당히 빨라서 자칫하면 주조 적정 온도를 지나쳐 버리기 쉽다.
용융 상태의 금속을 너무 가열하여 끓어 넘치는 일은 바람직하지 못 하다. 과열(過熱) 은 용해 금속이 식을 때 수축을 증가시켜, 얻고자 하는 패턴의 주물이 불량해 진다. 또한 합금 중의 융점이 낮은 금속 이 증발되어 금속의 조직 상태가 불안정하게 되므로 항상 온도 광리 에 주의를 요한다. 일반적으로 용탕(溶湯)의 표면이 맑아 거울처럼 되었을 때를 최적 온도(最適溫度)로 본다.
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금 속 |
주입적정 온도 |
금 속 |
주입적정 온도 |
|
금(YG : 황금색) 18K 14K 10K 은(Silver) |
945℃～97.3℃ 895℃～923℃ 900℃～928℃ 914℃～952℃ |
백금(W.G.) 18K 14K 10K |
964℃～992℃ 1,014℃～1,042℃ 1,067℃～1,095℃ |
금, 백금은 그의 합금 비(合金比)에 따라 주조의 적정 온도가 다르 다. 이것은 그 합금 비에 의해 차가 생기는 것을 알 수 있다. 금 합 금의 용해 과정을 보면 가열하여 용융 점에 도달하면 표면이 부푼
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듯한 상태가 된다. 이 때가 적정 온도이다. 캐스팅 하고자 하는 금속 에 따라서 적정한 캐스팅 온도가 있으며, 캐스팅 할 순간의 알맞은 플라스크 온도가 있다.
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금 속 명 |
주형의 상태 |
주조 적정 온도 |
|
금(WG) |
얇은것 |
565℃～621℃ |
|
18K |
두께가 두꺼운 것 |
432℃～537℃ |
|
금(YG) |
섬세한 물체 |
565℃～621℃ |
|
14K |
얇은 물체 |
432℃～537℃ |
|
|
두꺼운 물체 |
426℃～454℃ |
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은(silver), 황동 |
|
426.67℃ |
㉯ 주조 방법
㉠ 원심 주조 법 : 원심 주조기의 회전 팔의 끝에 플라스크 인베스트먼 트를 올려놓고 그 앞에 금속을 용해시킬 도가니를 놓고 회전 팔을 같 은 속도로 회전시킨다. 회전할 때 도가니는 원심력에 의해 플라스크 인베스트먼트에 접합되면서 도가니에 있는 스푸루우를 지나 유입된다. 금속이 응고하도록 회전 팔을 잠시 동안 회전시킨 후 멈추면 주조가 끝난다. 주조 종료까지의 소요시간은 약 3분 걸린다. 회전 팔의 방향에 따라 수직 식과 수평식의 2종류가 있다. 수직 식은 주로 백금의 주조 에 사용되므로 흔히 볼 수 있는 형이 아니며 일반적으로 흔히 볼 수 있는 형은 수평식이다.
ⓐ 원심 주조기의 구조
○ 동력
수동 - 스프링 식(경제적이므로 널리 쓰인다)
전동 - 모터 식
○ 회전 팔의 회전속도 : 500～1,200rpm(이 속도 이상으로 회전 시키 면 주조불량의 원인이 된다)
㉡ 진공흡입 주조 법 : 플라스크 인베스트먼트의 내부를 진공에 가까운 상태로(이전까지 방법을 진공 주조 법이라 부름)한 다음 진공 상태를 풀었을 때 대기(大氣)의 흘러 들어가는 압력을 이용해 주형 내에 용 탕(溶湯)을 흘러 넣는다. 플라스크에 구멍이 뚫려 있어 옆, 밑이 동시 에 감 압 되어 주조된다.
ⓐ 기본공정
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○ 소성 공정까지는 다른 주조법과 같다. 흡입기의 진공 펌프의 틈 을 메꾸어 주는 가스킷(gasket)과 바킹(barking)과의 접촉면이 되는 플라스크의 윗면을 평평하게 해둔다.
○ 도가니 속의 용해 금속이 캐스팅 적정 온도에 도달하면 주조 기 (진공펌프) 위에 물로 축축하게 한 석면(石綿)을 깔고 소성 로에 서 충분히 소성 된 주형(플라스크 인베스트먼트)를 주입 구(sprue) 가 위로 향하도록 흡입기의 중심에 올린다.
○ 진공 펌프의 스위치를 온(on)으로 하여 진공 계가 60㎝․HG를 가 리 킬 때까지 기다린다.
○ 진공 계의 계 침이 60㎝․HG에 도달하면 용 탕을 탕 구에 붓고, 수초 간 경과되면 스위치를 오프(off)로 누른다.
이 주조기의 모든 원리는 진공 흡입기와 같으며 모두 손으로 조작할 수 있다. 흡입기의 진동도 손으로 두드릴 수 있게 되어 있고, 간편하며 가격도 저렴하다. 공방이나 대규모 주조 업자보다는 소규모 주조업자 들에게 적당하다.
㉰ 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)의 주조 : 융점이 백금 1,773.33℃, 팔라듐 1,555℃ 의 높은 융점을 가진 금속으로 특수한 기술과 내화성이 높은 석고를 신 속하게 사용할 수 있는 장비와 기구가 필요하다.
㉠ 플라스크 : 백금과 팔라듐의 주조에는 좁은 지름의 플라스크가 사용 된다. 이유는 한번에 백금 84.75g 이상을 식지 않게 주조하는 일이 어 렵기 때문이다. 상업용 주조 자들이 사용하는 플라스크의 지름은 6.35 ㎝이다.
㉡ 매몰을 위한 작업으로 플라스크에 라이닝을 붙인다. : 플라스크 내부 면에 두께 0.16㎝의 석면을 붙인다. 백금 주조에 사용되는 매몰 재는 식을 때 팽창하며, 석면 라이닝은 그 팽창을 완화해 주는 완충 역할 을 한다. 석면은 플라스크에 주입된 매몰 재에서 습기를 흡수해 줌으 로써 건조 과정을 촉진시킨다.
두께 0.16㎝(1/4〃)의 석면을 플라스크 높이보다 1.27㎝(1/2〃)좁게 절단한다. 좁게 하는 이유는 석면판을 플라스크 내면에 붙일 때 플라 스크 꼭대기와 바닥 면에 0.64㎝(1/8〃)씩의 여분이 생기기 때문이다. 매몰 재를 플라스크에 주입할 때 매몰재가 그 여백의 금속 부분에 붙 게 되고 그 결과 매몰 재를 소성 시킨 후 주조하는 동안에 석고(매몰 재)가 제자리에 붙어 있기 때문이다.
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석면 라이닝의 길이는 플라스크의 지름에 π(3.14)를 곱한 것과 같 다 양쪽 접힌 부분이 30°각도로 절단되어 있는 것은 석면 라이닝을 붙일 때 양 접합부분은 꼭 맞게 접합하기 위해서이다.
㉢ 석면 받침대 : 두께 0.32㎝(1/8〃)의 석면판을 플라스크의 지름보다 약간 큰 사각형으로 잘라서 사용한다. 왁스 플러그 구실을 하는 원형 손잡이를 석면판의 중심에 주입구가 생기도록 열을 가해서 붙인다. 왁스 플러그의 크기는 높이 1.91㎝(3/4〃), 상단의 너비 2.86㎝(11/8 〃),하단의 너비 1.91㎝(3/4〃)이다. 왁스 모형들을 이 왁스 플러그에 심는다(붙인다). 그 다음에 석면 라이닝을 댄 플라스크를 석면 받침대 가로 15.24㎝,세로 15.24㎝, 두께 0.64㎝(6〃×6〃×1/4〃)인 받침대위 에 놓고, 그 가장자리에 녹인 왁스를 발라서 석면 받침대를 밀폐시킨 다. 지름 1.27㎝의 구멍을 석면 받침대 중앙에 뚫고 왁스 플러그를 석 면 받침대 구멍 위에 붙인다. 이 때 주의할 점은 플라스크내의 석면 라이닝과 왁스 모형 사이에 최소한 1.27㎝(1/2〃)공간이 있어야 하며, 플라스크 상단 부와 왁스 패턴 사이는 2.54㎝(1〃) 정도의 여유 공간 이 있어야 한다. 플라스크를 선정할 때 항상 참고하여 선택하여야 한 다.
㉣ 매몰 재 섞는 법
ⓐ 백금 주조에 사용되는 매몰 재는 바인더로서 특별한 액체 상태의 농 축 물로 되어 있다.
플라스틱 마개 달린 1갈론(gallon)들이 깨끗한 병에 파우더(매몰용 분 말) 226g을 넣고 상온에서 물을 부어 흔들어서 혼합한다.
혼합 비율은 중량으로 파우더 100 에 바인더 30의 비율로 혼합하는데, 바인더를 필요한 양만큼 재는 데는 눈금을 표시한 실린더를 사용한다.
ⓑ 혼합할 때 바인더를 고무로 만든 혼합 그릇에 넣고 파우더를 서서히 넣는다. 혼합물은 고루 잘 섞여서 잘 흐를 수 있을 때까지 기계나 손 으로 섞어야 한다. 진공 상태를 만들어 기포를 제거시키는 작업과 플 라스크에 주입시키는 과정은 금, 은의 매몰 재와 비슷하다.
㉤ 진공 탈 포
ⓐ 충분한 진공, 탈 포를 위해 혼합된 매몰 재를 그릇 안에서 1～2분 동안 진공, 탈 포 시킨다.
ⓑ 플라스크를 채우고 다시 진공, 탈포 상태를 반복한다. 충분한 진공에 1분 30초 동안 매몰되어진 플라스크를 진공 시킨다(대략 총 2분 15초
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가 소요된다).
ⓒ 플라스크를 덮는다.
㉥ 세팅시간(setting time)
ⓐ 매몰되어진 플라스크를 건조하고 따뜻한 방에서 영향받지 않게 세운 다.
ⓑ 플라스크 크기에 따라 세팅 시간이 다르다. 예를 들면 지름8.89㎝× 높이11.43㎝되는 플라스크는 30～50분 정도 소요되며, 지름 11.43㎝, 높이 15.24㎝인 플라스크는 80～100분 취한다.
ⓒ 플라스크에 따라 다르지만 소성 전에 4～8시간 플라스크를 세워 둔 다.
㉦ 소성(burn out)
ⓐ 플라스크를 자연 건조시킨 후 소성 하는데 밤새도록 방치했다가 다 음 날 소성 하면 안 된다. 매몰한 날 주조해야 한다.
ⓑ 플라스크 소성시간(총 5시간)
상온에서 93℃까지.....1시간
93℃에서 177℃까지.....1.2시간
177℃에서 871℃까지.....2 1/2시간
871℃에서 ～ 계속.....1시간
871℃에서 플라스크에 주물을 주입한다(캐스팅 온도에 맞추어 주조 함).
ⓒ 주조(casting) : 백금과 팔라듐은 융점이 높아 빨리 식기 때문에 신 속하게 주조할 수 있는 주조 기를 사용해야 한다. 금속 용해 시에는
산소, 가스 토치를 40～50psi의 압력으로 사용하며, 푸른 불꽃의 길이 가 약 1.27㎝가 되도록 조절하여 사용한다. 대부분의 주조 자들이 56.50g용 플라스크를 사용하는데, 백금 56.50g을 용해시키는데 1분 정 도 소요된다. 이 때 짙은 색 보안경을 착용하고, 금속을 용해시킨다. 원심력을 이용하거나 진공 흡입을 사용하는 주조 기를 이용하여 주조 한다. 주입이 끝난 후 플라스크를 집게 없이 손으로 다룰 수 있을 때 까지 상온에 놓아둔다. 뜨거울 때 매몰 재를 제거하기 위해 플라스크 를 물 속에 넣는 것은 주조기의 파괴 원인이 된다. 석고(매몰재)를 가 능한 한 손으로 제거한다. 불화 수소 산을 사용해 주조 물을 깨끗이 손질한다.
⑩ 마무리 작업(finishing) : 마무리란 스푸루우가 붙어 있는 주조 물에서 - 66 -
스푸루우를 절단하여 제거시키고, 약품을 사용하여 화학적으로 표면을 세척 하든가 전동기계를 사용하여 표면을 정형하는 일이다.
㉮ 스푸루우의 절단 : 주조된 금속에 붙어 있는 매몰 재를 제거한 후 스 푸루우를 절단한다. 매몰 재를 제거하는 방법은 다음과 같다.
㉠ 거친 브러시로 문지르면서 흐르는 수돗물에 씻는다.
㉡ 에어 브러시 건을 사용하여 물기를 함께 빨아들이면서 직접 금속에 닿지 않게 씻어 금속 표면을 상처 없게 하며 시간도 단축시킨다.
㉢ 에어 건을 콤푸레셔에 연결, 접속시켜 사용한다.
㉯ 표면처리(surface stripping) : 물리적인 방법으로 폴리싱(polishing)할 수 없는 부분은 화학적으로 약품을 사용하여 처리하고, 루우터 처리, 줄(file)에 의한 다듬질, 버핑(burffing) 등으로 마감 처리된다.
㉠약품에 의한 세척(chemical cleaning)
ⓐ 희석 황산 처리(稀黃酸液 sulfuric acid) : 매몰 재 제거 시에는 초 음파 세척기나 증기 식 전기 스티머 세척기를 사용하거나 모래 또 는 물과 압축 공기의 혼합체를 주조 물에 품어서 매몰 재를 제거 하는 장치를 이용하기도 한다.
○ 황산(유산)1 : 물5의 비율로 희석한다. 이 때 반드시 용기에 물 을 먼저 붓고 거기에 황산을 조용히 붓는다. 순서가 반대이면 튀어서 매우 위험하다(살갗에 묻었을 경우에는 바로 물로 씻고, 산(酸)을 중화시키기 위하여 탄산나트륨(Na₂CO₃) 또는 비눗물 로 씻는다).
○ 금(金)계통으로 주조하였을 때에는 희석 황산 액에 중크롬 산 나트륨(Na₂Cr ₂O2H₂O)을 소량 첨가한다.
○ 이 과정을 짧은 시간에 효과적으로 반응을 얻고 싶을 때에는 구리(銅), 내화유리, 도기(陶器)등의 용기를 사용하여 용액을 가 열 한다.
○ 황산 처리에 쓰이는 용기는 유리, 도기, 플라스틱 제품이다.
○ 희석 황산 액 속에서 처리가 끝나면 중탄산나트륨, 탄산수소 나트륨(NaHCO₃)용액을 바른다.
○ 마지막으로 흐르는 물에 씻는다.
ⓑ 염산 수용액(鹽酸水溶液, hydrochloric acid)
○ 염산1 :물1의 비율로 희석한다(이 용액도 황산 처리처럼 반응 을 빠르게 하기 위하여 도기용기에서 1분 이상 가열하면 색이
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투명한 무색에서 감색으로 변한다).
○ 희석 황산 액에 비해 금속 표면의 산화 막, 매몰재 소성 시에 생긴 막 등을 제거하는데 효과적이다. 금, 은의 주조 후에 이 용액을 주조공장에서 사용하고 있다.
ⓒ 불화 수소 산 원액(hydrofluoric acid)
○ 백금의 후처리에 불화수소를 원액으로 사용한다. 저온, 고온에 관계없이 사용이 가능하다. 저온 액의 경우는 주조 물을 여러 시간 액 속에 담가 방치한다. 고온 액의 경우는 미리 구리의 조 각을 액 중에 담가 두고 주조 물을 구리 조각에 닿도록 3～5분 간 담근다.
○ 처리가 끝나면 흐르는 물에 씻어 중탄산나트륨의 수용액에 넣 어 산을 중화시킨 후 다시 흐르는 물에 씻는다.
○ 이 용액은 취급 시 주의해야 한다. 액 중에서 자연적으로 배출 하는 가스를 배출시킬 수 있는 후드장치가 설비된 장소가 아니면 사용이 불가능하다. 용액 중의 산은 매우 부식성이 좋으며, 자연 발생되는 가스를 마시면 피부가 상하는 등 위험하다. 담는 용기 는 도기(陶器)가 좋다.
㉡ 보 밍(bombing)에 의한 폴리싱(polishing) : 보 밍은 화학약품을 사용 하여 금속 표면의 껍질을 한 꺼풀 벗기는 것으로 일명 스트립(strip) 방식이라고도 한다.
ⓐ 용액 만드는 법 : 미지근한 물(30℃정도) 200㏄속에 청산 나트륨 (NaCN)을 1/2 티스푼 떨어뜨리고 나무 젓가락으로 잘 저어 섞은 후, 과산화수소(H₂O₂) 30～35%를 소량 첨가한다. 이 용액의 끓는 온 도가 82.2℃이므로 이 온도를 넘지 않도록 주의한다. 진주, 산호, 호 박, 오팔 등과 같이 표면의 경도가 낮은 보석을 제외하고는 보석에 무반응이므로 보석을 세팅한 채로 처리해도 무방하다.
ⓑ 사용시 주의 점
○ 용기는 유리 또는 플라스틱 제품의 주둥이가 넓은 것을 사용한 다. 주둥이가 좁으면 화산의 분화구처럼 뿜어내는 수가 있으니 주의해야 한다.
○ 보 밍 하는 금속은 금, 은으로 제한하는데 백금은 부적당하다. 특 수한 디자인을 하여 아무리 줄질하여도 어려운 부분이 있을 경우 이 보 밍 방법을 사용하여 마무리하면 효과적이다.
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○ 금과 은의 금속 물을 동시에 같은 용기에 같이 담아 보 밍 해서 는 안 된다. 용액 중에 금 성분이 은의 표면에 부착하면 좀처럼 떨어지지 않는다.
○ 발생하는 가스는 유독하기 때문에 용기에 접근하여 용액을 들여 다 보는 등의 가스를 직접 들이마시는 일이 없도록 한다.
ⓒ 보 밍 방법은 코팅 방법도 된다. : 예를 들면 14K를 보 밍 처리하 면 24K의 색 효과를 얻을 수 있다.
㉰ 초음파 세척기(ultrasonic cleaner)를 사용한 세척
㉱ 후 처리
㉠ 스푸루우 절단
ⓐ 루터를 사용하는 방법
ⓑ 하이 스피드 머신(high speed machine)
ⓒ 실톱을 이용한 절단
㉡ 정형(reforming) : 일단 금속이 굳어져 있는 상태의 수정이므로 최 초의 기본형을 바꾸는 대폭적인 수정이 아니라 세세한 부분의 약간 을 조정하는 일 이다. 마무리 작업에 사용되는 도구는 많은데 이 도 구와 장비를 사용하기 전에 중요한 일이 있다. 줄질하고 다듬질하는 부분과 주조 부분을 그대로 남기는 곳을 정확하게 구별해 두는 일이 다.
마무리 작업에 대해서 반지를 가지고 공정을 설명하면 다음과 같다.
ⓐ 지환 봉(ring mandrel)에 링을 끼워 망치로 가볍게 두드리며 링 사이즈를 늘린다.
ⓑ 스푸루우를 절단하여 절단면을 줄질한다.
ⓒ 바(bar)를 용도에 맞게 바꿔가며 루우터를 이용한 연마 및 폴리싱 을 한다.
ⓓ 끝으로 버 핑 한다(광내기).
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