주조의 기초이론
● 주물의 특징
금속은 변형저항이 크므로 목적으로 하는 모양으로 만들기가 쉽지 않다. 주조라 함은 이렇게 변형저항이 큰 고체상태의 금속을 용해해서 변형저항이 적은 액체상태로 만들고 만들고자 하는 모양의 주형에 주입하여 응고시켜서 목적하는 바의 모양을 한번에 만들어내는 것을 말한다. 이러한 주조기술의 특징으로서는 다음과 같은 것들을 들 수가 있다.
(1) 원하는 바 거의 모든 형태의 것을 만들 수가 있다.
(2) 수 그램으로부터 수 백톤에 이르는 것까지 모양이나 무게에 관계없이 만들 수가 있다.
(3) 거의 모든 합금의 주조가 가능하므로 이용할 수 있는 금속이나 합금의 폭이 굉장히 크다.
(4) 제작수량도 1개로부터 다량 생산할 수 있는 융통성이 크다.
(5) 다른 가공기술에 비해서 작업이 비교적 쉽다.
주물을 만들기 위해서는 금속이 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.
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● 주물의 분류
여러 가지 분류방법이 있는데 일반적으로는 재질에 따라서 분류하는 방법과 주형에 따라 분류하는 방법이 가장 많이 쓰인다.
◆ 재질에 따른 분류
표 1. 재질에 따른 분류
◆ 금형에 따른 분류
표 2. 금형에 따른 분류
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● 주물작업의 공정
주물이 제작되는 일반공정을 나타내면 아래의 그림 1과 같다.
이 공정도에서도 주물의 종류에 따라서 약간의 변화가 있으며 대략의 경우 주물의 모양이 얼마나 복잡한가 또는 주문하는 사람의 요구에 따라서 달라질 수가 있다. 뿐만 아니라 같은 주물을 제조한다 할지라도 여러 가지 방법이 있을 수가 있다.
주물의 제조는 그림 1의 오른쪽의 모형제작에서부터 시작된다. 모형은 주물과는 별도로 모형을 만드는 곳(pattern shop)에서 만들어지는 것이 일반적이다. 이렇게 만들어진 모형은, 모형 주위에 주물사를 채우고 내화점토를 점결제로 하는 주물사인 경우 필요한 경도가 될 때까지 다진다. 화학적인 점결제인 경우에는 손으로 눌러주거나 기계적으로 가볍게 다진 후에 화학적으로 경화한다. 주형은 일반적으로 상하형의 2개로 분리되게 만들고 주물사를 다진 후에는 모형을 빼내어 공간을 만들고 이 상하형을 다시 조립하면 주형 내부의 모형이 차지했던 공간이 남게 된다. 주물이 완성된 후 그 내부에 구멍이나 기타의 공간이 남게 하려면 코어(core)를 사용해야 한다. 코어는 주물사와 점결제로 제작하게 되는데 주형내부에 삽입된 후 용탕이 주입되더라도 이에 걸릴만한 충분한 강도와 경도 및 내화도를 가져야 한다. 따라서 모형은 주물의 외부모양을 만들어 주고 주물 내부의 모양은 코어가 만들어주게 된다. 코어는 코어상사(core box)가 있어야 제작할 수 있다.
실제의 주조작업은 그림 1의 오른쪽에서 용해로부터 시작이 된다. 용해된 용금은 용해로부터 래들(ladle)로 옮겨지고 이 래들을 채우고 이 용금이 응고가 완료되도록 한다. 응고가 완료되면 주형으로부터 주물을 꺼내서 주물표면에 붙어 있는 주물사를 털어 내고 주물과 같이 붙어 있는 탕구(gate, sprue), 탕도(runner) 및 압탕(riser)을 제거토록 한다. 여기서 압탕이라는 것은 주물의 응고시 금속의 수축으로 생기는 용탕의 부족을 보충하여 주기 위한 창고의 역할을 하는 것이다.
탕구 및 탕도는 주형의 공간으로 용탕을 안내하는 길의 역할을 하는 것이다. 이렇게 해서 완성된 주물은 필요에 따라서 응력제거 또는 특별한 열처리를 하거나 또는 그대로 여러 가지 방법으로 검사를 실시하고 이상유무를 판정한 후 출하하도록 하고 있다.
그림 1. 주물제작의 일반공정
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● 주물제작시 고려해야 할 사항
주조품은 만들기 쉽고 결함이 없는 것이어야 한다. 이 목적을 달성하기 위해서는 주조기술이 높을 것과 함께 주조품의 설계를 적절히 하여야 한다. 설계시에는 주조품의 외형, 내형 및 각 부분에 대해서 주형하기 쉽고 결함을 방지할 수 있으며 후가공이 쉬운 점등을 상세하게 검토하여야 한다. 이렇게 검토하므로써 주조품의 품질을 향상시키고, 불량률을 감소시키며, 가격을 싸게 할 수 있다.
(1) 주형의 용역
주형을 제조할 때는 주형상자 안에 모형을 놓고, 주물사를 다진 후 모형을 꺼낸다. 주형상자는 윗상자(cope)와 아랫상자(drag) 두 개를 사용하는 것이 보통이다. 그런데 조형을 쉽게 하기 위해서는 다음의 점이 필요하다.
a) 주물이 상하 두 개의 상자만으로 조형할 수 있도록 하여 2 이상의 상자 수를 쓰지 않아도 되어야 한다.
b) 분할면(parting plane)은 될수록 평면일 것
c) 모형의 형빼기가 될 수 있는 대로 옆면이 튀어나온 것이 없을 것.
d) 적당한 빼기구배를 줄 것
(2) 분할면을 고려할것
주형은 두 개로 분할이 되고, 그 분할면은 평면이 되어야 한다. 그림 3의 (a)는 주형을 셋으로 분할하지 않으면 보통의 방법으로는 조형이 되지 않는다. 셋으로 분할하면, 주형기에서 조형하기도 곤란하고, 합형 하는 경우 틈새가 뜨거나 주물사가 떨어지기도 쉽다. (b)는 이를 두 개로 분할하도록 한 경우이다. 주형분할면의 수를 변경함으로써 원가도 크게 줄일 수가 있다. 또한 주형분할면은 평면인 쪽이 조형하기 쉽고 만들어진 주물의 지느러미(fin)의 제거작업 등도 쉽다.
그림 3. 주형 분할면의 개조
(3) 형빼기
형빼기가 불가능한 혹이 튀어나온 모양이 안되도록 하여야 한다.
(4) 형빼기 구배(taper)
주형제작에서는 모형이 쉽게 빠지도록 꼭 형빼기구배를 붙여야 한다. 형빼기구배를 만들면 주형의 파손이 없어지고 또 그 결과 주물의 표면도 깨끗해진다. 높이가 높은 주물에서는 2~3° 낮은 주물이나 높이가 높은 주물의 위에 혹이 붙어 있는 경우는 10~15°의 구배를 준다.
(5) 조형공수
그림 4의 모양은 섬(pocket)이 깊어서 조형이 곤란해지거나 또 형 떨어지기가 쉬워지므로 될수록 낮게 하는 것이 좋다.
그림 4. 조형하기 쉬운모양으로 개조하는 경우
(6) 코어(core)
a) 코어의 공간부는 코어를 써서 만들게 되는데 주조시 코어가 이동해서 모양이나 치수가 변동되어서는 안 된다. 또 코어가 너무 얇아서 타붙든가, 가스발생을 하든가 해서는 안 된다. 또 될수록 코어는 그 수가 적을수록 좋다.
b) 코어의 두께는 적절해야 한다. 너무 얇거나 두꺼우면 코어가 주형시 용탕에 둘러싸이게 되므로 과열이 되고 그 결과 타붙음이나 가스발생의 결함을 일으키기 쉽다.
c) 코어의 수는 적은 것이 좋다. 코어는 주형과는 별도로 만들어야 하며, 또 이렇게 만든 후에 주형에 삽입해야 하며 따라서 손이 많이 가고 잘못 넣어 치수가 틀려지기도 쉽다. 코어가 될수록 없던가, 있어도 수가 적은 것이 좋다.
(7) 적절한 두께
주물의 두께는 전체적으로 밸런스가 잡혀 있어서 각 부분의 냉각의 균일함이 좋다. 또 압탕을 필요로 하는 재질에서는 압탕이 있는 쪽을 향해서 점점 두꺼워져서 용탕의 보급이 잘 되도록 하여야 한다. 그런데 너무 두꺼운 곳과 얇은 곳의 차가 많으면 용탕의 흐름이 나빠지거나 cold shut이 생기므로 최소두께부분에 대한 주의를 해야 한다.
a) 두께의 균일화
그림 5는 주철제 베어링 커버인데 (a)에서처럼 a의 부분의 두께가 두껍기 때문에 여기에 ???가 생긴다 이를 (b)의 a'와 같이 두께를 고르게 해서 균등화하면 결함을 방지할 수 있다.
그림 5. 두께가 두꺼운 곳을 균일하게 고른 경우
b) 압탕을 필요로 하는 재질에 있어서의 두께
그림 1-15는 주강품의 예인데 (a)의 모양으로 a부에 열점을 생기게 해서 ???을 만든다. 이를 (b)처럼 해서 압탕방향쪽으로 두께를 증가시켜 나가도록 하면 압탕으로부터 용탕이 보급되어 건전한 주물이 된다.
c) 최소두께
주물의 최소두께는 주물재질 및 크기에 따라서 고려하고, 일반적으로 표 3과 같은 값을 쓴다.
표 3. 경제적으로 제작이 가능한 주물의 최소두께 (mm)
(8) 굽돌림
a) 적절한 굽돌림(R)
살 두께가 서로 만나는 교차부에는 굽돌림을 해야 한다. 굽돌림을 하지 않든가 아주 적게 굽돌림을 하면 구석이 뾰죽해진 주형이 되어 그 부분이 과열되어 핫스포트(hot spot)가 되어 수축, 소착이나 가스발생의 원인이 된다. 그런데 굽돌림이 너무 크면 그 부분의 두께는 두꺼워지며 수축소가 생기기 쉽다.
b) 교차부의 굽돌림(R)
그림 6에 교차부 어떤 곳에 굽돌림을 하여야 하는가의 예를 들었다.
그림 6. 교차부의 굽돌림
c) 굽돌림(R)의 표준식
교차부의 굽돌림의 값은 서로 만나는 부분의 두꺼운 쪽 두께의 1/3을 표준으로 한다.
d) 굽돌림을 하지 않는 곳
주물의 구석이나 각이 주형의 분할면에 오는 경우에는 일반적으로 굽돌림을 하지 않는다. 또 굽돌림을 지정하지 않는다. 이는 굽돌림을 하면 조형하기가 힘들기 때문이다.
(9) 연결부, 교차부의 변화
서로 두께가 다른 부분을 직접 붙이는 것은 피하고 될수록 점차적으로 두께가 변하도록 하며, 이때 구배는 15°정도가 좋다. L, V, T자 등의 교차부의 변화도 될수록 완만하게 하고 안쪽 각진 쪽에 굽돌림을 붙이는데, 두께 차가 클 때에는 얇은 두께 쪽에 구배를 붙여서 차차로 두꺼워지도록 연결하고 각이 긴 쪽에는 표 4와 같이 굽돌림한다.
적절한 지지대(rib)는 주물의 강성을 높이거나 균열의 방지, 용탕의 흐름을 도와주는 등의 목적으로 쓰여진다. 너무 한 곳에 몰리면 주물의 온도가 불균일해지고 또 설치하는 장소에 따라서는 역으로 균열을 조장할 수도 있다.
표 4. 접속부, 교차부의 변화
(10) 알맞은 생김새
그림 7은 차바퀴를 보여 주고 있는데 (a)의 (i),(ii)는 스포크(spoke), 림(rim), 보스(bose) 3부분의 두께의 밸런스가 나빠서 수축시기가 달라져서 균열을 일으킨다. (iii)은 두께가 같아서 냉각도 거의 동시에 생기므로 균열의 발생이 적다. 그런데 스포크가 곧아서 서로 상대하는 위치에 있기 때문에 수축에 의한 인장응력이 직접 작용하여 이를 (b)처럼 (i)스포크의 위치를 달리하고, (ii)전체를 경사 시키면 (iii)에서처럼 응력을 완화시킬 수가 있어서 균열방지에 도움이 된다.
그림 7. 수축에 여유가 있는 구조를 취한 경우
(11) 모래털기, 지느러미를 떼기 쉬운 형태
모래털기, 탕구, 압탕의 절단, 지느러미떼기 공정은 주물제작공정 중 가장 사람의 손을 필요로 한다.
그림 8의
(a)는 코어사나 심금을 꺼내는 구멍이 적기 때문에 모래털기에 시간이 걸린다. 따라서 (
b)에서처럼 구멍 a를 설치하면 쉬워진다.
그림 8. 설치한 경우
(12) 기계가공하기 쉬운 모양
a) 가공기의 바이트와 벽과의 상대관계에 대한 고려
b) 가공시 기계에 고정하는데 대한 고려가 필요하다
(13) 주조를 고려한 기준면
가공기준면이 주조시에도 기준면이 되도록 함이 좋다. 즉, 주조시에 오차가 생기기 어려우면(하형면, 분할면의 구멍 중심등)을 기준면으로 한다. 상형은 주조시에 부상하든가 해서 오차가 생기기 쉬우므로 가공기준면으로 하면 부정확해지기 쉽다.
(14) 재질특성을 발휘할 수 있는 계산
주물재질의 특성을 고려해서 거기에 맞는 설계를 해야 한다. 주철주물은 만들기 쉽고 값도 싸나 포성이 있고 얇아지면 백선화하고 인장강도도 낮아진다. 따라서 압탕을 설치해야 하는 경우가 많으며 주물의 모양을 생각하면서 압탕을 어떻게 해야 할 것인가를 생각해야 한다. 또 강철물의 경우 복잡한 모양의 것도 분할 주조하여 용접해서 전체를 조립함이 가능하므로 이 점을 이용하면 쉽게 제작할 수 있다. 가단주철주물은 열처리를 하여야 사용할 수 있으며 이 이전에는 포성이 있어 균열이 쉽게 생기므로 주조시에 이를 고려해야 한다.
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● 주조품의 설계에 있어서 주의사항
이상 주철물에 있어서 모양이나 치수에 대해 지켜야 할 사항을 기술하였는데 만들어진 도면은 순서대로 다음과 같은 항목을 주의 깊게 살펴야 한다.
(1) 주입할 때 어떤 쪽을 위쪽 또는 밑으로 할 것인가?
(2) 어디까지를 상형으로 할까 또는 어디서부터 하형으로 할 것인가?
(3) 모형이 빠져 나오기 힘든 부가 있는가 조사하고 또 구배가 반대로 되어 있는 곳이 있는가 살펴본다.
(4) 내부모양을 보아 코어의 지지는 충분한가 보고 코어가 너무 얇지 않은가를 본다.
(5) 두께를 보아 너무 부분적으로 두꺼운 곳이 있는가 보고 그런 곳이 있으면 다른 곳과 균형이 취해지도록 한다.
(6) 굽돌림(R)을 조사하여 기준에 맞는가 알아보고 너무 크면 균형이 되게 한다.
(7) 리브(rib)의 위치, 크기를 알맞게 한다.
(8) 기계가공이 하기 쉬운 모양인가를 조사한다.
(9) 기준면을 구한다.
(10) 재질에 따르는 특별한 고려사항이 있는가를 알아본다. |
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.
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● 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
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◆ 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.
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◆ 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.
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● 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)>
K: fluidy factor, 유동도/40*
T: 평균주물두께, inch
W: 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) 주강
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 있다. |
◆ 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
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◆ 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
(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
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(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.
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● 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. |
◆ 주물형태에 따른 압탕의 크기
위의 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 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
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◆ 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. |
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● 순금속의 응고
불순물이 없는 완전한 순금속이라고 할 수 있는 것은 실제로 존재하지 않는다. 아무리 고순도화해도 순금속은 기껏해야 순도가 높은 것이 99.99%정도로 불순물이 약 0.01% 존재한다. 응고가 일어날 때는 이 정도의 불순물도 응고현상에는 꽤 현저한 영향을 주므로 실용적 의미에서 순금속이라는 것도 불순물을 함유하는 합금으로 생각하지 않으면 안된다.
그러나 응고현상의 기초지식으로 순금속의 응고에 관한 열역학적 사항을 고려하는 것이 필요하므로 먼저 용융점과 과냉, 핵성장과 그 성장에 대해서 개략적으로 설명한다. |
◆ 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 TM과 TB는 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. |
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● 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 TL보다 낮은 온도 T에 있다면 평형을 유지하며, 공존하는 고상과 액상의 용질농도는 CS와 CL이다. CS/CL의 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 CS는 계면의 액상 CL의 k0배인 값이 되고, 따라서 k0<1이면, 계면에서는 저농도의 고상이 생성되고, 나머지의 용질은 액상쪽으로 배출된다. 이 배출된 용질이 액상에 누적되면 계면에서의 액상농도 CL이 증가하고, 다음에 정출하는 고상농도 CS도 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 TL에 시료가 도달할 때 최초의 고상이 좌측에 응고한다고 가정하면(과냉 고려 안함), 그 고상온도는 CS = k0C0이다. 응고가 진행되면 액상과 고상의 용질온도가 증가해서 온도 T에서 고액계면이 생성된다. 이때의 고상분율을 fS라면 CSfS + CL(1-fS)=C0 의 관계가 성립한다. 더욱 응고가 진행되어 온도 TS에 도달하면 전부 응고하게 되고 CS=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 fS는 고상분율, CS는 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 CS는 변화하므로 초기과액의 상태가 된다.
다음에 정상상태에 도달한 후에는 꽤 긴 구간을 그와 같은 상태가 지속되지만, fS값이 0.9 정도되면, 잔류액상의 용질이 적으므로 고상계면으로부터 배출된 용질에 의한 액상의 농도증가가 급격하게 되어 재과도상태가 된다. |
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● 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 GL/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 GL/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. |
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● 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. |
◆ 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. |
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● 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 |
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● 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. |
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● 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.
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주형주조 의 이해
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● 원심주조법
원심주조법은 용융금속을 주입 응고시킬 때 주형을 고속으로 회전하여 그 원심력을 이용하는 것으로 다음과 같은 특징이 있다.
(1) 용융금속은 주형내에 고속으로 유입 분포되어 유동성 불량을 방지하고 살결이 고와진다.
(2) 용융금속에 높은 압력이 걸리게 되므로 주물의 조직이 치밀하고 기공이 없다. 또한 비중차이에 의하여 금속개재물의 분리 제거가 빨리 이루어진다.
(3) 수도관 등 원통형 주물의 경우에도 코어가 필요없다. 또한 작업시간이 짧고 다량생산이 가능하다.
(4) 주물의 모양에 따라 다르지만 많은 경우 탕구나 압탕이 불필요하다. |
◆ 원심주조법의 종류
(1) 진원심주조법(True centrifugal casting)
액체를 원통형의 용기에 넣어 수직 또는 수평축을 중심으로 회전시키면 액체는 용기의 내벽에 붙게 되어 속이 비게 된다. 주로 수평축을 이용하는 방법에 의하여 실린더 라이너, 슬리브, 수도관 등을 제조하며 코어가 필요없고 기공등의 결함을 배제할 수 있다. 또 재질이 치밀하고 기계적 성질이 좋으며, 코어나 압탕, 탕도가 없으므로 생산성과 회수율이 높고 원가도 싸게 된다.
(2) 반원심주조법(semi-centrifugal casting)
원판형의 차바퀴, 풀리, 스포로켓 등을 그 대칭축을 수직회전축으로 하여 회전시키면서 중앙의 탕구부터 용탕을 주입하는 방법이다. 이 경우 용탕에 작용하는 원심력 때문에 주물의 중간부위가 얇더라도 탕구로부터의 압탕효과가 크다. 또 주형을 여러 개 쌓아올려 적층주형(stack mold)으로 하면 회수율을 더욱 높일 수 있다.
(3) 원심가압주조법(centrifuged casting)
불규칙한 모양의 주물을 중앙의 탕구로부터 방사상으로 탕도를 붙여 배치하고, 탕구를 수직회전축으로 주형을 회전시키면서 주입하는 방법으로 주물의 중심축을 회전축으로 하지 않는다는 점이 다른 방법과 다르다. 보통 작고 간단한 모양의 주물을 만드는데 이용되며, 될수록 같거나 비슷한 모양의 물건을 탕구 주위에 배치하여 회전시의 균형을 맞추어 주어 진동을 줄이는 것이 좋다. |
◆ 원심주조기와 주형
원심주조기에는 회전장치, 주입장치, 용탕냉각장치, 제품을 꺼내는 장치 등이 필요하다. 주입장치에는 이동식과 고정식이 있는데 이동식은 수평식 원심주조법에서 얇고 긴 주물을 만들 때 주로 사용되는 것으로 주입 중에 주형이 일정한 속도로 후퇴하는 De Lavaud 법이 대표적이다. 이 방법에 의하면 용탕이 주형의 어느 한 곳에 집중되지 않고 전면에 걸쳐 골고루 분포하게 된다. 주형으로는 금형, 연형이 주로 사용되며 금형의 재질은 보통 내열주철이나 Mo을 첨가한 내열강이다. |
◆ 주조법
원심주조에서는
(1) 용탕을 주형의 전면에 걸쳐 골고루 빨리 분포시킬 것.
(2) 용탕을 주형면으로부터 내면으로 향하여 방향성 응고시킬 것.
(3) 용탕 중의 개재물은 주물의 내면에 모이게 할 것
등의 원칙을 지켜야 두께가 균일하고 건전한 주물을 얻을 수 있다. 이를 위해서는 주형의 회전속도, 주입온도, 주입속도를 적절히 설정해야 한다. 원심주조에서 주형의 회전속도를 결정할 때는 다음 방법에 의하여 한다. 주물의 중심으로부터 r(cm) 떨어진 어떤 질점에 작용하는 원심력은
(m:질량, r: 회전반경, w:각속도, N:회전속도)
이므로 직경 D인 주물의 경우 중력배수는
(W: 중력, F: 원심력, g: 중력가속도, D: 주물의 직경, N: 회전속도)
로 된다.
회전하는 용탕에는 이와 같은 원심력이 작용하므로 비중이 작은 비금속개재물들은 바깥쪽으로부터 안쪽으로 이동하여 안쪽에 모이게 된다. 이때 이들의 이동은 용탕의 점성이 작을수록 용탕과 비금속개재물과의 비중차이, 원심력의 가속도, 비금속개재물의 크기가 클수록 쉬워진다. 한편 용탕으로부터 정출된 초정의 경우에도 마찬가지로 남아 있는 용탕보다 비중이 작을 때에는 주물의 안쪽으로, 클때에는 바깥쪽으로 이동하여 성분상의 편석을 일으킨다. 주철관의 경우 규소는 잘 편석되지 않으나 망간과 유황은 안쪽에, 인은 두께의 중심부에 편석되기 쉬우며 흑연은 안쪽, 시멘타이트는 바깥쪽에 편석된다.
주입된 용탕은 바깥쪽으로부터 방향성응고를 하게 되는데 이때 수축에 의하여 바깥둘레가 주형면으로부터 떨어져 그 사이에 틈새가 생기게 된다. 이 응고층은 안쪽의 용탕에 작용하는 원심력에 의하여 인장응력을 받게 되고 이때 회전속도나 주입속도가 너무 크거나 주입온도가 너무 높으면 길이 방향으로나 원주방향으로 열간균열이 생기게 된다. 또 회전속도가 너무 작거나 주입속도가 너무 크면 원심력이 부족하여 적하(raining)현상을 일으키게 된다. 이렇게 되면 내면의 산화가 급격히 일어나고 방향성응고가 방해받게 되고 수축공발생의 원인이 되기도 한다. |
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● 다이캐스트(Die Cast)
다이캐스트는 원래 3가지의 형태 즉, 중력다이캐스트, 저압다이캐스트, 압력다이캐스트가 있는데, 일반적으로 다이캐스트라고 하면 압력다이캐스트를 말하며 여기서도 압력다이캐스트에 대하여 기술한다. 다이캐스트법은 용탕을 금형(dies)에 가압 주입하여 고속으로 금속을 주조하는 방법이다. 보통 치수정밀도가 높은 부품의 다량생산에 적합하며 그 특징에는 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 복잡한 모양의 주물생산이 가능하다.
(2) 얇은 주물의 생산이 가능하다.
(3) 단가가 싸고 생산속도가 크다.
(4) 치수의 정밀도가 높고 살결이 곱다.
(5) 용융점이 낮은 금속이라야 한다.
(6) 설비비와 금형제작비가 고가이다.
(7) 일정량 이상의 생산개수가 확보되어야 경제성이 있다.
다이캐스트법의 특징은 다른 정밀주조법에 비하여 생산속도가 가장 높고 치수정밀도도 investment 주조법 다음이다. 주물 1개의 최대중량은 금형주물, 쉘형주물에는 못미치나 자동차엔진의 크랭크 케이스도 가능하다. 이 주조법은 자동차, 가정용 전기기구, 정밀기계, 계측기의 케이스등의 제조에 널리 이용되고 있다. |
◆ 다이캐스트 크기
다이캐스트기는 보통 급가압실(cold chamber)식 다이캐스트기와 열가압실(hot chamber)식 다이캐스트기로 나뉘는데 후자는 구즈넥(gooseneck)다이캐스트기라고도 불리운다. 급가압실식 다이캐스트기는 Al합금 이상의 용융점이 높은 합금의 주조에 주로 이용된다. 용해로가 다로 있어서 쇳물국자에 용탕을 받아 슬리브 내에 부은 후 플런저(plunger)로 금형내로 밀어 넣게 된다. 열가압실식 다이캐스트기는 주로 Zn합금 이하의 용융점이 낮은 합금의 주조에 이용된다. |
◆ 주 조
다이캐스팅에서는 주형이 금형인 동시에 주물의 체적에 대한 표면적의 비가 크므로 주조시간은 극히 짧다. 넓은 주조면적을 단시간에 채우려면 용탕의 유속이 커야 하며 따라서 주입압력을 크게 할 필요가 있다. 용탕의 주입속도가 크면 살결이 좋은 주물을 얻을 수 있으나, 너무 크면 공기를 흡입하여 작은 기공을 만들기 쉬우므로 속도의 조절이 중요하다.
다이캐스팅에 있어서 주물에 생기는 공간에는 (1)수축에 의한 수축공, (2)주입시 유입되는 공기에 의한 기공, (3) 불충분한 충전에 의한 잉여공간 등 3종류가 있다. 주입압력을 높이면 유입된 공기의 양은 같아도 기공의 부피는 작아지는데 이것은 공기가 주입최종기의 정압에 의하여 압축된 상태로 주물이 응고하기 때문이다. 이 압축된 공기는 종종 주물의 표면에 블리스터(blister, 얇은 피막으로 덮힌 얇은 기공)을 생성시킨다. 한편 주입온도, 주형온도가 높고 용탕의 유속이 크면 국부적으로 용탕이 금형에 융착될 때가 있다. 이를 방지하기 위하여 다이캐스팅용의 이형제(離型濟)가 필요하다. 보통 석유계통의 기름에 흑연가루 또는 Al분말을 포함한 것이나 실리콘 오일등이 사용되며 분사기나 붓으로 주형면에 얇게 바른다. |
◆ 금 형
다이캐스트에서의 금형은 주조작업시에 고온 및 고압의 용탕을 받는 일과 수냉을 반복하는 매우 가혹한 상태에서 사용되므로 충분히 견딜수 있는 강재를 써야 한다. 또 정밀도를 유지하면서 장기간의 생산을 가능하게 하기 위하여는 열간강성이 뛰어나야 한다. 한편 금형은 조가한 후 열처리를 하는데 열처리할 때 일어나는 변형을 최대한 작게 하여야 한다. 따라서 금형재료는 공냉으로도 담금질이 가능한 자경강이 주로 사용되며, 열처리 후 경도는 40~50HRC 정도이다. 한편 금형의 설계시에는 많은 지식과 경험이 요구되며, 금형설계에 있어서 고려해야 할 중요한 요소에는 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 금형의 형식: 단일주입형, 복수주입형, 다종복수주입형
(2) 금형의 분할면: 고정금형과 가동금형의 경계면으로 보통주물의 투영면적이 최대인 곳을 택한다. 금형제작시 기준면이 된다.
(3) 탕도, 탕구, 배기구멍
(4) 다이스의 구획과 가이드 핀의 위치
(5) 코어와 코어를 빼내는 장치
(6) 압출장치, 냉각장치
(7) insert 지지법: 인서트란 다이캐스트제품 일부에 미리 제작된 다른 재질의 금속부품을 삽입하여 같이 합쳐서 주조하는 것으로 용탕이 주형공간 내에 들어올 때 인서트가 움직이지 않도록 해야 한다.
(8) 가공여유
(9) 리브(rib)와 필렛(fillet)
또 일반적으로 다이캐스트는 모양이 복잡하고 두께가 얇고 치수가 정밀해야 하므로 금형 내 공간을 설계할 때는 다음과 같은 사항에 유의해야 한다.
(1) 두께의 균일화
(2) 용탕의 흐름이 좋도록 할 것.
(3) 각을 만들지 말 것.
(4) 급격한 두께변화를 피할 것.
(5) 교차하는 단면을 만들지 말 것.
(6) 언더컷(undercut)을 피할 것.
(7) 마무리작업면을 한쪽으로 집중시킬 것. |
◆ 애큐래드법(Acurad process)
애큐래드법은 1966년 미국의 GM사가 발표한 것으로 accurate(정밀), rapid(신속)한 한편 dense(정밀)한 주물을 얻을 수 있는 방법이라는 뜻이 그 이름에 내포되어 있다. 종래의 다이캐스트법과는 달리 두꺼운 탕구를 써서 주물의 두터운 부분으로부터 낮은 압력으로 용탕을 주형공간 안으로 조용히 주입하여, 전진하는 용탕의 앞쪽에 있는 공기, 가스류를 주형공가능로부터 배제하면서 용탕을 주형공간에 채운다. 그 다음에 내부플런저를 작동시켜 주물내부의 응고수축에 대한 용탕을 보급시키는 방법이다. 애큐래드법의 네가지 기본은
등이다. 실제주조에 있어서 가장 중요한 것은 용탕의 응고수축에 대하여 용탕을 보급하여 주물의 조직을 치밀하게 하는 내부플런저의 작동시기이다. 이 시기는 주형공간 내에 용탕이 충만하고 주물의 표피가 응고하고 이 응고가 슬리브 내의 표면 전체에 이르는 시기이다. 애큐래드법에 의해 만든 주물은 균일 미세한 조직, 용접이 가능, 열처리가 가능, 강도가 크고 내압성이 좋다는 이점이 있다. |
◆ 다이캐스트용 합금
다이캐스트법은 용융점이 Cu이하인 합금에 주로 적용되나 가장 많이 이용되는 합금은 Al합금, Zn합금, Mg합금이다. |
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● 금형주조법
금형주조는 금속제 주형에 용탕을 중력에 의하여 주입하여 주물을 만드는 방법으로 서 이때의 금형주형을 영구 주형(permanent mold)이라고 한다. 또 다이캐스트법을 압력다이캐스트법이라 하는데 대하여 중력다이캐스트법이라고도 한다. 금형주조는 현재 Al,Mg,Cu등의 비철합금과 주철, 강철을 소재로 한 피스톤, 슬리브, 크랭크케이스, 실린더, 베어링등 기타 일용품의 제조에도 널리 이용되고 있다. |
◆ 금형주조법의 특징
금형주조법은 주형재료로서 금형을 사용하므로 다른 주조법에 비하여 많은 특징이 있다.
(1) 생산성이 높다.
(2) 작업환경이 좋다.
(3) 조형면적이 작으며 설비비가 적게 든다.
(4) 주물의 치수가 정밀하고 표면이 미려하다.
(5) 주물이 기계적 성질이 양호하다.
(6) 주물이 건전하고 불량이 적다.
주물의 기계적 성질이 좋은 것은 주물이 급냉됨으로써 얻어지는 결정립의 미세화, 흡수가스의 강제고용에 의한 핀 홀의 감소 및 내압성의 증가, 방향성 응고에 의한 미세한 수축공의 감소 등의 효과에 기인하는 것이다. 한편 사형주조에 비하여 불리한 점은 다음과 같다.
(1) 금형의 제작에 시간이 걸리고 금형의 완성 후에도 주입방법이 확립되어 양질의 제품이 얻어질 때까지 시간이 걸린다.
(2) 제품의 중량이 대개 50kg 정도로 한계가 있다.
(3) 단속적인 작업에 적합하도록 독자적인 용해설비를 고려하여야 한다. |
◆ 금 형
금형재료는 값이 싸고 손쉽게 구할 수 있는 철합금이 사용되나 주입하는 금속에 따라 금형에 요구되는 성질을 인식하여 적절한 재료를 선택하여야 한다. 일반적으로 금형재료에 요구되는 성질은 다음과 같다.
등이다. 이상을 종합해 보면 펄라이트기지의 중간크기의 편상흑연주철, 그 중에서도 Ni-Mo, Cr-Mo을 함유하는 편상흑연주철이 금형으로서 가장 적절하다.
금형주소시의 금형온도, 주물응고시간, 최대작업속도등은 주물의 두께에 가장 크게 영향을 받는다. 그러나 금형의 두께에도 상당한 영향을 받으므로 금형의 두께를 변화시킴으로써 이들을 어느정도는 제어할 수 있다. 금형의 두께가 두꺼울수록 주형의 냉각속도는 빠르나 주물의 응고시간은 짧다. 주형의 두께를 선정할 때는 제품의 모양, 제품에 요구되는 성질, 조작방식(수동 또는 기계적)의 검토가 필요하나, Al합금의 경우 일반적으로 주물두께의 2-5배 정도로 한다. |
◆ 주조방법
작업시작 전에 금형을 손질하고, 다음에는 도장을 한다. 금형표면을 도장하는 목적은
(1) 주물의 표면결함의 감소
(2) 금형표면의 소모방지에 의한 수명의 연장
(3) 금형으로부터 주물이 쉽게 빠지게 함
(4) 금형에 발생하는 급격한 열응력의 감소
(5) 금형의 급냉작용의 완화
등이다. 경합금주물의 경우는 금형의 작용표면에 도형제만 도장해도 충분하나 강철 및 주강주물의 경우는 표면사와 도형제 두 가지를 도장하여야 한다. 표면사와 도형제의 도포가 끝나면 그형을 조립하고 예열한다. 예열의 목적은 용융금속의 응고속도를 늦추는데 있는데 이는 주철주물에 있어서는 급냉에 의한 표면불량을 감소시키며 비철합금주물에 있어서는 복잡하고 얇은 주물의 균열발생을 감소시킨다. 한편 용융금속의 주입온도는 주물의 두께와 모양에 따라 결정해야 하는데 지나치게 고온인 용탕은 금형을 손상시킨다.
주입 후 주물은 금형 내에 되도록 단시간 유지하였다가 꺼내야 한다. 장시간 두면 금형이 급격히 마모된다. 주철주물의 경우는 대개 850~900℃에서 꺼내며 얇은 주물의 경우는 900~950℃에서 꺼낸다. 금형에서 꺼낸 주물은 건조한 모래 속에 넣어 풀림처리 한다.
주철주물의 금형주조에서 가장 큰 문제점은 칠(chill)부의 생성이다. 이것을 방지하기 위한 요점은 다음과 같다.
(1) 화학성분을 정확하게 한다.
(2) 접종개량주철을 주입한다.
(3) 내화피복을 위한 금형의 가열은 가열온도, 표면사 및 도형제의 성분, 도포회수등을 정한 주조기술공정에 따라 성실하게 실시한다.
(4) 주물은 최대한으로 높은 온도에서 꺼내어 건조한 모래 속에 넣어 풀림처리한다. |
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● 저압주조법
저압주조법은 밀폐된 용기 내의 용탕면에 비교적 작은 압력을 기체(공기 또는 불활성 가스)에 의하여 가하여 용탕 중에 들어가 있는 급탕관(stock)을 통하여 중력과 반대방향으로 용탕을 밀어올려서 급탕관 위쪽에 설치된 금형에 주입하는 주조법이다. 저압주조장치는 그림 1에서 보는 바와 같이 금형지지, 개폐기구, 용탕보유기구, 공기가압, 제어기구로 이루어져 있다.
그림 1. 저압주조장치의 개략도
밀폐된 도가니 내에 압력을 제어하여 압축공기를 불어 넣어서 용탕면에 0.2~0.9kg/cm2 정도의 압력을 서서히 가하면 용탕은 급탕관 내를 상승하여 그 위쪽에 있는 주형안으로 밀어올려져 주형 내 공간을 채우게 된다. 소정의 시간 동안 가압한 후 압력을 제거하면 주형 내의 용탕은 응고하여 있으나 탕구부 이한 급탕관 내의 용탕은 용융상태로 있기 때문에 용탕은 다시 도가니로 되돌아가게 된다. 주형은 그 상태대로 어느 정도 유지한 후 냉각을 기다렸다가 열어서 제품주물을 꺼낸다. 그 다음 주형을 청소하고 다시 주형을 조립한 다음 주조작업을 반복한다. 이것이 저압주조의 1사이클이다. 저압주조에 있어서의 주형은 금형주조의 경우와 같이 주로 금형을 사용하고 있으나 쉘주형 또는 흑연주형도 사용가능하다. |
◆ 저압주조법의 장단점
<장점>
(1) 주조회수율이 높다.
(2) 건전한 주물이 얻어진다.
(3) 깨끗한 주물이 얻어진다.
(4) 치수가 정밀하고 표면이 깨끗하다.
(5) 가공비가 절감된다.
(6) 용탕주입속도가 광범위하게 자유로이 제어된다.
(7) 장치 및 조작의 자동제어가 쉽다.
(8) 비교적 복잡한 모양이거나 얇은 주물, 대형주물 또는 빌렛(billet), 슬랩(slab)등의 주조가 가능하다.
(9) 설비비가 비교적 적고, 초기경비가 적게 든다.
<단점>
(1) 생산성이 별로 좋지 않아 금형제조와 비슷하여 다이캐스트1/3~1/6정도이다.
(2) 주조할 수 있는 합금의 종류에 제약이 있다.
(3) 전반적으로 엄밀한 관리가 필요하다.
(4) 제품의 모양상 중간에 좁은 목이 있으면 아래로부터 용탕이 잘 올라가지 않는다. |
◆ 알루미늄합금의 저압주조
저압주조법은 구리합금, 주철 등에도 이용되나 주로 알루미늄합금의 주조에 이용된다.
알루미늄합금의 경우 적당한 금형온도는 300~400℃이며, 금형 아래쪽이 열원에 가까우므로 자연히 50~100℃정도 높게 되어 방향성응고를 일으키기 좋게 된다. 저압주조법의 주입은 가압탱크의 압력변화와 금형공간 내의 배압과의 상관관계에 의해 결정된다. 배압은 주입속도가 클수록 크나 가스배기가 충분하다면 탱크압에 비하여 무시할 정도가 된다. 따라서 주입과정은 탱크의 압력의 제어만 생각하면 된다.
가압과정은 크게 3단계로 나뉜다. 제1단계는 가압개시로부터 탕구 직하까지 급탕관 속을 용탕이 상승하는 과정이다. 여기에서는 될수록 용탕온도의 저하를 작게 하고, 또 산화물이나 용탕면의 출렁임에 의한 공기의 혼입이 없는 상태에서 급속히 상승해야 한다. 따라서 주조기의 송풍능력을 최대한으로 이용해야 한다. 제2단계는 용탕이 탕구를 통하여 금형공간 안으로 주입되는 과정이다. 주입속도는 물돌이불량(湯回불량)이 일어나지 않을 만큼은 빠르고 가스혼입 등이 일어나지 않을만큼은 느려야 한다. 제3단계는 주입완료 후의 응고과정으로 압탕효과에 관계되는 가압이다. 이 가압력은 큰 편이 좋으나 너무 크면 가스빼기구멍이 막히거나 도형이 벗겨지게 된다. 특히 사형코어를 쓸 때는 가압력 뿐만 아니라 제2단계에서 제3단계로 이행하는 시기와 가압속도를 제어할 필요가 있다. |
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● 자경성 주형
자경성 주형에는 다지기방식의 자경성 주형과 흘려 붓는 방식의 유동자경성 주형이 있다. 유동자경성 주형은 다음 장에서 다루기로 하고 이 장에서는(다지기방식) 자경성 주형에 대하여 설명한다.
이들은 모두 주형사를 혼합한 뒤 그냥 방치해 두면 경화반응이 진행되어 조형할 때는 충분한 강도를 발휘할 수 없게 된다. 여기서 조형시에 충분한 강도를 발휘할 수 있는 한도 내에서 어느 정도의 시간까지 방치해도 괜찮은가 하는 것을 나타내는 것이 가용시간이다.
자경성 주형에서는 가용시간과 경화속도가 가장 큰 문제이다. 경화속도를 빠르게 하고 작업성을 좋게 하면 가용시간은 짧아진다. 대체로 여름에는 겨울보다 경화제를 적게 넣어야 한다.
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◆ 발열자경성 주형
이 부류의 주형은 소오다와 물의 반응에 의하여 생성된 NaOH를 금속분말, 금속탄화물분말 등과 작용시켜 이때 발생하는 열을 이용하여 규산소오다를 겔화시켜 주형을 경화시킨다. 따라서 주점결제로는 규산소오다가 사용되나 부점결제로서 규지르콘산소오다, 알루민산소오다 등을 병용하기도 한다. 또 발열반응에 관여하는 금속분말로는 현재 Fe-Si, Ca-Si 등의 규소합금과 Al,Zn, 등이 이용되고 있다. 금속분말로는 NaOH가 반응을 일으킬 때는 반드시 등의 가스가 발생하므로 주형이 경화되었다 하더라도 발열형상이 감지될 때에는 용탕을 주입해서는 안된다.
이 계열의 주형은 조형 후 주형 자체가 발열하고 경화되므로 가스를 반응시키거나 건조시킬 필요가 없다. 그러나 일단 혼합시킨 주형사를 방치해 두면 방치 중에 발열반응이 일어나 규산소오다가 겔화하므로 주형사의 관리 특히 조형과 주물사 혼합과의 사이의 시간적 문제에 충분히 주의해야 한다, 또 발열반응시 탈수 현상이 일어나서 주형이 수축되므로 모형을 셀계할 때 이 수축량을 고려하여 치수를 결정해 한다.
이부류의 주형은 주형 후 장기간 방치하여도 강도가 SSI(표면안 정도)의 감소가 없다. 이들 주형은 대체로 주강의 주입온도 이하의 주물에 적용된다.
한편 표면사는 자경성주형으로, 이면사는 생형으로 조형하는 경우도 상당히 많다.
(1) N법(N process)
이 방법은 가장 일찍이 개발된 것으로서 점결제로서 규산소오다, 금속분말로서 Fe-Si를 쓴다. 즉,
로 되어 Si는 산화되어 로 되고 는 분해하여 가스를 발생시킨다. 따라서 반응이 진행됨에 따라가 많아지고 수분은 상실되어 점도가 급격히 증가되고 경화현상이 일어나게 된다. 주형의 강도면에서 보면 규산소오다의 희석솔은 2배 이하인 것이 바람직하고 규산소오다의 양은 약 6%이면 충분하다. Fe-Si의 양은 많을수록 강도가 증가하나 2%정도면 충분하다. 한편 탈수현상에 의한 주형의 수축량은 43/1000 ~ 66/1000mm정도 이다.
N법주형의 붕괴성은주형보다도 상당히 좋고 건조형,생형보다는 나쁘다. 붕괴성은 규산소오다의 희석률의 증가, 규산소오다의 양의 감소에 따라 크게 좋아지나 Fe-Si 양에는 큰 영향을 받지 않는다.
(2) H.T법(H.T. process)
이 방법은 2종류인데, 최초의 H.T.법은 점결제로 규산소오다 및 규지르콘산소오다, 발열용 금속으로서 Al분말을 사용하는 방법이고, 뒤에 개발된 것은 점결제로 규산소오다, 발열용 금속으로 Zn 분말을 이용하는 방법이다.
전자에서는 규산소오다 및 규지르콘산소오다의 가수분해에 의해 생성된 NaOH가 금속알루미늄과 반응하여 이때의 발열이 구산소오다 등을 겔화시켜 경화된다. 이 방법에서의 기본배합은 규산소오다 5.0%, 규지르콘산소오다 등을 2.5%,Al 0.8%이다. 이 경우 모래혼합은 8분 내에 끝내야 주형의 경화강도가 없어지지 않는다. 따라서 혼사기는 심프슨(Simpson)형보다도 혼사속도가 빠른 것이 바람직하다. 또 가용시간은 10분정도로 역시 짧다. 가용시간을 방치에 의하여 강도가 20% 저하할 때까지의 시간이라 규정해 보면 기본배합의 경우 10분 정도이고, 또 SSI로 생각해 보더라도 실제상 문제가 없는 것은 90%까지이므로 가용시간은 10분 정도가 된다. 따라서 모래혼합 후 10분 이내에 그것을 모두 사용할 수 있는 조형공정을 고려해야 한다. 이 조형의 붕괴성은 대단히 양호하며 또 가열 후 물로 씻은 조형사는 재사용이 가능하다.
후자의 기본배합은 규산소오다 5.0% 아연분말 0.8%이다. 규산소오다의 비중이 1.52일 때 경화강도가 가장 크므로 이것을 표준으로 삼고 있다. 모래입자 속에 수분이 들어 있으면 수분량의 증가에 따라 경화강도, 특히 초기경화강도가 떨어지므로 적을수록 좋다. 또 가용시간은 15분 정도이다. 한편 최대 열간강도는 비중에 따라 달라서 비중 1.52일 때 가장 크며, 붕괴성은 대체로 비중이 작은 것이 좋다.
(3) H법(H process)
이 방법은 점결제로 알루민산소오다를 함유하는 규산소오다를 경화제로써 ,활성 등의 혼합물을 사용하여 1차경화는 발열에 의하여, 2차경화는 무발열로 진행되는 조형법이다. 이 방법에서는 발열량이 비교적 적으므로 경화 후 잔류수분이 앞의 두 가지 방법에 비하여 약간 많게 된다. 경화현상은 점결제의 양이 일정할 경우에는 경화제의 양이 많을수록 초기경화강도가 크나 24시간 이후의 강도는 역으로 경화제가 많을수록 강도증가율이 완만해진다. 이 방법의 기본배합은 규사 100에 대하여 점결제 6, 경화제 4의 비율이다. 경화제는 여름에는 2.5정도, 겨울에는 5정도로 변화시켜 준다. 이상과 같은 배합의 경우 가용시간은 1시간 정도이다. |
◆ 비활성 자경성 주형
이 부류의 주형은 점결제로 배합한 규산소오다를 열에 의하지 않고 실온에 방치한 상태에서 경화하여 주형이 필요로 하는 강도를 갖게 하는 주형이다. 경화제로는 슬래그류, 인산염,황산반토, 규불화소오다 등이 공업적으로 주로 사용되고 있다.
(1) 규산소오다-슬래그계 자경성 주형
이 계열의 주형은 현재로는 비활성자경성 주형의 중심이 되고 있으며 경화제로서 슬래그(또는 시멘트)를 사용하므로 가격이 싸다.
주형의 경화강도는 규산소오다의 몰비의 증가와 함께 증가한다. 규산소오다액의 온도가 높아지면 경화 및 강화속도가 빨라지나 가용시간은 짧아진다. 또 규산소오다의 농도가 높아지면 강도가 커지고 2CaO·SiO2 량의 증가와 함께 강화속도가 빨라진다. 한편 이 주형은 비발열자경성 주형의 일반적인 특성과 같이 발열에 의해 경화하지 않으므로 발열자경성 주형에 비해 잔류수분이 많다. 따라서 주형강도가 단시간에 나타난다 하더라도 주형을 24시간 방치한 후 주입하는 것이 좋다.
(2) 기타의 비발열자경성 주형
규산소오다 - 규불화 소오다계 자경성 주형은 점결제로 규산소오다 4∼8%, 경화제로 불규화소오다(Na2SiF6) 0.1∼0.2%를 첨가하는 것으로 경화제첨가량이 적은 것이 특징이다.
규산소오다 - 인산염() 자경성 주형은 점결제로 규산소오다 5% 내외, 경화제로 인산염 3% 내외를 사용하는 방법이다. 이 주형사의 가용시간은 2시간 정도로 긴 것이 특징이다.
규산소오다 - 황산반토계 자경성 주형은 점결제로 규산소오다, 경화제로 무수황산반토[Al2(SO4)3]를 사용하는 것이다. 보통 규산소오다량은 7% 정도, 경화제량은 1.5%정도이다. 가용시간은 겨울에는 100분 정도로 기나 여름에는 20분 정도이다. 또 조형 후 보통 4∼5시간에 CO2 주형 정도의 강도에 도달한다. 잔류수분은 상당히 높으나 실제 주조에 있어서는 그 영향은 거의 없다. 또 경화제량이 증가할수록 잔류강도는 떨어져 붕괴성이 좋아진다. |
◆ 그밖의 자경성 주형
최근 규산 소오다, 시멘트, 기름, 수지 등을 점결제로 하지 않는 자경성 주형이 개발 되고 있는데 이에 대하여 기술한다.
(1) 인산자경성 주형은 점결제로 인산알루미늄 [Al(H2PO4)], 경화제로 알루미늄분말을 사용하는 자경성 주형이다. 일반적으로 점결제량은 5∼6%, 경화제량은 0.25% 정도이다. 또 여기에 사용되는 산성 인산알루미늄은 공업용 50% Al(H2PO4) 이다. 이 주형은 급열 가열시 균열이 발생할 우려가 있으므로 유의해야 한다. 한편 붕괴성은 극히 우수하다.
(2) 용광로슬래그주형은 점결제로 용광로슬래그를 사용하는 방법이다. 2CaO·SiO2 보다 의 몰비가 작은 염기성 용광로슬래그는 그 자체로는 수경성이 없으나 자결제와 공존하게 되면 수경성이 생기게 된다. 자격제로는 NaOH, KOH가 가장 좋고, MgCO3, Ca(OH)2, 리그닌 등이 그 다음이다. 보통은 슬래그량 10%, NaOH 0.5%, 0.5%정도이다. 이 조성의 경우 수분은 5∼7% 가 적당하며 그보다 많거나 적으면 24시간 후의 강도가 크게 떨어진다. 또 고사의 사용량은 40%일 때 강도저하가 가장 크고 그보다 많거나 적으면 강도, SSI의 저하는 거의 없다. 가용시간은 1시간 정도이고 도형제는 수용성 도형제로 족하다. 붕괴성은 당밀을 경화제로 사용한 시멘트형과 비슷하며 주형에 비하면 상당히 좋다.
(3) 석회주형법은 가스 경화수지법이라고도 하며, 점결제로 석회 및 수지를 사용하며 조형 후 가스를 취입하여 경화시키는 방법이다. 따라서 순수한 의미에서의 자경성 주형은 아니라고 볼 수도 있다. 여기에 사용하는 수지는 수용성으로 현재로는 폴리아크릴산 에스테르 암모늄의 부분 비누화물과 수용성페놀이 사용되고 있다. |
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● 유동자경성 주형
유동자경성 주형은 조형할 때 다지거나 압착할 필요가 없이 그림형태의 슬러리를 플라스크 내에 유입하여 어느 정도 경화했을 때 빼내어 그 후 더욱 경화시키는 방법이다. 따라서 조형이 매우 쉽다.
이 주형에 사용되는 슬러리(slurry)는 될수록 수분량이 적으면서 충분한 유동성을 가져야 한다. 이 유동성을 부여하기 위하여 계면활성제를 첨가한다. 계면활성제에는 양이온계,음이온계, 비이온계의 세가지가 있으며 같은 계열 중에도 대단히 많은 종류가 있다. 이들 계면활성제를 선정할 때는 점결제를 고려해야 한다. 예를 들어 규산소오다를 점결제로 할 경우에는 발포력이나 기포소멸시간의 면에서 볼 때 양이온계,음이온계,비이온계의 순서이다.실제로는 양이온계와 음이온계가 서로 반반으로 채용되고 있다. 유동성은 위와 같이 계면활성제의 종류에 따라 변화하나,혼연기에 의한 영향도 현저하다. 즉 유동자경성 주형사를 혼합할 때 모래와 다른 첨가물을 균일하게 혼합시키는 것도 중요하나, 이와 동시에 발포를 시키는 것도 중요하다. 따라서 공기가 혼입되기 쉬운 조건에서 혼련할 필요가 있다. 만일 혼련기가 부적당하면 계면활성제가 아무리 적당해도 유동성은 충분히 부여되지 않는다.
현재 사용되고 있는 유동자경성 주형은 점결제에 따라 나누면 규산소오다계, 시멘트계, 기타로 되는데 여기서는 규산소오다계에 대해서만 알아보기로 한다. 규산소오다계 유동자경성 주형에는 상온에서 경화되는 것과 발열에 의해 경화되는 것이 있다. |
◆ 비발열유동자경성 주형(FS 법)
이 주형의 대표적인 것은 소련의 FS법으로 이것은 모래소서 규사, 크롬 마그네사이트, 점결제로서 규산소오다, 경화제로서 2CaO·SiO2를 사용하고 여기에 유동성을 주기 위하여 발포제를 첨가하는 방법이다. 즉 앞에서 기술한 규산소오다-슬래그계 자경성 주형에 계면활성제를 가하여 유동성을 준 것이라 볼 수 있다. 경화제로는 2CaO·SiO2를 함유하는 네페린 슬라임, 평로 슬래그,용광로 슬래그, 페로망간 슬래그, 마그네슬래그,시멘트 등이 있다. FS법의 주형재료의 배합비는 규사 100에 대하여 규산소오다(mol 비 2.9) 6, 경화제 5∼7,발포제 0.1∼0.3, 물 1.5 정도이다.
유동자경성 주형사는 유동성이 좋아야 하는데 이 유동성은 규산소오다에 계면활성제를 첨가함으로써 표면장력이 저하하고, 또 계면활성제 첨가에 의해 생성된 기포가 볼베어링과 같은 역할을 하기 때문에 좋아진다고 알려져 있다. 따라서 계면활성제의 종류와 양에 영향을 크게 받으며, 그밖에 수분량, 규산소오다의 성질과 양 등에 영향을 받는다. 대개 유동성은 활성제의 양, 수분량, 규산소오다의 양의 증가에 따라 증가하는 경향이 있으며, 경화제의 양에 대해서는 어느 한도(보통6%내외)까지는 그 양의 증가에 따라 유동성이 증가하나 그 이상에서는 감소한다.
유동자경성 주형에서는 기포발생량과 유동성이 반드시 일치하지는 않으나 밀접한 관계가 있어서, 유동성이 좋은 것은 기포가 많게 되어 확률이 감소되어 결국 강도가 저하된다.실험보고에 의하면 활성제와 수분첨가량이 증가하고 유동성이 증가함에 따라 경화강도는 저하한다고 한다. 그러나 규산소오다량의 영향은 경화제가 6~7%인 경우에는 현저하지 않았다. 유동성 증거에 따른 경화강도의 저하는 경화제를 이용,조형 후 기포를 소멸시킴으로써 해결해야 한다. FS 주형재료의 최적혼련시간은 수분함량에 따라 약간씩 길어지나 대개 2∼5분 정도이며 가용시간은 3∼5분 정도이다. 조형 후 30∼40분 후에 모형을 빼내고 3시간 후에 주입한다. 조형할 때 가장 중요한 것은 모형의 이형성이다. 이형제로는 아마인유나 페놀수지계통이 이용된다. 모형의 빼내기경사는 주형의 경화시간이 길수록 크게 할 필요가 있다. 한편 도형제는 주철용의 경우는 휘발성 흑연도형, 주강용의 경우는 발성 지르콘도형을 하고 있다. |
◆ 발연유동자경성 주형(유동 N-process)
이 계열의 주형으로 현재 개발된 것은 유동 N 법으로서 종래의 N 법에 계면 활성제를 첨가하여 유동성을 준 방법이다. 첨가하는 계면활성제는 발연반응을 방해하지 않는 종류라야 하며 그 첨가량은 0.075∼0.1%로 충분하다. 실험에 의하면 활성제첨가량이 0.1%일 때 Fe-Si 량은 4%로 충분하고, 규산소오다의 몰비는 1.5 정도가 양호하며 전체 수분량은 7% 정도로 충분하다.
유동 N 법의 가용시간은 경화촉진제, 수분량 등에 따라 10∼60분 사이에서 조절이 가능하며 도형은 수성도형으로 충분하다. 이 주형의 800∼1,000℃에 있어서의 잔류강도는 보통 N 법의 절반 정도로 붕괴성이 대단히 좋고 모래털기가 손쉽다. 한편 이 주형은 발열반응시에 수소가스가 발생하므로 산화되었다 하더라도 발열 중에 주입하는 것은 절대로 피해야 한다. |
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● 공기경화주형(air setting mold)
공기경화주형법이라는 것은 점결제에 적당한 경화제를 첨가하여 상온에서 경화반응을 화학적으로 촉진시켜, 주형을 경화시키는 방법으로서, Croning이 발명한 쉘주형처럼 가열하지 않고도 경화한다. 공역2중결합을 갖는 지방산을 주성분으로하는 점결제는 적당한 경화제에 의하여 공기중의 산소를 흡수하여 상온에서 경화하므로 공기경화라고 하고, 푸란수지 및 페놀주시 등의 합성유기점결제에 적당한 경화제를 첨가하면 상온에서 중합이 진행되어 경화하므로 상온경화라고 한다. |
◆ 공기경화주형의 특징
(1) 소성을 필요로 하지 않으므로 생산성이 높을 뿐 아니라 코어나 주형의 변형이나 균열을 방지할 수 있다.
(2) 경화촉매의 첨가량을 변화시킴으로써 상당히 넓은 범위로 사용가능시간, 경화시간을 조절할 수 있다.
(3) 주입 후 붕괴성이 대단히 좋아서 마무리 작업의 시간을 크게 단축할 수 있다.
(4) 상온에서 경화하므로 주형이나 코어의 치수정밀도가 높다.
(5) 탕경(cold shut), rat tail, scab 등의 주조결함이 특히 적고, 배합사 중에 수분이 없으므로 수분에 의한 결함이 발생하지 않는다.
(6) 다지는 회수가 적어도 되므로 모형의 손상이 적다.
(7) 주형의 강도가 크므로 코어의 심금(心金)이 절약된다. |
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◆ 공기경화점결제
현재 실용되고 있는 점결제에 대해 설명한다.
(1) 요소푸란수지
a) 요소저푸란수지 - Al, Mg 계 주물용
b) 요소중푸란수지 - 얇은 주철주물용
c) 요소고푸란수지 - 두꺼운 주철, 청동 및 얇은 주강용
d) 전푸란수지 - 주강용
(2) 페놀 푸란수지 :
요소푸란수지는 고온에서 열분해할 때 N2 가스를 발생하여 주강용으로 쓰이는 경우 가끔 핀 홀의 원인이 되므로 주강용으로 페놀푸란수지가 개발되어 이용된다.
(3) 페놀수지 :
액상의 페놀수지는 산촉매에 의하여 상온경화하므로 페놀수지 본래의 내열성 때문에 주강용으로 주로 이용.
(4) 변성건성유 :
건성유의 주성분은 공역이중결합을 가진 올레이산, 리놀산 및 니로렌산이다. 리놀산의 경우 산화촉매로서 나프텐산코발트를 산소공급원으로서 과붕산소오다를 첨가하면 상온에서 2-3시간만에 경화된다. 이 산화중합반응이 점점 진행되면 액상의 유지는 고상으로 경화한다.
(5) 리그닌 :
펄크폐액인 리그닌을 이용하여 이것에 중크롬산소오다와 시멘트를 적당량 혼합하여 리그닌의 겔화와 시멘트에 의한 탈수반응에 의하여 주형을 상온에서 경화시키는 방법이다. |
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● 인베스트먼트 주조법
(Investment casting=lost wax법)
인베스트먼트주조법은 보통의 사형주조의 모형에 해당하는 것을 가융 또는 가용성의 재료로 만들고, 이것에 슬러리(slurry)상태의 주형재료를 씌워 외형을 만든 후 모형을 용융시켜 제거함으로써 아무리 복잡한 주형이라도 분할람이 없이 또 모형을 뽑아 내는 일없이 조형할 수 있다는데 특징이 있다.
기계가공이 불가능한 재질이나 모양의 제품생산, 고융점합금의 주형에 널리 쓰이어 자동차부품, 재봉틀부품, 공구, 사무기기부품, 총기류 특히 가스 터어빈 및 제트 엔진부품의 제조에 주로 응용되고 있다. 그러나 치수정밀도나 표면의 평활도는 우수하나 생산성이 높지 못하고 원가가 비싸다. |
◆ 기본공정
인베스트먼트주형법의 기본공정은 다음과 같다.
(1) 만들고자 하는 모양의 모형제작용 금형을 만든다.
(2) 금형에 왁스를 사출기에 의하여 압입 응고시킨다.
(3) 왁스모형을 여러 개 단위로 탕도, 압탕 등에 붙여 조립한다. 이 조립한 것을 트리(tree)라 한다.
(4) 미분의 내화물과 점결제를 혼합한 슬러리에 크리를 담궜다가 꺼낸 다음, 슬러리가 마르기 전에 다소 긁은 내화물 모래를 그 위에 뿌려준다(stuccoing). solid 주형법에서는 이것을 주형틀에 넣고 그 주위를 동일의 내화재로 채우며, 근래에 주로 이용되는 세라믹 쉘(ceramic shell) 주형법에서는 슬러리에 담그는 과정과 stuccoin을 여러번 반복하여 내화물층을 두껍게 한다. 이 전체과정을 coting 또는 investmenting이라 한다.
(5) 100~120℃로 가열하여 모형을 유출시킨다.
(6) 800~1,100℃에서 주형을 소성시킨다.
(7) 용융금속을 주입한다. |
◆ 주형제작
모형에 내화물을 피복시키는 코팅 또는 인베스팅재료는 크게 점결제와 내화재로 나뉜다. 점결제로는 콜로이달 실리카점결제와 가수분해된 에틸실리케이트점결제가 가장 많이 이용된다. 일반제조업체에서는 제1,2차피복인 초기피복(precoat)에는 콜로이달 실리카점결제를 쓰고 3차부터 최종피복(보통7-10차)까지의 백업피복(backup coat)에는 에틸실리케이트점결제를 많이 사용한다. 에틸실리케이트의 가수분해는 쇼우주형법(shaw process)에서 다룬다. 내화제로는 지르콘, 용융실리카, 고알루미나, 실리머나이트등이 이용되는데 초기피복용 실러리에는 200~300 메시의 지르콘 분말 또는 지르콘과 용융실리카의 혼합분말이 주로 쓰이고 백업피복용 슬러리에는 200~300메시의 분말과 60~80메시의 고알루미나가 많이 쓰인다. 백업피복 후 주형을 경화시키는 방법에는 공기강제 송풍에 의한 경화법과 암모니아 가스 또는 이의 공기와의 혼합기체에 의한 급속경화법이 있다. |
◆ 다른 정밀주조법과의 비교
인베스트먼트주조법은 정밀주조법의 대표적인 방법으로서 때로는 단순히 정밀주조법이라고 불린다. 다음의 표는 다른 정밀주조법과 인베스트먼트주조법을 비교한 것이다. |
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● 쇼우주조법(shaw process)
쇼우주조법은 일종의 정밀주조법으로서 영국의 고고학자인 N. Shaw 및 C. Shaw 형제가 로마시대 유물을 복제하기 위하여 수축하지 않고 통기성이 좋은 정밀내화물 주형으로서 개발한 것이다. 이 방법의 가장 특이한 점은 생형주형의 표면을 급열가열함으로써 미세한 잔금(hair crack)을 균일하게 생성하게 하여 주형을 건조할 때 일어나는 주형의 수축을 방지함과 동시에 통기성을 좋게 한다는 점이다. 이 주형이 갖는 장단점은 다음과 같다.
(1) 복잡한 모양이나 곡면도 잘 나온다.
(2) 크기에 제한이 없다.
(3) 모형재료에 제한이 없다.
(4) 치수가 정밀하고 주물표면이 아름답다.
(5) 용탕주입시 열팽창에 의한 주형의 변형이 거의 없다.
(6) 인베스트먼트주형법과 달리 분할형이다.
(7) 다량생산이 어렵다.
(8) 주형재료비가 비싸다.
(9) 고온소성이 필요하다.
이 주형은 각종 기어류, 라이너 등 정밀주조품과 다이스용, 프레스용, 쉘주형용, 플라스틱용 등의 각종 금형제작에 이용되고 있다. |
◆ 조 형
쇼우주형에는 전쇼우(all shaw)주형과 백업 쇼우(backup shaw)주형 두가지가 있다. 전쇼우법의 조형법은 다음과 같다. 우선 모형을 주형틀 안에 놓고 슬러리를 붓고 경화도중 아직 탄력성이 남아 있는 시점에서 모형을 빼어낸 다음 주형표면에 휘발방지제를 바른다. 그 다음 가스 버너로 주형표면을 급열가열하여 1차소성 시킨 후 800~1,000℃로 가열된 로 중에서 7~8시간 2차소성시켜 완전한 쇼우주형을 만든다.
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● 기타의 특수주조 및 특수 주형법
◆ 고압응고주조법
고압응고주조법은 주형 내에 주입된 금속에 용융 또는 반용융상태로부터 응고가 완료될 때까지 기계적인 고압력을 가하면서 제품을 성형하는 방법을 말한다. 이 주조법은 가압할 때 용탕이 이동하지 않는 플런저가압응고법(pressure crystallization casting)과 용탕이 상대적인 이동을 하는 압입용탕단조법(extrusion casting)으로 나뉜다. 전자는 ingot 나 비교적 모양이 단순하고 두꺼운 주물의 제조에 적합하고 후자는 얇은 제품의 주조에 적당하다.
고압응고주조법의 장점은 다음과 같다.
(1) 수축공, 미세기공 등의 주조결함을 배제
(2) 잔류가스에 의한 악영향의 배제
(3) 조직의 미세화, 균질화 및 고밀도화
(4) 주물표면이 곱고 윤곽이 뚜렷함
(5) 회수율의 개선
기계적 성질에 미치는 가압효과는 기공의 제거와 공정조직등의 미세화가 주원인으로 생각된다. 따라서 Al-Si 계와 같이 비교적 큰 공정이 무질서하게 존재하는 합금계, 또는 Al-Mg 계, Cu-Sn 계와 같이 응고온도범위가 커서 보통의 주조법에서는 미세기공을 배제할 수 없는 합금계에는 특히 유효하여 기계적 성질, 특히 연율이 현저하게 증가한다. 또 가압에 의하여 주물의 표면과 내부의 성질의 차이가 없게 된다. 한편 현재 고압응고주조법에 의해 생산되고 있는 합금은 Al합금, Cu합금 이외에 주철, 주강, 스테인레스강 등이 있다.
◆ 진공주조법
(1) 진공기술을 주조에 이용하는 방식에는 다음과 같은 세가지가 있다.
(a) 진공용해 -> 진공주조
-> 대기 또는 분위기주조
(b) 대기용해 -> 진공주조
(c) 대기용해 -> 진공처리 -> 대기 또는 분위기주조
-> 진공주조
여기서 진공주조라 함은 용해는 대기 중에서 하고 주조는 진공하에서 하는 것을 말하고 진공처리라 하는 것은 대기 중에서 용해한 용탕을 래들에 받을 때 또는 받은 후에 진공상태로 처리한 다음 진공 또는 대기 중에서 주조하는 것을 말한다. 위의 세가지 방식 중 (a)은 무게 1,000kg 이하의 소규모의 경우에 적용하여 주로 Cr, Ni, Co등을 주체로 하는 초합금(super-alloy), 각종 전자성재료, 특수고합금강, 원자력용 등 또는 Ti, Zr, Mo, W 등의 용융제조에 이용된다. (b),(c) 방식은 대규모로 할 수가 있어서 주로 철강관계에 이용된다. 이들 각종 방식들은 공통적으로
(a) 수소, 산소, 질소 등 유해가스성분을 제거할 수 있다.
(b) 유해한 불순원소를 제거할 수 있다.
(c) 진공처리에 의해 정속반응이 촉진된다.
(d) 제품의 기계적 성질이 향상된다.
(e) 활성금속의 용융제조가 가능하다.
(2) 진공처리방법
금속을 진공 중에서 용해, 주조함으로써 기대할 수 있는 성질이나 품질의 향상은 현저하다. 그러나 실제문제에 있어서는 일반주조품을 진공주조하는 것은 ingot를 만드는 경우에 비해 상당히 제약을 받는다. 즉 진공탱크 등에 주물사로 만든 주형을 넣어 주입하는 것은 많은 문제가 있으며 특히 대형의 경우는 더욱 어렵다. 또 비철금속에 대해서는 진공주조를 대규모로 실시하지 않아서 철강의 대기용해->진공처리->대기 또는 불활성가스 중의 주입이 대종을 이루고 있다.
진공처리후 주조할 강괴는 보통 주입한 것에 비해 수소, 산소, 질소량이 낮고 제품의 내외부의 차이가 없다. 수소는 35~60%, 질소는 10~15% 제거된다. 기계적 성질은 인장강도, 연마율과 단면수축율등이 향상된다. 또 저온충격치도 개선된다.
◆ 풀 몰드(full mold) 법 (FM process)
풀 몰드법은 모형으로 소모성인 발포 폴리스티렌 모형을 쓰며 조형 후 모형을 빼내지 않고 주물사 중에 매몰한 그대로 용탕을 주입하여 그 열에 의하여 모형을 기화시키고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만드는 방법으로서 다음과 같은 특징을 갖는다.
(1) 모형을 분할하지 않는다.
(2) 모형을 빼내는 작업이 불필요하다. 따라서 모형에 경사가 불필요하며 역경사인 경우라도 무방하다.
(3) 코어를 따로 만들 필요가 없다.
(4) 모형의 제조나 가공이 용이하며 변형이나 보수 및 보관의 어려움이 없다.
(5) 작업공수와 불량률이 적으며 원가가 절감된다.
모형은 원하는 모형과 크기를 가진 Al제 금형 속에 작은 비이드(bead)상태의 원료를 폴리스티렌을 넣고 가열에 의해 팽창시켜 성형한다. 이때 그 팽창배율은 40~50배가 알맞으며 이 값이 클수록 가스발생량은 적어지나 경도가 떨어진다.
주조방안으로는 하주법을 채용하는 것이 바람직하고 압탕은 맹압탕(blind riser)을 채택한다. 주입온도는 보통의 주입온도보다 약간 높아야 한다. 가장 중요한 것은 주입속도인데 가스가 용탕이나 주형벽으로부터 빠져나가지 못하면 결함이 생기게 되기 때문이다.
◆ 마그네틱주형법(Magnetic molding process)
마그네틱주형법은 풀 몰드법의 한 응용법이라 볼 수 있다. 즉 모형을 발포 폴리스티렌으로 만들고 이것을 용탕의 열에 의하여 기화, 소실시키는 점은 풀 몰드법과 같으나 모래입자 대신에 강철입자를 사용하며 점결제 대신에 자력을 이용하는 방법이다. 따라서 모래, 점토, 물을 배합하여 조형하던 종래의 모래주형과는 개념이 완전히 다르다. 조형재료는 자성체이면 모두 사용가능하므로 강철입자 대신 산화철을 쓸 수도 있다. 마그네틱주형법은 조형이 빠르고 손쉬우며 조형가가 싸다. 주형재료가 간단하고 내구성을 가지므로 주물사의 처리, 보관등에 문제가 별로 없으며 주형 자체의 통기도도 좋은 장점이 있다.
◆ 감압주형주조법(V-process)
감압주형주조방법은 점결제와 수분을 첨가하지 않은 건조한 모래를 플라스틱 필름으로 둘러싸고 그 내부를 특수하게 만든 주형상자에 의해 감압시킴으로써 제조하고자 하는 모양을 주입 후까지 유지하고, 용융금속이 응고한 다음에는 감압상태를 제거함으로써 간단하게 주형을 붕괴, 탈사할 수 있는 방법이다. 이방법은 종래보다 표면이 매끈하고 치수가 정확한 주물을 생산할 수 있고 주형재료의 절약으로 경제적이며 또한 주물공장에서의 위험성과 공해를 최소한으로 줄여준다.
감압주형주조법에서는 탕구계의 설계에 주의를 기울여야 하는데 이는 용탕이 완전히 주형공간을 채우기 전에 플라스틱 필름이 타거나 소실되어서는 안되기 때문이다. 압탕의 설계도 중요한데 압탕은 주입초기에는 가스의 배출구가 되고 그 후에는 외부의 공기를 끌어들여 주형이 정압상태에 있도록 하여 주형이 붕괴되는 것을 방지한다. |
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● 기타의 특수주조 및 특수 주형법
◆ 고압응고주조법
고압응고주조법은 주형 내에 주입된 금속에 용융 또는 반용융상태로부터 응고가 완료될 때까지 기계적인 고압력을 가하면서 제품을 성형하는 방법을 말한다. 이 주조법은 가압할 때 용탕이 이동하지 않는 플런저가압응고법(pressure crystallization casting)과 용탕이 상대적인 이동을 하는 압입용탕단조법(extrusion casting)으로 나뉜다. 전자는 ingot 나 비교적 모양이 단순하고 두꺼운 주물의 제조에 적합하고 후자는 얇은 제품의 주조에 적당하다.
고압응고주조법의 장점은 다음과 같다.
(1) 수축공, 미세기공 등의 주조결함을 배제
(2) 잔류가스에 의한 악영향의 배제
(3) 조직의 미세화, 균질화 및 고밀도화
(4) 주물표면이 곱고 윤곽이 뚜렷함
(5) 회수율의 개선
기계적 성질에 미치는 가압효과는 기공의 제거와 공정조직등의 미세화가 주원인으로 생각된다. 따라서 Al-Si 계와 같이 비교적 큰 공정이 무질서하게 존재하는 합금계, 또는 Al-Mg 계, Cu-Sn 계와 같이 응고온도범위가 커서 보통의 주조법에서는 미세기공을 배제할 수 없는 합금계에는 특히 유효하여 기계적 성질, 특히 연율이 현저하게 증가한다. 또 가압에 의하여 주물의 표면과 내부의 성질의 차이가 없게 된다. 한편 현재 고압응고주조법에 의해 생산되고 있는 합금은 Al합금, Cu합금 이외에 주철, 주강, 스테인레스강 등이 있다. |
◆ 진공주조법
(1) 진공기술을 주조에 이용하는 방식에는 다음과 같은 세가지가 있다.
여기서 진공주조라 함은 용해는 대기 중에서 하고 주조는 진공하에서 하는 것을 말하고 진공처리라 하는 것은 대기 중에서 용해한 용탕을 래들에 받을 때 또는 받은 후에 진공상태로 처리한 다음 진공 또는 대기 중에서 주조하는 것을 말한다. 위의 세가지 방식 중 (a)은 무게 1,000kg 이하의 소규모의 경우에 적용하여 주로 Cr, Ni, Co등을 주체로 하는 초합금(super-alloy), 각종 전자성재료, 특수고합금강, 원자력용 등 또는 Ti, Zr, Mo, W 등의 용융제조에 이용된다. (b),(c) 방식은 대규모로 할 수가 있어서 주로 철강관계에 이용된다. 이들 각종 방식들은 공통적으로
(a) 수소, 산소, 질소 등 유해가스성분을 제거할 수 있다.
(b) 유해한 불순원소를 제거할 수 있다.
(c) 진공처리에 의해 정속반응이 촉진된다.
(d) 제품의 기계적 성질이 향상된다.
(e) 활성금속의 용융제조가 가능하다.
(2) 진공처리방법
금속을 진공 중에서 용해, 주조함으로써 기대할 수 있는 성질이나 품질의 향상은 현저하다. 그러나 실제문제에 있어서는 일반주조품을 진공주조하는 것은 ingot를 만드는 경우에 비해 상당히 제약을 받는다. 즉 진공탱크 등에 주물사로 만든 주형을 넣어 주입하는 것은 많은 문제가 있으며 특히 대형의 경우는 더욱 어렵다. 또 비철금속에 대해서는 진공주조를 대규모로 실시하지 않아서 철강의 대기용해->진공처리->대기 또는 불활성가스 중의 주입이 대종을 이루고 있다.
진공처리후 주조할 강괴는 보통 주입한 것에 비해 수소, 산소, 질소량이 낮고 제품의 내외부의 차이가 없다. 수소는 35~60%, 질소는 10~15% 제거된다. 기계적 성질은 인장강도, 연마율과 단면수축율등이 향상된다. 또 저온충격치도 개선된다. |
◆ 풀 몰드(full mold) 법 (FM process)
풀 몰드법은 모형으로 소모성인 발포 폴리스티렌 모형을 쓰며 조형 후 모형을 빼내지 않고 주물사 중에 매몰한 그대로 용탕을 주입하여 그 열에 의하여 모형을 기화시키고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만드는 방법으로서 다음과 같은 특징을 갖는다.
(1) 모형을 분할하지 않는다.
(2) 모형을 빼내는 작업이 불필요하다. 따라서 모형에 경사가 불필요하며 역경사인 경우라도 무방하다.
(3) 코어를 따로 만들 필요가 없다.
(4) 모형의 제조나 가공이 용이하며 변형이나 보수 및 보관의 어려움이 없다.
(5) 작업공수와 불량률이 적으며 원가가 절감된다.
모형은 원하는 모형과 크기를 가진 Al제 금형 속에 작은 비이드(bead)상태의 원료를 폴리스티렌을 넣고 가열에 의해 팽창시켜 성형한다. 이때 그 팽창배율은 40~50배가 알맞으며 이 값이 클수록 가스발생량은 적어지나 경도가 떨어진다.
주조방안으로는 하주법을 채용하는 것이 바람직하고 압탕은 맹압탕(blind riser)을 채택한다. 주입온도는 보통의 주입온도보다 약간 높아야 한다. 가장 중요한 것은 주입속도인데 가스가 용탕이나 주형벽으로부터 빠져나가지 못하면 결함이 생기게 되기 때문이다. |
◆ 마그네틱주형법(Magnetic molding process)
마그네틱주형법은 풀 몰드법의 한 응용법이라 볼 수 있다. 즉 모형을 발포 폴리스티렌으로 만들고 이것을 용탕의 열에 의하여 기화, 소실시키는 점은 풀 몰드법과 같으나 모래입자 대신에 강철입자를 사용하며 점결제 대신에 자력을 이용하는 방법이다. 따라서 모래, 점토, 물을 배합하여 조형하던 종래의 모래주형과는 개념이 완전히 다르다. 조형재료는 자성체이면 모두 사용가능하므로 강철입자 대신 산화철을 쓸 수도 있다. 마그네틱주형법은 조형이 빠르고 손쉬우며 조형가가 싸다. 주형재료가 간단하고 내구성을 가지므로 주물사의 처리, 보관등에 문제가 별로 없으며 주형 자체의 통기도도 좋은 장점이 있다. |
◆ 감압주형주조법(V-process)
감압주형주조방법은 점결제와 수분을 첨가하지 않은 건조한 모래를 플라스틱 필름으로 둘러싸고 그 내부를 특수하게 만든 주형상자에 의해 감압시킴으로써 제조하고자 하는 모양을 주입 후까지 유지하고, 용융금속이 응고한 다음에는 감압상태를 제거함으로써 간단하게 주형을 붕괴, 탈사할 수 있는 방법이다. 이방법은 종래보다 표면이 매끈하고 치수가 정확한 주물을 생산할 수 있고 주형재료의 절약으로 경제적이며 또한 주물공장에서의 위험성과 공해를 최소한으로 줄여준다.
감압주형주조법에서는 탕구계의 설계에 주의를 기울여야 하는데 이는 용탕이 완전히 주형공간을 채우기 전에 플라스틱 필름이 타거나 소실되어서는 안되기 때문이다. 압탕의 설계도 중요한데 압탕은 주입초기에는 가스의 배출구가 되고 그 후에는 외부의 공기를 끌어들여 주형이 |
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