9장 주조의 기초 (Fundamentals of Casting)

9.2 주조의 개요 ● 고체재료를 녹이고 적정온도로 가열 ● 녹은 금속재료를 원하는 형상을 갖고 있는 주형에 주입 ● 응고 후 주형으로부터 분리

9.2 주조의 개요 ● 한 단계로 다양한 부품 제작 가능 ● 주조 대상 부품 - 대형 부품 - 가공하기 어려운 금속으로 만든 부품 - 내부에 공간이 있는 부품 - 다양한 곡면을 가진 부품 (박판 제품 제외)

9.3 주조 용어

9.3 주조 용어

9.3 주조 용어 ● 주형상자: 주형재료를 담는 박스 ● 상형: 모형, 주형상자, 주형 혹은 코어의 상반부 ● 하형: 하반부 ● 코어: 구멍같은 주물의 내부형상을 만들기 위해 주형에 삽입하는 모래형상 ● 코어프린트: 코어를 고정, 지지하기 위해 모형, 코어 혹은 주형에 추가된 부분 ● 라이저: 용융물질의 추가 저장고 응고과정에서 수축으로 인한 용탕 부족을 보상 ⇒ 수축에 의한 기포는 라이저에 위치

탕도계 (gating system) ● 주입컵(pouring cup): 주입용기로부터 용융금속을 받음, 주형의 나머지 부분에 용융금속을 전달 ● 탕구(sprue): 탕도계의 수직부분 ● 탕도(runner): 수평채널 ● 주입구(gate): 주형공동으로 주입됨 ● 배출구: 주형 내 가스의 배출을 돕기 위함

탕도계 (gating system) ● 분리선(parting line)이나 분리면(parting surface): 주형, 주형상자, 모형의 반과 코어를 포함하는 공정에서 코어의 반을 분리하는 면 ● 드래프트(draft): 제품을 제거할 수 있도록 모형이나 주물에 주는 기울기 ● 코어박스: 코어를 만드는데 사용되는 형(mold)이나 다이 ● 주물(casting): 주조로 만든 제품

냉각곡선 (Cooling Curves)

냉각곡선 (Cooling Curves) ● 주입온도: 주입하는 용융금속의 온도 ● 과열(superheat): 주입온도와 응고온도와의 차이  클수록 용융금속 응고에 긴 시간 걸림 ● 냉각속도: 냉각곡선의 기울기 ● 총응고시간: 주입시작부터 응고완료까지 시간 ● 국소응고시간: 응고시작에서 완료까지 시간

뚜렷한 용융점이 없는 합금 ● 고상과 액상온도사이의 차이: 응결범위 ※ 냉각속도가 빠르고 응고시간이 짧으면   ※ 냉각속도가 빠르고 응고시간이 짧으면 ⇒ 구조가 미세해지고 기계적 성질 향상

용융금속의 문제 ● 금속산화물(드로스 혹은 슬래그) - 산소와 용융금속이 반응 - 산소와 용융금속이 반응 - 주물 내에 갇혀서 표면조도, 절삭가공성과 기계적 물성을 저하시킴

해결방법 ● 용제 사용, 용융과정 중에 용융금속을 덮어서 보호 (산소차단) ● 진공이나 보호환경 하에서 실행 (불활성 분위기) ● 드로스를 금속표면 위에 뜨게 하여 주입전 제거 ● 특별한 래이들(ladle)을 사용하여 표면 밑에서부터 용탕을 추출 ● 탕도계는 주형에 들어갈 가능성이 있는 드로스를 가두도록 설계 ● 주형채널입구에 필터를 넣음

래이들

가스 문제 ● 액체금속에 상당량의 가스 포함, 고체구조는 가스를 포함할 수 없음 ⇒ 주물 내에 가스기포

해결방법 ● 진공, 용해율이 낮은 환경, 공기와의 접촉을 막는 보호용제 하에서 용해 ● 과열온도를 되도록 낮추어 용해도를 줄임 ● 주입작업을 조심스럽게 ⇒ 층류 유동, 공기를 끌어들이는 난류를 최소화 ● 주입 전에 가스 제거

유동성 (Fluidity) ● 금속이 유동하여 주형을 채우는 능력 ● 주형을 채우기 전에 굳기 시작하면 유동불량(misrun) 결함 발생 ※ 유동성을 측정하는 방법: 나선형의 형태로 주물을 만들고 최종주물의 길이로 유동성을 파악

응고수축 (Solidification Shrinkage) ● 액체의 수축 탕도계 내의 금속이 주형공동으로 계속 흐름 ⇒ 문제가 되지 않음 ● 액체에서 고체가 될 때의 응고수축 ● 고체가 상온으로 냉각될 때의 수축 ⇒ 주형공동이나 모형을 설계할 때 보상

응고수축 (Solidification Shrinkage) ● 순수금속과 공석합금처럼 적은 응결범위를 가진 금속과 합금에 결함이 발생 ⇒ 방향성 있는 응고로 피할 수 있음 (주입구 혹은 라이저에서 먼 곳부터 시작하여 라이저 쪽으로 점점 진행) ⇒ 마지막 기포는 라이저나 탕도계에 위치 ● 큰 응결범위를 가진 합금은 재료가 액체와 고체 혼합상태에 있는 기간을 가짐 ⇒ 고체양은 증가, 남은 액체는 적은 형태로 고립 ⇒ 액체 공급 불가능 ⇒ 작고 많은 수축기포가 퍼진 형태(제품은 연성, 인성과 피로수명이 낮음)

라이저와 라이저설계 ● 라이저: 응고하는 주물에 수축을 보상하기 위해 금속 공급 추가 저장고 ● 최후에 응고하여야 함 ※ 반대: 액체금속은 주물에서부터 라이저로 공급되어 주물의 수축은 더욱 더 커짐 ● 방향성 응고가 불가능하면 ⇒ 여러 라이저 사용 ● 금속을 절약하도록 설계 ● 긴 응고시간 (단위부피 당 적은 단면적)을 갖도록 ⇒ 구 (모형을 제거 어려움) ⇒ 가장 많이 쓰는 형태는 원통형

라이저의 종류 ● 상부 라이저(top riser): 공급거리가 짧고 적은 공간 차지 ⇒ 모형과 탕도계의 배치가 자유로움 ● 측면 라이저(side riser): 주형공동 옆에 위치, 수평적으로 배치

라이저의 종류 ● 블라인드 라이저(blind riser): 주형 내에 포함 응고가 더 발생, 라이저의 윗부분과 주형재료가 접촉되는 곳에서 열손실이 발생하므로 오픈 라이저보다 큼 ● 오픈 라이저(open riser): 대기에 노출

응고시간 예측: 크보리노프 법칙 ● 주물을 응고시키기 위해 제거해야 할 열량 ⇒ 과열정도, 주물부피에 비례 ● 주물로부터 열을 제거하는 능력은 노출면적과 용융금속을 둘러싼 외부환경에 관계

응고시간 예측: 크보리노프 법칙 ● 라이저와 주물은 같은 주형 내에 있고 같은 조건 하에서 같은 금속으로 채워짐 ⇒ 크보리노프 법칙은 각각의 응고시간을 비교하는데 사용할 수 있음 ⇒ 주물이 라이저보다 먼저 응고하는 것을 확실히 할 수 있음

라이저의 최소크기를 크보리노프의 법칙으로부터 계산 ● 라이저에서의 총응고시간 > 주물의 총응고시간 ● 같은 재료를 받고 같은 주형 내에 존재  주형상수 B 동일 n=2로 가정하고 응고시간의 차이를 25%로 두면 (라이저가 주물이 응고하는 것보다 25% 길다)

라이저의 최소크기를 크보리노프의 법칙으로부터 계산 ● 원통형인 라이저 (직경이 D이고 높이가 H) 원통의 부피와 표면적 ● 라이저 높이를 라이저 직경의 함수로 두면 ⇒ V/A 비를 미지수인 직경으로 표현

라이저의 최소크기를 크보리노프의 법칙으로부터 계산 ● 라이저와 주물이 블라인드 상부 라이저에서처럼 같은 면을 공유하는 경우 ⇒ 공통 표면적은 라이저와 주물에서 열손실의 표면적이 아니므로 라이저와 주물에서 삭제

라이저 보조 (Riser Aids) ● 외부냉각쇠(external chill): 큰 열용량, 큰 열전도율을 가진 재료, 냉각을 가속시키도록 주형 내에 둠. ● 내부냉각쇠(internal chill): 금속조각으로 주형 내에서 열을 흡수, 빠른 응고 촉진 - 작업 중에 녹으므로 열용량에너지와 잠열을 흡수. - 내부냉각쇠는 완성주물의 일부 ⇒ 동일한 재료

라이저 ● 라이저는 항상 필요한 것이 아님 ● 큰 응결범위를 가진 합금은 라이저가 효과적이지 않으며 작고 퍼진 기포 발생. ● 다이캐스팅, 저압금형과 원심주조공정에서는 라이저 없이 압력으로 응고수축을 보상

9.5 모형 (Pattern) Impeller for Large Flood Control Pump 선박톤수란? 선박의 크기를 표현하는데 옛날부터 톤수(Tonnage)가 사용되었음. 선박에 사용되는 "톤"은 중량의 단위로서의 톤만이 아니고 용적의 개념으로도 톤을 사용하고 있어, 톤수가 쓰이는 용도에 따라 배의 중량을 나타내는 배수량 톤수, 배의 용적을 나타내는 총통수 및 순톤수, 배가 적재할 수 있는 화물의 중량을 나타내는 재화중량톤수, 선박의 종류별 가공공수에 의한 상대적 지표인 표준화물선 환산톤수의 5가지가 주로 사용되고 있음. 선박톤수의 정의 총톤수(Gross Tonnage : GT) 용적톤으로서 선각으로 둘러싸여진 선체 총용적으로부터 상갑판 상부에 있는 추진, 항해, 안전, 위생에 관계되는 공간을 차감한 전용적을 말하며 1GT는 2.83㎥이며, 방제정, 소방정, 예인정과 같은 특수함정의 표기톤수가 이에 해당    순톤수(Net Tonnage : NT) 직접 영업행위에 사용되는 면적, 즉 화물과 여객의 수송에 제공되는 용적을 말함. 총톤수에서 선박운항에 이용되는 부분의 적량(선원실, 해도실, 기관실, 밸러스트탱크등)을 공제한 순적량을 톤수로 환산한 수치로 보통 총톤수의 약 0.65배 정도에 해당. 순톤수는 직접 상행위를 하는 용적이므로 항세, 톤세, 운하통과료, 등대 사용료, 항만시설 사용료의 기준    재화중량톤수(Deadweight Tonnage : DWT) 선박이 적재할 수 있는 화물의 중량을 말하며, 여기에는 화물, 여객, 선원 및 그 소지품, 연료, 음료수, 밸러스트, 식량, 선용품 등의 일체가 포함되어 있으므로 실제 수송할 수 있는 화물의 톤수는 재화중량톤수로부터 이들 각종의 중량을 차감한 것 배수량톤수 (Displacement Tonnage : DISPT) 물위에 떠있는 선박의 수면하 부피와 동일한 물의 중량이 배수톤수이며, 아르키메데스의 원리에 의한 선박의 무게로 주로 군함에 쓰여지는 톤수. 해양경찰청 경비함정의 톤수도 배수량 톤수임    환산톤수(Compensated Gross Tonnage : CGT) 표준화물선으로 환산한 수정총톤으로 기준선인 1.5만DWT(1만 GT) 일반화물선의 1GT당 건조에 소요되는 가공공수를 1.0으로 한 각 선종, 선형과의 상대적 지수로서 CGT계수를 설정하고 GT를 곱한 것으로 실질적 공사량을 나타낼수 있는 톤수임 Impeller for Large Flood Control Pump Marine Propeller

드래프트

여유  주물의 크기 증가 (되도록 적게) ● 드래프트라는 약간의 기울기 (주형에 파손 없이 모형 분리)   ● 기계가공 경우, 가공여유를 모형에 포함시킴 ● 여유는 주물의 중량과 가공으로 제거할 재료의 양을 증가시키므로 되도록 줄임

9.6 주조 시 고려사항 ● 분리면 위치 ⇒ 분할 혹은 분리형 주형을 사용하는 모든 공정에서 중요 ● 주물의 부분이 교차하면   ● 주물의 부분이 교차하면 - 응력집중 ⇒ 내부 코너에 완만한 필렛(fillet)을 두어서 최소화 - 지나친 필렛을 주면 ⇒ 열점(hot spot)문제 천천히 냉각되고 국소적인 비정상 수축부, 기포나 수축공동과 같은 결함