제5장 주조공정 (Casting Process) I Topic: (1) 주조이론 (2) 주조 공통사항 (3) 소모성 주형주조 (4) 영구주형 주조 (5) 주조 후의 처리 (6) 주물설계와 주조의 경제성

문제: 골프 아이언의 헤드는 제조공법의 차이로 단조 아이언과 주조 아이언으로 나뉜다. 일반적으로 많은 프로와 상급자 골퍼들은 단조 아이언을 선호하고 가격 역시 주조 아이언에 비해 비싸다. 단조, 주조 아이언의 차이는 무엇일까? 단조아이언 단조아이언 주조아이언 주 소재 연철 (카본스틸) 머레이징 강 특징 연마에 의한 치밀한 조직 >> 골프공과의 밀착력이 뛰어남 타구감이 부드럽고 컨트롤 용이 충격 및 내구성 양호 경도가 높은 재질로 반발력 좋음 대량 생산 용이 타구감 우수 다소 떨어짐 사용감 다소 어려움 보통 헤드모양 한정됨 다양함 주조아이언

사형주조(sand casting)로 제작된 680kg의 공기압축기 프레임 (정밀주조방법인 인베스트먼트주조로 제작) Topic: 주조 개요 <주조 절차> 용탕 (molten metal) 주형 (mold)에 주입 (pouring) 응고 (solidification) 냉각 (cooling) 탈착 (ejecting) 주물 (castings) 후처리 사형주조(sand casting)로 제작된 680kg의 공기압축기 프레임 108개의 익형을 갖는 압축기 고정자 (정밀주조방법인 인베스트먼트주조로 제작)

<주조에서의 고려사항> 금속의 응고과정 - 주조조직(cast structure), 응고기구(solidification mechanism) 용탕의 유입, 유동 - flow analysis 응고 및 냉각 동안의 열전달 주형재료의 영향 주조의 CAE (ex: MAGMASOFT, ProCAST) 플라스틱 >> 사출성형 (injection molding) 금속 >> 다이 캐스팅 (die casting)

Topic: 금속의 응고단계 순금속의 응고 L(액상, 원자의 결정구조 없음) - S(고상, 원자는 격자점에 고정) 운동에너지를 열에너지로 방출(응고잠열, latent heat) Q: 합금의 냉각곡선은 어떻게 달라지는가?

<핵생성과 성장> 과냉각되는 경우 - 핵생성속도가 성장속도보다 빠름 (미세한 결정립, chill zone) 구형의 고상으로 응고되는 경우 과냉각되는 경우 - 핵생성속도가 성장속도보다 빠름 (미세한 결정립, chill zone) 핵생성보다 성장속도가 빠른 경우 - 표면적이 넓은 부분에서 열유동의 반대방향으로 가늘고 긴 모양으로 성장

수지상정(dendrite)이 형성되는 이유 주형벽면에서는 주상정(columnar crystal)

Dendrite 구조 난 에일리언이 아닙니다.

<응고과정>

<주조조직의 형성> Q: 머쉬영역이 넓으면 주조성이 좋지 않은 이유는? 순금속: 주상정의 발달 고용체합금: 액상점 (TL )과 고상점 (TS ) 사이에서 고-액 공존상태 (mushy-state) 핵생성촉진제(접종제): 등축조직 유도 머쉬영역 : 응고범위 (TL-TS )에 비례 Q: 머쉬영역이 넓으면 주조성이 좋지 않은 이유는?

<주물의 응고단계 요약> 주형표면에 미세결정립 - 온도구배가 심하므로 용탕이 과냉각 온도구배가 완만해지면서 열유동과 반대방향으로 결정립성장(주상정) 용탕내부에서는 수지상정이 생기고 성장 시작 응고완료 Note: 부피에 비해 표면적이 넓은 주물 (=크기가 작은 주물) - 냉각속도가 빠르고 단면전체에서 미세등축립

Topic: 평형상태도와 조직 Cu-Ni합금(완전 고용 가능)의 예 천평법칙 고상분율 =

<철-탄소계 평형상태도 (phase diagram)>

예제: 탄소강에서 상의 양 결정 0.4% C 10 kg의 주물이 728 oC로 서랭될 때, g 와 a 상의 양 결정 천평법칙 2019-04-04 예제: 탄소강에서 상의 양 결정 0.4% C 10 kg의 주물이 728 oC로 서랭될 때, g 와 a 상의 양 결정 천평법칙

<공석반응 (eutectoid reaction)> g 를 서냉시키면서 평형을 유지한 경우, a 에 흡수되지 못하는 여분의 탄소는 Fe3C로 공동석출됨. 727℃에서 g (0.77%C) = a (0.022%C) +Fe3C (6.67%C) 100% = 88.7% + 11.3% pearlite a (ferrite) + Fe3C (cementite) 층상구조 (lamellar)로 중간 성질. 기계적 성질 우수.

합금원소의 영향 공석온도, 공석조성을 변화시킴. Ni(FCC구조): 공석온도를 낮춤. (FCC인 g 영역을 넓힘) Cr, Mo(BCC구조): 공석온도를 높임. (BCC인 a 영역을 넓힘) 공석조성(%C)은 항상 낮아짐.

Topic: 주물재료-주철 (1) 회주철 (gray cast iron) 일반주물용 주조성, 절삭성 양호 조성 : 2.11~4.5%C(흑연, graphite의 형태로 존재 가능), ~3.5%Si (1) 회주철 (gray cast iron) 일반주물용 주조성, 절삭성 양호 편상 흑연(graphite flakes)이 응력집중원 역할

(2) 구상흑연주철 (nodular cast iron) 회주철 구상흑연주철 가단주철 (2) 구상흑연주철 (nodular cast iron) 용탕주입 전에 소량의 Mg 혹은 Ce첨가로 편상을 구상으로 바꿈. 인장강도 향상, 내충격성

구상흑연주철(계속) 페라이트 구조 구상흑연주철. 흑연의 결절들, 펄라이트 (검정부분) 와 페라이트 (밝은배경). Etchant: Nital 2% 펄라이트 구조

(3) 백주철 (white cast iron) 회주철을 가열후 급냉하거나 C, Si의 조성을 조절하여 얻음. 경도, 내마모성 우수 (4) 가단주철(malleable cast iron) 백주철을 800-900℃에서 여러 시간 풀림처리 내충격성, 내열성, 절삭성, 고강도 백심가단주철, 흑심가단주철

편석(segregation): 합금원소의 국부적인 집중 미세편석 (micro-segregation) 표면부가 수지상정의 중심부보다 합금원소들이 집중 유심구조 수지상정 발달 거대편석 (macro-segregation) 주물전체에서 조성의 차이를 보임 정상편석: 합금원소중 융점이 낮은 원소가 중심부로 몰림 역편석: 주물중심부에 등축립이 생기면서 융점이 낮은 원소가 벽쪽으로 몰림 중력편석: 밀도차가 클 때 (a) 주상수지상정 (b) 등축수지상정 (c) 등축비수지상정 단상 평면 경계선에서의 주조조직 2상 평면 경계선에서의 주조조직

Topic: 유동과 열전달 용탕의 유동순서 용탕-용탕받이-탕구(sprue)-게이트-탕도(runner)-주형공동부(cavity)-라이저(riser)

사형각 부분의 역할 용탕받이: 용탕이 처음 부어지는 곳 탕구 (sprue) 탕도 (runner) 주형공동부 블라인드라이저: 통과하는 과정에서 떠오르는 불순물 모음, 주형에서 용량이 부족할 경우 자동적으로 보충 쵸크: 하단부의 단면을 줄여 공기혼입을 방지 게이트: 러너와 주물을 연결하는 부분, 필렛을 두어 난류방지

유동특성 Reynolds 수 보통탕구계: Re = 2,000~20,000 Re < 2,000 이면 층류 (laminar flow) Re > 20,000 이면 난류 (turbulent flow) 주조성은 유동성에 비례 점도 : 온도에 민감하며 유동성 저하 표면장력 : 높으면 유동성 저하 산화막은 표면장력을 높인다. 개재물 : 섞이면 유동성 저하 응고형태 : 응고범위 넓으면 유동성 저하