주조상식<알면 힘 !!>

1. 개요 * 주조란 ? 용융금속을 주형 속으로 주입, 주형 안에서 금속 응고. 복잡한 제품, 특히 내부공동을 갖는 제품도 한번에 최종제품으로 성형. 엔진블록, 크랭크축, 피스톤, 기차바퀴, 장식품 등 * 주요 포인트 무결함, 강도, 정확한 치수, 표면 정밀도(거칠기)를 달성하는 것. * 주요 공정변수 주형재료, 용탕의 유동, 주형내에서의 열전달, 금속의 수축(체적변화) 2. 금속의 응고 * 순금속 일정한 온도에서 응고 발생 잠열(Latent heat) 발생하는 동안 응고발생. * 합금 어떤 온도범위에 걸쳐서 응고 액상선에서 응고 시작, 고상선에서 응고 종료. 액상과 고상선 사이는 액상, 고상이 함께 존재하는 mushy 상태. 를 합금의 상태도(phase diagram)이라 한다. 2.1 고용체 ( solid solution) * 용매(solvent)와 용질(solute) 용질은 용매에 첨가되는 원소. 용질은 소금, 설탕과 같은 적은 부분을 차지하는 요소. 용매는 물과 같이 맣은 부분을 차지하는 요소. * 고용체 합금시 용매의 특정 결정구조가 유지되면 그합금은 고용체 치환고용체: 용질원자 크기 @ 용매원자 크기. 아연과 구리 합금 침입고용체: 용질원자 크기 << 용매원자 크기. 철속의 탄소 강(steel)은 철(iron)과 탄소(carbon)의 합금이다. 2.3 이상계 (two-phase syetem) 두개의 고상으로 구성된 시스템 (그림 5.2) * 첨가구조 구리+납의 사례. 구리 고용체(1상) + 구형 납입자(2상). 2상입자들에 의해 강해짐. * 집합구조 두종류의 결정립 집합, 각각 자신의 조성과 성질 가짐. 예를 들어 밝은 부분은 연성, 어두운 부분은 취성을 가짐. 2.4 평형 상태도 (phase diagram) 합금에 대해 온도, 조성과 현재의 상 사이의 관계를 나타내는 선도. 합금비율은 무게비율로 표시. * 니켈-구리 합금 상태도 용질 Ni 가 전위이동을 방해하여 결과적으로 합금 강도가 증가. 왼쪽 경계는 니켈(용매) 100%, 오른쪽 경계는 용질(구리) 100%. 50%-50% 경우 응고 시작점 1313도, 종료점 1249도. 사이는 mushy상태. 특정 온도에서의 액상, 고상조성비를 알려면 해당온도에서 수평선. 응고시작점(1313도) 액상조성 50%Cu-50%Ni 고상조성 36%Cu-64%Ni. 응고중간점(1288도) 액상조성 58%Cu-42%Ni 고상조성 42%Cu-58%Ni. 응고종료점(1313도) 액상조성 67%Cu-33%Ni 고상조성 50%Cu-50%Ni. * 천평법칙 각 조성의 양(무게)를 구하려면 천평법칙. 지렛대의 왼쪽끝(0) 및 오른쪽 끝(1)이 각각 완전고상, 완전액상. 각 조성의 양이 지랫대 반대거리에 비례 -> 역천평 법칙 고체부분의 무게 2.5 철-탄소계 강(steel)과 주철(cast iron)은 철-탄소의 2원소계. 탄소를 6.67%까지만 함유 가능. 6.67% 함유철을 탄화철(iron-carbide)라 함. 순철(pure iron): 0.008% 까지 강(steel): 2.11% 까지 주철(cast iron): 6.67%까지 (대부분은 4.5%를 넘지 않는다.) * 철-탄화철 상태도 강의 상태도는 철-탄소 대신 철-탄화철간의 조성비를 통해 표시. 순철은 냉각되면서 - ferrite -> -austenite-> - ferrite * -페라이트 BCC, 최대 0.022%까지 탄소 용해. 부드럽고 연성이 큼. * -오스테나이트 FCC, 최대 2.11%까지 용해. 페라이트보다 탄소를 최고 100배 까지 용해. 탄소가 철사이에 침입, 그림 5.5. 치밀하면서도 고온 연성으로 성형성 우수. * 세멘타이트 탄소함유량 6.67%의 100% 탄화철(Fe3C)로서 상태도의 오른쪽 경계. 매우 굳고 강취성. * 공석반응(eutectoid reaction)과 펄라이트 특정온도에서 단상 조성이 두개의 다른 고체상으로 동시 석출되는 현상. 0.77% 탄소함유 철은 727도에서 오스테나이트 ->페라이트 + 세멘타이트(Fe3C) 구조로 동시에 석출된다. 공석반응으로 석출된 강을 공석강이라 하며 진주구조와 유사하여 펄라이트 구조라 함. 페라이트(연성)와 세멘타이트(취 성)의 중간 성질. 2.7 주철 ( cast-iron ) 철과 탄소(2.11-4.5%), 실리콘(3.5%까지)으로 구성. 응고형태에 따라 회주철, 구상흑연주철, 백주철, 가단주철 등. * 철-탄소계 상태도 주철의 상태도는 철-탄화철 대신 철-흑연 조성비를 통해 표시. 그래서 액상->, 점 온도가 강의 경우와 약간 다르다. 철에서 탄소량이 많아 질수록 강(1538도)보다 낮은 온도(1154도)에서 녹으므로 주철은 주조공정에 적당. 3. 주조조직 금속이 응고하는 동안 발달되는 주조조직은 금속고유의 원소, 조성 뿐 아니라 냉각속도, 금속 유동에 의해서도 달라진 다. * 순금속 표면은 미세 등축결정립의 응고표면 또는 셸. 주형(열전달) 반대방향으로 주상정 결정립 성. * 합금 공존 영역(mushy region)에서 주상 수지상정 (columnar dendrite) 성장. 수지상정 가지사이에는 액상이 존재. 각속도 느리면 조대, 빠르면 미세 결정. 결정립 크기 작아지면 강도와 연성 증가, 미세 기공률 감소. 4 유동과 열전달 4.1 용탕의 유동 * 기본적 주조 시스템 탕구계(gating system): 불순물을 주입구 벽에 부착시켜 주형에 도달 차단. 용탕의 대기노출 방지위해 테이퍼 형상. * 유동특성 유동속도 너무 낮으면 미리 응고, 너무 빠르면 난류로 공기혼입 불순물형성 -> 급격한 형상변화 피해야. 4.2 용탕의 유동성 a) 점도가 온도에 민감할수록 유동성 저하 b) 표면장력이 높을수록 유동성 감소. 표면 산화막도 유동성에 악영향. c) 게재물 많을수록 나쁜 영향. 모래섞인 기름의 예. d) 긴 응고범위 갖는 합금일수록 유동성 나빠짐. e) 주형 열전도도 좋고 표면 거칠수록 유동성 나쁨. f) 주형온도 높이면 유동성 좋으나 응고느려 생긴 조대결정이 낮은 강도. g) 천천히 용탕 주입할수록 유동성 저하 * 유동성 시험법 4.4 응고시간 응고층 두께는 시간의 제곱근에 비례. 예를 들어 시간 두배면 두께 1.41배. 응고시간은 (부피/표면적)^2 에 비례. 육면체가 구형보다 빨리 응고. 4.5 수축 응고전 액상 냉각 수축 액상에서 고상으로 상변화 동안 수축 고상에서 대기온도로의 수축 4.6 결함 * 7가지 결함들: 돌출, 기공, 불연속, 표면결함, 불완전주물, 형상뒤틀림, 게재물 * 기공 대표적 원인 ? 수축 및 가스. 주물의 연성, 표면정도에 치명적, 압력용기 압력누설. * 수축에 의한 기공 두께차이가 응고차이 유발, 기공 발생 -> 수축에 의한 큰 기공. 냉각쇠 삽입하여 응고속도 증가 (그림 5.17) 또는 열간압축(HIP, 고가) * 가스 의한 기공: 용탕이 응고하면서 녹았던 가스 방출 또는 용탕이 주형과 반응하여 발생. 불활성기체 불어 넣거나 진공속 용해. 또는 탏산제를 첨가하기도. 5 . 용해법 용제는 용해내 가스, 불순물 제거, 용탕을 정련. 슬래그는 용탕표면을 대기 반응 및 오염으로부터 보호, 열손실 감소. * 용해로 전기아크로: 빠른 용해속도, 저공해, 장시간 용탕 유지. 유도로: 수냉구리코일 이용 유도가열. 소형주조공장에서… 도가니로: 오래전부터 사용. 각종 화석연료로 가열. 큐폴라: 내벽을 내화벽돌로 쌓은 철제로. 연속 작동으로 다량 용탕 생산. * 주조의 과정 준비단계: 모형(pattern) 과 주형( mould) 제작. CAD/CAM, RP의 사용. 주조단계: 용융금속을 주입 주조, 열처리, 검사 거 3D 업종 -> CAD/CAM 자동화 활용 -> 첨단화 추세. 6. 주물재료 표5.2 참조 (주조성 뿐 아니라 용접성, 절삭성을 고려해야) * 철합금 회주철: 흑연이 편상, 파단면이 회색. 압축에는 강하나 인장에 약. 흑연이 진동감쇠 역할. 공작기계받침대. 구상흑연주철: 흑연이 구상. 이로 인해 연성과 내충격성 향상. 용탕에 Mg,Ce첨가하여 만듬. 백주철: 흑연대신 탄화철이 많아 취성. 경도,내마멸성 우수.하여 라이너, 브레이크슈로 사용. 회주철을 급냉함. 가단주철: 구상흑연과 비슷. 연성, 강도, 충격저항 향상. 백주철 여러시간 풀림처리. 비철합금 알루미늄 : 좋은 내식성, 가볍고 무해, 절삭성 우수. 그러나 마멸, 마모 저항성 나쁨. 건축, 장식, 항공기, 자동차 엔진블럭 8. 주조공정: 소모성 주형 * 개요 소모성 주형과 영구 주형으로 구분. 각 방법들 비교 소모성: 사형, 셸, 소실모형, 석고, 세라믹, 인베스트먼트 영구: 다이캐스팅, 원심 * 사형주조 ( sand casting ) 모형(pattern)을 이용하여 탕구계를 포함하는 모래 주형(sand mold)을 만들고, 여기에 용탕을 채운후 응고하면 주형을 깨 어 주물을 꺼냄.. 모형(pattern): 나무, 플라스틱, 금속 등으로 제작. 사형 만들기 위한 원형. 조형작업 : 사형을 만드는 작업. 코어 : 내부 구멍있는 제품이 있을 때 가장 오래되었고 가장 많이 쓰이는 주조법. 소량생산에 유리. 그러나 대량도 경제적. 장치비용 저렴. 공작기계 받침대, 엔진블록, 실린더헤드, 펌프하우징. * 쉘주조 모형을 철강, 알루미늄으로 제작, 이형제로 코팅. 열경화성수지 섞은 미세모래를 날린후 경화시켜 만든 쉘(두께 5~10mm)을 주형으로 사용. 적은 비용으로 좋은 표면정도와 공차를 가진 다양한 제품을 생산. 생사주형보다 예리한 코너, 얇은 면을 갖는 제품을 생산. 다수의 탕구계를 통해 한 개 주형에서 여러 개 주물을 만든다. 금속모형 비용 고가이지만 주물품질 우수. 후처리 비용 감소 잇점. 기어하우징, 커넥팅로드 같은 고정밀도 필요한 부품. * 소실모형 주조 용탕과 접촉하면 증발하는 폴리스틸렌 모형을 사용. Lost-foam, loast-pattern 주조라고도 한다. 알루미늄 금형에 폴리스티렌 원료를 넣어 금형 모양대로 팽창시킴. 모형에 내화제 바른후 주물사로 채우고 용탕을 주입하면 모형이 증발. 여러 모형을 접착하면 매우 복잡한 모형도 가능. 분리선, 코어, 라이저 등이 없으므로 공정이 단순. * 석고주형 주조 석고를 주형재료로 사용. 석고재료+물 슬러리를 모형에 부어 굳힘. 모형은 나무 대신 알미늄합금, 열경화성 플라스틱 등으로 제작. 통기성 나빠 가스방출 안되기 때문에 진공이나 압력상태에서 주조. 석고 내열온도 낮기 때문에 알루미늄 등 비철합금에 대해 적용. 미세하고 좋은 표면정도 석고가 열전도 낮아 주물이 천천히 냉각되므로 뒤틀림 적고 성질 양호. 세라믹주형, 인베스트먼트주조와 함께 정밀주조에 속함. 기어, 밸브, 피팅, 공구 등. * 세라믹주형 주조 고온에 적합한 내화재료를 사용하는 것 외에 석고주형과 동일. 모형은 나무나 금속을 사용. * 인베스트먼트 주조 일명 로스트왁스법. 모형을 왁스, 플라스틱 등으로 제작. 금형속으로 사출하여 만든다. 만들어진 모형을 내화재료액에 반복 담궈 표면에 쉐 형태 주형을 만든다. 내화재료로 계속 덧입힌다 해서 인베스트. 재료나 인건비가 비싸지만 우수한 표면정도와 공차. 마무리 불필요. 사무장비, 기어, 캠, 밸브, 귀금속 등. . 9. 주조공정: 영구주형 * 개요 주형을 반복적으로 사용함. 따라서 고온에서 강도유지, 반복사용하는 금속으로 제작. 소모성 주형보다 열 전도도 높아 주물은 급속냉각. 주물조직이 미세. 주형 수명증가 위해 내화액 바르거나 매번 주조사 마다 흑연 분사. 이들은 이형제, 열차폐, 냉각속도 조절 등의 기능도 함. 우수한 표면 정도, 치수공차 실현. 생산속도도 높음. 금형비용이 높아 장치비용 고가이나 공정자동화 가능하므로 인건비 감소. 소량에는 비경제적. * 가압주조 용탕에 압력을 가함. * 다이캐스팅 용탕이 채워진 금형 공동부(cavity)에 압력을 가함. * 원심주조 원심력을 이용하여 용탕을 공동부에 채움. 원심력 의한 가압효과도 있음. * 스퀴즈 캐스팅 주조와 단조의 조합. 용탕을 주입한 후 펀치금형으로 가압. 제품내 미세기공이 없고 기계적 성질 좋으며 후가공 불필요한 정형. 10. 주물의 처리: 열처리법 주물 후 열처리 통해 기계적 성질 ? 강도, 경도, 연성, 내마멸성 ? 개선. 열처리는 상변태를 야기하며, 이미 선행된 냉간가공도, 가열 및 냉각속도, 가열온도 등에 따라 달라진다. 열처리는 주물에만 적용되는 것은 아니다. 강에도 적용된다. * 담금질 (quenching) 변태점 이상으로 가열, 오스테나이트에서 급냉함으로써 조직변화를 억제. 급냉결과를 마르텐사이트 조직이라 하며 매우 경하고 취성이 큼. 참고로 오스테나이트를 서냉하면 펄라이트를 얻음. 템퍼링을 수반하여 변태 경화법 (transformation hardening) 이라고도 한다. 석출경화 (precipitation hardening) 비철합금과 스테인리스강은 변태가 없으므로 다른 방법 사용. 급냉후 중간온도까지 재가열하여 석출을 유발. 그 정도에 따라 경도조절. 시효(aging) 경화라고도 한다. * 템퍼링 (tempering) 간의 변태점 이하로 가열 후 물,기름,공기등에서 적정 속도 냉각. 담금질한 강은 경도가 크나 취성 역시 크므로 경도를 다소 희생시키면서 인성을 부여하기 위한 방법. * 풀림처리 (annealing) 간의 변태점 이상으로 가열한 후 서냉시킴. 원래의 성질을 되찾도록 해주는 방법. 연성을 증가, 경도/강도를 줄이며, 잔류응력을 제거함. * 표면경화 많은 경우 표면 성질만 바꾸는 것 필요. 급냉하면 경도,취성 같이 증가. 따라서 표면만 경도 높이려면 표면경화가 필요. 표면경화를 위한 모든 방법은 4장 기어, 캠, 베어링, 체결부품, 핀, 자동차 클러치 등에서 이용. 고주파 유도법 침탄법: 탄소를 함유한 기체분위기에서 가열후 담금질. 표면을 탄화시킴. 질화법: 암모니아 가스에서 가열. 표면을 질화시킴. 11. 주물설계 * 소모성 주형 주물의 설계 모서리, 각, 단면두께 : 열점(hot spot)에는 수축공동이 집중하므로 금속패딩 삽입. 넓은 평탄면은 피해야. 뒤틀림, 표면 정도 저하 방지. 수축 여유를 가져야. 분리선은 평면 또는 모서리, 옆면에 두는 것이. 되도록 작은 드래프트를 주는 것이. 마무리 공정에 대비, 가공여유를 두는 것이. * 주조공정의 모델링 마그마소프트, ProCast, AFSsolid, WinCast 12. 주조의 경제성 총생산비용은 재료, 인건비, 공구, 장비 등 비용으로 구성. 다이캐스팅 경우 금형제작이 비싸고, 많은 단계 필요. 인베스트먼트 주조는 많은 단계를 거치므로 많은 노동력 필요. 주물 한 개당 소요되는 장치비용은 생산개수가 많아질수록 낮아짐. 수요가 작다면 사형주조가 훨씬 경제적.