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 주조의 기초이론

 

■ 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.

    (1) 용융점이 낮고
    (2) 용해시 유동성이 좋으며
    (3) 응고 시에 수축이 적을 것 등의 조건을 가져야 한다.

● 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

● 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

● 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 고려할 것
         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.

● 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