1 실험제목: 주조 결함 (종류 및 해결 방안)
2. 실험 목적: 주조 결함에 대한 종류 및 해결방안을 제시 할 수 있다
3. 이론
재료의 성질은 결함에 의해 큰 영향을 받는다. 따라서 재료 내에 존재하는 결함의 형태에 대해 알아볼 필요가 있다. 모든 재료는 다양한 결함을 가지고 있는데 이는 주조품에서도 마찬가지이다. 주조품의 결함은 내부 공공 결함( cavities or porosity), 외부 표면 결함 등으로 분류할 수 있다. 공공은 원인별로 가스에 의한 것과 응고 수축에 의한 것 2가지로 크게 나눌 수 있으며, 형태적으로는 가스 기공은 둥근 모양을 가지며, 수축공은 불규칙한 형태를 나타내는 경우가 많다. 또한, 가스 기공을 초래하는 원인 가스의 종류가 다양하며 공공의 크기나 생성 위치에 따라 여러 이름으로 불리게 된다. 외부 표면 결함으로는 주탕 결함, 치수 결함, 지느러미 결함 등으로 구분할 수 있다.
먼저 기공에 대해서 소개하려고 한다.
기공( blow- holdes, pinholes)은 통상적으로 구형을 나타내며 표면에서 멀지 않은 부근에서 형성되는 결함으로써 표면까지 연결된 경우와 그렇지 않은 경우로 세분할 수 있다. 대부분은 표면으로부터 약간 속에 존재하다가 표면 절삭 등으로 인해 노출되는데 반짝이는 점으로 관찰된다. 큰 기공은 종종 제품 가운데 고립된 상태로 존재하며 미세한 기공들이 집단으로 형성되기도 한다. 특히 사형 주조에서 하형보다는 상형에서 발견되는 경우가 빈번한데, 중자 가스에 의해 발생하는 경우에는 중자 부근에서 관찰된다. 기공의 내부는 다소 산화되어 있는 것이 자주 관찰되며 주철에서는 흑연층이 발견되기도 한다. 다음은 기공 불량의 모습이다.
기공에 대한 방지 대책으로는 다음과 같다.
1. 주형에 충분한 배기공을 설치한다.
2 주물사의 수분함유량을 조절하고 적절한 건조 처리를 한다.
3. 탕도의 높이를 조절하고 압탕에 의한 용융 금속에 압력을 가한다.
4.잔류가스 제거를 위해 용탕 탈 가스 처리를 주입전에 수행한다.
다음으로는 수축공(shrinkage)에 대해서 살펴보려고 한다.
수축공은 금속이 액체에서 고체로 변화될 때 부피가 수축하는 물리적인 현상에 기인하는 것으로 크기에 따라 미세 수축공 또는 일반 수축공으로 불린다. 응고 과정 중 후반기에 용탕이 부족해지는 부분에 발생하므로 주위에 비해 두꺼운 부분이나 열이 집중되는 최종 응고 지점에서 주로 발견되는 결함이다. 길쭉한 형태의 수축공은 주로 표면에 수직인 방향으로 보이기도 한다. 수축공에 대한 방지 대책으로는 다음과 같다.
1. 수축공을 압탕 내로 유도하기 위해서 주물의 하부에서 상부로 방향성 응고가 진행되도록 주조 방안을 결정해야 한다.
2. 주물의 두께를 될 수 있는 한 얇게 하고 주입온도를 필요 이상 높이지 말며 주입한 용탕이 장시간 용융 상태에 있지 않게 해야 한다.
3. 충분한 용탕 정압을 얻을 수 있도록 높은 탕구를 사용해야 한다.
다음으로는 균열이 있다.
균열에는 열간 균열과 냉간 균열이 존재하는데, 열간 균열의 경우 사형 주조에서 주입된 용탕이 응고하는 과정 중에 부피 수축에 따른 응력이 발생하는데 주형이 응고하는 제품부를 속박하여 응력이 집중되면 그 부분에 고온 균열이 발생하게 된다. 냉간 균열의 경우 냉각과정으로 인한 응력 때문에 상온에서 발생한다. 또한 열간 균열의 경우 제품이 균열로 인해 완전히 분리되는 경우가 아니면 균열의 존재 확인자체가 어려울 수도 있다. 그러나 냉간 균열의 경우 균열이 완전히 전파되어 나타나는 경우가 많으므로 발견이 상대적으로 용이 하다.
열간 균열의 방지 대책으로는
1. 주물 두께의 급격한 변화가 없도록 조정한다.
2. 주형의 열 팽창계수가 낮도록 한다.
3. 최종 응고부에 냉금을 부착시켜 응력 발생을 방지한다.
냉간 균열의 방지 대책으로는
1. 주물의 두께를 균일하게 설계한다.
2. 주형에 첨가제등을 배합하여 수축성을 준다.
3. 주물의 후처리시 충격을 주지 않는다.
개제물(inclusion)
주조 과정, 즉 용해 용탕의 래들 이송, 용탕 주입 중 모래입자 등이 용탕 내로 혼힙되어 제품부에 남아 발생하는 결함을 일컫는다. 개제물은 제품 표면 및 내부에서 모두 발견 될 수 있으며, 공공과 표면결함 두 군데 모두 속한다. 이러한 개제물은 제품의 기계적 성질을 크게 저하시키는 경향을 띤다.
방지 대책으로는 다음과 같다.
1. 용탕 운반시 슬래그 처리를 완벽히 한다.
2. 용탕 주입시 비금속 이물질의 주입을 막는다,
3. 주물사에 점결제의 첨가량을 증가시킨다.
4. 모형 표면에 결함을 없앤다.
지금까지 주조품 내부에서 생기는 공공에 대해서 알아보았다. 다음으로는 표면에서 생기는 결함에 대해서 간략하게 훑어보려고 한다. 용탕 돌출(metal projections)은 flash, fin, veining등의 결함을 일커는 말로, 주형면이나 상,하형 접합부 등에 주로 발생한다. 다음 그림을 통해 효과적으로 이해할 수 있다.
파임(scab) 혹은 구김(buckle)는 주형 내부를 용탕이 충전하는 과정에서 주형 벽이 파이거나 주형이 팽창하여 균열이 생기면서 발생된다. 용탕 돌출과 마찬가지로 주로 상형 및 하형의 주조 제품 면에서 발생한다.
위와 같은 결함을 방지하기 위해서는
1. 주물사의 강도를 증가시키고 수분 함유량을 조절한다.
2. 첨가제등을 적당히 첨가하여 주물사의 팽창을 줄인다.
3. 주입 온도를 낮추고 주입속도를 높인다.
미스런 (mis- run)
합금의 고유 유동도가 나쁘거나 주입 온도가 낮아 용탕의 유동성이 부족하면 주형의 내부 공간을 충분히 충전하지 못하므로 원하는 형상의 제품을 주조할 수 없는 결함이 발생한다. 원인으로는 용탕의 유동성이 부족하여 주형의 내부 공간을 채우다가 응고진행으로 중단되는 결함이다. 따라서 방지 대책으로는
1. 주입온도, 주입 속도 금형의 경우 예열 온도를 높인다.
2. 충분한 압탕을 준다.
모래소착(sand burning)는 고온의 용탕이 주형과 심하게 반응하면서 모래 입자가 용융 되어 제품 표면에 유리 형태로 남게 되는 결함을 발하는데, 이 때문에 마무리에 절삭 가공을 통해 제거해야 한다.
이에 대한 방지 대채긍로는
1. 충분한 내화성을 갖는 주형 재료를 사용한다.
2. 국부적으로 과열되는 주형 부분에는 핀 혹은 못 등의 형지를 사용한다.
치수 불량- 주조 제품의 응고시 부피 수축을 잘못 예측하여 올바른 치수를 얻지 못한결함이다.
방지 대책으로는
1. 금속의 수축률을 고려하여 주물자의 선정을 유의한다.
2. 목형의 보관에 주의하며 재사용시 치수 변화를 점검한다.
다음과 같은 결함들과 해결방안을 통해 성공적으로 원하는 주조품을 얻을 수 있다.
참조.
1 금속주조공학 권진업 kwangmoonkag pp337~349
2 재료과학과 공학 William d Callister JR 시그마프레스 pp421~426
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