제제 55 장 주조공정 장 주조공정 (Casting Process) (Casting Process) II

Topic: (1) Topic: (1) 주조이론주조이론 (2) (2) 주조 공통사항주조 공통사항 (3) (3) 소모성 주형주조소모성 주형주조 (4) (4) 영구주형 주조영구주형 주조 (5) (5) 주조 후의 처리주조 후의 처리 (6) (6) 주물설계와 주조의 경제성주물설계와 주조의 경제성

문제문제 : : 골프 아이언의 헤드는 제조공법의 차이로 단조 아이언과 주조 골프 아이언의 헤드는 제조공법의 차이로 단조 아이언과 주조

아이언으로 나뉜다아이언으로 나뉜다 . . 일반적으로 많은 프로와 상급자 골퍼들은 단조 일반적으로 많은 프로와 상급자 골퍼들은 단조

아이언을 선호하고 가격 역시 주조 아이언에 비해 비싸다아이언을 선호하고 가격 역시 주조 아이언에 비해 비싸다 . . 단조단조 , , 주조 주조

아이언의 차이는 무엇일까아이언의 차이는 무엇일까 ??

단조아이언 주조아이언

주 소재 연철 ( 카본스틸 ) 머레이징 강

특징연마에 의한 치밀한 조직 >> 골프공과의 밀착력이 뛰어남타구감이 부드럽고 컨트롤 용이

충격 및 내구성 양호경도가 높은 재질로 반발력 좋음대량 생산 용이

타구감 우수 다소 떨어짐

사용감 다소 어려움 보통

헤드모양 한정됨 다양함

단조아이언

주조아이언

<< 주조 절차주조 절차 >>

• 용탕 용탕 ((molten metal)molten metal)• 주형 주형 ((mold)mold) 에 주입 에 주입 (pouring)(pouring)• 응고 응고 (solidification)(solidification)• 냉각 냉각 (cooling)(cooling)• 탈착 탈착 (ejecting)(ejecting)• 주물 주물 ((castings)castings)• 후처리후처리

108108 개의 익형을 갖는 압축기 고정자개의 익형을 갖는 압축기 고정자(( 정밀주조방법인 인베스트먼트주조로 제정밀주조방법인 인베스트먼트주조로 제

작작 ))

Topic: Topic: 주조 개요주조 개요

사형주조사형주조 ((sand casting)sand casting) 로 제작된 로 제작된 680680kgkg 의 공기압축기 프레임의 공기압축기 프레임

<< 주조에서의 고려사항주조에서의 고려사항 >>

• 금속의 응고과정 금속의 응고과정 - - 주조조직주조조직 ((cast structure), cast structure), 응고기구응고기구 ((solidification mechanism)solidification mechanism)

• 용탕의 유입용탕의 유입 , , 유동 유동 - - flow analysisflow analysis• 응고 및 냉각 동안의 열전달응고 및 냉각 동안의 열전달• 주형재료의 영향주형재료의 영향• 주조의 주조의 CAE (ex: MAGMASOFT, ProCAST)CAE (ex: MAGMASOFT, ProCAST)

플라스틱 플라스틱 >> >> 사출성형 사출성형 (injection molding)(injection molding)

금속금속 >> >> 다이 캐스팅 다이 캐스팅 (die casting)(die casting)

Topic: Topic: 금속의 응고단계금속의 응고단계

• 순금속의 응고순금속의 응고• L(L( 액상액상 , , 원자의 결정구조 원자의 결정구조

없음없음 ) - ) - S(S( 고상고상 , , 원자는 원자는 격자점에 고정격자점에 고정 ))

• 운동에너지를 열에너지로 운동에너지를 열에너지로 방출방출 (( 응고잠열응고잠열 , , latent latent heat)heat)

Q: Q: 합금의 냉각곡선은 합금의 냉각곡선은 어떻게 달라지는가어떻게 달라지는가 ??

<< 핵생성과 성장핵생성과 성장 >> 구형의 고상으로 응고되는 경우구형의 고상으로 응고되는 경우

과냉각되는 경우과냉각되는 경우 - - 핵생성속도가 성장속도보다 빠름핵생성속도가 성장속도보다 빠름 (( 미세한 결정립미세한 결정립 , , chill zone)chill zone) 핵생성보다 성장속도가 빠른 경우핵생성보다 성장속도가 빠른 경우 - - 표면적이 넓은 표면적이 넓은

부분에서 부분에서 열유동의 반대방향으로열유동의 반대방향으로 가늘고 긴 모양으로 성장 가늘고 긴 모양으로 성장

• 수지상정수지상정 ((dendrite)dendrite) 이 형성되는 이유이 형성되는 이유• 주형벽면에서는 주상정주형벽면에서는 주상정 ((culumnar crystal)culumnar crystal)

난 에일리언이 아닙니다난 에일리언이 아닙니다 ..

Dendrite Dendrite 구조구조

<< 응고과정응고과정 >>

<< 주조조직의 형성주조조직의 형성 >>

• 순금속순금속 : : 주상정주상정의 발달의 발달

• 고용체합금고용체합금 : : 액상점 액상점 ((TTLL)) 과 고상점 과 고상점 ((TTSS) )

사이에서 사이에서 고고 -- 액 공존상태 액 공존상태 ((mushy-state)mushy-state)

• 핵생성촉진제핵생성촉진제 (( 접종제접종제 ): ): 등축조직 유도등축조직 유도

• 머쉬영역머쉬영역 : : 응고범위 응고범위 ((TTLL--TTSS)) 에 비례에 비례

Q: Q: 머쉬영역이 넓으면 주조성이 좋지 않은 이유는머쉬영역이 넓으면 주조성이 좋지 않은 이유는 ??

<< 주물의 응고단계 요약주물의 응고단계 요약 >>

• 주형표면에 미세결정립 주형표면에 미세결정립 - - 온도구배가 심하므로 온도구배가 심하므로 용탕이 과냉각용탕이 과냉각

• 온도구배가 완만해지면서 열유동과 반대방향으로 온도구배가 완만해지면서 열유동과 반대방향으로 결정립성장결정립성장 (( 주상정주상정 ))

• 용탕내부에서는 수지상정이 생기고 성장 시작용탕내부에서는 수지상정이 생기고 성장 시작• 응고완료응고완료

• Note: Note: 부피에 비해 표면적이 넓은 주물 부피에 비해 표면적이 넓은 주물 (=(= 크기가 작은 주크기가 작은 주물물 ) - ) - 냉각속도가 빠르고 단면전체에서 미세등축립냉각속도가 빠르고 단면전체에서 미세등축립

Topic: Topic: 평형상태도와 조직평형상태도와 조직• Cu-NiCu-Ni 합금합금 (( 완전 고용 가능완전 고용 가능 )) 의 예의 예

천평법칙천평법칙

고상분율고상분율 ==LS

Lo

CCCC

LSS

<< 철철 -- 탄소계 평형상태도 탄소계 평형상태도 ((phase diagram)>phase diagram)>

종류 구조 성질 탄소

용해도

(ferrite) BCC 부드럽고 연함 727℃에서

0.022%

(austenite) FCC

치밀, 고온에서 성형성 양호

727℃에서 0.77%

Fe3C (cementite) 화합물 단단하고 취성 6.67%

예제 : 탄소강에서 상의 양 결정

0.4% C 10 kg 의 주물이 728 oC 로 서랭될 때 , 와 상의 양 결정

천평법칙천평법칙

(%) 100%oC CC C

(%) 100%oC CC C

<< 공석반응 공석반응 ((eutectoid reaction)>eutectoid reaction)>

• 공석점공석점 (727 , 0.77%℃(727 , 0.77%℃ C) C) 전후의 상변화전후의 상변화 .. • 를 서냉시키면서 평형을 유지한 경우를 서냉시키면서 평형을 유지한 경우 , , 에 에

흡수되지 못하는 여분의 탄소는 흡수되지 못하는 여분의 탄소는 FeFe33CC 로 공동석출됨로 공동석출됨 ..• 727℃727℃ 에서에서

(0.77%C) = (0.77%C) = (0.022%C) +Fe(0.022%C) +Fe33C (6.67%C)C (6.67%C) 100% = 88.7% + 11.3% 100% = 88.7% + 11.3%

• pearlitepearlite–(ferrite) + Fe(ferrite) + Fe33C (cementite)C (cementite)–층상구조 층상구조 ((lamellar)lamellar) 로 중간 성질로 중간 성질 . . –기계적 성질 우수기계적 성질 우수 ..

• 합금원소의 영향합금원소의 영향

– 공석온도공석온도 , , 공석조성을 변화시킴공석조성을 변화시킴 ..– NiNi((FCCFCC 구조구조 ): ): 공석온도를 낮춤공석온도를 낮춤 . . ((FCCFCC 인 인 영역을 넓힘영역을 넓힘 ))– Cr, Mo(BCCCr, Mo(BCC 구조구조 ): ): 공석온도를 높임공석온도를 높임 . . ((BCCBCC 인 인 영역을 넓힘영역을 넓힘 ))– 공석조성공석조성 (%(%C)C) 은 항상 낮아짐은 항상 낮아짐 ..

Topic: Topic: 주물재료주물재료 -- 주철주철

• 조성 조성 : 2.11~4.5%: 2.11~4.5%C(C( 흑연흑연 , , graphitegraphite 의 형태로 존재 가능의 형태로 존재 가능 ), ),

~3.5%~3.5%SiSi

(1) (1) 회주철 회주철 ((gray cast iron)gray cast iron) 일반주물용일반주물용 주조성주조성 , , 절삭성 양호절삭성 양호 편상 흑연편상 흑연 ((grphite flakes)grphite flakes)

이 응력집중원 역할이 응력집중원 역할

회주철회주철 가단주철가단주철구상흑연주철구상흑연주철

(2)(2) 구상흑연주철 구상흑연주철 ((nodular cast iron)nodular cast iron)– 용탕주입 전에 소량의 용탕주입 전에 소량의 Mg Mg 혹은 혹은 CeCe 첨가로 편상을 첨가로 편상을

구상으로 바꿈구상으로 바꿈 ..– 인장강도 향상인장강도 향상 , , 내충격성내충격성

Ductile iron as-cast. Nodules of graphite, pearlite (dark islands) and ferrite (light background). Etchant: Nital 2%

with ferrite structure

with pearlite structure

구상흑연주철구상흑연주철 (( 계속계속 ))

(3) (3) 백주철 백주철 ((white cast white cast iron)iron)– 회주철을 가열후 급냉하거나 회주철을 가열후 급냉하거나

C, SiC, Si 의 조성을 조절하여 의 조성을 조절하여 얻음얻음 ..

– 경도경도 , , 내마모성 우수내마모성 우수

(4) (4) 가단주철가단주철 ((malleable malleable cast iron)cast iron)– 백주철을 백주철을 800-900℃800-900℃ 에서 에서

여러 시간 풀림처리여러 시간 풀림처리– 내충격성내충격성 , , 내열성내열성 , , 절삭성절삭성 , ,

고강도고강도– 백심가단주철백심가단주철 , ,

흑심가단주철흑심가단주철

편석편석 ((segregation)segregation)• 미세편석 미세편석 ((micro-segregation)micro-segregation)

– 합금이 천천히 냉각될 때합금이 천천히 냉각될 때– 유심구조 수지상정 발달유심구조 수지상정 발달

• 거대편석 거대편석 ((macro-segregation)macro-segregation)– 정상편석정상편석 : : 합금원소중 융점이 합금원소중 융점이

낮은 원소가 중심부로 몰림낮은 원소가 중심부로 몰림– 역편석역편석 : : 주물중심부에 주물중심부에

등축립이 생기면서 융점이 등축립이 생기면서 융점이 낮은 원소가 벽쪽으로 몰림낮은 원소가 벽쪽으로 몰림

– 중력편석중력편석 : : 밀도차가 클 때밀도차가 클 때

Topic: Topic: 유동과 열전달유동과 열전달

• 용탕의 유동순서용탕의 유동순서 용탕용탕 -- 용탕받이용탕받이 -- 탕구탕구 ((sprue)-sprue)- 게이트게이트 -- 탕도탕도

((runner)-runner)- 주형공동부주형공동부 ((cavity)-cavity)- 라이저라이저 ((riser)riser)

유동특성유동특성

• Reynolds Reynolds 수수

• 보통탕구계보통탕구계 : : ReRe = 2,000~20,000 = 2,000~20,000 ReRe < 2,000 < 2,000 이면 층류 이면 층류 ((laminar flow)laminar flow) ReRe > 20,000 > 20,000 이면 난류 이면 난류 ((turbulent flow)turbulent flow)

• 주조성은 유동성에 비례주조성은 유동성에 비례 점도점도 : : 온도에 민감하면 유동성 저하온도에 민감하면 유동성 저하 표면장력표면장력 : : 높으면 유동성 저하높으면 유동성 저하

• 산화막은 표면장력을 높인다산화막은 표면장력을 높인다 .. 개재물개재물 : : 섞이면 유동성 저하섞이면 유동성 저하 응고형태응고형태 : : 응고범위 넓으면 유동성 저하응고범위 넓으면 유동성 저하

vD

Re

강의내용 정리강의내용 정리

• 주조의 기본특성주조의 기본특성 / / 주조시의 고려사항주조시의 고려사항• 금속의 응고과정금속의 응고과정• 주조조직 주조조직 - - 수지상정수지상정 , , 주상정주상정 , , 편석편석• 평형상태도 평형상태도 - - 천평법칙천평법칙• 철강의 조직철강의 조직

– 페라이트페라이트 , , 오스테나이트오스테나이트 , , 세멘타이트세멘타이트 , , 펄라이트펄라이트• 주물재료 주물재료 - - 주철주철• 탕구계의 구조탕구계의 구조• 용탕의 유동특성용탕의 유동특성