챕터 1. 주조

챕터 1. 주조

1. 목형

    주물을 만들기 위해서는 목형을 만들어야 한다.

 

 (1) 목재의 장단점

    - 장점

      금속에 비해 가볍고, 인성이 크다.

      금속에 비해 가공하기 쉽다.

      열의 불량도체이고, 팽창계수가 작다.

      금속보다 값이 싸고, 쉽게 구할수 있으며, 보수가 쉽다.

    - 단점

      금속보다 기계적 강도와 치수정밀도가 떨어진다.

      금속보다 가공면이 거칠다.

      조직이 균일하지 않으며, 수분을 함유하면 변형되기 쉽다.

      (목재는 벌채할때 30~40% 정도의 수분을 함유하고 있어 변형이 심하므로, 목형 제작 시 재료는 수분이 10% 이하인 것을 사용)

 (2) 목형재료

     1) 종류

       - 소나무 : 재질이 연하고 가공하기 쉽다.(일반 목형용)

       - 전나무 : 조직이 치밀하고 강하다.(정밀 목형용)

       - 미송 : 재질이 연하고 값이 싸다.(일반 목형용)

       - 벗나무 : 재질이 치밀하고 견고하며, 균열이 적다(복잡한 목형용)

     2) 목재의 수축

        연륜 방향(나이테 방향)>연수 방향(반지름 방향)>섬유 방향(길이방향)>

        목재의 수축 방지 조건 : 목재의 수축이 생기는 가장 큰 원인은 수분 때문이다.

        질이 좋은 목재 선택, 장년기의 수목을 겨울에 벌채할 것(겨울에 수분이 적음), 건조재 선택, 많은 목편을 조합, 적당한 도장.

 (3) 목재의 건조법

     1) 자연 건조법 : 목재를 장시간 자연적으로 건조하는 방법(야적법, 가옥적법)

     2) 인공건조법

       - 침재법 : 물속에 담궜다가 꺼내어 건조

       - 훈재법 : 연소가스 또는 배기가스에 의한 건조

       - 자재법 : 용기에 넣고 쪄서 건조

       - 전기건조법 : 전기저항열을 이용하여 건조

       - 증재법 : 증기로 건조

       - 열풍건조법 : 열풍으로 건조

       - 진공건조법 : 진공상태에서 고주파열이나 가스로 건조

  (4) 목재의 방부법

       - 도포법 : 목재표면에 크레졸이나 페인트를 칠함

       - 침투법 : 목재에 염화아연, 유산동 수용액을 침투 흡수

       - 자비법 : 방부제를 끓여서 목재에 부분적으로 침투

       - 충전법 : 목재에 구멍을 파서 방부제 주입

 (5) 목형 제작상 유의사항

       - 수축여유 : 냉각시 금속이 수축되므로 주물의 치수는 주형의 치수보다 작아져, 수축여유 줌.

       - 가공여유 : 주조 시 급냉으로 인해 표면이 단단해져서 기계가공이 어려워져, 절삭성 향상을 주기 위하여 가공여유 줌.

       - 목형구배 : 목형을 뽑을 때 주형이 파손되지 않도록 목형의 측면을 경사지게 한 것

       - 코어프린트 : 주형에 쇳물이 들어가면 코어는 쇳물에 잡기면서 부력에 의해 이동하므로, 코어를 안전하게 고정시켜줌.

       - 라운딩 : 응고 시 직각방향이 약해지므로 모서리 부분을 둥글게 함.

       - 덧붙임 : 두께가 균열하지 않거나 복잡한 주물은 냉각시 변형되고 파괴되므로 방지하기 위해 휨 방지 보강대를 설치.

 (6) 목형의 종류

     1) 현형 : 제품과 동일한 모양으로 한 목형, 크기는 (제품의 크기+수축 여유+가공 여유)

     2) 부분목형 : 주형이 대단히 크고 대칭인 경우 이를 몇 개 부분으로 나누고, 일부의 모형을 제작하여 전체의 주형을 제작

     3) 회전목형 : 풀리나 단차와 같이 회전체로 되어있을 때 사용

     4) 고르개목형 : 주물사를 긁어내어 주형을 만드는 것

     5) 골격목형 : 중요부분의 골조만 만들고, 공간은 점토 및 석고로 채워 주형을 만듬

     6) 코어목형 : 빈 중공주물을 만들 때 사용하는 모래막대를 코어라 하고, 코어를 만드는 목형

     7) 매치플레이트와 패턴플레이트 : 판의 양쪽에 모형을 절반씩 붙인 것으로 정반의 한 면에만 붙이면 패턴플레이트,

                                               양면에 붙이면 매치플레이트

     8) 잔형 : 주형에서 뽑기 곤란한 목형부분만을 별도로 만들어, 조립하여 주형을 제작할 때 목형은 먼저 뽑고,

                                               잔형을 주형속에 남겼다가 다시 뽑음

 (7) 주물금속의 중량(Wm) 계산

 

여기서 Wm, Sm : 주물의 중량 및 비중,

         Wp, Sp : 목형의 중량 및 비중

         3∅ : 주물의 체적에 대한 수축률은 길이방향의 수축률 3배

 

2. 주조

 (1) 주조공성

     1) 소모성주형 : 모래, 석고 등을 사용한 주형으로 한번 사용하면 주형이 제거

     2) 영구주형 : 주형의 반복사용이 가능

        - 표면이 깨끗하고, 치수가 정확하므로 다듬질이 필요 없다.

        - 주형의 반복사용이 가능

        - 소형주물을 대량생산에 적합

        - 철강의 경우 흑연주형 사용

        - 주물 결정립 미세화

        - 냉각속도가 빨라 가스배출에 문제

        - 코어 사용 가능

 (2) 주물사

      주물사는 주형을 제작하는 데 사용되는 모래

      1) 주물사의 구비조건

        - 통기성, 성형성이 좋을 것

        - 적당한 강도를 가질 것

        - 내화성이 크고, 화학반응을 일으키지 않을 것

        - 주물표면에서 이탈이 용이할 것

        - 열전도성이 낮으며, 보온성이 있을 것

        - 반복사용할 수 있고, 제조 및 취급이 용이 할 것

      2) 주물사의 종류

        - 주철용 주물사 : 신사, 건조사

        - 주강용 주물사 : 점결제로 내화점토, 벤토나이트 사용

        - 비철합금용 주물사(황동, 청동)

        - 기타 주물사와 첨가제 : 표면사, 코어샌드, 점토, 분리사

        - 보조제 : 블래킹, 톱밥, 볏짚

      3) 노화현상

        - 주물사의 노화현상 : 주물사의 주성분은 규사와 점결제이므로 노화현상은 금속산화물의 혼입 때문이다.

        - 점토의 노화현상 : 점토는 600°C 이상으로 건조되면 점결력을 잃게 되므로 일반적으로 600°C를 점토의 노화온도라 한다.

      4) 주물사 시험법

        - 강도시험법 : 압축강도, 인장강도, 굽힘강도 및 전단강도 측정

        - 점착력 : 수분이 증가하면 점착력이 크게 된다.

        - 입도

        - 통기도 : 일정량의 공기가 시험편의 입자 사이로 빠져나가는데 소요되는 시간과 압력을 측정

 

   

 

        - 내화도 : 내화도가 충분하지 못하면 타서 달라붙거나 기공의 원인이 된다.

 (3) 주형법에 의한 분류

     1) 바닥주형법 : 바닥을 수평으로 한 후에 다짐봉으로 적당히 다지어 밑바닥에 주형을 만드는 방법

     2) 혼성주형법 : 모래바닥을 파서 주형의 한 부분을 만들고, 주물상자 하나만을 상부에 놓고 주형을 완성

     3) 조립주형법 : 2개 이상의 주형상자를 겹쳐놓고 주형을 만드는 방법

 (4) 주조방안

     1) 탕구계

        - 주형의 공간에 용융금속을 주입시키는 기능

        - 부유불순물(슬래그,먼지)을 분리시켜 모으는 기능

        - 주형공간에서 발생되는 가스, 공기를 배출

      2) 탕구계 구성

        - 주입구 : 탕도에서 갈라져 주형에 직접 쇳물이 흘러들어가도록 하는부분

        - 쇳물받이 : 쇳물속의 불순물을 제거하고, 쇳물이 조용히 흘러들어가게 하는 역할

        - 탕구 : 쇳물이 유입되는 통로

        - 탕도 : 쇳물이 골고루 흘러가도록 하며, 탕구보다 큰 면적

        - 탕구비 

          탕구계를 이루고 있는 탕구의 단면적 : 탕도의 단면적 : 게이트의 총단면적의 비로 S:R:G로 나타낸다.

          주철은 탕구비 1:1~0.75, 주강은 1:1.2~1.5

      3) 탕구높이와 주입속도

      4) 주입온도

         - 주입온도가 높으면 쇳물의 가스흡수가 심해 기공의 원인이 되고, 수축이 심해 균열을 일으키기 쉽다.

           주입온도가 낮으면 라이저에 의한 쇳물의 충분한 공급이 이루어지기 전에 응고되어 주물 불량의 원인이 된다.

      5) 덧쇳물

         용융금속이 응고시 수축되므로 쇳물의 보충을 위하여 주물이 될 주형 공동부위에 설치된 탕구모양의 것을 텃쇳물(라이저,압탕)

         이라 한다.

          - 쇳물에 압력을 주어 조직 치밀

          - 금속 응고 시 체적감소로 인한 쇳물 부족을 보충

          - 주형내 공기를 제거하며 주입량 알 수 있음

          - 주형내의 가스를 방출시켜 수축공 방지

          - 불순물과 용제의 일부를 밖으로 내보냄

 (5) 금속의 용해와 용해로

     1) 용해로의 개요

        - 주철용 : 큐폴라, 전기로

        - 주강용 : 전기로, 전로, 평로, 반사로

        - 비철합금용 : 도가니로, 전기로

      2) 용해로의 종류

        1. 큐폴라(용선로)

          - 크기 : 1시간에 용해할 수 있는 쇠물의 무게를 ton으로 표시

          - 유효높이 : 송풍구에서 장입구까지의 높이

        2. 도가니로 : 내화점토 또는 흑연으로 만든 도가니속에 금속을 넣고, 코크스 가스 또는 중유 등을 연료로 하여 용해하는 노

          - 크기 : 1회 용해할 수 있는 구리의 중량을 번호로 표시

        3. 반사로 : 석탄, 중유 등의 연소열 및 불꽃은 천장이나 벽을 따라 흘러 그 반사열로 용해

          - 크기 : 1회 용해할 수 있는 양으로 표시

        4. 전기로 : 전열을 이용하여 고철, 선철 등의 원료를 용해하여 강 또는 합금강을 용해

          - 크기 : 1회에 용해할 수 있는 최대량을 톤으로 표시

          - 전열을 발생시키는 방법 : 아크식과 저항식 및 유도식

        5. 전로 : 베세머로라 하며, 용해된 선철을 기울 수 있는 전로 내에 주입하고 공기를 송풍시켜 C,Si 산화 제거시켜 강을 만드는 방법

          - 크기 : 1회에 제강할 수 있는 무게를 톤으로 표시

        6. 평로 : 바닥이 낮고 넓은 반사로인 평로를 이용하여 선철을 용해시키고, 여기에 고철, 철광성 등을 첨가하여 용강을 만드는 것.

          - 크기 : 1회에 용해할 수 있는 최대량을 톤으로 표시

 (6) 특수주조법

     1) 원심주조법 : 원심주조접은 속이 빈 주형을 수평 또는 수직상태로 놓고 중심선을 축으로 회전시키면서 용탕을 주입하여

                        그때에 작용하는 원심력으로 치밀하고 결함이 없는 주물을 대량생산하는 방법

     2) 다이캐스팅법 : 강철로 만든 금형을 이용하여 용융금속을 금형 내에 대기압 이상 높은 압력으로 빠르게 주입하여 압입하는 주조법

     3) 셀모딩법(셀주조법) : 독일의 크로닝이 발명한 것으로 C법이라 한다.

                                   규소모래와 열경화성의 합성수지를 배합한 분말을 가열된 금형에 뿌려서 주형을 만들고, 이 두 개를 합하여

                                   주형을 만들어 쇳물을 부어 주물을 만드는 방법

     4) 인베스트먼트법 : 일명 로스트왁스주형법이라고도 하며 원형을 왁스나 합성수지와 같이 용융점이 낮은 재료로 만들어 그 주위를

                             내화성재료로 피복 매몰한 다음 원형을 용해 유출시킨 주형으로 하고 용탕을 주입하여 주물을 만드는 방법

     5) 칠드주조법 : 주철을 급냉시켜 경도를 높이는 것을 칠이라 하고 이 방법으로 만드는 주물을 칠드 주물

     6) 저압주조법 : 저압력의 가스를 사용하여 중력과 반대방향에 쇳물을 압상시켜 금형에 주조하는 방법.

     7) 고압주조법 : 고압을 작용시켜 그 상태대로 응고시킨 주조법

     8) 진공주조법 : 진공상태에서 용해하고 주조하는 방법

     9) 탄산가스주형법 : 규사에 점결제인 물유리를 넣어 혼합한 후 일반조형법과 같이 주형을 만들어 주형에 이산화탄소를 불어넣어 빠른

                              시간에 경화시켜 만드는 주형법

 (7) 주물의 결함과 대책

     1) 기공 : 용융금속 중의 가스가 외부에 배출하지 못하고 주물내부에 남아있을때 발생

     2) 수축공 : 최후에 응고되는 부분은 수축으로 인하여 쇳물이 부족되어 중공부분이 생김

     3) 편석 : 주물 일부분에 불순물이 집중하여 석출, 가벼운 부분이 위에 뜨거나 무거운 부분이 밑에 가라 앉아 굳어짐.

     4) 변형과 균열 : 금속이 응고할 때 수축이 불균일한 경우에 내부응력이 발생하여 주물에 금이 발생

     5) 치수불량 : 주물자 선정 잘못, 목형 변형, 코어의 이동, 주물 상자 조립방법의 불량

     6) 주물표면불량 : 모래의 결합력 부족의 원인

        - 와시 : 주물사의 결합력 부족

        - 스캡 : 주형의 팽창이 크거나 주형의 일부 과열

        - 버클 : 주형강도부족 또는 쇳물과 주형의 충돌

      7) 핀 : 주형의 분할면이나 코어프린트 부위에 쇳물이 흘러나와 얇게 굳은 것

      8) 콜드셧 : 먼저 주입된 용융금속 표면이 산화된 위의 용탕에 튀어서 포개지면 용탕금속의 층을 형성하는 것

      9) 주탕불량(유동불량) : 용융금속이 주형을 완전히 채우지 못하고 응고된 것