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1. 주조기술 개요
1.1. 주조 기술 및 공정 설명
주조는 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣고 굳혀서 원하는 모양을 만드는 방법으로, 금속재료를 로 안에 장입하고 녹여서 섞일 수 있는 상태로 만든 후, 거푸집과 같은 주형 속에 주입해 응고시킴으로써 소정의 형태로 만드는 기술이다. 이와 같은 일련의 공정으로 얻어진 제품을 주물 또는 주조품이라고 하며, 주물을 제조하기 위하여 필요한 공정은 주물품의 설계, 주조 방안의 작성, 모형의 제작, 용해 및 주입, 후처리 순서로 진행된다.
주형은 모래, 금속, 세라믹 등을 재료로 사용하며, 제품의 제조 물량, 요구되는 치수정밀도, 제품의 형상 등을 고려하여 주형 재료를 선정한다. 각종 로 안에서 고철, 선철, 합금철 또는 비철금속 원료를 가열해 용해하고 적정 성분으로 조정된 액상 금속을 모래 또는 금속재의 주형에 부어 넣은 후 냉각 응고시킨다. 용융금속이 응고가 완료되면 모형과 동일한 형상의 금속 물체가 된다.
가장 일반적인 주형은 모래를 주재료로 점결제로써 벤토나이트 또는 유기바인더를 이용하며, 세라믹스, 시멘트가 섞인 모래, 기타 물질이 사용된다. 주조 공정을 통해 얻어진 제품을 주조품 또는 주물이라 하며, 주물은 크게 주형을 이용하여 최종제품과 거의 같은 형상으로 제조함으로써 2차 가공을 하지 않고 사용하는 것과 압연이나 압출 등의 2차 가공이 필요한 주괴(Ingot)의 형태로 사용되는 것으로 분류된다.
이러한 주물을 만들 때 사용되는 원재료와 조업조건은 주물의 품질에 크게 영향을 미치며, 주조기술의 특징은 다음과 같다. 형상의 제약이 거의 없고, 작은 것부터 큰 제품까지 모양과 무게에 관계없이 만들 수 있다. 모든 합금의 주조가 가능하므로 이용할 수 있는 금속이나 합금의 사용에 제한이 적고, 대량 생산을 할 수 있어 경제성이 높다. 또한 내식성, 강도 등 주물의 특성을 향상시키기 위한 합금원소의 첨가가 주조공정 중에 이루어진다.
1.2. 주조품의 특징
주조품의 특징은 다음과 같다.
주조품은 크게 주형을 이용하여 최종제품과 거의 같은 형상으로 제조함으로써 2차 가공을 하지 않고 사용하는 것과 압연이나 압출 등의 2차 가공이 필요한 주괴(Ingot)의 형태로 사용되는 것으로 분류된다. 이러한 주물을 만들 때 사용되는 원재료와 조업조건은 주물의 품질에 크게 영향을 미친다.
주조 기술의 특징은 다음과 같다. 첫째, 형상의 제약이 거의 없다. 둘째, 작은 것부터 큰 제품까지 모양과 무게에 관계없이 만들 수 있다. 셋째, 모든 합금의 주조가 가능하므로 이용할 수 있는 금속이나 합금의 사용에 제한이 적다. 넷째, 대량 생산을 할 수 있어 경제성이 높다. 다섯째, 내식성, 강도 등 주물의 특성을 향상시키기 위한 합금원소의 첨가가 주조공정중에 이루어진다. 여섯째, Ingot 주조공정 중에 발생한 결함은 압연재나 압출재의 최종품질에도 큰 영향을 줄 수 있다.
즉, 주조품은 형상의 제약이 거의 없고, 다양한 합금으로 대량 생산이 가능하며, 주조공정 중 합금원소 첨가를 통해 우수한 특성을 구현할 수 있지만, 주조 공정에서 발생한 결함이 이후 압연 등의 2차 가공에도 영향을 미칠 수 있는 특징을 가지고 있다.
1.3. 주물의 제조공정
주물의 제조공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 복합적으로 제품 품질에 영향을 미친다. 어떤 제품을 생산하고자 할 경우 제품의 품질뿐만 아니라 후속 공정 후의 특성 변화가 검토되어야 한다. 생산속도가 빠르고 정확하며 제조 원가에 있어서 수요자의 요구를 만족시키는 주조 방안을 결정하는 것이 중요하다. 주물의 제조공정은 다음과 같은 순서로 진행된다.
먼저 주물 설계를 한다. 제품의 용도, 재질, 후처리, 수량 등을 확인한다. 그 다음으로 모형을 제작한다. 주형을 제작하기 위한 모형을 만든다. 모형에는 주물 외형을 만들기 위한 모형과 주물의 중공 부분을 만들기 위한 중자형이 있다.
이어서 주형을 제작한다. 주형은 용융금속을 주입하여 응고시키는 내부공간을 형성한다. 모래로 만든 모래주형과 금속으로 만든 금속주형이 있으며, 이 중 모래주형이 가장 일반적이다. 생형(green sand mold)과 건조형(dry sand mold)이 있다.
그 다음 장입재를 준비한다. 장입재는 주조품의 용탕 성상 및 화학성분을 결정하는 요소이므로 요구되는 품질 수준과 기계적 성질을 만족시키기 위해서 조사가 필요하다.
용해 및 용탕처리 공정에서는 재료를 계량하고 장입하여 용해하며, 소정의 재질이 될 수 있게 성분을 조절하거나 주형에 주입할 수 있는 온도로 높인다. 용해로의 열원으로 석탄 코크스, 목탄, 경유, LPG 등이 사용된다. 또한 전기를 열원으로 이용하는 아크로, 저항로, 유도로 등이 있다.
용탕 분석 공정에서는 출탕 전 용탕의 상태를 신속히 시험하여 용탕 성분이나 예상되는 응고상태, 칠의 깊이 등을 검사한다.
용탕 이송·주입 공정에서는 용탕을 주형 속으로 부어 넣는다. 일반적으로는 레이들(ladle)로 주입하지만 원심주조법에서는 주형을 회전시켜 주입하며, 고압다이캐스팅 공법에서는 유압 또는 기압을 이용하여 주입한다.
마지막으로 후처리 공정이 있다. 주입한 용탕이 주형 내에서 응고, 냉각되면 이것을 꺼내어 탕구, 압탕 등을 절단하고 표면을 청정하며, 주물에 따라서는 용접보수 및 열처리를 시행한다. 사형(砂形) 주조의 경우 천연산사는 묵은 모래를 제거하고, 합성사의 경우는 재사용이 가능하도록 원료사의 입도와 수분을 조정한다. 마지막으로 필요한 검사를 한 다음 출하한다.
1.4. 재질에 의한 분류 및 특성
재질에 의한 분류 및 특성은 다음과 같다.
철주물은 철(Fe)이 주재료인 주물로, 강주물과 주철 주물로 구분된다. 강주물은 철주물에서 탄소 함량이 2% 미만인 주물이며, 탄소강주물은 철과 탄소의 합금강으로 만든 주물이다. 합금강주물은 철에 탄소 외에 니켈, 망간, 텅스텐, 바나듐 등 다른 원소를 첨가한 주물이다.
주철 주물은 철주물에서 탄소 함량이 2% 이상인 주물로, 회주철주물, 구상흑연주철주물, 백주철주물, 가단주철주물, CGI(Compacted Graphite Iron), ADI(Austempered Ductile Iron) 등이 있다. 회주철주물은 흑연의 형태가 편상인 주철 주물이며, 구상흑연주철주물은 흑연의 형태가 구상인 주철 주물이다. 백주철주물은 탄소가 탄화물의 형태로 존재하는 주철 주물이고, 가단주철주물은 주철을 열처리하여 신율을 높인 주철 주물이다. CGI는 흑연이 괴상으로 존재하는 주철 주물이며, ADI는 구상흑연주철을 오스템퍼링 처리한 주물이다.
비철주물은 철(Fe) 이외 금속이 주재료인 주물로, 경량합금 주물, 구리합금 주물, 납, 아연, 주석 합금 주물 등이 있다. 경량합금 주물에는 Al 합금 주물, Mg 합금 주물, Ti 합금 주물 등이 포함된다. 구리합금 주물에는 구리 아연 합금인 황동과 구리 주석 합금인 청동이 포함된다.
이와 같이 주조품은 재질에 따라 철주물과 비철주물로 구분되며, 각 재질별로 다양한 특성을 갖는다.
1.5. 주형에 의한 분류 및 특성
각 주형은 생산 수량, 제품의 크기, 기본설비의 유무, 경제성 등에 따라 장·단점이 있다. 조형 공정은 많은 경험과 숙련을 요하며 주조 공정 중에 많은 시간이 소요된다. 또한 조형비와 조형시간이 생산 원가에 가장 큰 영향을 미치므로 조형기를 사용하여 인력과 시간을 절감하는 추세이다.
주형은 모래, 금속, 세라믹 등을 재료로 사용하며, 제품의 제조 물량, 요구되는 치수정밀도, 제품의 형상 등을 고려하여 주형 재료를 선정한다. 사형주조, 금형주조, 특수주조로 크게 나눌 수 있다.
사형주조는 모래(주물사)와 점결제를 사용하여 만든 소정의 공간(주형공간)에 용융 금속(또는 용탕)을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법으로 주조공정에서 가장 많이 적용되고 있다. 생형(green sand mold)과 건조형(dry sand mold)으로 구분된다.
금형주조는 주형 재질을 금형으로 제작하며 2개의 파트로 금형을 제작하여 금형 개폐가 용이하다. 금형의 재질은 주철이나 특수강으로 제작되어 주조품의 표면이 미려하다. 저압주조, 다이캐스팅, 중력 금형주조로 분류할 수 있다.
특수주조에는 원심주조, 연속주조 및 정밀주조 공정 등이 있다. 원심주조는 주형을 회전시키면서 용융 금속을 주입하여 원심력을 이용하는 방법이고, 연속주조는 용융금속에서 직접 압연에 들어가는 반제품을 연속으로 주조하는 방법이다. 정밀주조는 1회 소모성 왁스 패턴과 1회 소모성 주형을 사용하여 가공이 어려운 정교한 형태의 금속부품을 높은 치수 정밀도로 제조할 수 있는 특수주조기술이다.
1.6. 기술별 공정 설명
주조 기술별 공정 설명은 다음과 같다.
(1) 사형주조 원하는 모양의 제품을 얻기 위하여 모래(주물사)와 점결제를 사용하여 만든 소정의 공간(주형공간)에 용융 금속(또는 용탕)을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법으로 주조공정에서 가장 많이 적용되고 있는 공법이다. 사형주조 제조 공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 공정에 영향을 미치므로 주조공정에 따라서 기술자가 협력하여 종합적인 연구와 검토를 하여야 하며, 이중에서 한 공정의 작업이 불완전하면 건전한 주물을 생...
