주조 결함이란 금속 주조 공정에 있어서의 바람직하지 못한 불균일성을 말한다. 어떤 결함들은 감수되거나 수정될 수 있는 반면, 다른 어떤 결함들은 제거되어야만 한다. 주조 결함은 기공, 수축 결함, 주형 소재의 결함, 용탕 주입 결함, 금속 조직 상의 결함 등 5가지 유형으로 세분화될 수 있다.[1]
용어
주조에서 '결함(defect)'과 '불연속성(discontinuity)'은 서로 다르다. 결함은 주조 상의 어떤 상태로서, 그 상태가 수정되거나 제거되지 않는다면 주조품이 불량품이 될 수밖에 없는 것을 의미한다. 불연속성은, '불완전성(imperfection)'이라고도 하는데, '주조품의 물리적 연속성에 있어서의 방해'로 정의된다. 따라서, 어떤 주조품이 덜 완벽하긴 해도 사용 가능하고 허용 범위 내에 있다면, 그 불완전성은 '불연속성'으로 간주된다.[2]
주조 결함의 유형
주조 결함에는 다양한 원인들로부터 기인하는 다양한 유형이 있다. 어떤 결함에 대한 해결책이 또 다른 결함의 원인이 될 수도 있다.[3]
아래 소개되는 결함들은 사형 주조(sand castings)에서 발생할 수 있는 것들이다. 이 중 대부분은 다른 주조 공정에서도 발생할 수 있다.
수축 결함
수축 결함(shrinkage defects)은 표준적인 덧쇳물(feed metal)이 두꺼운 금속의 응고에 따른 수축을 보충하기에 충분하지 않을 때 발생할 수 있다. 수축 결함은 삐죽빼죽하거나 일직선 형태를 띨 수 있다. 수축 결함은 주형의 코프(cope: 위 부분)와 드래그(drag: 아래 부분) 양쪽 모두에서 흔히 나타난다. 수축 결함은 '개방형 수축 결함'과 '폐쇄형 수축 결함'의 두 유형으로 다시 세분화될 수 있다. 개방형 수축 결함은 대기 중에 개방돼 있어서, 수축 공동 속으로 공기가 채워진다. 개방형 공기 결함에는 '파이프' 형태와 '동굴이 파인 표면(caved surfaces)' 형태의 두 가지 유형이 있다.
폐쇄형 수축 결함은 '수축 공동(shrinkage porosity)'이라고도 하며, 주조품 내부에 발생하는 결함이다. 응고된 금속 내부에는 '열점(hot spots)'이라 불리는 고립된 액체 상태 금속의 웅동이가 형성된다. 수축 결함은 대개 열점의 윗부분에서 형성된다. 불순물이나 용해된 기체가 폐쇄형 수축 결함을 야기하려면 '핵형성점(nucleation point)'이 필요하다. 폐쇄형 수축 결함은 다시 '거시공동(macroporosity)'과 '미시공동(microporosity; 혹은 미시수축(microshrinkage))'으로 세분화될 수 있는데, 거시공동은 육안으로 관측 가능한 것이고 미시공동은 육안으로 관측 불가능한 것이다.
기공
기공(Gas porosity)은 주조품이 냉각된 후에 주조품 내부에서 거품 방울이 형성되는 현상이다. 대부분의 액체 물질 속에는 많은 양의 기체가 용해되어 있을 수 있지만, 같은 물질이 고체 형태가 되면 그럴 수 없고, 따라서 물질이 냉각됨에 따라 기체는 물질 속에서 거품 방울을 형성하게 되는데, 이것이 기공의 원인이다.[4] 기공은 주조품의 표면에 드러날 수도 있고 금속 내부에 갇혀 있을 수도 있는데,[5] 그 주변은 강도가 낮아진다. 기공과 관련해서 가장 많이 등장하는 기체는 질소, 산소, 수소이다. 알루미늄 주조 공정에서는 수소만이 유의미한 양으로 용해되어 수소 기공을 야기한다.[6] 몇 킬로그램 정도 무게의 주조품에서는 기공이 대체로 0.01에서 0.5mm 크기이다. 주조품이 클 경우에는 기공이 1mm까지 커지기도 한다.
기공을 예방하기 위해서는 재료 금속을 진공 속에서 융해하거나, 아르곤이나 이산화탄소처럼 용해도가 낮은 기체 속에서 융해하거나, 공기와의 접촉을 막아주는 유동 속에서 융해하는 등의 방법을 쓸 수 있다. 기체의 용해도를 최소화하기 위해 과열
