편집토론기록

주조 결함

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(쇳물) 주입 결함, 금속 조직 상의 결함 등 다섯 가지 유형으로 세분화될 수 있다.[1]

용어[편집 | 원본 편집]

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[편집 | 원본 편집]

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[편집 | 원본 편집]

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; 상형)[4]와 드래그(drag; 하형)[5] 양쪽 모두에서 흔히 나타난다.[6] 수축 결함은 '개방형 수축 결함'[7]과 '폐쇄형 수축 결함'[8] 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 '수축공(shrinkage porosity)'이라고도 하며, 주조품 내부에 발생하는 결함이다. 응고된 금속 내부에는 '열점(hot spots)'이라 불리는 고립된 액체 상태 금속의 웅덩이가 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 미세 수축공(microshrinkage))'으로 세분화될 수 있는데, 거시공동은 육안으로 관측 가능한 것이고 미시공동은 육안으로 관측 불가능한 것이다.[9][10]

기공[편집 | 원본 편집]

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.[11] 기공은 주조품의 표면에 드러날 수도 있고 금속 내부에 갇혀 있을 수도 있는데,[12] 그 주변은 강도가 낮아진다. 기공과 관련해서 가장 많이 등장하는 기체는 질소, 산소, 수소이다.[13] 알루미늄 주조 공정에서는 수소만이 유의미한 양으로 용해되어 수소 기공을 야기한다.[14] 몇 킬로그램 정도 무게의 주조품에서는 기공이 대체로 0.01에서 0.5mm 크기이다. 주조품이 클 경우에는 기공이 1mm까지 커지기도 한다.[15]

기공을 예방하기 위해서는 재료 금속을 진공 속에서 융해하거나, 아르곤[16]이나 이산화탄소[17]처럼 용해도가 낮은 기체 속에서 융해하거나, 공기와의 접촉을 막아주는 '융제(flux)' 속에서 융해하는 등의 방법을 쓸 수 있다. 기체의 용해도를 최소화하기 위해 과가열(superheating)[18] 온도를 낮게 유지할 수도 있다. 쇳물을 주형에 붓는 과정에서 발생하는 난류(turbulence)는 기체를 끌어들일 수 있기 때문에, 주형은 대체로 난류를 최소화하기 위해 유체역학적으로 설계된다. 다른 방법으로는 '진공 탈기(vacuum degassing)', '기체 수세(gas flushing)'[19], 침전법(precipitation) 등이 있다. 침전법은 기체를 다른 원소에 반응시켜 화합물을 이루게 해서 쇳물 위로 떠오르는 찌꺼기를 만드는 방법이다. 예를 들어 구리의 주조 공정에서는 인을 첨가해서 산소를 제거할 수 있고, 철강에는 알루미늄이나 규소를 첨가해서 산소를 제거할 수 있다.[20]

기공의 또 다른 원인은 윤활제나 다른 주형 잔여물이 쇳물과 만나서 일으키는 화학 반응이다. 수소는 보통 쇳물이 주형에 남은 물기나 습기에 반응해서 생성된다. 주형을 잘 건조시킴으로써 이 같은 수소 생성 원인을 제거할 수 있다.[21]

미세 수축 결함 역시 기체를 포함할 수 있기 때문에 종종 미세 수축 결함과 기공을 구별하기 어려울 때가 있다. 일반적으로, 미세 수축 결함은 주형에 압탕(riser)이 적절히 마련되지 않았을 때나, 녹는점이 넓은 범위를 갖는 금속을 주조할 때 발생한다. 두 경우에 모두 해당하지 않는다면 기체 생성이 공동의 원인일 것으로 추정할 수 있다.[22]

작은 기체 거품 방울은 '기공(porosities)'라고 부르지만, 큰 기체 방올은 '블로우홀(blowholes)'[23]이나 '기포(blisters)'라고 부른다. 이 같은 결함들은 쇳물 속으로 섞여들어간 공기나, 주물모래(casting sand)에서 발생한 증기 및 연기나, 쇳물이나 주형에서 발생한 다른 기체가 원인이 될 수 있다. (금속의 수축으로 인해 발생한 내부가 진공인 공동도 넓은 의미에서 '블로우홀'로 불리기도 한다.) 주조 절차를 적절히 조정함으로써, 즉 쇳물을 적절히 준비하고 주형을 적절히 설계함으로써 이같은 결함의 발생을 감소시킬 수 있다. 대체로 블로우홀은 단단한 금속 속에 파묻혀 있기 때문에 탐지하기가 쉽지 않은데, 이를 탐지하기 위해 음파공진(harmonic), 초음파, 자기, X선(다른 말로 '산업용 컴퓨터 단층 촬영(CT)'이라고도 한다) 등이 동원된다.

쇳물 주입 과정에서의 결함[편집 | 원본 편집]

쇳물(용탕) 주입 과정에서의 결함으로는 미스런(misrun)[24], 콜드 셧(cold shut)[25], 개재(inclusion) 등이 있다. 미스런은 쇳물이 주형 공동을 다 채우지 못하고 빈 공간을 남기는 것을 말한다. 콜드 셧은 주형 공동 속에서 쇳물의 두 표면이 적절히 합쳐지지 못하여 약한 지점을 남기는 것을 말한다. 이 둘 모두 쇳물의 유동성이 부족하거나, 주형 공동의 단면이 너무 가늘 때 발생한다. 유동성은 쇳물의 화학적 조성을 변경하거나 주입 온도를 높임으로써 개선될 수 있다. 또 다른 원인으로는 주형 공동에 배기구(vent)가 적절히 마련되지 않았을 때 발생하는 역압력(back pressure)이 있다.[26]

미스런과 콜드 셧은 서로 밀접하게 관련되어 있으며 둘 모두 쇳물이 주형 공동을 완전히 채우기 전에 응고되어 버리는 현상을 포함한다. 이 같은 유형의 결함은 그 주변의 강도가 필요보다 현저히 약해지기 때문에 심각한 문제가 된다.[27] 이 같은 문제 때문에 재료 금속의 주조성(castability)과 점성(viscosity)은 중요한 변수이다. 유동성은 주조품의 가장 얇은 부분의 두께가 얼마만큼 얇아도 좋은지, 주조품의 얇은 부분의 길이가 얼마나 길어도 좋은지, 주조품의 세밀한 부분의 형상이 얼마만큼 정교하게 구현될 수 있는지, 또한 주형 공동의 끝 부분이 얼마만큼 정확하게 채워질지에 영향을 미친다. 유동성은 재료 금속의 조성과, 어는점(freezing point) 및 그 범위, 산화막의 표면 장력, 그리고 가장 중요하게는 주입 온도에 영향을 받는다. 주입 온도가 높을수록 유동성은 좋아지지만, 주입 온도가 너무 높으면 재료 금속과 주형 사이에 반응이 일어날 수 있으며, 주형의 소재가 다공성(porous)인 경우에는 재료 금속이 주형을 뚫고 나갈 수도 있어 바람직하지 못하다.[28]

재료 금속이 더 이상 흐르지 못하게 되는 점을 'coherency point'라고 부른다. 이 점은 쇳물의 고체 부분의 비율, 고체화된 입자들의 구조, 유체의 국부적인 전단 응력 등에 따라 결정되기 때문에 예측하기 어렵다. 대체로 이 값은 0.4에서 0.8 사이에 있다.[29]

개재(inclusion)란 금속의 오염 물질을 말하는데, 재료 금속이 고체 상태일 때는 드로스(dross; 찌꺼기, 쇠똥), 액체 상태일 때는 슬래그(slag)라는 말을 쓴다. 이들은 보통 쇳물 속의 불순물로서(일반적으로는 산소, 보다 드물게는 질소, 탄소, 황), 용해로(furnace)나 쇳물목(ladle; 래들 혹은 레이들)[30] 내벽에서 침식되어 나온 물질이거나, 주형에 묻어 있던 오염물질이다. 특히 알루미늄 합금의 주조에서는 알루미늄 쇳물 속의 개재물 함량 측정하여 조치를 취해 개재물 함량을 일정 수준 아래로 유지하는 것이 중요하다.

개재물의 함량을 낮추는 데는 여러 가지 방법이 있다. 산소 생성을 줄이기 위해 금속을 융제(flux)나 진공, 혹은 불활성 기체 속에서 융용할 수 있다. 드로스(찌꺼기)를 쇳물 위로 떠오르게 만들어서 걷어내기 쉽게 만들기 위해 쇳물에 다른 성분을 첨가하기도 한다. 이런 방법들을 적용하기 어려울 때에는, 바닥이 열리도록 만들어진 특별한 쇳물목(ladle)을 사용하여 쇳물이 아래쪽부터 주입되도록 할 수도 있다. 또 다른 방법은 탕구계(gating system)에 세라믹 필터를 설치하는 것이다. 아니면 탕구(gate)를 소용돌이 모양으로 설계하여 쇳물이 주입될 때 소용돌이를 일으키게 해서, 가벼운 개재물이 가운데로 모이도록 해서 주조물 바깥으로 내보내는 방법도 있다.[31][32] 만약 드로스나 슬래그의 일부가 쇳물에 섞여 들어가게 되면 '흡기 결함(entrainment defect)'이 된다.

금속 조직 상의 결함[편집 | 원본 편집]

이 유형에는 고온 균열(hot tears; 열 균열)과 열점(hot spots; 핫스팟) 등 두 종류의 결함이 있다. 고온 균열은 hot cracking이라고도 하는데,[33] 주조품이 냉각되는 과정에서 발생하는 결함이다. 이 같은 결함은 금속이 고온에서는 약해지며, 재료 내부의 잔류 응력(residual stress)이 주조품의 냉각 과정에서 파단(fail)을 야기할 수 있기 때문에 발생한다. 주형을 적절하게 설계함으로써 이 유형의 결함을 예방할 수 있다.[34]

열점은 주조품 표면의 어떤 부분이 그 주변의 재료보다 빨리 냉각돼서 매우 단단해지는 현상이다. 이 같은 유형의 결함은 주조품의 냉각을 적절히 시행하거나 재료 금속의 화학적 조성을 바꿈으로써 피할 수 있다.[35]

주조 공정에 따른 결함[편집 | 원본 편집]

다이캐스팅[편집 | 원본 편집]

다이캐스팅(die casting)에서 가장 흔히 나타나는 결함은 미스런과 콜드 셧이다. 이들 결함은 다이(die)의 온도가 너무 낮거나, 쇳물의 온도가 너무 낮거나, 쇳물에 불순물이 많거나, 다이에 배기구가 마련되어 있지 않거나, 윤활제를 너무 많이 썼을 때 발생한다. 이외에 발생할 수 있는 결함으로는 기공, 수축 공동, 고온 균열, 유동 자국(flow marks;플로마크) 등이 있다. 유동 자국은 탕구계가 불량하거나 모서리가 너무 각져 있거나 윤활제가 과다할 때 주조품 표면에 남는 자국이다.[36]

연속 주조[편집 | 원본 편집]

'종방향 표면 균열(longitudinal facial crack)'은 연속 주조(continuous casting) 공정에서만 나타나는 특수한 유형의 결함이다. 이 결함은 냉각이 불균일할 때 발생하는데, 1차 냉각과 2차 냉각 모두에서 발생할 수 있다. 또한 융용 철강의 질, 예컨대 화학적 조성이 사양과 다르거나, 재료의 순도가 떨어지거나, 균일성이 떨어지는 등의 문제도 결함의 원인이 될 수 있다.

사형 주조[편집 | 원본 편집]

사형 주조(Sand casting)에서는 주형 파단(mold failing)에 따른 다양한 결함이 나타난다. 주형이 파손되는 원인은 대체로 둘 중 하나인데, 잘못된 재료를 사용했거나, 아니면 모래가 잘 다져지지 않았기 때문이다.[37]

첫 번째 유형의 결함은 주형 침식(mold erosion)으로, 쇳물이 주형 내부를 채울 때 주형이 닳아 없어지는 것이다. 이 유형의 결함은 대체로 사형 주조에서만 나타나는데, 왜냐하면 대부분의 다른 주조 공정은 더 단단한 주형을 사용하기 때문이다. 이 결함이 발생한 주조품은 표면에 거친 부분과 재료가 과잉 투입된 부분이 생긴다. 이 결함이 발생하면 주물 모래(molding sand)가 주조품 안으로 섞여 들어가 연성(ductility), 피로 강도(fatigue strength), 파괴 강도(fracture toughness)를 저하시킨다. 이 결함은 주물 모래의 강도가 약하거나 쇳물의 주입 속도가 너무 빠를 때 발생할 수 있다. 탕구계를 재설계하여 탕도(runners)를 넓히거나 탕구(gate)를 여러 개로 만들어서 주입 속도를 늦출 수 있다.[38][39] 이것과 관련 있는 다른 결함의 원인으로는 '낙하(drop)'가 있는데, 주형의 코프(cope) 부분에서 주물 모래의 일부가 떨어져 나와 아직 액체 상태인 주조품 속으로 빠져 버리는 것이다. 이 역시 주형이 충분히 다져지지 않았을 때 발생한다.[40]

두 번째 유형의 결함은 '용탕 침투(metal penetration)'로서, 쇳물(용탕)이 주물 모래 속으로 뚫고 들어가는 현상이다. 이 결함이 발생하면 주조품의 표면 거칠기(surface finish; 표면 정도(表面 精度))가 나빠진다. 이 결함은 모래 입자가 너무 굵거나, 주형 표면 도포제(mold wash; 몰드 워시)가 부족하거나, 쇳물 온도가 너무 높을 때 발생한다.[41] 베이닝(veining)은 용탕 침투의 다른 형태로서 주물 모래에 균열이 있을 때 발생한다.

쇳물 주입 온도가 너무 높거나 주물 모래의 녹는점이 낮을 때에는 주물 모래가 녹아서 주조품에 합쳐질 수도 있다. 이런 현상이 일어나면 제조된 주조품의 표면은 잘 깨지고 유리처럼 반들반들한 모습을 하게 된다.[42]

런아웃(run out)은 주형에 결함이 있어서 쇳물이 새어 나오는 것을 말한다.

스캡(scab; '딱지')은 주조품 표면에 부풀어 오른 얇은 금속 막을 말한다. 스캡은 제거하기 쉬우며, 스캡 밑에는 항상 '버클(buckle)', 즉 주조품 표면의 움푹 패인 자리(indentation)가 있다. '랫테일(Rattails; 쥐꼬리형 홈)'은 버클과 비슷하지만, 랫테일은 얇은 선 모양으로 패여 있으며 스캡으로 덮여 있지 않다. 또 다른 비슷한 결함으로는 풀다운(pulldowns)이 있는데, 사형 주조품(sand castings)의 코프(cope) 부분에서 발생하는 버클이다. 이 모든 결함들은 기본적으로 자연스러운 현상이며 제품을 폐기할 이유가 되지는 않는다.[43] 이들 결함은 쇳물 온도가 지나치게 높거나, 탄소를 포함한(carbonaceous) 물질이 부족할 때 발생한다.[44]

부풀음(swell; 부풂)은 주형 내벽이 전면적으로 무너져내릴 때 발생하며, 주물 모래가 적절히 다져지지 않은 것이 원인이 된다.[45]

소착(Burn-on)은 금속 산화물(metallic oxides)이 규사(silica sand; 규소질 모래) 속의 불순물과 반응하여 발생한다. 그 결과 주조가 끝난 제품의 표면에 모래 알갱이가 박혀 있게 된다. 이 결함은 쇳물의 온도를 낮추거나, 주형 표면 도포제(mold wash; 몰드 워시)를 사용하거나, 혹은 주물 모래에 다양한 첨가물을 혼합해서 사용하면 예방할 수 있다.[46]

각주

  1. ↑ Rao 1999, p. 195
  2. ↑ ASM International (2008). Casting Design and Performance. ASM International. p. 34. ISBN 978-0-87170-724-6.
  3. ↑ Rao 1999, p. 198
  4. ↑ 한 쌍을 이루는 주형의 양쪽 부분 가운데 위쪽 덮개 부분
  5. ↑ 한 쌍을 이루는 주형의 양쪽 부분 가운데 아래쪽 바닥 부분
  6. ↑ "What's the Difference in Gas and Shrinkage Porosity?".
  7. ↑ '외인(external shrinkage)'이라고도 한다. 한국생산기술연구원 JEJOUP 관련 항목
  8. ↑ '내부 수축공(Internal Shrinkage)'이라고도 한다. JEJOUP
  9. ↑ Stefanescu 2008, p. 69
  10. ↑ Yu 2002, p. 305
  11. ↑ Degarmo, Black & Kohser 2003, pp. 283–284
  12. ↑ Campbell 2003, p. 277
  13. ↑ Yu 2002, p. 305
  14. ↑ Gas Porosity in Aluminum Casting, Compiled AFS Literature, March 2002
  15. ↑ Campbell 2003, p. 277
  16. ↑ Campbell 2003, p. 197
  17. ↑ Sias, Fred R (2005). Lost-wax Casting: Old, New, and Inexpensive Methods. ISBN 9780967960005.
  18. ↑ 액체가 끓는점 이상으로 가열되었음에도 불구하고 기화되지 않고 액체 상태로 남아 있는 현상
  19. ↑ '가스 플러싱' 혹은 '기체 플러싱'이라고 음역하기도 한다. 액체 속에 비활성 기체를 주입해서 용해되어 있는 기체를 제거하는 방법을 말한다.
  20. ↑ Degarmo, Black & Kohser 2003, pp. 283–284
  21. ↑ Brown, John R (1994). Foseco Foundryman's Handbook. ISBN 9780750619394.
  22. ↑ Yu 2002, p. 306
  23. ↑ Roxburgh, William (1919). General Foundry Practice. Constable & Company. pp. 30–32. ISBN 9781409719717.
  24. ↑ 비교적 예전에 출간된 주조공학 교재에서는 이 용어를 '탕회불량'으로 번역하고 있으나, 최근의 산업 현장이나 공식 시험 등에서는 '미스런'으로 음역하는 추세이다.
  25. ↑ 비교적 예전에 출간된 주조공학 교재에서는 이 용어를 '탕경'으로 번역하고 있으나, 최근의 산업 현장이나 공식 시험 등에서는 '콜드 셧'으로 음역하는 추세이다.
  26. ↑ Rao 1999, pp. 197–198
  27. ↑ Vinarcik, Edward J (2002-10-16). High Integrity Die Casting Processes. ISBN 9780471275466.
  28. ↑ Degarmo, Black & Kohser 2003, p. 284
  29. ↑ Yu 2002, pp. 306–307
  30. ↑ 용해로에서 융해된 쇳물을 담거나 퍼올려서 일시적으로 저장하거나 주형으로 운반하는 데 쓰는, 일종의 거대한 '바가지' 내지 '국자'를 말한다.
  31. ↑ Degarmo, Black & Kohser 2003, p. 283
  32. ↑ Yu 2002, pp. 310–311
  33. ↑ [1]
  34. ↑ Rao 1999, p. 198
  35. ↑ Rao 1999, p. 198
  36. ↑ Avedesian, Baker & ASM International 1999, p. 76
  37. ↑ Rao 1999, p. 196
  38. ↑ Rao 1999, p. 196
  39. ↑ Yu 2002, p. 310
  40. ↑ Rao 1999, p. 197
  41. ↑ Rao 1999, p. 197
  42. ↑ Rao 1999, p. 197
  43. ↑ Davis, Joseph R. (1996). Cast irons (2nd ed.). ASM International. p. 331. ISBN 978-0-87170-564-8.
  44. ↑ Rao 1999, p. 197
  45. ↑ Rao 1999, p. 197
  46. ↑ A. K. CHAKRABARTI(2005). Casting Technology and Cast Alloys. Prentice-Hall. p. 242. ISBN 978-81-203-2779-5.
Wikipedia-ico-48px.png이 문서에는 영어판 위키백과의 Casting defect 문서 858275204 판을 번역한 내용이 포함되어 있습니다.