주조공정 - 개요

주조는 인류 역사상 가장 오래된 금속 가공방식의 하나이며, 오늘날에도 대부분의 제품생산의 근간을 이루는 공정이라 할 수 있다. 주조공정의 첫 단계로 금속재료는 노(furnace) 속에서 가열되어 용융상태로 변환된다. 이 용융상태의 금속은 미리 준비된 주형공동부(mold cavity) 안에 주입되어진 후 응고과정을 거치게 된다. 완전히 응고된 후 제품을 주형으로부터 빼내고, 필요에 따라 다듬질, 표면처리 등의 후처리공정을 통해 비로소주물 제품이 완성된다. 주조공정은 거의 모든 금속소재를 제품설계자가 설계하였던 최종형태의 제품으로 비교적 용이하게 성형할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 내부 및 표면의결함이 없고 우수한 치수정밀도와 제품에 요구되어지는 강도를 갖춘 주조 제품을 제작하기 위해서는 다음의 네 가지 영역에 대한 정확한 이해가 필요하다.

 

• 용융금속의 주형 속으로의 유동

• 주형소재의 선택 및 주형의 설계

• 주형 내부에서 용융금속의 응고 및 응고금속의 냉각 등에 관련된 열전달 현상

• 응고금속의 수축 및 변형

 

재료의 주조성, 즉 특정한 주조공정을 적용하여 주조제품을 성공적으로 성형할 수 있는지는 일반적으로 다음의 네 가지 사항에 달려 있다.

 

• 주조재료와 주형재료의 용융온도

• 주조재료와 주형재료 사이의 화학적 반응성

• 응고시 주조재료로의 대기의 용해성

• 주조재료와 주형재료의 열적 특성

 

앞으로 몇 차례 게시글을 통해 먼저 위에서 언급한 사항들과 관련하여 주조공정에서의 기초적이고 공통적인 사항에 대해 검토하고, 이를 토대로 하여 다양한 주조공정에 대해 다룰 예정이다.

 

 

[금속의 응고 및 조직]

 

용융금속이 주형 내에서 응고되는 동안에 주물의 서로 다른 각 부분은 서로 다른 열적 이력을 가지며, 이에 따라 결정구조나 합금조성과 같은 많은 중요한 특성들이 결정된다.따라서, 용융금속과 합금의 냉각 및 응고 메커니즘과 금속조직과의 상관관계에 대한 명확한 이해는 성공적인 주조공정의 수행을 위해 필수적이라 할 수 있다.

 

 

1. 순수금속

 

순수금속(pure metals)은 용융점(melting point) 또는 응고점(freezing point)이 명확하게 결정된다. 용융상태의 순수금속을 냉각시키면서 시간에 따른 온도변화를 관찰해 보면,순수금속은 응고점에서 잠열이 모두 발산될 때까지 일정한 온도를 유지한다. 이때는 고체와 액체가 공존하는 구간이며, 과냉각부분에서부터 발달하기 시작한 결정성장의 핵으로부터 결정성장이 진행되는 것이다.

 

용융금속을 주형에 주입하였을 때, 초기의 (time=t₀) 모든 부분에서의 온도는 θ₀ 이다(다음 그림).

주상정의 성장

주형벽면은 결정성장의 핵으로서 작용하며, 주형의 열전도도가 높을 경우에는방향성이 없는 미세한 결정이 주형벽면 근처에서 성장하게 된다. 상기 그림과 같이 시간이 지나면(t₁, t₂) 주물 내부에는 온도구배가 형성된다. 주형 벽면에서부터 시작된 응고과정이 점점 안쪽으로 진행됨에 따라, 액체로부터 주형을 향한 온도구배는 차츰 완만해지며 냉각속도가 줄어든다. 따라서, 주형벽면으로부터 떨어진 주물 내부에는 주형벽면과 수직방향으로 길쭉하고 결정이 큰 주상정 (columnar crystal)이 발달한다.

 

 

2. 합 금

 

순수금속과 달리 합금 (alloys)은 응고점이 어느 한 점에서 명확히 정의되어지지 않는다. 합금의 응고는 일정한 온도범위에 걸쳐서 이루어진다. 즉, 액상선 온도(liquidus temperature) T_L에서 시작된 응고는 고상선 온도(solidus temperature) T_s에서 끝을 맺는다. 이 온도구간 T_s<T<T_L)에서 합금은 수지상정(dendrites)의 가지 사이에 액체가 존재하는 고•액 공존구간(mushy zone)으로서 존재하게 된다. 다음 그림과 같이 액상선 온도에서 고상선 온도로 떨어지는 동안 각각 다른 온도에서 분리된 고체는 각각 다른 합금조성비를 갖게 된다.

A-B 합금의 평행상태도

그림에서 보여지듯 A 금속과 B 금속의 용융합금 중 A 금속의 조성비가 C₀인 경우에 액상선은 θ₂, 고상선은 θ₁ 이다. 이때 임의의 온도 θ₀ (θ₁ < θ₀ < θ₂) 에서 존재하는 고체의 합금조성비와 액체의 합금조성비는(C₀, θ₀ 점에서의 수평선이 S에서 만나는 점에 의해 고체의 합금조성비가 결정되고, L과 만나는 점에 의해 액체의 합금조성비가 각각결정된다.

 

주상 수지상정의 성장 및 거리에 따른 조성비

그림 (a)는 주형벽면으로부터 내부로 합금의 주상 수지상정이 성장하는 모양을 보여주는데, 여기서 고액 공존구간의 크기는 웅고과정에서의 중요한 인자이며, 합금조직의결정에 큰 영향을 미친다. 그림 (b) 는 벽면으로부터의 거리에 따른 A 금속의 조성비를보여준다.