주조공정 - 용탕의 유동

주조공정에서 용융된 금속을 주형 공동부에 주입하는 과정에서 용탕의 유동은 주물의 품질과 관련하여 매우 중요하다.

다음 그림은 기본적인 주조시스템을 나타내는 그림이다.

기본적인 주조시스템

용융금속은 탕구(sprue), 게이트(gate), 탕도(runner), 라이저(riser) 등을 포함하는 게이팅 시스템(gating system)을 통해 공동부로 흘러 들어간다. 주입컵(pouring cup) 또는 주입용기(pouring basin)는 코프 표면의 윗부분에 위치하며, 래들 (ladle)로부터 용탕을 공급받아 탕구로 연결시켜주는 역할을 한다. 탕구는 용탕이 수직으로 흐르는 통로이고, 탕도는용탕의 수평이동통로이며, 게이트는 용탕이 주형 공동부로 들어가는 입구이다. 라이저는옹고중에 수축으로 인한 용탕의 부족분을 보충하는 역할을 한다.

 

여기에서는 용탕을 주입하는 과정에서 발생되는 문제들과 이러한 문제들을 해결하기위한 적절한 탕구계 설계 (gating system design)에 대해 논의하기로 한다. 성공적인 탕구계 설계란 가스나 슬래그(slag : 용제와 비금속불순물의 화합물)의 유입을 방지하면서 난류와 과도한 온도손실이 없이 적당한 유속으로 용탕을 주형 공동부(mold cavity)에 공급하는것이다. 만약, 공급되는 용탕의 유속이 너무 느리면, 미처 주형이 채워지기 전에 응고가 발생할 위험이 있다. 이러한 문제는 충분한 과열을 공급함으로써 해결될 수 있으나, 지나친과열은 가스의 혼입문제를 야기한다. 다른 한편으로, 용탕의 유동이 빨라서 주형 벽면에 충돌하는 속도가 너무 크면 사형주조에서는 주형 표면의 침식과 난류문제를 야기할 수도 있다. 그러므로 이러한 문제를 종합적으로 고려해 절충된 최적의 용탕속도를 구하여야 한다.

 

탕구계를 설계할 때에는 주물금속과 주형재료 양자를 모두 고려해야만 한다. 예를 들어,알루미늄과 같이 융점이 낮고 산화가 잘 되는 금속의 주조시에는 산화물의 생성을 방지하기 위한 세심한 주의가 필요하며, 주철의 경우에는 주입온도가 높아지는 것을 방지하기위해서 용탕의 경로가 짧은 것이 좋다. 세라믹 주형에 대한 탕구계 설계는 침투성의 사형주형의 탕구계 설계와는 근본적으로 다르다.

 

탕구계의 설계와 관련하여 알아두어야 할 두 가지의 유체역학적 법칙이 있다. 베르누이정리(Bernoulli's theorem)와 연속의 법칙(the law of continuity)이다.

 

 

[1] 베르누이 정리

 

정상상태의 비압축성 유동에 대한 베르누이 방정식은 다음과 같다.

[Eq.01]

여기서 h는 임의의 기준선에 대한 고도 p는 압력, v는 속도, ρ는 밀도, g는 중력가속도이다.

마찰이 존재하는 시스템 내부(다음 그림) 의 세 위치에 대해서는 다음 식이 성립한다.

용탕의 유동

[Eq.02]

여기서 첨자 1, 2, 3은 시스템 내부의 서로 다른 세 위치를 나타내며, f 는 마찰손실이다.

 

 

[2] 연속의 법칙

 

비압축성 유체에 대한 연속방정식은 다음과 같다.

[Eq.03]

여기서 Q는 유량(the rate of flow)으로 m³/s 의 단위를 사용하며, A는 단면적이고는 속도이다. 위의 두 가지 원리와 법칙을 이용하여 탕구(sprue)의 형상을 결정해 보자.

용탕의 유동

그림과 같이 탐구 위의 한 점을 1, 아래의 한 점을 2라 하고, 위와 아래의압력차가 없고(p₁=p₂=p₃), 마찰손실 또한 없다고 가정하고 점 3에서의 속도가 없다고 가정하면, 상기 [Eq.02] 식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[Eq.04]

여기서 C는 상수이다. 식을 다시 쓰면

[Eq.05]

이다. 마지막으로 [Eq.05]를 [Eq.03]에 넣어 정리하면 다음과 같다.

[Eq.06]

[Eq.06]으로부터 탕구의 형상은 위가 넓고 아래가 좁게 경사가 진 구조로 되어야 함을 알 수 있다. 만약 탕구형상을 이와 같이 하지 않고 위와 아래의 단면적이 일정하게 만든다면, 용탕의 주입시에 탕구의 하단부에 체적의 공백이 생겨서 주물 내부에 가스를 포함하는 공기혼입의 문제가 발생하게 된다.

 

한편, 이상적인 탕구는 다음 그림에서 실선으로 보여지는 형상을 갖게 된다. 하지만 점선으로 보여지는 형상의 탕구가 가공하기 용이하여 현장에서 흔히 사용된다.

이상적 탐구형상 및 현장에서 사용되는 탐구형상