주조공정 - 주물재료의 용융

결함이 없는 양질의 주물을 얻기 위해서는 용융단계에서 적절한 주의가 필요하다. 용융 중 고려해야 할 사항으로는 금속 내 함유되어 있는 가스, 파쇄, 용제(flux), 노, 온도 등의 선택 및 제어가 있다.

 

 

1. 금속 내 가스

 

금속 내 가스는 일반적으로 주물의 결함을 유발한다. 그러나 적절히 조절된 양의 특수가스는 주물에 원하는 품질을 주는 데 도움을 주기도 한다. 금속주물 내 가스는

① 기계적으로 갇혀 있거나(이런 경우 적절한 가스빼기를 통해 방지할 수 있다),

② 온도변화와 상변화에 따른 용해도의 감소로 인하여 방출되거나,

③ 화학적 반응에 의해 생성된다.

이런 가스의 대부분은 수소와 질소로 이루어져 있다. 수소의 용해도에 따라 금속은 두 가지 그룹으로 나뉜다. 흡열성(endothermic) 금속으로 불리는 한 그룹은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 철, 니켈 등의 일반적인 금속들의 집단이고 다른 한 그룹은 발열성(exothermic) 금속으로 특히 타이타늄과 지르코늄이 이 그룹에 속한다. 흡열성 금속이 발열성 금속에 비해 수소를 덜 흡수한다. 또한, 온도가 상승함에 따라 흡열성 금속은 수소의 용해도가 증가하지만 발열성 금속은 감소한다. 금속의 용해도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[Eq.1]

여기서 E_s (발열성 금속은 양의 값을 가짐)은 수소 1몰당 용해할 때 발생하는 열이고, θ 는 절대온도, C, k는 상수들이다. 수소가 발열성 금속에 녹아들어가면 격자뒤틀림이 발생하지만 흡열성 금속에서는 뒤틀림이 발생하지 않는 것으로 알려져 있다. 다음 표는 여러가지 금속의 고상점에서 고상과 액상의 수소용해도를 표시한 것이다.

 

고상과 액상의 용해도 차이에 의해서 가스가 발생하게 된다. 철금속주물에서 수소용해도는 민감한 문제이다. 무게상으로는 수소함유량은 무시할 만한 것이지만 응고중 발생하는 가스의 부피는 상당히 크다. 지버트(Sievert)의 법칙에 의해 용탕 내 용해되어 있는 수소의 양을 다음과 같이 표현할 수 있다.

[Eq.2]

여기서 P_H2는 용탕에 대한 대기에서의 수소의 부분압이고, 상수 K는 다음 표에서 얻을 수 있다.

여러 금속에 대한 수소의 용해도

용탕 내 수소의 주된 공급원은 노 안의 습기, 공기, 기름, 그리스이다. 슬래그 형태에서 수소를 제거할 수 있는 간단한 탈수소첨가제가 없기 때문에 수소의 함유량은 최소화할 수 있도록 주의해야 한다. 대부분의 수소제거방법은 식 [Eq.2] 에 기초를 두고 있다. 즉, 다른 어떤 불용성 가스기포를 용탕에 투입하여 수소의 부분압을 줄이는 것이다. 비철금속주물의 경우 염소, 질소, 헬륨, 아르곤이 이용된다. 질소는 철금속주물이나 니켈합금에서는 사용할 수 없다. 질소가 그 금속에 용해되기 쉽고, 질화물을 만들어 입자크기에 영향을 주기 때문이다. 따라서, 특히 철합금의 경우, 질소의 정밀한 제어가 필요하다. 이 경우 탄화일산화물 기포가 이용된다. 이 물질은 수소뿐만 아니라 질소도 제거할 수 있다. 철금속의 경우 상변화과정에서 용해도가 급격히 감소하여 주물 내에 기공을 발생시키게 된다. 따라서, 용탕 위에 불침투성 슬래그를 두어 공기로부터의 질소 재유입을 방지해야 한다.

 

가스의 용해와 부산물의 혼입을 막기 위하여 진공용융법이 많이 사용되고 있다. 또한 용탕 내보다 래이들 내에 첨가제를 투입하는 것이 가스제어와 화학적 조성에 더 효과적이라고 알려지고 있다.

 

 

2. 노

 

금속을 용융시키기 위한 노(furnace)는 그 종류가 다양하다. 노의 선택은 주로 금속의 화학적 성질, 요구최대온도, 용해능력, 분위기에 의해 결정된다. 다른 요인으로는 사용 가능한 원재료의 크기와 형태 등이 있다. 금속의 화학적 특성은 기본요소의 제어뿐만 아니라 기계가공도 등의 몇몇 기계적 물성치를 좌우한다.

 

용융 후의 최적온도는 금속의 유동성에 의해 정해진다. 유동성은 용융금속이 주어진 온도에서 주형 내에 차들어갈 수 있는 상대적 능력이다. 일반적으로 점성이 낮으면 유동성은 높다. 금속의 유동성은 다음과 같이 측정된다. 표준치수의 나선형 캐비티에 여러 온도에서 용융금속을 주입하고, 응고가 시작되기 전까지 들어간 거리를 재서 유동성을 측정한다. 다양한 금속에 대한 온도-유동성곡선을 살펴보면 유동성이 커질수록 용융온도와 주입온도(노온도)의 차이가 작음을 알 수 있다. 복잡하고 얇은 단면의 주형을 완전히 채우기 위해서 이 차이를 최소화해야 하고, 이 차이가 크다는 것은 가격이 비싸지고 가스용해도가 크다는 것을 의미한다. 일괄 또는 연속용융에서 사용되는 공정에 따라 용해능력 및 분위기가 결정된다.