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9장  주물의 결함과 검사 및 시험 (교과서 p.91)

본 장에서는 지금(地金)의 결함에서 오는 주물의 결함은 제외하고 주조과정에서 생긴 결함만을 취급하기로 한다.

[1] 주물의 결함

(1) 기공(氣孔; blow hole, porosity):

주형 내의 gas가 배출하지 못하여 주물에 생기는 결함을 기공이라 하며, 주형 내의 gas 원은 다음과 같다.

  1. 주형과 core에서 발생하는 수증기
  2. 용탕에 흡수된 gas가 응고할 때 방출한 것
  3. 주형 내부의 공기

(2) 수축공(收縮孔; shrinkage cavity):

주형 내의 용탕이 응고수축할 때 탕의 부족에 의하여 생기는 공동부(空洞部)를 수축공이라 하며, 이에 대한 원인을 들면 다음과 같다.

  1. 그림(a)에서와 같은 큰 수축공은 응고온도 구간이 짧은 합금에서 압탕량(押湯量)이 부족할 때 생긴다.
  2. 그림(b)에서와 같이 중심에 직선적으로 생기는 수축공은 응고온도 구간이 짧은 합금에서 온도구배가 부족할 때 생긴다.
  3. 그림(c)에서와 같이 수축공이 결정립간에 널리 분포되는 것은 응고온도 구간이 긴 합금에서 발생한다.

수축공의 형상과 분포

(3) 편석(偏析; segregation):

주물의 일부분에 불순물이 집중되던가 성분이 국부적으로 치우쳐 있는 것 등을 편석이라 하며, 편석의 종류와 특징은 다음과 같다.

  1. 성분편석(成分偏析): 강의 예로서 그림에서 보는 바와 같이 응고 초기 a₁에서 결정의 탄소함량은 M₁, 응고중 a₂에서 M₂이고, 응고말기 a₃에서 M₃로서 말기로 갈수록 탄소함량이 증가되고 있다. 이 사실로 보면 수지상(樹枝狀) 결정의 가지 사이에 탄소 함유량이 많음을 알 수 있다. 이와 같이 주물의 위치에 따라 성분의 차가 있는 것을 성분편석이라 한다.

    성분편석 원리

  2. 중력편석(重力偏析): Pb-Sb-Sn기(基)의 bearing 합금을 응고시킬 때 초기에 정출할 Sb가 많은 것은 Sb의 비중이 작기 때문에 위에 뜬다. 이와 같이 비중차에 의하여 불균일한 합금이 되는 편석을 중력편석이라 한다. 중력편석을 방지하기 위한 방법으로 특수 원소를 첨가하여 침상(針狀) 또는 수지상(樹枝狀) 결정을 생성시켜 침하(沈下) 또는 부상(浮上)을 못하도록 하거나, 용탕을 급랭하는 것이다.
  3. 정상편석(正常偏析)과 역편석(逆偏析): 응고방향에 따라 용질(溶質)이 액체중에서 이동하여 주물의 중심부에 모이는 편석을 정상편석이라 하고, 응고시간이 길수록 그 정도가 크다. 용질이 주물표면에 스며 나와 성분함량이 많은 결정이 외측에 생기는 편석을 역편석이라 한다.

(4) 고온균열(高溫龜裂):

금속이 응고냉각될 때

  1. 완전 융액영역
  2. 소량의 고체를 보유하는 융액영역
  3. 소량의 융액을 보유하는 고체영역
으로 생각할 수 있다. 1 및 2의 경우에는 인장력의 영향을 받지 않으나, 3의 경우에는 어느 원인에 의하여 인장력을 받았을 때 융액이 보급될 수 있는 조건이 되지 못하기 때문에 영구균열로 남게 되며, 이때의 균열을 고온균열이라 한다. 이러한 현상은 황화물, 인화물과 같은 저용융점 불순물이 함유되었을 때 많이 발생한다.

고온균열의 원리

(5) 주물표면 불량:

주물표면이 불량하게 되는 원인을 들면

  1. 흑연과 같은 주형의 도포제에서 발생하는 gas에 의한 것
  2. 용탕의 압력에 의한 것
  3. 조대(粗大)한 사립(砂粒)에 의한 것
  4. 통기성의 부족에 의한 것
  5. 사립의 결합력 부족에 의한 것
등이 있다.

(6) 치수 불량:

주물의 치수 불량 원인을 들면

  1. 주물자 선정의 부적절에 의한 것
  2. 모형의 변형에 의한 것
  3. core의 변형에 의한 것
  4. 주형의 상형과 하형의 조립 불량에 의한 것
  5. 중추의 중량 부족에 의한 것
등이 있다.

(7) 변형과 균열:

금속이 고온에서 저온으로 냉각될 때 어느 온도 이상에서는 결정입자간에 변형저항을 주고받지 않으나, 어느 온도 이하에서는 저항을 주고받게 되는데, 이 경계온도를 천이온도(遷移溫度)라 하며, 이온도 이하에서 결정립의 변형을 저지하는 응력을 잔류응력(殘留應力)이라 한다. 이상의 원인에 의하여 수축이 부분적으로 다를 때 변형과 균열이 생길 수 있으며, 이에 대한 방지법을 들면

  1. 단면의 두께 변화를 심하게 하지 말 것
  2. 각부(各部)의 온도차를 적게 할 것
  3. 각부(角部)는 rounding 할 것
  4. 급랭을 피할 것
등이 있다.

(8) 유동성 불량:

주물에 너무 얇은 부분이 있거나 용탕의 온도가 너무 낮을 때에는 탕이 말단까지 미치지 못하여 불량주물이 되는 경우가 있다. 보통 주철에서는 3mm, 주강에서는 4mm를 최소 두께로 정하고 있다.

(9) 협잡물 혼입:

주물에 불순물이 혼입되어 불량주물이 되는 원인은

  1. 용재의 점착력이 커서 금속탕에서 분리가 잘 되지 않을 경우
  2. 불순물인 용재가 압탕구나 riser에서 부유할 여유가 없이 금속탕에 빨려 들어가는 경우
  3. 주형 내의 주형사가 섞여 들어가는 경우
가 있다.

[2] 주물의 검사 및 시험

앞에서 열거한 주물결함을 알아내는 검사 및 시험방법은 가능하면 간단하고, 확실한 결과를 얻을 수 있어야 한다. 결함을 검사 및 시험하는 방법은 크게 파괴적 방법과 비파괴적 방법으로 나눌 수 있으나, 여기에서는 다음의 기준으로 분류하여 설명한다.

(1) 육안검사:

  1. 외관검사: 치수 검사 및 표면 검사를 한다.
  2. 파면(破面)검사: 주물의 파단면을 보고 결정입자, 편석 등을 관찰한다.
  3. 형광(螢光)검사: 주물의 검사면을 세척하고 형광물질을 바른 후 형광물질을 닦아내고 빛을 투사하면 균열 등의 결함부에 스며든 형광물질에서 나오는 형광에 의하여 결함의 유무 및 크기를 알아낸다.

(2) 기계적 성질시험:

제품의 설계에서 요구하는 기계적 성질인 강도, 경도, 내마모성, 충격치 등의 충족 여부를 확인하는 시험을 한다.

(3) 물리적 검사 및 시험:

  1. 현미경검사: 파단면을 연마한 후 부식시켜 현미경에서 결정입자의 크기, 조직, 편석 여부 등을 관찰한다.
  2. 압력시험: 유체압력으로 강도 및 누설 여부를 시험한다.
  3. 타진음향시험: 타진에 의한 음향으로 균열 여부를 확인한다.
  4. 방사선검사: X선 등의 촬영에 의하여 결함 여부를 확인한다.
  5. 초음파탐상검사: 그림과 같이 일단에서 초음파진동자를 대고 충격적인 진동을 주면 주물 내부를 통하여 타단까지 전파된 후 반사하여 돌아온다. 이때 중간에 결함이 있으면 그 곳에서 반사하여 온다. 이 들이 돌아오는 시간차에 의하여 결함 여부, 결함 위치 및 결함 크기를 추정할 수 있다.
  6. 자기탐상시험: 주물을 전류로 자화(磁化)하여 주위에 철분(鐵分)과 표면장력이 작은 액을 혼합하여 바르면 결함 부위에 철분이 모이게 되어, 그 위치와 양으로써 결함의 위치 및 크기를 추정할 수 있다.

초음파탐상 및 자기탐상 원리

(4) 화학분석시험:

중요부의 부위를 drilling하여 얻은 chip을 화학분석함으로써 성분의 종류와 양을 알아낸다.

(5) 내부응력시험:

그림과 같이 주물을 절단하여 수축을 자유롭게 한 후 각 온도에서 풀림열처리하였을 때 치수 변화로써 내부응력을 비교 평가한다.

내부응력시험

(6) 유동성시험:

주형에서 용탕에 영향을 주는 인자는 비중, 표면장력, 열팽창률, 점성, 비열, 열용량, 용해잠열, 열전도율, 주입온도, 응고온도, 주형온도 등이며, 실온에서 그림과 같은 나선 형상의 주형에 용탕을 주입하여 유동한 길이로써 유동성을 비교 평가한다.

유동성시험 방법

유동성시험용 주형이다.
유동성시험을 한다.

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