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4장    금속의 응고(교과서 p.53)

질 좋은 주물을 얻기 위해서는 금속의 응고기구를 아는 것이 필요하다. 금속을 용해시키고 주형을 제작하는 기술은 많이 발달하였으나 용금(熔金)이 주형에 들어간 후에 응고 과정을 조정하는 것은 어렵고, 또한 방법이 알려져 있는 것도 널리 보급되지 못한 실정이다. 본 장에서는 연구적 차원이 아닌 기본적인 이론과 실질적인 내용에 한해서 기술하기로 한다.

[1] 금속의 체적수축

금속의 체적수축에 대하여 앞서 압탕구에서 설명하였으나 본장의 응고에서 중복 또는 보충설명한다.
bismuth(Bi) 와 그 합금, 회주철의 일부를 제외하고는 대부분의 금속과 합금은 응고와 냉각 과정에서 체적이 수축하며, 이 수축은 3단계로 이루어 진다. 이것은 앞에서 언급한 바와 같이 액체상태에서 0.9%/100°F로서 수축하며, 이 수축을 액상수축(液相收縮; liquid shrinkage)이라 하고, 융액면이 내려갈 뿐 주물의 품질에는 영향이 없다. 다음은 응고점에서 응고완료에 이르면 체적이 3% 정도로 크게 줄어들며, 이 수축을 응고수축(凝固收縮; solidification shrinkage)이라 하고, 대부분의 금속에서 응고수축률은 거의 같다.
순금속의 응고는 일정 온도에서 이루어지고, 저탄소강(底炭素鋼; low carbon steel)과 같이 순금속에 가까울 정도의 합금은 좁은 범위의 온도구간에서 응고한다. 응고한 후 고체상태인 주물이 실온(室溫)까지 온도가 강하하는 동안에 계속해서 수축하며, 이를 고상수축(固相收縮; solid shrinkage)이라 하고, 이 때 주물은 주형 공동부(mold cavity)의 치수 보다 작게 된다. 액상수축과 응고수축에서는 압탕구의 송탕(送湯)작용으로 보충이 가능하나, 고상수축에 대한 대책으로서 모형에 수축여유를 두게되며, 이 고상수축에 대한 보상은 모형 제작자에 의하여 결정되어지기 때문에 이 수축을 일명 "모형제작자 수축(pattern maker's shrinkage)"라고도 한다.

[2] 순금속의 응고

순금속은 융점 및 응고점이 일정하며, aluminum은 660℃, 철은 1537℃, tungsten은 3410℃에서 각각 용해 및 응고된다. 순금속의 응고는 아래 그림(a)에서와 같이 주형벽으로부터 내부를 행하여 점진적으로 이루어지며, 액상면이 침하한다. 그림(b)에서는 응고가 완료되었을 때의 중심선수축(centerline shrinkage)을 보여주며, billet벽이 평행하면 이 선이 바닥에 까지 연장될 수도 있다.

순금속의 응고진행 상태 및 관상공동(管狀空洞; pipe cavity)

응고속도는 고상수축, 편석(偏析; segregation) 및 입자크기 등과 관련하여 중요하며, 이는 주형의 열흡수 능력에 달려 있다. 아래 그림에서 보는바와 같이 용탕이 실온의 주형에 주입되면 열이 주형으로 유동하고, 주형-용탕의 계면에서 고상이 적층(積層)되어 간다. 또한 응고는 주형사에 따라서 다르고, 얇은 부분에서 응고속도가 크다.

응고 중 평평한 주형벽으로 부터의 온도분포

[3] 합금의 응고

순금속에서와는 달리 순도가 떨어지는 순금속이나 합금에서는 합금 원소가 융점을 낮게 하여 주형벽과의 계면에서 응고의 진행을 방해하는 경향이 있으며, 수상정(樹狀晶; dendrite)이 발달하여 사이사이에 액상이 남아 있다. 아래그림에서 보는 바와 같이 합금 원소의 양에 따라 응고 과정이 순금속 또는 합금의 특징에 접근한다.

animation 사형 및 냉강주형에서 탄소강 7in角 단면 주물의 응고 과정

아래 그림(a)는 Fe-C 상태도(狀態圖)로서 AA'는 0.05% 탄소강을 표시하고, 그림(b)는 강의 주조에서 응고 중 온도분포를 보여 준다. 주형벽에 가까운 부분에서는 응고되어 고상이고, 내부 중심부에서는 액상으로 있으며, 이들 중간에서는 고상과 액상이 공존한다. 이 좁은 구역에서 수상정의 돌기가 그림(c)에서와 같이 발달한다. 강의 탄소량이 많으면 많을수록 고상-액상역은 넓어진다. 강의 응고온도 범위는 C가 0.05%일 때 40°F (22℃)에서 0.60%일 때 140°F(72℃)까지이다. 응고범위가 좁으면 고액공존대(固液共存帶; mushy zone)가 좁고, 온도구배가 크면 역시 고액공존대가 좁게된다.

확대 합금의 응고

금형을 사용하는 냉강주조에서 온도구배는 한층 더 커진다. aluminum 합금은 중심부의 90% 이상이 고상으로 되었는 데도 주형벽측에서는 아직까지 액상이 남아 있는 경우가 있다.
아래 그림은 사형과 금형에 각각 용탕을 주입하고 주형에 열전대를 삽입하여 시간에 대한 온도 분포에 의하여 얻은 것이다. 사형에서는 중심부의 온도가 액상선온도 이하로 강하하여 주형면에서 완전 응고되기 6분 정도 전에 응고하기 시작한다. 응고 시작에서 응고 완료하는 사이에 액체와 고체가 공존하는 구역이 크기 때문에 송탕이 문제가 되나, 금속주형에서는 중심부에서 초정(初晶)이 생기기 전에 이미 주형면에서 2in 깊이까지 응고가 완료되어 1.5in 만큼의 구역에만 송탕하면 된다.

실험에 의하면 송탕의 난이(難易)는 주형재료, 주물재료 등에 따라 다르고, 중심선 송탕저항(中心線 送湯抵抗; centerline feeding resistance)은 송탕의 난이도(難易度)를 나타내는 것으로서 다음과 같이 정의한다.

사형(砂型)의 경우는
금형(金型)의 경우는

즉 아래 그림의 예에서 냉강주조의 경우가 사형주조의 경우보다 송탕이 용이하다는 것을 알 수 있다.

확대 0.6% C 주강의 주조에서 사형과 금속주형에서의 응고속도 비교

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