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3. 주조용 금속 특징
주조용 금속 및 합금은 주형 안에 주입된 후 열을 잃으며 냉각되고 응고됩니다.
이 과정에서 발생하는 흐름, 응고, 냉각 중의 다양한 현상들은 매우 복잡하며, 주조품의 품질과 특성에 큰 영향을 미칩니다.
1) 수력학적 성질 (주입 공정의 유체역학적 특성)
-쇳물의 성질-
완전히 녹은 쇳물이 탕구나 주형 안으로 흐를 때는 수력학의 법칙이 적용되며, 대부분 난류 흐름을 보입니다.
탕구나 탕도의 모양이 급격히 바뀌면 기압이 낮아져 공기가 쇳물에 말려 들어가 결함이 생길 수 있습니다.
주조에서는 마찰 손실보다 주입 속도 조절이 더 중요하므로, 유체 흐름보다 주입 조건을 우선 고려합니다.
-쇳물 유동성-
주조에서 쇳물은 주형의 복잡하고 좁은 부분까지 완전히 채워져야 하며, 이를 가능하게 하는 성질을 '유동성(fluidity)' 이라 합니다.
일반적으로 주입 온도가 높을수록, 그리고 순금속이나 공정조성 합금일수록 유동성이 좋고, 주형 온도가 높아도 유동성 향상에 도움이 됩니다.
특히 얇거나 복잡한 형상의 주물에서는 유동성이 충분하지 않으면 중간에 응고가 시작되어 결함이 발생할 수 있습니다.
2) 금속의 응고
-순금속의 응고-
가장 먼저, 결정의 핵이 생성되고 이 핵을 중심으로 결정이 성장한다. 동시 다발적으로 새로운 핵이 생성되고 결정이 성장한다.
그 결과 금속은 결정립의 집합체가 되고, 결정립 사이에 결정립계가 생성된다.
-합금의 응고-
합금은 두 가지 이상의 금속 성분으로 구성되며, 냉각하면서 순금속과는 다른 방식으로 결정화됩니다.
대부분의 경우, 성분 A와 B가 따로따로 결정립을 만드는 것이 아니라 A에 B가 녹아 있거나, A와 B가 결합된 상태로 응고하게 됩니다.
이때
- 한 금속이 다른 금속에 녹아 있는 상태를 고용체(solid solution),
- 일정한 비율로 결합된 새로운 물질을 '화합물(compound)'이라 합니다.
3) 주조 금속 특징
-주물 응고-
순금속이나 저탄소강과 같은 용융 금속이 주형에서 응고할 때, 벽면부터 응고층이 형성되어 점차 안쪽으로 응고가 진행됩니다.
내부는 상대적으로 천천히 냉각되므로, 중심을 향해 결정이 자라며 '수지 모양의 주상조직(columnar structure)'이 형성됩니다.
이 주상조직은 수지상(tree-like) 구조로 자라며, 마지막엔 전체가 이 구조로 채워지며 응고가 완료됩니다.
밑에,
그림(a)은 금속이 응고되면서 고체층이 형성되고 용융금속이 수축하는 과정을 보여주며,
그림(b)은 응고가 완료된 후 주물의 실제 모양을 나타냅니다.
만약 응고가 잉곳 측면과 평행하게 진행된다면, 금속이 수축하면서 생기는 빈 공간이 아래쪽까지 길게 형성되는데,
이를 중심선 수축(center line shrinkage) 또는 수축 파이프라고 합니다.
-응고 속도-
그림(a)는 금속이 응고되면서 고체층이 형성되고 용융금속이 수축하는 과정을 보여주고,
그림(b)는 응고가 완료된 후 주물의 실제 모양을 나타냅니다.
만약 응고가 잉곳 측면과 평행하게 진행된다면, 금속이 수축하면서 생기는 빈 공간이 아래쪽까지 길게 형성되는데,
이를 중심선 수축(center line shrinkage) 또는 수축 파이프라고 합니다.
주물의 '응고 시간은 체적(V)과 방열 면적(S)의 비율(V/S)'에 비례합니다.
따라서 V/S가 같다면 형상이 달라도 응고 시간은 동일합니다.
하지만 '교차부(두꺼운 부분)'는 단면이 넓고 방열 면적이 상대적으로 작아 열이 잘 빠지지 않아 응고 시간이 길어집니다.
또한, 이 부위의 주형이 가열되면 열 흡수 속도도 감소해 응고 지연이 더 커집니다.
용융금속을 주형에 주입한 후, 응고가 시작되어 완전히 끝날 때 가지의 시간(응고 구간)동안,
금속이 수축하는 방식과 정도는 응고 단계에 따라 매우 다르게 나타납니다.
-주물 수축-
주형에 가득 채워진 쇳물은 응고 초기에 탕면이 서서히 내려가고 오목해지며, 내부 응고가 진행됩니다.
어느 순간부터는 탕면도 함께 응고하게 되는데, 이때 쇳물이 부족해 내부에 빈 공간이 생기며,
이를 수축부 또는 '수축공(shrinkage cavity)'이라 부르고, 이는 대표적인 주물 결함 중 하나입니다.
-응고 조직-
주형 벽에 접한 액상이 급속히 냉각되어 충분히 과냉되면, 핵이 형성되어 주형 벽과 수직 방향으로 성장하게 됩니다.
그 결과는,
- 순금속에서는 조용한 응고 시 '주상결정(columnar grain)' 이 형성되고,
- 고용체 합금에서는 조대 등축정(equiaxed grain)이 나타납니다.
특히, 응고가 매우 빠를 때는 주물의 바깥쪽에 미세한 등축정 층이 나타납니다.
4) 주물과 가스
가스가 응고 중 빠져나가지 못하면 주물 내부에 가스공(기공)이 생기며, 이는 대표적인 주물 결함 중 하나입니다.
이러한 가스는 2 가지 형태로 존재합니다:
- 가스로 용해되거나 고체 금속 속에 고용된 상태
- 용융금속과 반응해 생성된 화합물, 즉 슬래그(slug)나 결정체 형태
금속이 응고할 때 방출되는 주요 가스는 '일산화탄소, 수소, 질소' 입니다.
특히 수소는 용해 중에 금속에 흡수되기 쉬우며, 온도가 높을수록 더 많이 용해됩니다.
수소 제거를 위해 산소 같은 산화성 가스를 쇳물에 불어넣어 수소를 밀어내는 방식을 사용합니다.
강철에서는 Mn, Si 등을 넣어 산소와 결합시켜 안정적인 산화물로 만드는 과정이 필요한데,
이를 '탈산(deoxidation)'이라 하며, 이때 사용하는 물질을 '탈산제(deoxidizer)' 라고 합니다.