주조 (Casting)

• 주조 : 용융금속을 주형 (Mold) 에 부어 주형 모양대로 응고시키는 방법

- 가장 오래된 제조방법 : 장식품 , 무기등 (BC 4000-) - 다양한 형상 및 크기의 제품을 경제적으로 생산 : 엔진블록 ,

크랭크 축등 - 결함 최소화 , 치수 , 표면정도등 요구조건 만족 : 많은 경우

후가공 필요

• 주요 공정인자 : - 용탕의 주형으로의 유입 : 용탕온도 , 주입부 설계등 - 응고 속도 : 주형재료 및 온도 , 열전달등 - 응고에 따른 수축등

금속의 응고• 응고 : 재료를 용융된 상태에서 온도 ( 혹은 압력 ) 의 변화에 따라 고상화 되는

현상 - 순금속 : * 확실하게 정의된 융점과 응고점 * 응고시 잠열 (latent heat) 발생 - 합금 : * 온도범위에 걸쳐 응고 * 액상선 (liquidus line) 이하에서 응고시작 * 고상선 (solidus line) 이하에서 응고가 종료되며 고용체 ( 치환형 , 침입형 ),

금속간 화합물등 형성

• 평형 상태도 (equil. phase diagram) - 특정 재료의 온도 및 조성에 따른 상 (Phase) 관계를 나타내는 도표 * 2 원계 : 두 원소간 합금 , 예 ; Cu-Ni( 그림 5.3), Fe-C( 그림 5.4) 등 * 3 원계 ; 3 원소간 합금 , 예 ; Cu-Ni-Sn, Fe-Cr-Ni 등 - 천평 법칙 (lever rule): 상태도에서 여러 상들의 조성을 구하는 방법 , 그림

5.3, 식 5-1, 5-2

철 - 탄소계 • 순철 (pure iron), 강 (steel), 주철 (cast iron): 탄소함량에 따라 구분

- 순철 :<0.008% C, 강 :<2.11% C( 보통 1.2%C 이하 ), 주철 : 2.11%-6.67%C( 보통 <4.5% C)

• 온도와 조성에 따라 다양한 상이 존재 : 동소체 변태 , 그림 5.4 - 페라이트 (ferrite): ( 상온 , 저온 ), ( 고온 ), BCC * 727C 에서 최대 0.022% C 고용 * soft &ductile, 768C 까지 자성 (ferromagnetic) - 오스테나이트 (austenite): 철 , FCC * 순철 : 912C 이상에서 FCC 로 변태 *강 : 727C 에서부터 변태 시작 * 탄소 고용도 증가 , 1148C 에서 최대 2.11% - 세멘타이트 (cementite): 6.67% 탄소를 함유하는 철 - 탄소화합물 , Fe3C • 공석반응 (eutectoid reaction): Fe-0.77%C 강은 727C 에서 Austenite 가

ferrite+cementite 와 평형을 이룸 , 즉 Fe3C 이며 이와 같이 하나의 고체상이 두개의 고체상과 평형을 이루는 반응을 말함 , 공석온도 , 공석 조성 , cf.공정

- 펄라이트 (pearlite): 공석온도 이하에서 Austenite 는 ferrite 와 cementite 로 변태되며 이 경우 두 상이 교대로 존재하는 층상구조인 라멜라 (lamellae) 조직을 가짐 , 그림 5.6

- 탄소량에 따라 : 6.67% 이하에서는 pearlite, 이상에서는 pearlite+cementite

- 합금원소 첨가 * 공석온도 , 공석조성 , 변태속도등이 달라짐 * 제반 특성이 달라짐

주철 (cast irons) • 철 , 탄소 ( 약 2.1-4.5%), 실리콘 ( 약 3.5% 까지 ) 으로 구성된 합금으로 탄소는 흑연

(graphite) 상으로 존재하고 Si 은 주조시 용탕의 유동성을 좋게 함 • 조성 / 응고 조직 / 특성에 따라

- 회주철 (grey cast iron): * 2.5-4.0% carbon, 1.0-3.0% silicon * Graphite exists as flakes surrounded by ferrite or pearlite matrix * Relatively weak and brittle due to sharp and pointed graphite tips * Good damping capacity and high wear resistance * High fluidity at casting temp.→easy casting of intricate shapes * Least expensive⇒ wide use as base structures for machines * Grey fractured surface - 구상흑연주철 (nodular, ductile or spheroidal graphite cast iron) * Added a small amount of Mg or Ce to grey iron →nodule or spherelike graphites instead of flakes →stronger and more ductile than grey cast iron; TS ～ 380-380 MPa, 10-20% ductility * Applications: valves, pump bodies, gears, crankshafts, other

automotive and machine components

주철 (cast iron)• 백주철 (white cast iron) - Low silicon(<1.0%) and rapid cooling → most of carbon exist as cementite instead of graphite  → fractured surface appears white → white iron - Very hard and brittle→ hard and wear resistant applications ex. rollers in rolling mills • 가단주철 (Malleable cast iron) - heating the white iron to 800-900oC for some time → pearlite decompose into ferrite and graphite → graphite exist as clusters → strong and ductile similar to nodular iron - main applications: connecting rod, transmission gears,  flanges,

valve parts, easy duty services, etc

금속의 일반적인 주조조직

Figure 10.1 Schematic illustration of three cast structures of metals solidified in a square mold: (a) pure metals; (b) solid-solution alloys; and (c) structure obtained by using nucleating agents. Source: G. W. Form, J. F. Wallace, J. L. Walker, and A. Cibula.

Preferred Texture Development

Figure 10.2 Development of a preferred texture at a cool mold wall. Note that only favorably oriented grains grow away from the surface of the mold.

Alloy SolidificationFigure 10.3 Schematic illustration of alloy solidification and temperature distribution in the solidifying metal. Note the formation of dendrites in the mushy zone.

수지상정 (Dendrite) • 용탕이 나무줄기와 같은 형상으로 응고된 조직 - 응고 선단과 액상간 과냉상태에서 spike 형태의 응고가 일어남 - 고 / 액상 공존영역 ( 응고 범위 ) 가 큰 합금의 응고 시 주로 나타남 (

조성적 과냉 , constitutional supercooling) - 순 금속의 경우는 공존영역이 없어 응고 선단이 평면으로 이동 (planar

interface) 단결정 응고에 용이함 • 주조결함 - 수지상의 주위가 수지상보다 용질 농도가 높음 : 미세편석 (microseg.) - 최종적으로 응고되어지는 부분 ( 중심부 ) 이 초기에 응고되는 표면

부분보다 용질농도가 높음 : 거대편석 (macrosegregation) - 경우에 따라 중심부 액상이 삼투압에 의하여 표면으로 나올 경우

표면부분의 용질농도가 높아짐 : 역 편석 (inverse segregation) - 중력편석 , 가스에 의한 기공 , 수축에 의한 기공등 많은 결함 존재 • 조직 - 냉각속도가 빠를수록 미세한 수지상 조직이 형성됨 - 대류 (convection) 가 증가할수록 등축화 및 입자 미세화 촉진 - 기계적 교반 , 전자기적 진동등에 의하여 수지상정을 교란시켜 등축 ,

미세구조를 얻는 공정 : 반응고 주조 (rheocasting)

Solidification PatternsFigure 10.4 (a) Solidification patterns for gray cast iron in a 180-mm (7-in.) square casting. Note that after 11 min. of cooling, dendrites reach each other, but the casting is still mushy throughout. It takes about two hours for this casting to solidify completely. (b) Solidification of carbon steels in sand and chill (metal) molds. Note the difference in solidification patterns as the carbon content increases. Source: H. F. Bishop and W. S. Pellini.

Cast Structures

Figure 10.5 Schematic illustration of three basic types of cast structures: (a) columnar dendritic; (b) equiaxed dendritic; and (c) equiaxed nondendritic. Source: D. Apelian.

Figure 10.6 Schematic illustration of cast structures in (a) plane front, single phase, and (b) plane front, two phase. Source: D. Apelian.

유동과 열전달• 용탕은 기본적으로 용탕받이 (cup) 탕구 (sprue) 탕도 (runner) gate 를 통하여 주형 공동부 (mold cavity) 에 주입됨 용탕의 유동이 원활하도록 적절한 설계와 용탕의 유동성 필요 * Bernoulli 정리 : 에너지 보존 법칙 , h + p/g +v2/2g = constant * 연속방정식 : 유체의 연속성 Q=A1v1=A2v2 A1/A2 = h2/h1

* Reynolds number: 유체의 관성력과 점성력의 비로 값이 클수록 난류의 발생성향이 커짐 Re = vD/

- riser 는 응고시 수축이 일어날 경우 필요한 용탕을 보충하는 역할

용탕의 유동성 (Fluidity)

• 용탕의 특성 - 점도 : 온도에 민감할수록 유동성 저하 - 표면장력 (surface tension): 클수록 유동성 저하 - 용탕의 표면 산화막 : 유동성 저하 - 개제물 (inclusion): 유동성 저하 - 응고 형태 : 응고범위가 클수록 유동성이 나쁨 • 주조변수 (casting parameter)

- 주형설계 (mold design) - 주형재료와 표면특성 : 주형온도가 낮고 열전도도가 크고 표면이 거칠

수록 용탕의 유동성 저하 - 용탕온도 : 과열 (superheating) 이 클수록 유동성 증가 - 주입속도 : 느릴수록 유동성 저하 - 열전달 계수 : 용탕의 점성에 영향

응고 (solidification)

• 주형과 용탕 경계면에서 응고 - 초기상태 : 주형벽에 얇은 응고층 형성후 점차 두꺼워짐 - 응고시간 = C( 체적 / 표면적 )2

- 외부 돌축각 (B) 보다 내부 돌출각 (A) 에서 얇음

수축과 결함• 수축 : 표 5.1 - 응고전 냉각중 용탕의 수축 - 액상 - 고상 변태에 의한 응고수축 ( 경우에 따라 팽창 , 예 ;회주철 ) - 고상금속의 수축• 주조결함 (casting defects) - 금속돌출 (metallic projection): 얇은 fin, flash, 거친표면등 돌출부 - 기공 (cavities): 가스 , 수축등에 의한 blow hole, pin hole, 수축공등

내외부 기공 * 냉각쇠 (chill): 기공이 생기기 쉬운 부위의 냉각속도 증가 * 진공 주조 , 탈산제 사용등으로 가스에 의한 미세 기공 억제 -불연속 부분 (discontinuities):균열이나 찢어짐 (tearing), cold shut

( 경계에서의 불연속 면 ) 등 - 표면결함 (defective surface): 표면 접힘 (fold),겹침 (lap),흠 (scar),

산화물 scale 등 -불완전한 주물 : 이른 응고 혹은 유동 부족으로 인한 runout 등 - 부정확한 치수 / 형상 : 부적절한 수축 여유 , 오차 , mold 변형 , 뒤틀림등

- 개제물 (inclusion): 용해 , 응고 , 조형등의 과정에 혼입된 비금속 개제물

Hot Tears

Figure 10.11 Examples of hot tears in castings. These defects occur because the casting cannot shrink freely during cooling, owing to constraints in various portions of the molds and cores. Exothermic (heat-producing) compounds may be used (as exothermic padding) to control cooling at critical sections to avoid hot tearing.

Casting DefectsFigure 10.12 Examples of common defects in castings. These defects can be minimized or eliminated by proper design and preparation of molds and control of pouring procedures. Source: J. Datsko.

용해 (melting)

• 용해 - 금속 , 합금원소를 용해로에 장입후 가열하여 용융 - 용제를 첨가 * 용제 (Flux): 용탕을 산화로부터 보호 , 슬래그 형성 , 정련 ,

주형벽 청정등 여러 기능을 가짐 * 알루미늄용 용제 ; 염화물 , 불화물 ,칼슘 , 마그네슘등 여러

원소 혹은 화합물로 구성됨 * 주철용 용제 : 탄산나트륨 , 불화칼슘등 - 슬래그 (slag): 용탕 표면과 대기와의 반응 억제 , 열손실

최소화 * 주강시 슬래그 : CaO, SiO2, MnO, FeO 등으로 구성됨 - 소량의 용탕을 떠서 조성을 분석후 주조

용해로 (melting furnace)• 종류 - 전기 아크로 (electric arc furnace): 용해속도가 빨라 대량 용해에

적합하고 공해가 적으며 장시간 용탕을 유지할 수 있슴 - 유도용해로 (induction melting furnace): 소형 주조공장에 유용하며

유도에 의한 강력한 전자기 교반으로 우수한 혼합특성을 가짐 - 도가니로 : 가스 , 연로유 , 전기등 각종 열원에 의해 가열되는 도가니 -큐폴라 : 내벽을 내화벽돌로 쌓은 철제로로 연속적으로 작동되며 높은

용융속도로 대량 용해가 가능 - 부상 용해 (levitation melting): 자기장으로 용탕을 부상시켜 - 로의

세라믹 내벽과의 접촉에 의한 게제물 혼입을 방지 • 선택 기준

- 초기 비용 , 작업비용 , 유지비용등 경제적 측면 - 주조되는 합금의 조성 , 융점 , 화학적 특성의 조절 용이성 - 필요한 용해속도 및 용량 - 제품의 요구 특성 - 공해 , 소음등의 환경적 고려등

주조의 유형

• 잉곳 (Ingot) 주조 : 용탕을 고상형 괘 (Ingot) 로 주조 - 용해로에서 용해 , 정련로 (ladle furnace) 에서 정련 후 주형에 부어서 응고 - 응고된 괘는 균일가열로 (soaking furnace) 에서 균일 온도로 가열과 균질화압연 혹은 단조 Hot coil, billet, bar 등의 중간 소재화 ( 단련재 ) 단조 , 절삭 , 판재 성형 등으로 최종 제품

• 연속 주조 (Continuous casting): 용해 , 정련 후 tundish 에 주입 수냉식 구리 주형을 통과하면서 여러 개의 지지롤 (pinch roll) 을 따라 내려가면서 응고연속해서 열간 평판 혹은 형상 압연

• 형상 주조 ; 일반적인 주물 , 혹은 주조재 제조 - 용탕을 형상을 갖는 주형에 부어 응고시켜 주조 제품을 제조

주조공정 (casting) • 소모성 주형 : 주로 주형 재료에 따라 분류

-사형주조 (sand casting): 주물사 +점토를 모형 주위에 채운후 다짐 -쉘 주조 (shell-mold casting): 모래 +열 경화성 수지로 모형 주위에 채운 후 경화 - 소실모형주조 (evaporative pattern casting):폴리스티렌 모형이 용탕과 접촉시 증발 - 석고주형주조 (plaster-mold casting): 석고 - 세라믹 주형 주조 (ceramic-mold casting): 고온용에 적합한 내화재 -Investment casting(or lost wax):왁스나 플라스틱 모형주위로내화성 재료를 도포 - 진공주조 (vacuum casting): 주형에 진공을 가하여 용탕이 빨려 올라오도록 함• 영구 주형 - 가압주조 ( 혹은 저압주조 );가스 압력에 의해 위로 가압 -Die casting: Die 공동부내에 용탕을압력을 가하여 주입 - 원심주조 : 원심력에 의해 파이프 , 실린더등 주조 -Squeeze casting: 주조와 단조의 조합 - 반용융성형법 (semi-solid forming): 반 용융상태에서 가압 성형• 단결정 부품의 주조 및 성장 -investment casting+ 나선형 grain selector: 단결정 터빈 블레이드 -Czochraski 법 : 단결정 seed 를 용탕에 담가서 천천히 회전하면서 끌어올림 -Floating zone 방법 : 단결정에 놓여 있는 다결정 실리콘 봉을 서서히 가열하면서 이동하여

단결정을 성장 • 급속응고 (rapid solidification):melt spinning, melt extraction, gas atomization 등

주조공정 요약TABLE 11.1Process Advantages LimitationsSand Almost any metal cast; no limit

to size, shape or weight; low tooling cost.

Some finishing required; somewhat coarse finish; wide tolerances.

Shell mold Good dimensional accuracy and surface finish; high production rate.

Part size limited; expensive patterns and equipment required.

Expendable pattern Most metals cast with no limit to size; complex shapes

Patterns have low strength and can be costly for low quantities

Plaster mold Intricate shapes; good dimensional accu- racy and finish; low porosity.

Limited to nonferrous metals; limited size and volume of production; mold making time relatively long.

Ceramic mold Intricate shapes; close tolerance parts; good surface finish.

Limited size.

Investment Intricate shapes; excellent surface finish and accuracy; almost any metal cast.

Part size limited; expensive patterns, molds, and labor.

Permanent mold Good surface finish and dimensional accuracy; low porosity; high production rate.

High mold cost; limited shape and intricacy; not suitable for high-melting-point metals.

Die Excellent dimensional accuracy and surface finish; high production rate.

Die cost is high; part size limited; usually limited to nonferrous metals; long lead time.

Centrifugal Large cylindrical parts with good quality; high production rate.

Equipment is expensive; part shape limited.