Transcript (1) 수축여유 (shrinkage allowance)

주조공학
Foundry Engineering
주조공학의 필요성
1. 기계, 자동차, 선박 및 각종 부품소재
주물 – 공작기계 : 81%, 전기기계 : 80%, 섬유기계 : 50%,
선박기계 : 99.2%, 자동차 13%
2. 국내 - 회주철, 가단주철, 구상흑연주철 → 현재, 합금주물, 비철주물
(주물소재의 고급화)
3. 국외 - 러시아 : 34.9%, 미국 : 20.5%, 일본 : 7.49%, 서독 : 5.67%,
프랑스 : 3.6%, 영국 : 2.97%, 폴란드 : 2.97%, 이탈리아 : 2,61%
4. 재질 – 주철주물 : 74.1%, 주강 : 15.9%, 가단주철 : 3.5%,
알루미늄합금 : 2.9%, 동합금주물 : 1%, 기타 : 2.6%
파이프, 자동차 실린더 블록, 항공기 엔진, 피스톤, 피스톤 링, 공작기계 베드,
프레임, 휠, 크랭크 샤프트 등과 같은 복잡한 모양과 다양한 크기의 제품에
직접 적용.
2
회주철
1)검은색 편상이 흑연
2)Matrix 는 Pearlite
3)흰 부분은 공정조직
백주철
1)검은부분은 Austenite에서 변태한 Pearlite
2)흰부분은 Cementite
3)벌집형상의 모양은 시멘타이트와 오스테나이
트의 공정조직(레데뷰라이트)
백주철은 탄소가 시멘타이트로 되어 있고 회주철은 흑연으로 존재, 원인
은 냉각속도와 합금성분으로 결정되며 냉각속도가 빠를수록 시멘타이트
가 많고 느릴수록 흑연이 많음.
2
구상흑연주철
페라이트형
펄라이트형
1)검은형상이 흑연
1)검은형상이 흑연
2)Matrix 는 Pearlite
2)Matrix 는 Ferrite
3)펄라이트형에 비해 인장 3)인장강도가 우수
강도는 낮으나 10%정도의
연신율과 절삭성이 우수
Bull’s-eye 형
1)검은형상이 흑연
2)주위에 흰 부분 페라이트
3)Matrix 는 Pearlite
4)내열성과 내마모성이 우수
구상흑연주철(nodular casting) : 보통 주철에 나타나는 흑연은 편상으로 나타나는
데 비해 흑연이 구상으로 나타나는 주철, 1947년 H.모로 등은 세륨(Ce)을 첨가하면
흑연이 구상으로 존재하는 것을 발견. 비슷한 시기 미국에서도 Mg을 첨가하면 구상
화가 된다는 것을 확인. 그 후 Ca, Si등을 첨가하여도 구상화 된 다는걸 발견
TS : 50-70kg.mm2, 10-20% elongation, HB : 200)
2
제 1장 서론
1-1. 주물의 개요와 모형
▶ 주조 : 고체상태의 금속을 용해하여 만들고자 하는 모양의 주형에
주입하여 응고시켜 목적하는 모양을 한번에 만드는 작업
▶ 주조 기술의 특징
① 원하는 모든 형태를 얻을 수 있다.
- 안과 밖이 매우 복잡하여 기계가공이 불가능한 제품의 제조가능
② 제작수량도 1개에서 대량생산도 가능
③ 대형 및 중량제품의 제조가능
④ 거의 모든 합금의 주조가 가능
⑤ 다른 가공기술에 비해 작업이 용이
▶ 주물을 만들기 위한 금속의 조건
① 용융점이 낮을 것
② 용해 시 유동성이 좋을 것
③ 응고 시 수축이 적을 것
1
1-2. 주조공정
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1-3. 주물의 분류
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1-3.1 주철과 주강
▶ 주철(cast iron)
1) 1.7% 이상의 탄소를 함유하는 철을 의미
2) 주철을 녹이기 위해서 큐폴라라고 하는 용해로가 사용되며, 고로(高爐:
용광로)에서 얻은 선철을 여기에 넣고, 코크스를 연료로 용해
3) 주조되어 응고된 상태의 주철에는 철과 시멘타이트 (Fe3C)가 층상(層狀)
을 이루고 늘어선 펄라이트라는 조직을 바탕으로 해서 편상(片狀)의 흑연
이 산재
4) 흑연부분에서는 강도를 기대할 수 없으므로, 강도를 필요로 할 때에는 시
멘타이트의 분해를 가감하여 흑연이 나오는 것을 조절(예 : 구상흑연주철)
▶ 주강(cast Steel)
1) 주물용 강 또는 주조한 강으로 C: 0.1∼0.5%, Mn: 0.4∼1.0%, Si:
0.2∼0.4%, P: 0.005% 이하, S: 0.006% 이하 조성의 강
2) 구조재 중에서 단조로는 만들 수 없는 형상의 제품이나, 주철로는 좋지
않을 경우에 사용
3) 흔히 사용되는 것은 탄소강 주강
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1-4. 주물법에 따른
류
분
사형주물
(sand
casting)
주 물
(Castings)
금형주물
(permanent
mould
casting)
- 생형주물 (보통 및 특수주물사 주형)
- 표면 건조형 주물 (상동)
- 건조형 주물 (상동)
- 보통 금형 주물 (중력에 의한 주입)
- 다이캐스트 주물 (고압주입 및 저압 주입)
- 원심 주조 주물 (사형 및 금형)
특수주조
주물
- 정밀 주조 주물 – shell mould 주물
- investment 주물
- 석고형 주물
- shaw형 주물
1
1-5. 주요 주물법 소개
▶ 원심주조법 : 주형을 300~3,000 rpm으로 고속 회전시킨 상태에서 쇳
물을 주입하면 원심력에 의해 주형 내면에 균일하게 압착 응고되어 코
어 없이도 주물을 제작하는 방법
▶다이캐스팅 : 쇳물을 정밀 금속주형에 고속 고압으로 주입하여 표면
이 우수한 주물을 얻는 주조 방법으로 금속주형(die)에 주로 경합금의
쇳물을 압입한다. 치수정밀도가 높고 주물 표면이 깨끗하며 대량생산에
적합, 자동차 부품에 많이 적용되며 알루미늄계와 Zn계에 주로 이용
▶ 셀 몰드법 : 정밀주조법의 일종으로 주물사에 소량의 셀 몰드용 페
놀수지를 혼합 또는 피복한 뒤 예열한 금속제막형에 일정시간 접촉함으
로서 열의 영향을 받은 부분에 수 mm 두께 사이 존재하는 주물사가 페
놀수지의 가열경화로서 결합하여 성형하는 껍질상의 주형, 치수 정밀도
가 우수 제품 표면이 깨끗한 특징, 1944년 독일 Dr. Croning이 발명
1
1-5. 주요 주물법 소개
▶ 인베스트먼트 주조법 : 주조하려는 제품과 동일한 모형을 왁스 파라
핀 등으로 만들어 주형재에 파묻고 다진 후에 가열로에서 주형을 경화
시킴과 동시에 모형재인 왁스 파라핀을 유출시켜 주형을 완성하는 방법
▶ 칠드주조 : 모래주형 일부분에 금형을 조합한 주형에 용탕을 주입하
면 금형에 접합 부분은 급냉되어 단단하고 내마멸성이 향상
▶ 탄산가스 주조법 : 규사에 규산나트륨을 4~6% 첨가하여 조형을 한 후
탄산가스를 주형 내부에 불어 넣어서 규산나트륨과 탄산가스의 반응으
로 주형을 경화
▶ 진공주조 : 금속을 용해할 때 공기의 차단을 위해 진공상태에서 용해
작업과 주조작업을 하는 방법
▶ 연속주조 : 용탕이 냉각수가 순환하는 금형을 통과하면서 표면이 급
속히 응고되어 연속적으로 빌렛 등을 주조하는 방법
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1-6. 주조작업 계통도
방 안
주물사
사처리
모 형
혼 련
중자제작
조 형
중자건조
모래시험실
주형완성
후처리
검 사
탕도제거
유관검사
끝손질
치수검사
주형배치
주 입
Blast 청정
탈 사
물리화학연구실
용 해
장 입
원료금속
산세(酸洗)
평 로
도가니로 진 공 로
연료
용 접
전호로 용선로
유도로
전 로
tampler
반사로
용탕운반, 배분
열처리
X-ray 검사
γ-ray 검사
물리화학
검사
형광탐상
자기탐상
초음파
탐 상
출 하
1
1-7. 주조제조 방법
작업의 종류
1. 주조방안의 결정
요령의 설명
주물 투입 방법, 용탕 속도 등을 결정한
다.
2. 모형의 제작
주물의 도면에 따라 가공여유, 허용오차,
용탕의 수축등을 고려하여 나무, 금속,
수지 등으로 model을 만든다.
3. 주물사의 조제
주형을 만드는데 적절한 배합으로 적당한
점결제를 넣어 혼사기로 잘 섞으면서 혼
련한다.
4. 주형의 제조
- 조형과 증자
손 또는 기계를 써서 목적하는 형상의 주
형을 만든다. 필요에 따라 주형에 중자를
넣는다.
5. 용
재료를 적당히 배합하여 용해로 속에서
연료, 전력 등으로 녹여 적당한 온도의 용
탕을 만든다.
해
1
1-7. 주조제조 방법
6. 주입
Ladle로서 적당한 방법과 속도로 용탕을
주입.
7. 주물상자 해체,
절단, 청정
응고 후 주물을 꺼내어 모래를 털고 탕구를
제거 후 표면을 청소한다.
8. 열 처 리
필요에 따라 성질향상, 응력제거를 위해 소
둔 등의 열처리를 실시한다.
9. 다듬질, 보수, 도금
주물의 불필요한 부분을 깎아 내고 절삭하
여 치수를 맞춘다. 결함부는 용접, 납땜으로
보수한다. 주문에 따라 도금한다.
10. 검사, 시험
외관, 치수, 조직 및 재질 등이 치수에 맞는
가 검사하고 여러 가지 결함을 찾아낸다.
1
1-8. 주조작업 공정
(1) 주조방안의 결정 : 용융금속의 주입방법, 주입속도, 주입량, 주입구의 위치 및
주입경로(gating system)등
(2) Pattern의 제작 : 주물도면을 보고 각종 보정치(수축여유, 모형구배, 가공여유
등)를 고려하여 목재, 금속 또는 수지로 제작
(3) 주물사의 조제 : 적절한 입도, 종류의 사립, 점결제, 첨가제를 최적조건에 의해 배합
(4) 조형 : 주형과 중자를 hand molding(손 조형), machine molding(기계조형)에 의해
주형을 준비하고 주형과 중자의 합형
(5) Melting : 장입 계산에 의해 지금을 배합하여 용해
Molten metal handling: 성분조정, 탈산, 탈황, 접종 등
(6) Pouring : Ladle사용 주입
(7) Shake out & cleaning : 탈사 후 표면을 cleaning
(8) Heat treatment : 주조응력제거, 재질개선목적
(9) Repairing : 연삭, 절삭가공 또는 welding사용
(10) Inspection & test : 외관, 치수, 결함, 재질 등 시험검사
(11) 출하
4
제 2장 모형
모형(模型; pattern)
- 주형사를 다져서 주물의 형태와 같은 공간을 만드는 데 사용되는 것.
- 목재, 금속, plastics, wax
- 제품 설계도는 수축여유(shrinkage allowance)와 가공여유(machining
allowance)를 더하여 크게 만들어야 한다.
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2.1 모형의 제작 개념
(모형설계 시 주의 사항)
현도 : 수축자를 이용하여 주조방안에 따라 모형제작에 필요한 요소인
가공여유, 수축여유, 라운딩 등의 치수를 결정하여 1:1로 나타낸 도면.
(1) 수축여유 (shrinkage allowance)
(2) 모형구배 (pattern draft)
(3) 가공여유 (machining allowance)
(4) 라운딩 (rounding)
(5) 덧 붙임 (stop off)
(1) 수축여유 (shrinkage allowance)
– 액상수축 (liquid shrinkage) : 1.6%
– 응고수축 (solidification shrinkage) : 3.0%
– 고상수축 (solid shrinkage) : 7.2%
모형 : + 수축량 → 수축여유 → 주물자(모형제작)
- 주조 시 금속재료를 가열한 후 냉각될 때 수축되는 양만큼의 보충량
- 주물의 치수를 보정
- 변수 : 재질, 주물모양, 살 두께, 주입 및 주형온도
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주물자 ( shrinkage rule) : 주물을 만들 때 재료마다 수축 여유를 미리 예상하
고 그만큼 길게 만든 자로 주물척(鑄物尺)·신장척(伸張尺)이라고도 한다.
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(2) 인발구배 또는 모형구배 (pattern draft)
– 모형을 주형에서 빼어낼 때 수직면의 경우 주형을 파손시킬 우려
→ 수직면에 약간의 테이퍼
– 일반적으로 1/4 - 1o
(a) provide drafts and tapers
- easy removal, avoid damage
- along what direction should we taper ?
그림 1.2 모형 기울기
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(3) 가공여유 (machining allowance)
– 주조 후 가공할 부분에 대한 여분의 두께
– 재질, 주물의 크기, 가공정도
– 소재와 두께에 따른 가공여유는 text 참고
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(4) 라운딩 (rounding)
주물표면에 수직으로 주상정이 성장
갑자기 변하는 부분을 피하고,
두꺼운 부위에 얇은 부분을 붙
일 때는 큰 반경으로 기울기를
주어야 한다.
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(5) 덧 붙임 (stop off)
- 주물의 형상 차이로 인한 냉각 중 발생되는 비틀림 등의 현상을 방지하기
보강하는 것
- 모형의 두께가 불균일 하거나 형상이 복잡한 주물 또는 파손되기 쉬운 곳.
- 주조 후 제거
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(1) 모형재료에 따른 분류
① 목형 - 가장 많이 사용
장점 : ⓐ 금속에 비하여 재료비, 가공비가 싸며, 대량생산, 특별한
정밀도를 요구하지 않는 경우에 유리.
ⓑ 석재, 시멘트 등에 비하여 가볍고 가공성이 좋으며 취성이 적다.
ⓒ 합성수지에 비하여 값이 싸고, 소량의 경우에는 가공비가 싸다.
가장 염가이다.
단점: ⓐ 재료가 불균질하며 건조에 의한 수축으로 치수변화가 많다.
ⓑ 대량생산에 부적합.
ⓒ 강도가 약하고, 정밀성을 유지 못한다.(수분 흡수) → 도장
② 금형
ⓐ 목형에 비해 변형이 적고
ⓑ 대량 생산 시 내마멸성이 우수
ⓒ 비용이 많이 든다.
③ 합성수지
ⓐ 수축변형이 거의 없고 제작비가 금형에 비해 저렴
ⓑ 제작기간이 짧고 취급이 용이
ⓒ 모형에 대한 주물사의 부착이 적다.
ⓓ 장기간 보존 할 수 있다.
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④ 석고형
- 복잡한 형상의 모형제작에 좋으며 모형제작이 용이한 장점이 있으나
수분흡수 및 취약해서 표면에 파손이 많은 단점.
⑤ 풀 몰드형 (full mold)
- 발포성 수지를 재료로 하여 만든 모형.
- 이것을 주형 속에 넣고 그대로 용융금속을 주입시키면 발포성 수지가 연소,
소실되어 생긴 공간에 주물.
- 비교적 대형 주물에 많이 이용.
⑥ 시멘트형
- 시멘트를 점결제로서 모래를 섞어 모형을 만든다.
- 무겁기 때문에 일반적으로 사용하지는 않으나 염가이므로 ingot case 의
모형 등에 사용된다.
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(2) 구조에 따른 분류
① 현형
실물과 비슷한 모양의 모형.
ⓐ 단체형
ⓑ 분할형
ⓒ 조립형
ⓐ 단체형
- 모형의 모양이 주물과 같은 것
- 작고 간단한 제품을 만들 때
ⓑ 분할형
- 주형제작을 쉽게 하기 위하여
모형을 2개 이상으로 분할.
ⓒ 조립형
- 복잡한 모양이나 대형인 모형을
여러 부분으로 분할.
그림 1.6 현형
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② 회전형
- 한 개의 축을 중심으로 이 축을 통과하는 모든 면의 단면이 같을 때 사용하는
모형으로서 판재로 주물단면의 일부를 만들어 중심 축을 고정하고 회전시키
면서 조형하는 방식이다.
- 모형제작 경비가 절감되나 조형시간과 공수가 많이 들고 고도의 조형기술이
요구되고 제품 수량이 극히 적은 경우 유리하다.
- 지름이 크고 제작수량이 적은 벨트 풀리나 기어의 소재, 차륜
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③ 긁기형
- 직경이 균일한 直管이나, 曲管의 형태를 한 제품에 적용되는 모형으로서
긁기판 및 안내 틀을 사용하여 주형을 조형한다.
- 회전형과 같이 모형의 제조 경비는 감소되나 조형공수가 많아 제품수량이
극히 적은 경우에 유리하다.
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④ 특수형
골격형 : - 주물의 수량이 적고 대형인 경우, 전부 다 모형을 만들지 않고
주요 골격만 제조한 후 점토나 얇은 합판으로 완성한 것
부분형 : - 같은 모양의 부분이 연속되어 전체를 이루고 있을 때 그 일부분에
해당되는 모형만을 사용하는 경우.
- 대형이고 대칭인 형상에서 일부분만 모형을 만들어 주형 제작 시에는
차례로 모형을 이동시켜 주형을 제작하므로 재료 및 시간이 절약.
- 기어, 프로펠러, 선풍기 날개
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⑤ 코어상자 (core box)
- 코어 (core) : 주물의 빈 부분이나 오목부분을 위해 주형의 일부분으로 사용되는 것.
- 코어 박스 (core box) : 코어를 제작할 떄 사용하는 틀
- 코어 프린트 (core print) : 주물의 중공부 형성을 위한 코어를 끼워 넣기 위해
제작되는 목형의 돌기 부분
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⑥ 원형모형
- 금형제작 전에 목형으로 원형을 제작하고 주형을 만들어 주조품을 꺼내
기계 가공하여 금형을 제작한다.
- 즉, 목형으로 금형을 우선 만든 모형.
⑦ match plate
- 1매의 정반 양면에 모형을 분할해서 붙인 것으로 가볍고 소형 주물조형에
적합하며, 손조형과 기계조형에서 이용된다.
- 소형주물로서 대량 생산하는 모형
- 탕구계, 탕도계
- 알루미늄제
매치 플레이트
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⑧ pattern plate
- 2매의 정반 한쪽 면에 모형을 분할해서 각각 붙인 것으로 기계 조형기를
사용한다.
- match plate 보다는 대형 및 중형 주물에 적합하며 대량생산에 유리하다.
pattern plate
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3. 모형에 기인하는 주조 결함 및 그 대책
1) 주물 지느러미
주물 지느러미란 높이가 불규칙한 엷은 돌기물이 주물의 표면에 수직한 방
향으로 돋아난 것으로서 주물 자체를 사용할 수 없는 불량품으로 만드는 것
은 아니지만 이를 제거하기 위하여 다듬질 후처리 공정에 일손을 증가시키
는 주조 결함의 일종
2) 코어 넣기 작업을 잘못하여 생기는 결함
코어의 형상이 원통형이고 눈으로 보기에 좌우 대칭으로 보여서 작업자가
주형에 코어를 넣을 때에 좌우를 혼동하여 잘못 넣는 경우 발생하는 것으로
서 보수작업이 불가능한 주물 결함
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3) 코어가 부상하여 주물의 살두께가 불균일하여진 결함
주물 지느러미란 높이가 불규칙한 엷은 돌기물이 주물의 표면에 수직한 방
향으로 돋아난 것으로서 주물 자체를 사용할 수 없는 불량품으로 만드는 것
은 아니지만 이를 제거하기 위하여 다듬질 후처리 공정에 일손을 증가시키
는 주조 결함의 일종
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4) 엇물림(mis-match)
분할면에서 상하의 모형이 정확히 맞지 못하고 서로 엇물려 생긴 결함
5) 수축공
6) 콜드 숏트(cold shot)
주물속에 매립된 구형의 결함으로서 주물보다 먼저 응고한 용탕이 주물과
완 전히 융합되지 않은 결함
7) 용탕침투
8) 형낙(drop off)과 스틱커(sticker)
drop off 란 모형을 빼날때에 주물사의 일부가 떨어져서 생긴 주물 결함
Sticker 란 형빼기 작업 시 모형에 주물사가 부착하는 결함
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