주형 일반 개론2 (주물사의 성질과 재생처리, 주물사 시험과 강도)

※ 주물사의 성질

 

   1. 모래입자의 모양과 입도 분포

      (1) 모래입자의 모양 : 구형(둥근형) 모래는 유동성과 통기성이 좋고 모래입자가 작고 예리할수록 점결제가 많이 필요하므로 강도는 높아지나 통기성은 저하된다. 그 밖에 각형, 다각형, 참각형 등으로 구분한다.

      (2) 입도분포 : 입도의 분포는 주물사의 강도, 통기도 등에 영향을 주며 단일 입도의 경우 주형의 통기도는 좋아지나 성형성이 나쁘게 되어 주물표면이 거칠게 된다.

 

   2. 상온에서의 성질

      (1) 습태성질 (물이 함유된 성질) 

         ⓐ 점결제의 양이 증가할수록 압축강도는 증가하나 통기도는 떨어진다.

         ⓑ 혼련시간이 길수록, 다짐횟수가 많을수록 주형의 압축강도는 증가하나 다짐횟수가 많으면 통기도는 떨어진다.

         ⓒ 점결제의 첨가량이 같을 때에는 입도가 클수록 압축강도와 통기도가 증가한다.

         ⓓ 단일 입도의 주물사보다는 복합입도의 주물사가 강도가 크다.

         ⓔ 조형방법에 따라 다짐의 균일도가 달라진다.

      (2) 건태성질

         ⓐ 조형 시의 수분량과 점결제의 양이 증가할수록 건태압축강도는 증가한다.

         ⓑ 점결제의 양이 감소할수록, 또 수분량이 증가할수록 건태 통기도는 증가한다.

      (3) 고온성질 및 잔류성질

         ① 고온성질 (열간성질)

            ⓐ 주형에 용융금속을 주입했을 때 열영향으로 인한 여러 가지 변화를 말하며, 보통 고온강도, 열팽창률, 가스발생량 등이 여기에 속한다.

            ⓑ 수분 및 점토 함유량이 많을수록 온도가 높을수록 고온강도는 증가하나 어느 일정한 온도에서 최대값이 된다.

         ② 잔류성질

            ⓐ 주입 후 주형으로부터 주물을 꺼내는 데 필요한 주형의 성질

            ⓑ 주형해체작업은 주형이 붕괴하기 쉬우며 주물사가 주물 표면으로부터 이탈하기 쉬워야 한다.

            ⓒ 주물사가 좋은 잔류성질을 갖기 위해서는 수분, 점결제, 첨가제의 함유량이 적절하게 관리되어야 한다.

 

   3. 주물사의 관리

      (1) 주물사의 노화 현상

         ⓐ 규사의 노화 : 규사는 온도에 따라 이상 팽창과 수축이 생기며 급격한 가열 시 입자들의 분할에 의해 투명한 것이 유백색으로 변하여 노화되고 이것은 사립의 내부에 균열이 발생된 것을 뜻한다. 균열된 사립은 자연시효와 조형할 때 다져주는 외력에 의해 쉽게 분쇄되며 입도가 세밀해져 통기도가 감소한다.

         ⓑ 점토의 노화 : 주형이 고온의 용융금속과 접촉하면서 점토 내부의 결합수가 증발된다. 이로인해 점결제로서의 기능이 상실되고 모래층에 미분말 상태로 존재한다. 통기도가 불량해지고 강도가 떨어지며, 불순물의 혼입과 더불어 내화도가 크게 떨어져 주물결함의 원인이 된다. 대체로 점토는 600'c 이상으로 건조되면 점결력을 잃게되므로 대체로 600'c를 점토의 노화 온도라고 한다. 

         ⓒ 산화물의 혼입 : 규사와 점토의 일부가 분해되어 유리규소가 생기며, 이것이 용융금속의 산화로 생기는 FeO와 반응을 일으켜 Slag를 형성. Slag에 의한 Gas 발생으로 주형에 기공 발생한다. 또 녹는점이 낮은 표면사는 소결 및 소착을 일으켜 주물 표면이 거칠어지므로 이들 산화물들은 혼합되지 않도록 주의해야 한다. 

 

      (2) 주물사의 재생처리 : 주물사는 사용 횟수가 많아짐에 따라 노화되어 그 질이 낮아지고 계속해서 주물사로서의 가치를 잃게 되므로 이것을 재생처리하여 그 질이 복원될 수 있도록 한다. 국부 처리와 전체 처리가 있다. 

         ① 국부 처리 : 주입 작업후 주물 제품 부근의 주물사는 높은 온도에서 접촉되어 노화되기 쉽다. 따라서 주물 제품 가까이에 있는 주물사만을 처리하는 방법을 국부처리라 한다. 

         ② 전체 처리법 : 주형 제작에 사용한 주물사를 전부 처리하는 것을 전체 처리라 하며, 주물사 처리 장비를 활용하여 순서별로 주입이 완료되면 자동장치에 의해 주형 상자가 제거되고, 주물사와 주조품이 분리되면서 주물사는 냉각기를 통하여 냉각된다. 냉각된 주물사는 샌드 브랜더 장치에 의해 덩어리가 분쇄되고 다음으로 믹서기나 혼련기에서 신사와 수분, 첨가제 등을 혼합하여 주형 제작에 알맞은 주물사로 재처리된다.  

          ⓐ 모래떨기 : 주입작업이 끝난 주형을 셰이크 아웃머신을 사용하여 진동시켜 주형과 주물을 분리시키는 작업

          ⓑ 철물제거 : 자기 분리기 사용하여 모래처리 공정 중에 주형, 코어에 사용한 철사, 주입시에 발생된 철편 등을 제거 

          ⓒ 분급 : 주물사의 노화현상으로 생성된 규사 및 점토의 미분을 미분제거기 등으로 제거하고 다시 사용 용도에 알맞게 입도가 분포되도록 분급한다.

          ⓓ 배합 : 사용된 모래(고사)의 미분과 불순물을 제거하고 새로운 모래(신사)를 보충하여 입도를 조절하고 점결제를 첨가하여 다시 사용할 수 있는 상태로 재생한다.

주물사의 재생처리 공정도

 

   4. 주물사의 시험과 강도 : 주형의 재료인 주물사는 용이성뿐만 아니라 강도, 통기성, 내화성 등 주물제품의 품질을 좌우할 수 있는 주요 인자에 대하여 충분한 검토와 사전 시험 후 주형제작에 착수해야 한다. 모든 시험조건을 다 만족할 수는 없지만 주형의 성격에 따라 여러 성질을 시험, 관리하여 적당한 주물사를 선정한다.

      (1) 주물사의 시험

         ⓐ 수분 함유량 시험 (점착력 시험) : 수분의 과다 과소는 강도 저하의 원인이 되며 주물사의 점착력은 모래입자, 점토의 양, 수분 함유량에 따라 다르다. 시료 50g을 105±5'c에서 1~2시간 건조시켜 무게를 달아 건조 전과 건조 후의 무게를 구한다.

표준시험법 : 수분함유량(%) = (건조전 시료무게 - 건조후 시료무게) / 건조전 시료무게 * 100

현장시험법 : 칼슘카바이드법, 건조법, 전기법

칼슘카바이드법은 일정량의 시료와 칼슘카바이드 가루를 밀폐된 용기에 넣고 발생하는 아세틸렌 가스의 압력을 측정하여 간접적으로 수분함유량을 구하는 방법이다. 전기법은 수분을 함유한 주물사에 전류가 흐르기 쉬운 현상을 이용하여 수분을 측정하는 방법으로 일정한 간격의 전극을 가진 측정구를 주물사 속에 밀어 넣고 전류를 통과시키면 수분이 함유된 상태에 따라서 전류가 흐르게 된다. 그 전류를 읽어 수분의 함유량을 측정하는 방법이다. 

 

         ⓑ 점토분 함유량 : 점토분(%) = (시료-나머지무게) / 시료 * 100

         ⓒ 입도 (Grain Size) 시험

            ① 입도의 영향 : 거칠경우 주물표면이 거칠고 소착(모래가 녹아 붙는)되기 쉽고, 작을 경우 통기성이 불량하고 기공이 발생한다.

            ② 입도는 모래입자의 크기를 나타내는 것으로 1변의 길이가 1inch인 정사격형의 체(screen)를 기준으로 하여 1inch 길이의 분할된 체눈(Mesh)의 수로써 호칭 번호를 부여한다. 

약식 표시	Mesh	비고
조립	50이하	Mesh : 1 inch 안에 들어있는 체눈 수
중립	50~70
세립	70~140
미립	140이상

          ⓓ 통기도 

             ① 주형에서 발생되는 Gas 및 주형 내부의 공기는 기공의 원인이 되므로 주물사 층으로 배출되어야 하며 이러한 정도를 평가한다.

             ② 표준시험편을 통기도 시험기에 넣어 일정압력으로 한쪽에서 2,000cc의 공기를 주입할 때 공기의 통과시간 및 압력을 측정하여 구한다.

             ③ 통기도가 적으면 주물표면이 매끈하게 되지만 기공이 발생되고 통기도가 크게 되면 주물표면은 거칠고 용탕의 침투가 발생한다. 통기도 (K) = Vh/PAt (V 통과공기량, h 시험편 높이, P 공기압력, A 시험편의 단면적, t 통과시간)

          ⓔ 내화도 

             ① 용융내화도 : 시편을 제게르 콘과 같은 형상으로 만들어 노중에서 가열하여 90'로 굴곡하는 온도를 제게르 콘과 비교하여 결정한다.

             ② 소결내화도 : 주물의 내화도를 측정하는 것으로 모래 표면에 백금 리본을 대어 일정 온도로 가열 후 내화도를 측정한다.

          ⓕ 성형성 

             ① 주형을 만들 때의 조형의 용이성을 말하며 주형 일부의 다짐효과가 유동 전달되어 구석구석에 미치는 것이 성형성이 좋은 것이다.

             ② 표준 원통 시험편 제작기로 3회 다져서 5.08x5.08cm의 시편으로 만들고 이것을 다시 4,5회 다졌을 때 4회 다짐한 높이와 5회 다짐한 높이와의 차인 x를 측정한다.

 

      (2) 주물사의 강도

         ⓐ 주물사에 작용하는 쇳물의 압력을 견딜 수 있는지를 평가

         ⓑ 표준시험편 성형 후 인장강도, 압축강도, 굽힘강도, 전단강도 등을 측정하여 표준시험값과 비교함

         ⓒ 강도가 불충분하면 붕괴되기 쉽고 또 강도가 너무 크면 주물의 수축에 의한 균열이 생기고 주형의 해체가 어렵다.

         ⓓ 표면강도 : 주형의 다지기를 알아보는 것으로 생형용 경도계와 건조용 경도계가 있다.