주조품의 결함 #1 (기공, 수축공, 균열, 개재물)

1. 개요 : 주조품의 결함은 내부 공공 결함(Cavities, Porosity), 외부 표면 결함 등으로 분류할 수 있다. 공공은 원인별로 가스에 의한 것과 응고 수축에 의한 것 2가지로 크게 나눌 수 있으며, 형태적으로는 가스 기공은 둥근 모양, 수축공은 불규칙한 형태를 나타내는 경우가 많다. 또한, 가스 기공은 원인 가스의 종류가 다양하며 공공의 크기나 생성 위치에 따라 여러 이름으로 불리게 된다. 외부 표면 결함으로는 주탕 결함, 치수 결함, 지느러미 결함 등으로 구분할 수 있다.

 

2. 기공 (Blow-holes, pinholes)

 

   1) 정의 : 통상적으로 구형을 나타내며 표면에서 멀지 않은 부근에서 형성되는 결함으로써 표면까지 연결된 경우와 그렇지 않은 경우로 세분할 수 있다. 대부분은 표면으로부터 약간 속에 존재하다가 표면 절삭 등으로 인해 노출되는데 반짝이는 점으로 관찰된다. 큰 기공은 종종 제품 가운데 고립된 상태로 존재하며 미세한 기공들이 집단으로 형성되기도 한다. 사형 주조에서 하형보다는 상형에서 발견되는 경우가 흔하며, 중자 가스에 의해 발생하는 경우에는 중자 부근에서 관찰된다. 기공의 내부는 다소 산화되어 있는 것이 자주 관찰되며 주철에서는 흑연층이 발견되기도 한다. 

 

   2) 방지대책 

      ⓐ 주형에 충분한 배기공을 설치하고, 탕구 방안을 개선한다.

      ⓑ 주물사(주형 및 코어)의 수분함유량을 조절하고 적절한 건조 처리를 한다.

      ⓒ 탕도의 높이를 조절하고 압탕에 의한 용융 금속에 압력을 가한다.

      ⓓ 용해 온도를 너무 높게 하지 않는다.

      ⓔ 장입 재료의 관리를 철저히 하여 질소, 수소 등의 양을 감소시킨다.

주철 및 주강	비철금속
녹이나 기름 등이 없는 청정한 원재료를 사용한다. 충분한 탈산 및 재산화를 방지한다. 용탕 내 수소 및 질소량 관리를 한다. 주입 온도 및 시간의 관리를 한다. 용탕 중 산소 친화력이 강한 성분(Ti 등)이 많으면 감소한다.	알루미늄, 마그네슘 및 황동 용해에서는 잔류가스 제거를 위해 용탕 탈가스 처리를 주입 전에 수행한다.

 

3. 수축공 (Shrinkage)

 

   1) 정의 : 수축공은 금속이 액체에서 고체로 변화될 때 부피가 수축하는 물리적인 현상에 기인하는 것으로 크기에 따라 미세 수축공 또는 일반 수축공으로 불린다. 응고 과정 중 후반기에 용탕이 부족해지는 부분에 발생하므로 주위에 비해 두꺼운 부분이나 열이 집중되는 최종 응고 지점에서 주로 발견되는 지점에서 주로 발견되는 결함이다. 길쭉한 형태의 수축공은 주로 표면에 수직인 방향으로 발생하게 되며, 미세한 수축공의 경우 수지상(dendrite)형상을 따라 다공질 형태를 보이기도 한다. 크기가 매우 미세하면 절단면을 현미경으로 관찰해야 존재 여부를 확인할 수 있다. 

 

   2) 방지대책

      ⓐ 수축공을 압탕 내로 유도하기 위해서 주물의 하부에서 상부로 방향성 응고가 되도록 주조 방안을 결정해야 한다.

      ⓑ 주물의 두께를 될 수 있는 한 얇게 하고 주입 온도를 필요 이상 높이지 말고 주입한 용탕이 장시간 용융 상태에 있지 않게 해야 한다.

      ⓒ 살 두께가 다른 주물에서는 분리 면에 따라 압상 게이트로 주탕하면 압탕이 필요치 않다. 살 두께가 다른 주물에서는 두꺼운 부분에서 가장 멀리 떨어진 얇은 부위에서부터 주탕하고 급탕이 곤란한 과열부의 냉각에는 충분한 냉금 금속을 같이 붙여야 한다. 

      ⓓ 충분한 용탕 정압을 얻을 수 있도록 높은 탕구를 사용해야 한다.

      ⓔ 응고 수축이 적은 합금을 선택한다.

 

4. 균열 (Crack)

 

   1) 열간 균열 (hot cracking) : 사형 주조에서 주입된 용탕이 응고하는 과정 중에 부피 수축에 따른 응력이 발생하는데 주형이 응고하는 제품부를 속박하여 응력이 집중되면 그 부분에 고온 균열이 발생하게 된다. 육안으로 발생 여부를 확인할 수 있는 경우도 있으나 확대경이나 X-선 등을 사용하여 발견하기도 한다. 제품이 균열로 인해 완전히 분리되는 경우가 아니면 존재 확인이 어려울 수도 있으며, 산화로 인해 균열부이 색상이 바뀔 수도 있다. 균열 내부를 현미경으로 관찰하면 수지상 형태를 볼 수 있다.

 

   2) 열간 균열 방지 대책

      ⓐ 주물 두께의 급격한 변화가 없도록 주형을 설계한다.

      ⓑ 연결 부위나 코너 부위를 가급적 줄인다. 주물과 주형이 걸리는 것이 적도록 한다.

      ⓒ 최종 응고부에 냉금을 부착시켜 응력 발생을 방지한다.

      ⓓ 합금의 함유량을 조절한다.

      ⓔ 주형의 열 팽창계수가 낮도록 한다.

 

   3) 냉간균열 (cold cracking) : 냉간 균열은 냉각과정 또는 열처리로 인한 응력 때문에 상온에서 발생하는 것이며, 보통 고온 균열과는 다르게 균열부위가 산화되지 않은 모습을 보인다. 균열이 완전히 전파되어 나타나는 경우가 많으므로 발견이 상대적으로 용이하며, 인장응력이 걸리는 부분에 발생한다. 

 

   4) 냉간 균열 방지 대책

      ⓐ 주물의 두께를 균일하도록 설계하거나 압탕, 탕구, 냉금의 배치를 적절히 하여 균일한 냉각이 되도록 한다.

      ⓑ 주형에 첨가제 등을 배합하여 수축성을 준다.

      ⓒ 주물의 후처리시 충격을 주지 않는다.

      ⓓ 냉간 균열의 우려가 심한 주물은 상온까지 냉각시키지 말고 재 가열하여 응력완화 및 인성 부여 조치를 취한다. 

 

5. 개재물 (Inclusion)

 

   1) 정의 : 용해, 용탕의 래들(Ladle) 이송, 용탕 주입 중 모래입자, 금속산화물 등이 용탕 내로 혼입되어 제품부에 남아 발생하는 결함을 말하며, 부적절한 공정별 원인에 따라 개재물의 종류는 다르다. 개재물은 제품 표면 및 내부에서 모두 발견될 수 있으며 슬래그와 같은 비금속물질이 흔하다. 비금속 개재물은 종종 기공과 연관되어 나타나며, 상형이나 중자부근에서 자주 발견된다. 모래입자 개재물도 상형 표면부에서 주로 관찰되며 기계가공 후에 발견되는 경우가 많다. 때로는 불규칙한 형태의 검은 점이 발생하기도 하는데 이럴 경우 제품의 기계적 성질은 크게 저하되며, 용탕 산화물이다. 

 

   2) 방지 대책

      ⓐ 용탕 운반시 슬래그 처리를 완벽히 한다.

      ⓑ 용탕주입시 비금속 이물질의 주입을 막기 위해 필터를 사용한다.

      ⓒ 레들의 선정을 유의하여 개재물의 침입을 방지한다.

      ⓓ 탕구 방안의 개선을 통해 주물사의 혼입을 막는다.

      ⓔ 주물사에 점결제의 첨가량을 증가시킨다. 

      ⓕ 모래를 균일하게 다지고 주형을 조심스럽게 취급한다.

      ⓖ 모형 표면에 결함이 없어야 하며 적당한 원형빼기 기울기를 붙여야 한다.