주형 일반 개론6 (주조방안 : 탕구계)

1. 주조방안 : 주조 방안이란 주물을 제작할 때 고려해야할 여러 사항, 즉 주형용 금속의 성질, 원형 및 주형의 종류, 조형 방법, 주입 온도 및 속도, 응고 조건 등에 대해 계획을 세우고 주조 방법을 결정하는 것을 말한다. 

 

2. 탕구계 (Pour System) : 탕구계는 주형 중의 빈자리에 용탕을 채우는데 필요한 통로로써 탕구, 탕도, 주입구를 총칭한다. 주입 속도, 주입구의 크기와 수 및 위치, 탕도와 탕구의 크기와 형식, 레이들 및 주입컵과 같은 주입 설비 형상, 용탕의 온도 등이 최적의 조건을 가져야 한다.

 

   1) 주입 컵 (Pouring cup) : 주입컵은 레이들로부터 용탕을 처음 받아들여 탕구에 인도하는 부분으로 용탕의 소용돌이에 의한 난류를 방지하여 조용히 흘러들어가도록 하는 역할을 한다. 용탕을 바로 탕구에 주입하지 않고 주입 컵에 일단 고이게 한 다음 슬래그나 불순물을 제거할 수 있게 한 것을 탕류라고 한다. 탕류는 일반적으로 주형과는 별도로 만들어 탕구 부분에 올려 놓는 것이 보통이며 이를 러너 박스라고도 한다. 불순물이나 슬래그가 없는 깨끗한 용탕을 조용히 주입하려면 스키머나 스트레이너를 사용하기도 한다. 

 

   2) 탕구와 탕구저 : 일반적으로 탕구는 주입컵에 아래쪽으로 수직하도록 위치하여 용탕이 주형으로 흘러들어가는 첫 통로로서, 난류를 막기 위해 단면은 원형으로 하고 공기 흡입을 막기위해 아래로 갈수록 좁아지는 기울기로 만든다. 탕구는 주형 안에 있는 용탕에 정압을 가하는 역할도 하므로 탕구의 지름과 높이는 주입할 금속의 무게 및 유동성과 주물의 모양, 두께, 사용목적에 따라 결정되어야 한다. 탕구바닥은 탕구의 가장 아래쪽에 만든 반원형의 오목부로서 용탕의 흐름을 수평 방향인 탕도로 조용히 이동시키는 역할을 하는 부분으로, 탕구에서 용탕이 수직낙하 할때 튀어 오르는 현상과 소용돌이 현상을 최소화할 수 있는 모양과 크기로 만들어야 한다. 

탕구와 탕구저

   3) 탕도와 탕도 끝 : 탕구로부터 주형에 주입되는 입구(주입구)까지 용탕을 보내는 수평 부분을 탕도라고 한다. 탕도는 주입되는 용탕 속에 섞인 불순물이나 슬래그를 최종적으로 걸러주어 깨끗한 용탕이 주입구를 통해 조용하고 빠르게 주형 안에 충전되도록 하는 역할을 한다. 주입 컵이나 탕구바닥에서도 제거되지 않은 슬래그와 불순물을 제거하기 위해 아래처럼 여러가지 형태의 탕도를 만들기도 한다. 

탕도의 형태

   4) 주입구 : 탕도에서 용탕이 주형에 들어가는 곳을 주입구라 한다. 주입할 때 용탕이 주형에 부딪쳐 역류 등이 일어나지 않고 주형 안에 들어있는 공기와 가스가 잘 빠져나가게 하여 주형의 구석구석까지 잘 채워지게 한다. 따라서 주입구의 크기, 위치, 방향, 개수 등을 알맞게 계획해야 한다. 또한 주입 후 주물 각부의 냉각이 고르고 균열이나 수축 등의 결함이 발생하지 않도록 해야 한다. 일반적으로 주입구의 위치는 가공부나 두꺼운 부분을 피하고 제일 아래쪽의 얇은 부분에 두는 것이 보통이며 안전하다. 또 한곳에만 세우면 용탕의 압력이 너무 커져, 주형이 파괴되거나 주입구 부근이 과열되므로 2개 이상을 설치할 때도 있다. 또한 모든 주입구에 같은 정도의 용탕이 주형에 들어갈 수 있도록 각 부분의 크기를 정해야 한다. 

 

      ⓐ 직접 주입구 : 주형의 제품 부분에 직접 주입구를 만드는 것으로 주입 컵에서 바로 주입하게 되므로 도중에 냉각되는 일이 없고 주입 후 아래쪽에서 위쪽으로 점차 응고하게 되므로 이상적이지만 용탕이 낙하할 때 압력에 의하여 주형이 파손되기 쉽고 슬래그 등이 떠오르는 것을 방해하는 수가 있다. 

      ⓑ 샤워 주입구 : 직접 주입구에서는 불순물 제거가 어려워 주입 컵을 크게 하고 주입구 부분을 가늘게 그 수를 많이 한 것이다. 이것은 직접 주입구에서 주형이 파손될 염려가 있을 때 방지하는 방법으로 효과적이다. 

      ⓒ 휠 주입구 : 입구가 옆으로 비스듬히 되어 있는 휠 주입구는 원형주물이나 원형에 가까운 형상의 주물에 용탕을 주입할 때 사용되며 코어 또는 주형 표면에 용탕이 충돌되어 파손 및 과열되지 않고 주형의 접선방향으로 된 주입구로써 전체 원둘레 많은 주입구를설치하기도 한다. 

      ⓓ 나이프 주입구 : 지느러미가 얇고 폭이 넓은 탕도에 붙인 주입구를 나이프 주입구라 하며 주로 제품의 두께가 얇을 때 사용한다.

      ⓔ 랩 주입구 : 탕도와 게이트를 굵게 하여 제품에 직접 얹히게 배치하여 압탕의 작용과 겸한 것을 랩 주입구라 한다.

 

※ 주입구 선택시 주의할 점

   - 탕도까지 깨끗하게 된 용탕을 빨리 주입할 수 있을 것

   - 용탕은 주형의 구석구석까지 잘 흐르게 할 수 있을 것

   - 주형에 들어간 용탕은 길게 흘러가지 않게 할 것

   - 주형이 파손되지 않게 할 것

 

   5) 플로우 오프 (Flow off) : 쇳물이 주형에 다 채워졌는지 확인하는 역할을 하며, 주형 속의 가스를 빼거나 용탕 속의 슬래그나 모래 알갱이 등의 불순물을 주형 밖으로 내보내는 역할을 한다. 

 

   6) 가스빼기 : 용탕이 주물사에 접촉하며 주물사 중의 수분과 유기물에 의해 가스가 발생한다. 발생된 가스가 주형에 남아 있으면 주물 내부에 기포가 발생되어 불량의 원인이 된다. 이러한 가스를 주형 밖으로 배출시키기 위해 상형 주형에 플로우 오프보다 지름이 작은 사이즈로 가스 빼기를 만들어 준다. 

 

3. 탕구계 주입 방식 

 

   1) 직접 주입식 탕구 : 용탕이 주입 컵에서 제품으로 직하되는 방식으로 단순한 모양의 주형에 적용된다. 장점은 온도구배가 순조롭고 탕구계가 압탕을 겸하는 경우 회수율이 높다. 단점은 주입속도를 조절하기 어려우며, 용탕의 낙하에 의한 주형의 파손과 가스 및 불순물 혼입을 막기 어렵다. 

 

   2) 상주식 탕구 : 탕도와 게이트가 주물의 상부에 설치된 것으로 조형 작업이 쉬워서 많이 사용하는 방식이다. 장점은 온도구배가 순조롭고 회수율이 높으며, 단점은 용탕의 낙하로 인한 소용돌이가 발생하기 쉽고, 주형이 침식되거나 붕괴할 수 있다. 

 

   3) 하주식 탕구 : 탕도와 게이트가 주물의 하부에 설치된 것으로 용탕의 충전이 조용히 이루어진다. 장점은 주형의 침식이나 난류의 발생이 적으며, 단점은 조형작업이 어렵고 온도구배가 역으로 되어 압탕의 효과가 감소된다는 점이다. 

 

   4) 분할선 탕구 : 주형의 분할선 상에 탕도와 게이트를 설치하는 것으로 상주식과 하주식을 절충한 가장 일반적인 방식이다. 이 방식은 용탕의 흐름보다는 탕도와 주입구를 조형하기 쉽다는 점에서 사용하는 경우가 많으며, 난류를 방지하기 위해서는 용탕의 주입속도를 느리게 하여 주형벽을 따라 낙하하도록 설계하면 효과적이다. 장점은 조형작업이 쉽고, 단점은 하형의 경우 주형이 깊으면 소용돌이와 난류가 발생할 수 있다. 

 

   5) 압탕 겸용 탕구 : 탕도의 중간에 측면 압탕을 설치하여 하주식의 단점인 온도구배의 불량을 개선할 수 있는 방식이다. 장점은 하주식과 같이 용탕의 흐름이 양호하다. 

 

4. 탕구계 설계 

 

   1) 탕구계 설계시 중요인자

 

      ⓐ 슬래그, 협잡물 이외의 불순물 혼입

      ⓑ 주물의 거친 표면 발생

      ⓒ 혼입되어 갇힌 가스로인한 기포 발생

      ⓓ 과도하게 산화된 가스로 인한 주물 표면 산화

      ⓔ 국부적 수축공 발생

      ⓕ 내부에 분포하는 기공 발생

      ⓖ 두 흐름이 만나는 곳에서 용탕의 불완전 접합

      ⓗ 미리 응고되어 남아 있는 금속입자 발생

      ⓘ 주형이 덜 채워짐

      ⓙ 사형 또는 코어에 대한 용탕의 침식 작용

 

   2) 주입컵과 탕류

      (1) 주입컵과 탕류의 역할 

         ⓐ 레이들을 조작할 때 필요한 유입 속도로 유지하게 해준다.

         ⓑ 탕구 입구에 있어서 난류와 와류의 발생을 감소시켜 준다. 

         ⓒ 용탕이 탕도에 들어가기 전에 불순물이나 슬래그를 분리해서 부상시키는 목적으로 사용된다.

 

    3) 탕구와 탕도 연결부의 형상

      (1) 유선형으로 설계를 해야하는 이유 

         ⓐ 각지게 설계할 경우, 난류 및 공기가 흡입되어 용탕이 불량하다.

         ⓑ 유선형으로 하면 유속을 대폭적으로 증가시키고, 난류를 줄이고 가스 혼입을 막는다.

      (2) 용탕의 난류에 미치는 탕구설계의 영향 : 기울기 없이 수직식 탕구를 사용할 경우 난류가 발생하고 아래로 내려갈수록 용탕의 속도가 증가하기 때문에 공기의 혼입이 일어난다. 공기혼입을 최소화하기 위해서는 수직식 탕구를 유선형 탕구로 해주고 탕구저를 만들어 주면 용탕의 유속도 빠르지 않게 되고, 용탕의 운동 에너지를 흡수하여 공기혼입을 최소화로 줄이면 공기 혼입 방지에 효과가 있다. 

 

   4) 탕구비 : 탕구비란 탕구, 탕도, 주입구의 총단면적의 비를 말하는 것으로 보통 탕구 단면적의 넓이, 전 탕도 단면적의 넓이, 전 주입구의 단면적의 넓이로 표시한다. 탕구비는 주조방안을 설계할 때 매우 중요한 값이다. 

      (1) 가압식 탕구계 : 탕구>탕도,주입구 형태의 탕구계로 주철에 많이 쓰이는 1:0.75:0.5 또는 1:2:1 등의 탕구비가 이에 속한다. 주입구의 면적이 탕구의 면적보다 작기 때문에 용탕의 흐름이 제한되고 따라서 주입구에 압력이 걸리게 된다. 압력 주입식은 탕구계에 용탕이 항상 충만되어 있고, 주입구에 걸리는 배압 때문에 용탕이 주형 벽에서 분리되지 않으므로 공기가 혼입될 가능성이 작으며, 여러 개의 주입구를 만들 경우 주입구의 크기가 같다면 모든 주입구에서의 용탕 속도는 거의 동일하게 된다. 한편 가압 탕구계에서는 용탕의 유속이 비교적 크기 때문에 탕도와 주입구의 단면 형상이 유선형이 아니면 연결부나 패인 부분에서 상당한 난류가 생기며 공기의 혼입, 불순물의 발생, 주형의 침식 등을 일으킬 가능성이 있다. 

 

      (2) 비가압식 탕구계 : 탕구<탕도,주입구 형태의 탕구계로 가압 탕구계에 비해 용탕의 속도가 훨씬 작기 때문에 낮은 유속에서도 충분한 유량을 갖도록 설계된다면 난류의 영향은 줄어든다. 탕구는 거의 압력을 주지 못하므로 부적당하게 설계된 탕구나 탕도는 용탕이 완전히 충만되지 않으며 충만된다 하더라도 분리효과가 쉽게 일어난다. 상형에 탕구를, 하형에 탕도를 설치하면 완전 충만을 유지하는 데에는 도움이 되지만 유선형으로 하는 것이 용탕의 분리와 공기의 혼입을 막아주는 최선의 방법이다. 

 

   5) 주입 온도 및 주입 시간

      (1) 주입 온도 : 주입 온도가 용탕의 유동성에 미치는 영향은 크며 주물의 모양 및 두께에 따라 주입 온도를 조절할 필요가 있다. 주입 온도가 높을 때는 용탕의 가스 흡수가 심하므로 기포의 원인이 되며 수축이 커서 균열을 일으키기 쉽다. 주입 온도가 낮을 때는 충분한 용탕의 보급이 이루어지기 전에 응고가 되어 불량의 원인이 되고 유동성도 나쁘므로 용탕의 흐름이 나쁘다. 

      (2) 주입 시간 (주입속도) : 주형에 용탕을 주입할 때 걸리는 시간이며, 초(sec)로 표시한다. 모양이 복잡하고 엷은 두께인 주물의 경우는 압탕을 크게 하여 주입 속도를 빠르게 하고, 모양이 간단하고 두꺼운 주물의 경우는 주입 시간을 길게한다.