본문내용
1. 주조 기술 동향
1.1. 주조
1.1.1. 기술 및 공정 설명
주조는 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣고 굳혀서 원하는 모양을 만드는 방법으로, 금속재료를 로 안에 장입하고 녹여서 섞일 수 있는 상태로 만든 후, 거푸집과 같은 주형 속에 주입해 응고시킴으로써 소정의 형태로 만드는 기술이다. 이와 같은 일련의 공정으로 얻어진 제품을 주물 또는 주조품이라고 하며, 주물을 제조하기 위하여 필요한 공정은 주물품의 설계, 주조 방안의 작성, 모형의 제작, 용해 및 주입, 후처리 순서로 진행된다.
주형은 모래, 금속, 세라믹 등을 재료로 사용하며, 제품의 제조 물량, 요구되는 치수정밀도, 제품의 형상 등을 고려하여 주형 재료를 선정한다. 용융금속이 응고가 완료되면 모형과 동일한 형상의 금속 물체가 되며, 가장 일반적인 주형은 모래를 주재료로 점결제로써 벤토나이트 또는 유기바인더를 이용한다.
주조품의 특징은 형상의 제약이 거의 없고, 작은 것부터 큰 제품까지 모양과 무게에 관계없이 만들 수 있으며, 모든 합금의 주조가 가능하므로 이용할 수 있는 금속이나 합금의 사용에 제한이 적고, 대량 생산을 할 수 있어 경제성이 높다. 또한 내식성, 강도 등 주물의 특성을 향상시키기 위한 합금원소의 첨가가 주조공정중에 이루어진다.
주물의 제조공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 복합적으로 제품 품질에 영향을 미치므로, 기술자들은 상호협력하여 종합적인 연구와 검토를 하여야 한다. 주물 제품을 생산하고자 할 경우는 제품의 품질뿐만 아니라 후속 공정 후의 특성 변화가 검토되어야 하고, 생산속도가 빠르고 정확하며 제조 원가에 있어서 수요자의 요구를 만족시키는 주조 방안을 결정해야 한다.
1.1.2. 주조품의 특징
주조품의 특징은 다음과 같다.
주조는 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣고 굳혀서 원하는 모양을 만드는 방법으로, 이를 통해 얻어진 제품을 주물 또는 주조품이라고 한다. 주조품은 크게 주형을 이용하여 최종제품과 거의 같은 형상으로 제조함으로서 2차 가공을 하지 않고 사용하는 것과 압연이나 압출 등의 2차 가공이 필요한 주괴(Ingot)의 형태로 사용되는 것으로 분류된다.
주조기술의 특징으로는 첫째, 형상의 제약이 거의 없어 작은 것부터 큰 제품까지 모양과 무게에 관계없이 만들 수 있다. 둘째, 모든 합금의 주조가 가능하므로 이용할 수 있는 금속이나 합금의 사용에 제한이 적다. 셋째, 대량 생산을 할 수 있어 경제성이 높다. 넷째, 내식성, 강도 등 주물의 특성을 향상시키기 위한 합금원소의 첨가가 주조공정 중에 이루어진다. 다섯째, Ingot 주조공정 중에 발생한 결함은 압연재나 압출재의 최종품질에도 큰 영향을 준다.
이와 같이 주조품은 형상, 합금의 사용, 대량생산, 합금원소 첨가, 결함 등의 특징을 갖는다.
1.1.3. 주물의 제조공정
주물의 제조공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 복합적으로 제품 품질에 영향을 미치므로, 기술자들은 상호협력하여 종합적인 연구와 검토를 하여야 한다"" 어떤 제품을 생산하고자 할 경우는 제품의 품질뿐만 아니라 후속 공정 후의 특성 변화가 검토되어야 하고, 생산속도가 빠르고 정확하며 제조 원가에 있어서 수요자의 요구를 만족시키는 주조 방안을 결정해야 한다"" 주물의 제조공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 복합적으로 제품 품질에 영향을 미치므로, 기술자들은 상호협력하여 종합적인 연구와 검토를 해야 한다"" 주물 설계, 주조 방안의 작성, 모형의 제작, 용해 및 주입, 후처리 순서로 주물을 제조하며, 각 공정에서 적절한 관리가 필요하다""
1.1.4. 재질에 의한 분류 및 특성
철주물 재질에 따른 분류 및 특성은 다음과 같다.
철주물은 철(Fe)이 주재료인 주물로, 철주물에서 탄소 함량이 2% 미만인 것을 강주물이라 하며 탄소 함량이 2% 이상인 것을 주철 주물이라 한다. 강주물은 철과 탄소의 합금강으로 만든 주물이며, 탄소강주물과 합금강주물로 구분된다. 탄소강주물은 철과 탄소의 합금강으로 만든 주물이고, 합금강주물은 철에 탄소 뿐만 아니라 니켈, 망간, 텅스텐, 바나듐 등의 다른 원소를 첨가한 주물이다.
주철 주물은 철주물에서 탄소 함량이 2% 이상인 주물로, 흑연의 형태에 따라 회주철주물, 구상흑연주철주물, 백주철주물, 가단주철주물, CGI(Compacted Graphite Iron), ADI(Austempered Ductile Iron) 등으로 구분된다. 회주철주물은 흑연의 형태가 편상인 주철 주물이고, 구상흑연주철주물은 흑연의 형태가 구상인 주철 주물이다. 백주철주물은 탄소가 탄화물의 형태로 존재하는 주철 주물이며, 가단주철주물은 주철을 열처리하여 신율을 높인 주철 주물이다. CGI는 흑연이 괴상으로 존재하는 주철 주물이고, ADI는 구상흑연주철을 오스템퍼링 처리한 주물이다.
비철주물은 철(Fe) 이외의 금속이 주재료인 주물로, 경량합금 주물(Al 합금 주물, Mg 합금 주물, Ti 합금 주물), 구리합금 주물(황동, 청동), 기타 주물(납, 아연, 주석 합금 주물) 등으로 분류된다.
이처럼 주조품의 재질에 따라 다양한 특성을 가지고 있으며, 각각의 용도와 분야에서 활용되고 있다.
1.1.5. 주형에 의한 분류 및 특성
주형에 의한 분류 및 특성은 다음과 같다""
각 주형은 생산 수량, 제품의 크기, 기본설비의 유무, 경제성 등에 따라 장·단점이 있으며 조형 공정은 많은 경험과 숙련을 요하며 주조 공정 중에 많은 시간이 소요된다. 또한 조형비와 조형시간이 생산 원가에 가장 큰 영향을 미치므로 조형기를 사용하여 인력과 시간을 절감하는 추세이다.
주형의 종류에 따라 사형주조, 금형주조, 특수주조로 구분할 수 있다""
사형주조는 모래와 점결제를 사용하여 만든 주형에 용융 금속을 주입하여 제품을 얻는 방법으로, 가장 일반적으로 적용되는 주조공법이다""
금형주조는 주형 재질을 금형으로 제작하여 2개의 파트로 구성하고 금형 개폐가 용이하며, 주로 알루미늄합금, 마그네슘합금, 동합금 등에 적용된다""
특수주조에는 원심주조, 연속주조, 정밀주조 등이 있으며, 주조가 이루어지는 분위기(대기, 감압, 가압 분위기)에 따라 구분된다""
이러한 주형의 종류별로 생산 수량, 제품의 크기, 기본설비의 유무, 경제성 등에 따라 각각의 장단점이 있어 용도에 맞는 주형을 선택하는 것이 중요하다""
1.1.6. 기술별 공정 설명
주조 기술은 각 기술별로 다양한 공정을 거쳐 제품을 생산하게 된다. 먼저 사형주조의 경우 원하는 모양의 제품을 얻기 위하여 모래(주물사)와 점결제를 사용하여 만든 소정의 공간(주형공간)에 용융 금속(또는 용탕)을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법이다. 사형주조 제조 공정은 매우 복잡하여 많은 인자들이 공정에 영향을 미치므로 주조공정에 따라 기술자 간의 협력과 종합적인 연구 및 검토가 필요하다. 주물 설계, 모형 제작, 주형 제작, 장입재, 용해 및 용탕처리, 용탕 분석, 용탕 이송·주입, 후처리, 사처리, 제품검사 등의 공정을 거치게 된다.
다음으로 금형주조는 금형을 재질로 제작하며, 2개의 파트로 금형을 제작하여 금형 개폐가 용이하도록 한다. 금형의 재질은 주로 주철이나 특수강으로 제작되어 주조품의 표면이 미려하다. 금형주조에는 저압주조, 다이캐스팅, 중력 금형주조 방식 등이 있다. 저압주조는 용탕을 유도관으로 통과시켜 금형 내부로 밀어 올려 충전시킨 후 응고 시 가압하는 방식이며, 다이캐스팅은 고압을 이용하여 용탕을 고속으로 금형에 충전시키는 방식이다. 중력 금형주조는 중력에 의해 용탕을 주입하는 방식이다. 금형주조의 핵심공정은 제품 검토, 금형설계 및 주조, 후가공 및 검사 순서로 진행된다.
또한 특수주조에는 원심주조, 연속주조, 정밀주조 등의 기술이 있다. 원심주조는 임의의 한 축을 중심으로 주형을 회전시키면서 용융 금속을 주입하여 원심력을 이용하는 방법이다. 연속주조는 용탕을 직접 압연에 들어가는 반제품 상태의 빌렛, 블룸, 슬래브 등을 연속적으로 주조하는 방법이다. 정밀주조는 1회 소모성 패턴(모형)과 1회 소모성 주형을 사용하여 가공이 어려운 정교한 형태의 금속부품을 높은 치수 정밀도로 제조하는 기술로, 셸몰드 주조법과 인베스트먼트 주조법 등이 있다.
종합하면, 주조 기술은 각 공정별로 소요되는 인력, 장비, 시간, 비용 등이 다르며, 제품의 특성에 맞는 최적의 주조 방식을 선택하여 공정을 진행하게 된다. 이를 통해 고품질의 주조품을 생산하고자 하는 것이 주조 기술의 목적이라 할 수 있다.
1.2. 기술 동향
유럽, 일본 등 선진국에서는 주물에 대한 조형, 분석 등의 공정의 고효율화, 청정화, 고품질화, 고부가가치화를 위한 연구개발이 활발히 진행 중이다. 중국, 미국 주물 업체의 경우, 주조시 분진이 많이 발생하며 재사용률이 현저히 떨어지는 천연주물사 대신 인공주물사를 사용하여 환경 개선 및 원가절감을 실현하고 있다. 일본 산쿄의 경우, 주조시 다량의 CO2, VOCs (Volatile Organic Compounds), 악취 등을 발생시키는 유기바인더 대신 물을 사용하는 동결주형주조법을 개발하여 생산 원가절감 및 작업 환경을 개선한 바 있다. 국내에서 사용되고 있는 인조주물사는 100% 전량 수입에 의존하고 있는 실정이므로 주물사 및 그에 적합한 바인더를 국산화하여 4차 산업에 대비한 주조산업 혁신 및 고도화를 할 필요가 있다. 최근 선진국을 중심으로 연비규제로 인한 자동차 경량화소재의 수요 증가와 더불어 중국 등 개발도상국의 ...
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