주물기술/ 현대주조학
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
현대주조학
1. 탕면모양출현시간과 주조용탕조성
[1]흑심가단주철의 용탕과의 최초의 만남
40년전 대학의 연구실에서 Fe-O-C계의 반응연구를 하고 있던 중 흑심가단주철의 주물회사 에 방문하였을 때는 완전히 주물의 초보자 이하였다. 흑심가단주철 제조의 중점은 한마디로 말해서 주형에 응고시킨 주물일때는 완전 백철조직으로 깨진면은 새하얗지 않으면 안되고 제1단 및 제2단 흑연화소둔의 후에는 흑연화에 의해 깨진면은 쌔까맣지 않으면 안 된다.
즉, 주입에 백.소둔에 흑으로 극히 명료한 흑백의 양부판별이 되는 것이다. 그래서 용탕의 C%, Si%를 낮게 하면 하얗게 되기 쉽고 높게 하면 검게되기 쉽기 때문이다.
그래서 용탕의 화로앞 관리로써는 주조 시에 백선조직을 유지할 수 있는 한계 내에서의 최대의 Si량을 유 지시킬 필요가 있는 것이다. 이때의 C량은 가단 주철의 재질규격의 유지와 주물의 두께 에 대한 용량의 유동성 확보를 위해 각 생산공정에서 별도로 한정되는 것이다.
당시 내가 있던 공장에서는 Cupola식 전고로의 2중용해방식을 채용하고, 게다가 전열로내 에서는 환원분위기에서의 산성 용제를 사용해서 Cupola에서의 약산화용탕에서 단시간 처리 에의해 항상 정상적인 18-25ppmO를 포함한 용탕을 유지할 수 있도록 하고 있다.
이 화로앞 관리의 출탕결정은 제조의 키포인트이며 성분조정에도 서두르기를 요함에도 불 구하고 백선화의 시험이 행해지고 있었다. 백선화 시험이란 그 생산공장에서 제품의 최대두 께에 준해서 15ø~25ø액 180mm의 환봉을 주입해 응고 후 적열 상태로 주형에서 빼내어 냉각수를 소량씩 묻히면서 상온까지 서서히 식힌 후 깨진면 검사를 행하여 백선화 확인을 행하는 것이다. 현재도 화로 앞에서 CE메타에 의한 C%, Si%만으로는 백선화의 척도를 잴 수 없는 다른 요인으로써 산호함유량이 크게 영향하기 때문이다.
상술한 전고로의 화로내는 환원산성 용해처리에 의해 용탕의 산소량이 일정한 범위내로 제한되어 있는 것이 요건으로 되어있다. 그래서 이들의 화로앞 테스트에 입회해 용탕표면의 탕면모양을 관찰하고 있는 주 에 그림1과 같이 용탕의 C%, Si%로 백선화하는 가단주철에 적정한 용탕의 탕면모양 출현 시간과의 관계를 도출했다. 그림 중의 2.4~2.6%C등의 탄소량의 결정방법은 생략하고 탕면모 양 출현시간의 장단은 용탕의 (C%, Si%)에 비례하는 것은 나중에 서술하겠다. 여기서 탕면모양 출현시간이란 65 X 110 X 25mm의 상면개방주형에 1500℃전후의 용탕을 상면가득히 주탕해서 탕면모양이 출현하고 있는 시간을 측정하는 것이다. 이 경우 4.0~4.5% 수분의 생사형으로 입도지수는 65, 모래중에 탄소물질은 포함않기로 했다. 그림1의 관계의 도입에 따라서 가단주철의 용탕관리에 있어서 극히 유효한 것이 실제로 증 명되었다. 즉, 2.5ton 용량의 이 전고로에서의 출텅에 있어서는 이 탕면 모양 출현시간의 테 스트가 실시되어 20년에 걸쳐서 한번의 어긋남도 생기지 않았다. 그렇지만 이 탕면 모양 출 현시간이 어떻게 해서 (C%, Si%)의 주철조직과 관련이 있는 것일까.
현재의 주조학에서는 관련지을 수가 없는 분야이며 액체구조론을 끈으로 해도 불가, 금속의 고온산화를 노려도 해결을 얻지 못하고 당시는 수직인 절벽을 향해서 등반을 시험하는데 가까운 절망감을 안고 있을 뿐이었는데 일면 2만회에 가까운 탕면로앞 시험의 성공 실적은 주철용탕의 숨겨진 문 에 한결같은 마음을 몰아세워 주었다. 절벽으로부터 한발 한발의 진전은 조금씩 문을 열어주게 되었다. 무엇을 탕면모양이 가르 쳐 주었을까.

[2]저주파로용해에 의한 흑심가단주철용탕에 대하여
Cupola L식 전고로의 흑심가단주철용탕에 대해서 상기와 같이 흑백문제를 중심으로 기술한 것이므로 여기서 Cupola저주파로의 2중용해의 흑심가단주철의 용탕의 경우 탕면모양 출현 시간과 백선화의 문제에 접해두는 편이 설명에 편리하다고 생각한다.
1970년경부터 주철용해의 공해문제와 성인효과의 견지에서 저주파로 용해가 행하여지게되 고 Cupola와 저주파로의 용탕성상의 차이가 거론되어왔다. 여기서 여러 사람들의 연구에 따 르면 Cupola저주파로의 2중 용해에 있어서 Cupola용탕을 저주파로도 계속 유지하면 탕면모 양 출현시간이 감소함과 함께 모틀부가 감소해 백선화가 진행되는 것을 나타내고 있다. 그 림2에 나타냈듯이 흑심가단 주철용탕의 흑백문제에 관해서는 극히 유리한 성상인 것을 알 수 있다.
또 하나 흑심가단 주철용탕의 백선화 조장에 미국에 있어서 반사로 용해가 있다. 이것은 이 미 서술한 것인데 역시 탕면모양과 관련이 있는 것이다. 실제로 탕명 모양은 용탕의 얼굴이 며 주철 용탕의 산화 엣칭작용의 거울로 우리는 무엇을 배울 수 있을까.

2. 탕면모양의 생성과정

다시 본론을 진행하는데 있어서 주철용탕의 탕면모양에 대해 앞서 이야기를 진행하지 않으면 안 된다. "주철용탕의 탕면모양과 용탕의 성상"을 다 쓴 시건에서 고가산 선생에게 교시를 받 은 것이 있다. 그때 전 논문의 상기의 주지에 찬성의 뜻을 얻은 참이지만 단지 탕면 모양 시간을 탕면 모양 출현시간으로 고친 편이 알기 쉬워지는 것이 아닌가라는 것과 유황함유량 과 탕면모양과의 관계는 전망할 수 없는 것을 지적받았다.
후자인 유황의 문제에 대해서는 후일 접하기로 한다.
그래서 한 시기 및 전회, 탕면 모양 출현시간을 채용했지만 용탕의 냉각과정에 있어서 이 탕면 모양의 출현 전에도 이것의 소실 후에도 탕면의 산화막으로써 내용과 외관이 함께 변 화하므로 역시 산화피막의 생성과정부터해서 1차탕면모양, 2차탕면모양, 및 3차탕면 모양으 로 분별해서 해석을 진행해 가려고 생각하고 있다. 이 사고법에 따라서 탕면모양이 출현하 지 않는 경우와 각종 전기로 용탕의 경우도 포괄해서 이야기를 진행하는 것이 가능했던 것 이다.
그래서 탕면 모양의 3종의 분류에 대해서는 이미 서술했지만 새로운 독자를 위해 간략하게 서술하고 다시 2차 탕면 모양 발생시점의 순간을 잡은 그림3에 의해 이들의 관계에 이해를 탐구한다.

[1] 1차탕면모양이란
1400~1600℃부근의 주처용탕표면에 얇은 유막상의 용융상화철층이 생성되어 이것이 표면에 방출되는 가스와 분위기공기의 대류 등에 의해서 파문을 만드는 것을 말한다. 고탄소용탕으 로 될수록 확인하기 어렵다.

[2] 2차탕면모양이란
[FeO] → ............... (1)
[Si] + 2(Co) ↔ + 2...........(2)
< > 고상, [ ] 야상, 〔〕기상
냉각과정에서 FeO의 융점 1380℃로 (1)식은 오른쪽으로 진행한다. (2)식은 불균일계 반응으 로 이 평균온도(반응역전온도라고도 한다)보다 위에서는 왼쪽으로, 아래에서는 오른쪽으로 진행한다. 그래서 1차탕면모양의 용융산화철상이 고상화함과 함께 (2)식의 반응에 따라 고상 의 SiO₂가 생성해 용탕표면에 FeO-SiO₂의 용융산화물상을 생성한다. 이것을 환원성의 용탕방출 가스의 압력과 환원작용에 따라 셀상으로 분할, 합병을 반복해서 귀갑상, 세엽상 등의 모양을 보인다. 이 모양을 생성하기 시작한 시점에서 이것이 소실되는 시점까지를 2차 탕면 모양시간이라고 한다.

[3]3차탕면모양이란
2차탕면모양이 나타나고 있는 면적이 주변부터 차례로 작아지고 마침내는 소실된다. 그후 탕면표면은 용탕에서의 방출가스를 대기 중에 투과시키기 어려운 산화막으로 뒤덮여 작은 반구상의 부푼 곳의 점재가 인정되게되고 시간의 경과와 함께 합병, 이동, 생장을 행하여 모 양을 보인다.

상기의 탕면모양을 그림3에 대해서 검토한다. 이 주철탕면은 3.20%C, 1.15%Si, (2)식의 해 당평균온도는 1360℃로, FeO의 용융점 1380℃에 가깝다. ab, cd, ef 등의 선은 용융산화철상 의 1차탕면모양을 형성하는 것으로 주위의 극히 얇다고 생각되는 산화막 ABCDEF선으로보 아 대류에 의해 모아져서 생성된 것으로 판단된다.
GDH와 ICJK는 용탕에서의 방출가스에 의해 환원, 압력에의해 산화막이 깨어지고 나체에 가까운 용탕 표면이 관찰된다. 더욱이 이 부분의 3각상의 선단부는 (예를들면 CD 부문)방출 가스의 투과하기 쉬운 양상을 나타내고 있다. EF에 대해서 LM, PQ, VW로 점차로 산화막 이 단계적으로 두께를 늘려서 ABCDEF내부의 면적이 소실될 때에 (2)식에 의해 용면에 SiO₂를 이어서 FeO- SiO₂의 유리상융체를 형성하는 3차온면 모양을 보이게 된다. 이들의 산화피막을 통해서 주철용탕에서 방출되는 가스의 실태를 다음회부터 추적하기로 한다.
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