주물기술/ 현대주조학(II)
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
현대주조학(II)
1.머리말
근년, 주물의 응고과정에 있어서 주물을 도식상으로 소편분할해서 열이동기초식을 적용, 컴 퓨터해석을 행하고, 주물의 최종 응고부를 보기시작함에 따라 인소의 발생위치를 알고 유효 한 주조방안을 제작하는 시험이 행해지고 있다. 그러나 인소의 크기의 정량적인 문제가 중 요하며 이것을 해결하려면 지금 명확하지 않은 물리화학적 요인의 대다수가 존재하고 있다 고 생각된다.

필자는 주철용탕의 탕면모양의 연구에 종사해온 견지에서 탕면모양은 주철용탕의 성상을 액체상태로 나타내는 것임과 동시에 그1차, 2차 및 3차탕면 모양의 전부가 응고종료한 후의 주철표면의 산화피막이 인소생성의 요인으로되어 중요한 역할을 다하고 있다고 생각된다.

2. 소의 생성요인
소의 생성요인은 대국적으로 다음의 3개로 분류할 수가 있다고 생각된다.
제1로는 주철용 탕의 고온에서의 냉각과정에 있어서 용탕의 체적수축과 함께 수정응고시의 체적팽창과의 차 에 따라서 생기는 수축에 의한 것,
제2로는 주철용탕중에 존재하는 산화물의 탄소에 의한 환원에 의해 생성되는 CO가스, 및 용탕중에 함유되는 가스에 의한 것,
제 3으로는 주철용탕 과 주형과의 반응에 따라서 생성하는 가스에 의한 것,
제1의 요인은 종래부터 널리 제창되 어 온 것이며, 제2, 제3의 요인은 주철용탕에서 방출되는 가스에 관한 것이며 이것이 주형공 동부를 충전하는 주철용탕 표면에 생성되는 산화피막에 의해서 어떠한 영향을 받는가를 접 하기로 한다. 또 주철용탕에 의한 주형벽의 이동에 의한 현상에 대해서는 순물리적인 문제 로써 여기서는 접하지 않고 용탕중의 가스에 대해서는 나중에 상세히 서술하겠다.

3. 2차탕면모양시간과 용탕중의 가스방출시간
주철용탕의 표면이 고온에서의 냉각과정엣 있어서 (1)식의 반응의 평균온도에 달했을 때 고상의 SiO₂가 생성된다.
+ 2[C] ↔ [Si] + 2(CO).....................(1)
< > 고상, [ ] 액상, ( ) 기상
평균온도 도달이전에 용탕표면에 액사응로 존재하고 있던 FeO는 그 융점1380℃이하에서 고상으로 되고 FeO와 SiO와의 고상간 반응에 의해 2FeO, SiO₂의 유리상 화합물을 생성한 다.
2 + = <2FeO. SiO₂>.................(2)
이때, 용탕에서의 방출에 의해서 용탕표면의 산화막은 셀상으로 분할되어 이동, 합병, 산화, 환원이 반복되다. 이 상태에서는 용탕표면에는 산화막으로 뒤덮이지 않은 개방부가 존재해 방출가스는 용이하게 대기중에 방산할 수 있다고 생각된다. 방출가스의 주체는 CO가스라 생각되며 이것에 관해서는 나중에 상세하게 서술하고자 한다.
2차탕면 모양시간이 길면 긴만틈 용탕은 보다 저온으로 냉각될 때까지 용탕중의 가스를 대 기중에 방출할 수 있는 것이다. 그리고 2차탕면 모양시간이 짧으면 그만큼 보다 고온의 상 화엥서 방출가스의 투과가 어려운 3차탕면 모양막을 생성해 용탕내의 보다 많은 가스를 잔 유시킴과 함께 그 가스압력에서 3차탕면막에 작은 반구상의 부풀기를 생성한다. 즉 (1)식의 평균온도 이하에서 반응은 오른쪽으로 진행되어서 SiO₂를 생성함과 함께 (2)식의 2FeO. SiO₂가 생성되어 이것이 저융점(m.p. 1205℃)에서 유리상으로 되어 반구상의 작은 부풀기 로 된다.
필자는 2차탕면모양시간은 (C% + Si%)에 비례해서 길어지며 용탕중의 전산소에 역비례해 서 짧아지는 것을 보고하고 있다. 일반적으로 CE치가 높은 용탕일수록 인소가 많아지는 사 실과 합치하게 된다.
종래의 인소성과의 이론에 대해서 여기서는 주철이 응고하기 이전에 주형내에서 공동부와 주물모래 가운데의 산소와 수증기에 의해 분위기가 산화성이 되고 그 산화성이 커질수록 주 형내의 용탕표면에 방출가스 곤란한 3차탕면막이 빠르게 생성되고 따라서 인소생성이 확대 되게 된다. 실제로는 신속한 3차탕면막의 생선을 저지하는 주물모래중의 탄소물질의 환원기 능도 생각된다.



4. 주철표면의 산화피막과 주기
2차탕면 모양시간을 측정하는 탕면모양시험편은 CO₂가스주형으로 ø70 x 25mm의 상면 해방형상을 여기서 이용했다. 사진1에 3가지의 대표적 3차탕면모양의 상황과 그 시료의 주 기를 나타낸다. 용탕의 산화피막과 응고표면은 용탕의 조성, 특히 C% ,Si%, S%산화량 등에 따라서 크게 변화하고 그 용탕이력을 나타내고 있다. 사진1의 A는 고주파로의 냉재용해에 의한 FCD용탕이며, B는 Cupola-탈황-저주파로-구성화처리의 각 과정을 거친 FCD용탕이 다. 이들의 산화막, 표면주기의 변화를 응시할 때 3차탕면막 모양이 크게 주물의 응고표면에 도 영향하고 있는 것을 알 수 있다. A와 B를 비교해서 피막면의 점상 부풀기의 상이함은 용해이력의 차이에서라고 생각되며 A와 C는 구상화처리의 유무를 나타낸다고 생각한다.

5. 응고분위기의 산소분압의 변화와 2차탕면 모양시간 <
상면개방탕면모양 시험편주형(110 x 65 x 25mm)의 응고분위기중의 산소분압을 변화시켜 (산소중, 공기중, 질소중) 2차탕면모양시간, 분위기중의 산소분압, 주물의 외관의 비중과의 관계를 측정한 결과를 그림1에 나타낸다.
즉, 산소분압 Po₂가 커질수록 2차탕면 모양시간 이 짧아진다.
따라서 용탕에서의 방출가스는 투과하기 어려운 3차탕면 모양막에 의해서 다 량으로 잔류하게 되고 외관의 비중은 그만큼 작은 값이되는 것을 알 수 있다.
그림1에 있어 서 주처용탕은 2종류 A, B로 나누어서 행하고 있고 A의 3.08%C, 2.16%Si의 경우보다도 외관의 비중의 변화가 크다. 이들의 결과는 상술한대로이다.

6. 3차탕면 모양과 주형내면 주물사와의 반응
탕면모양 시험편의 상면해방부는 3차탕면막으로 덮여있는데 시험편의 측면과 저면에 있어 서도 주물사중의 공기와 수증기의 산화작용을 받아서 FeO를 생성한다. 이 FeO층은 외측은 주물사의 SiO₂와 반응해 상부, 측면, 저면에 걸쳐서 방출가스를 억제한다고 생각된다. 이 방출가스를 억제하는 3차탕면막의 생성을 억제하거나 늦어지게하기 위해서는 기사중으 로 환원작용을 하는 탄소물질을 혼입시키거나 하는 한편, 3차탕면막의 외측의 산소분압을 작게하기위해 통기도가 큰 주물사를 이용해야 할 것이다.

7. 감압 풀몰드법에 있어서 수축소와 주기
감압 풀몰드법에 있어서의 발포폴리스틸렌은 주철용탕의 열에 의해 스틸렌, 메탄, 수소 및 탄소로 열분해하여 완전히 환원분위기를 형성하고 또 용탕표면에 고체탄소로써 잔존한다. 발포 폴리스틸렌의 외면에는 모든 종류의 도형제가 도포되는데 이것도 기본적으로 환원성 분위기를 조장하는 재질이 바람직하다. 게다가 -200~600mmHg감압하에서 응고되므로 Po₂ 는 극히 작고 외관의 비중이 크고 수축소가 작은 주물이 가능할 것이다. 또 본법에 있어서 주기가 Styrol beads가 가는 망눈의 흔적까지 비추어내는 것도 방출가스의 투과와 산화피막 의 존재의 극소로 하게 하는 것이라 생각된다.

8. 끝맺으며
주철용탕의 1차, 2차 및 3차 탕면 모양의 존재에 의해 주철용탕에서 방출되는 가스의 상황, 소의 생성에의 과정, 주기의 생성조건 등을 고찰했다. 게다가 종래부터 주물사에 첨가되는 탄소물질과 주물사의 통기도가 상술한 2차, 3차탕면 모양의 생성에 어떠한 영향을 미치는가, 그리고 주물의 소의 생성에 주철용탕의 응고이전의 단계에 있어서 어떤 기능을 다하고 있는가에 대해서 서술했다.
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