Kalpakjian 기계공작법 Ch.10 문제 풀이(주조일반)

10.5 짧은 냉각범위와 긴 냉각범위에 의 차이점에 대해 설명하라. 어떻게 결정이 되며 왜 중요한가?

 

냉각범위는 온도의 차이로 정의된다. 냉각범위는 머쉬 영역의 형성과 크기에 영향을 주어 주조와 관련된 구조적 성질에 영향을 준다.

 

10.12 주조품에서 발생하는 열간 찢어짐의 이유를 설명하라.

 

열간 찢어짐은 주형이나 코어가 충분한 붕괴성이 없거나 수축시 생기는 압력 하에서 움직임을 제한할 때 생기는 인장응력으로 발생한다.

 

10.19 주조 공정 중 금속의 수축이 관련된 단계에 관하여 기술하라.

 

금속은 다음과 같이 수축한다.

(a)  액상에서 과열 온도부터 응고 온도까지의 열수축

(b)  응고수축

(c)  고상에서 응고 온도부터 상온까지의 열수축

 

10.20 주조 공정 중 주형 재료가 용융 금속 유동 및 열전달에 미치는 영향을 설명하라.

 

가장 중요한 인자는 주형재질의 열전도율이다. 전도율이 높을수록 열전달이 높고 금속이 응고하는 경향이 커진다. 따라서 용융금속의 자유유동을 방해할 수 있다. 또한 주형과 접촉하는 주물 표면의 냉각속도가 높을수록 주물의 결정립 크기가 작아지고 그에 따라 강도가 더 커진다. 주형 재료에 따라서 주물의 표면 상태가 달라질 수도 있다. 예를들어, 사형주형의 표면은 거칠기와 거칠기 방향을 조절할 수 있는 금속주형보다 더 거칠 수 있다.

 

10.21 용융금속을 주형에 빠르게 주입할 때 단점이 있다고 알려져 있다. 용융 금속을 주형에 아주 느리게 주입할 때에도 단점이 있는가?

 

용융금속을 느리게 주입할 때도 단점이 있다. 주형을 채우는데 추가적인 시간이 필요한데다, 용융금속이 주형을 다 채우기 전에 탕구계에서 부분적으로 응고될 수 있어서 불완전주조를 야기할 수 있다. 이는 인베스트먼트 주조에서 매우 지양되는 것이다.

 

10.23 주조품 내부에 잔류하는 내부 냉각쇠 부분의 영향에 관하여 기술하라.

 

주조품 내부에 냉각쇠가 잔류하기 때문에 그것을 주물 설계의 한 부분으로 고려해야 한다. 다음과 같은 요인들이 중요하다.

(a)  냉각쇠의 재질은 주조되는 금속과 호환되는 재질로 만들어야 한다. (거의 비슷한 조성일 것)

(b)  냉각쇠는 표면에 윤활유나 코팅이 없이 청결해야 한다. 왜냐하면 용융금속과 냉각쇠가 접했을 때 발생되는 가스가 쉽게 방출되기 어렵기 때문이다.

(c)  냉각쇠는 주물과 융합되면 안된다. 융합되는 부분은 취약하거나 응력집중원이 된다.

위와 조건 하에서 내부 냉각쇠를 설치하여 주조한다면 큰 문제 없이 주조할 수 있다.

 

10.27 왜 주조품은 다양한 열처리가 필요한지 설명하시오.

 

주조로 만든 구조에서 결정립의 형태는 상업적인 용도에 바람직하지 않다. 즉, 담금질이나 템퍼링 같은 열처리를 주조품의 결정립 구조를 최적화하기 위해 수행해야 한다. 이러한 과정으로 기계적 성질이 조절되고 강화될 수 있다.

 

 

 

10.29 왜 기공이 주조품의 기계적 성질에 유해한 영향을 주는가? 주조품의 열전도도 및 전기전도도와 같은 물리적인 성질도 기공에 의해 유해한 영향을 받는가? 설명하라.

 

기공은 내부적인 불연속점이며 균열과 균열전파가 되기 쉽다. 즉, 재료의 인성이 기공에 의해 감소한다. 게다가 인장 하에서 금속 내부의 기공은 기공 주위의 금속들이 기공이 없을 때보다 더 큰 하중을 받는다. 이에따라 강도 또한 감소한다. 열전도율과 전기전도율에 관련해서는, 기공의 열전도율과 전기전도율이 매우 낮기 때문에 기공이 있으면 열전도율과 전기전도율 또한 감소한다.

 

10.30 바퀴살(spoke) 모양을 가진 수동 핸들은 회주철을 사용한 주조 공정으로 제작된다. 바퀴살 부품의 열간 찢어짐(hot tearing)을 방지하기 위해 바퀴살을 단열할 것인가 아니면 냉각할 것인가? 설명하라.

 

회주철은 응고할 때 2.5% 정도 부피가 팽창한다. 물론 이 사실이 열간 찢어짐이 생기지 않을 수 있을거라고 할 수 있지만 주철이 응고 후 냉각할 때에도 고려를 해야한다. 열간 찢어짐은 재료의 강도가 증가할수록 감소하는 경향이 있기 때문에 바퀴살을 냉각하여 강도를 증가시키는 것이 바람직할 것이다.

 

10.31 다음 중 라이저가 제대로 기능하기 위해 가장 중요한 고려사항은 무엇인지 설명하라. (a) 주조될 부품보다 큰 표면적, (b) 대기 압력에의 노출 유지, (c) 우선적 응고

 

(a) 와 (c) 둘은 라이저의 목적에 반하는 상황에서 나타나는 것들이다. 즉, 라이저가 우선적으로 응고되면 주형 공동부를 채울 수 없을 것이다. 하지만 (b)의 경우에는 개방 라이저가 폐쇄 라이저에 비해만 장점이 있는 것이다. 개방 라이저가 우선적 응고의 위험성이 있는 것을 고려하면 라이저가 적절히 기능을 하도록 적정 크기를 가져야 한다. 하지만 라이저가 제대로 설계되어 응고 수축에 보충분을 제공하는 역할을 한다면, 개방 라이저는 용탕 시 배출가스를 주형에서 배출할 수 있도록 도와주어 그와 관련한 결함을 제거할 수 있다. 대기와 접하지 않는 이른바 블라인드 라이저는 에어포켓을 유발할 수 있어서 금속에의 공기의 용해도를 높여서 이에 관련한 주물 결함을 발생시킨다. 이러한 이유로 라이저의 크기와 위치는 주형 설계에 있어서 가장 어려운 문제 중에 하나이다.

 

10.32 식(10.7)에 주어진 일정 계수 C가 주형 재료, 금속 성질 및 온도에 의존하는 이유를 설명하라.

 

크보리노프식의 계수 C는 주형 재료의 열전도율과 외기 온도와 같이 여러가지 요인에 관련된다. 예를드러 지르콘 모래는 열전도율이 기본 실리카보다 높아서 지르콘 모래로 주조를 하면 실리카보다 응고하는데 시간이 적게 들 것이다.

 

10.33 외부 냉각쇠가 내부 냉각쇠만큼 효과적인지 설명하라.

 

냉각쇠의 효과는 주형에서 냉각시키는 영역의 위치에 따라서 결정된다. 냉각시키는 부위가 필요하다면, 외부 냉각쇠가 내부 냉각쇠만큼 효과적일 수 있다. 하지만 보통 냉각은 주조품 표면 깊숙한 곳에 해야 효과적이다. 이러한 조건에서는 내부 냉각쇠가 외부 냉각쇠보다 더 효과적일 것이다.

 

10.34 표 10.1에 주어진 것처럼 응고 과정 중 회주철은 수축하지 않고 팽창하는 이유를 설명하라.

 

회주철이 응고하면서 마지막 단계에서 흑연화가 진행되는데, 이것이 금속 수축에 대항하여 금속이 팽창하도록 한다. 이는 응고를 전체적으로 봤을 때 팽창하는 결과로 나타나게 한다.

 

10.37 짧은 냉각범위 및 긴 냉각범위에 따라 수축 공동 형성에 다른 경향성이 있는가? 설명하라.

 

긴 냉각범위를 갖는 합금에서 생기는 넓은 머쉬 영역은 미소공동이 생기기 쉽게 한다. 하지만 짧은 냉각범위에서는 큰 수축공동이 생기기 쉽다.

 

10.39 (a) 낮은 주입 온도, 즉 낮은 과열인 경우 주상 결정 대비 등축 결정 생성을 촉진시키며, (b) 등축 결정은 주입 온도가 낮아질 때 더 미세해지는 것으로 오랫동안 관찰되어 왔다. 이 두 현상에 관하여 설명하라.

 

등축결정은 주형 벽면에 가까워서 열전달이 빠르게 일어나는 곳에서 주로 발견된다. 낮은 유탕 온도는 용융금속이 가지고 있는 열을 줄여서 응고점까지 빠르게 냉각시킬 수 있다. 높은 유탕 온도로는 특히 주형 벽에서 멀어질수록 응고 온도까지 냉각이 느려진다. 주형이 열을 발산해도 금속은 오랜 시간 액상으로 유지되어 열전달 방향으로 주상 결정이 생긴다. 유탕 온도가 낮아질수록 등축 결정이 미세해진다. 그 이유는 냉각이 더 빨라서 용융금속 내에서 큰 결정이 생길 시간이 없기 때문이다.

 

10.42 주조품 내의 공동이 수축에 의한 것인지 기포 혼합에 의한 것인지를 어떻게 구별할 수 있나?

 

주조품 내의 공동이 가스나 수축에 의한 것인지 판별하기 위해서는 공동의 위치와 형태를 확인하여야 한다. 만일 공동이 주형 표면과 코어 표면, 코어받침 주변에 위치해 있으면 가스 기공일 가능성이 높다. 반면, 공동이 주조품에서 열점으로 보이는 곳에 위치해 있다면 대부분 수축공동일 것이다. 게다가 가스 공동은 표면이 매끈하고 모두는 아니지만 대부분 구형의 형태이다. 수축공동은 보다 질감있고 들쭉날쭉한 표면이며 일반적으로 불규칙한 형태이다.

 

10.43 라이저가 (a) 너무 크거나, (b) 너무 작을 때 주조 공정에서 갖는 단점에 관하여 기술하라.

 

라이저가 너무 클 때 단점은 다음과 같다.

- 라이저는 결국 잘라내야 하며 재활용되어야 한다.

- 큰 라이저는 제거하기에 비싸다.

- 큰 라이저는 응고 시간이 늦다.

- 큰 라이저는 주조품 내부의 응고를 방해할 것이다.

- 남는 금속은 적절히 무게로 누르지 않는 한 주형을 분리시킬만큼 부력을 작용할 것이다.

라이저가 너무 작을 때 단점은 주로 주조품의 결함과 관련되어 있다. 응고수축을 보상할 만큼의 용융금속이 부족하거나 응고전방이 균일하지 않아서 생기는 균열 등의 문제가 생길 수 있다.

 

10.(구5.15) 주형에서 수지상정이 일찍 형성되는 것이 주형 내로 유입되는 용융금속의 자유 유동을 방해할 수 있다고 생각하는가?

 

매우 긴 냉각범위를 갖는 합금의 응고를 고려해보자. 이 합금의 머쉬 영역은 상당히 넓을 것이다. 머쉬 조건이 액체로 둘러싸인 얽힌 수지상정으로 구성되어 있으므로 유체 유동을 방해할 것이다.

 

10.(구 5.42) 일명 활자합금으로 불리는 비스무트 합금은 인쇄용 주조품으로 사용된다. 비스무트가 이러한 공정이 이상적인 이유를 설명하라.

 

활자는 매우 정밀하게 제작되어야 하고 표면이 부드러워야 한다. 다이캐스팅에 사용되는 대부분의 금속은 수축을 하기 때문에 수축에 의한 변형이 일어나거나 심지어 주형 벽에서 떨어져서  수축하기도 한다. 비스무트는 응고되면서 팽창하기 때문에 주형을 가득 채울 수 있다. 따라서 정확한 주조품과 여러번 사용 가능한 활자 형상을 만들 수 있게 한다.

 

10.(구 5.43) BCC 격자구조와 FCC 격자구조 중 응고 수축이 더 큰 것은 무엇으로 예상되는가?

 

고상 상태에서 패킹 효율이나 원자충전율(APF)로 어떤 것이 수축이 큰지 예상할 수 있다. FCC 구조는 APF가 0.74이고 BCC 구조는 APF가 0.68이므로, FCC 구조보다 수축이 더 클 것으로 예상된다. 하지만 합금은 합금 요소들이 침입형 구조나 치환형 구조를 만들기 때문에 수축을 예상하기가 어렵다.

 

10.(구 5.47) 인베스트먼트주조에서 트리의 중요성에 대해 설명하라.

 

트리는 여러 부품을 동시에 주조할 수 있게 하기 때문에 중요하다. 각 주형을 생산하는데 많은 노동이 필요하므로, 주형 당 생산하는 부품 개수를 늘리는 방법은 인베스트먼트 주조의 경제성에 중대한 역할을 한다.

 

10.(구 5.48) (a) 연속주조, (b) 박판주조, (c) 멜트스피닝 공정으로 제작한 슬라브 주조품에서 볼 수 있는 미세구조를 그려라.

연속주조에서는 주상정결정립이 주형벽에서 멀어지는 방향으로 성장한다. 박판주조금속은 응고되자마자 열간압연을 했기 때문에 담금질한 형상처럼 나타난다. 이후에 등축 구조를 갖기 위해 어닐링을 한다. 멜트스피닝 구조는 매우 급속하게 응고하기 때문에 명확한 결정립이 형성되지 않은 비정질 금속이다.