주조의 응력이란?

3. 주조응력

주조응력은 주물 수축의 제약을 받아 생기는 수축응력, 냉각이 균일하지 않아 생기는 열응력, 결정구조의 변화로 생기는 상응력 등이 있으며, 주물에 주조 응력이 생기면 그 값에 따라 다음과 같은 영향이 생긴다.
(1) 주조응력이 합금의 항복점 보다 작으면 주물 내에 내부응력이 남아서 기공 또는 사용시에 생기는 응력에 의하여 점차 커진다.
(2) 주조응력이 합금의 항복저모다 크고 파괴강도 보다 작으면 물체에 비틀림이 생긴다.
(3) 주조응력이 합금의 파괴강도 보다 크면 주물에 균열이 생기고 파괴 등을 일으킨다.

가. 열간균열

응고하는 과정중 고,액공존 영역에서 어느정도의 강도를 지닌 고체결정의 망상이 형성된다. 이런 고액공존구간에서는 매우 낮은 응력에서도 파단이 쉽게 일어난다. 이러한 고상선 또는 이의 직상에서 발생하는 균열을 열간균열이라 한다. 열간균열을 일으키는 원인은 주형과 주물의 수축 차이와 주물내 각점에서 수축이 발생할 때 시간의 차이 때문이다.
합금의 열간균열 발생은 고온에서 수축이 심할수록 또 강도와 소성이 작고 열전도율이 낮을수록 커진다. 예를 들면 큶, 니켈의 함량이 많은 하금강에서 열간균열 발생 경향이 현저하며 0.05%~0.18% 까지의 탄소햠유량의 증가와 더불어 증대하고 0.17%~0.2%에서 최대값에 도달한다.
회주철은 열간균열의 발생 경향이 적다. 구리합금은 열전도성이 높기 떄문에 대부분 열간균열이 발생하지 않고 다만 규소-황동과 같이 고온에서 소성이 낮은 합금 및 알루미늄청동과 같이 주조 수축이 큰 구리합금은 열간균열 발생경향이 약간 높다.
일반적으로 응고 온도범위가 큰 합금은 그 만큼 주조 수축이 크고 열간균열발생 경향도 높으며 응고 온도범위가 작은 합금은 수축이 적고 균열발생 경향도 낮다.
합금의 열간균열발생을 감소하려면 다음과 같다.
(1) 용융금속의 입자를 미세화
(2) 주조합금의 입자를 미세화
(3) 합금내의 유해 혼입물과 가스 및 비금속 혼입물의 함량을 감소
(4) 주물내 미세한 수축공을 제거
(5) 고온에서 주물을 서냉
열간균열의 방지에는 주형과 코어에 의한 수축장애를 없애고 또 주물 구조에 있어서 균일한 단면과 원활한 이행부를 갖도록 하는 것이 매우 중요하다. 또한 살이 두꺼운 주물은 비교적 낮은 온도와 느린 속도로서 주입을 해야 한다.

나. 냉간균열

냉간균열은 주물의 상온에서 생기는 균열을 말하며 균열의 발생은 다음 내용에 따라 증가한다.
(1) 합금의 탄성이 높다.
(2) 낮은 온도에서 수축이 심하다.
(3) 열전도율이 낮다.
(4) 조직의 상변태에서 합금의 체적변화가 크다.
합급내에 유해 혼입물이 존재하면 냉간균열발생이 촉진된다. 예로서 인(P) 함유량이 높은 고탄소강은 냉간취성을 가지며 냉간균열발생 경향이 강하다. 냉간균열의 발생을 방지하려면 단면이 균일해야하며 원할한 주물 설계와 응고후에는 서냉되도록 해야 한다.
따라서 균열발생 경향이 강한 주물은 초기에 형 해체를 하는 일은 피해야 하며, 주형 자체가 주물내에 큰 주조응력을 가져오는 경우가 아니면 가급적 주형내에서 서냉 되도록 하는 것이 좋다.

다. 주조응력 제거

주물내의 주조응력은 대부분 열처리법으로 제거할 수 잇다. 이 열처리는 먼저 합금의 탄성이 현저히 감소되는 온도까지 주물을 서서히 가열했다가 단계적으로 균일하게 냉각 시킨다. 이와 같은 열처리를 주물의 내부 응력제거풀림이라고 한다.

4. 편석

주물의 각 부분에서 또는 합금의 각 수지상장 내에서 화학조성이 균일하지 않은 것을 편석이라고하며 종류로는 대역편석, 입내편석, 비중편석 등이 있다.

가. 대역편석
주물의 각 부분에서 화학조성이 불균일한 것을 말하며 대다수의 합그에서 가장 중요한 인자이다. 이 편석은 보통 합금의 특정성분의 비중이 같지 않고 응고온도에 차이가 있으므로 액체상 또는 응고시에 합금의 주체로 부터 분리되어 있으므로 액체상 또는 응고시에 합금의 주체로 부터 분리되어 이루어진다. 예를 들면 강철내에는 황, 인, 탄소, 가스 및 비금속 개재물이 편석되어 응고시에 주물 상부에 분포한다. 반대로 외각층과 주물 내부의 아래부분에서는 이들의 함유량이 훨씬 적어 지는데 편석의 견지에서 보면 주물 외부와 아래부분이 가장 양질의 부분이라고 말 할 수 있다.
편석현상은 합금 내의 혼입물의 함유량이 많고, 또 주물의 치수나 체적이 큰 경우에 심하다. 또 주입온도와 주입속도의 저하, 그리고 주물의 응고를 가속화하면 감소되고 주물합금의 조직이 미세화되면 약화된다.

나. 입내편석
합금의 수지상정내에서의 편석을 말하며 대역편석에 비하면 주물에 큰 영향을 미치지 않는다. 주물의 냉각시에 급냉을 하면 응고시간이 짧아 결정립 사이의 조성이 균일하게 될 여유가 없어 편석이 약간 강화된다. 그러므로 고온 균질화 풀림을 하면 어느 정도 제거 할 수 있다.

다. 비중편석
합금성분의 비중 차이에서 일어나는 편석은 납을 다량 함유한 청동합금과 같이 중금속을 함유하는 합금에서 주로 일어나며 주입 전에 용탕을 충분히 교반하고 금속주형을 사용하여 신속히 응고시키면 방지 할 ㅅ 있다.

5. 가스의 흡수

금속고 합금은 여러가지 종류의 가스를 흡수하는 능력을 갖고 잇으며 흡수된 가스는 다음과 같은 상태로 존재한다.
(1) 용융금속과 공기 또는 기타 가스가 혼합할 때 얻어지는 비교적 큰 비금속 개재물의 형태
(2) 용해상태
(3) 화합물의 형태
기계적으로 개재된 가스는 진정시키면 쉽게 제거되므로 주물 내의 가스구멍의 발생이나 금속 또는 합금의 성질에 별다른 영향을 미치지 않는다.

가. 가스의 용해성
가스의 용해성은 온도에 의하여 결정된다. 수소는 금속내부로 침투하여 금속의 성질을 취약시키는 가장 해로운 가스이다.

나. 가스구멍의 발생
일정한 조건에서 주물 내의 가스가 분리하면 가스 구멍이 생기는데 이것은 합금 내의 가스 함유량에 따라 증가한다.
가스구멍의 발생원인은 용탕의 온도가 저하됨에 따라 가스의 용해도가 감소되어 용탕으로부터 분리되어 방출되면 용탕의 점도가 높아져서 가스의 분리를 저해한다. 합금이 응고될 때 가스의 용해도가 급격히 낮아져서 분리되는 가스의 양이 많아지면 점도가 증가되어 가스구멍의 발생을 억제한다.
가스구멍의 발생은 주형과 코어의 특성, 주입조건 응고속도 등에 따라서도 달라진다. 금속주형 내의 응고속도가 커지면 가스구멍 발생이 적고 건조 모래주형에서 응고를 완만히 하면 가스구멍 발생이 용이하게 된다. 특수한 경우도 있지만 일반적으로 주조용 합금의 수소나 질소가스의 함유량을 감소하면 가스구멍이나 균열의 발생을 방지할 뿐만 아니라 합금의 기계적 성질도 개선된다. 따라서 합금내의 가스는 특히 강도와 소성을 해친다.