기 계 공 작 법

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(1)기계공작법. 대구대학교 기계·자동차공학부. 윤재웅 Prof. Jae-Woong Youn. 1.

(2) 목차 1. 수업개요 ----------------------------------------------- 4 2. 재료의 기계적 성질 ------------------------------------ 12 3. 금속의 구조와 가공특성 ------------------------------- 31 4. 표면특성 및 품질검사 ---------------------------------- 50 5. 주조공정 ---------------------------------------------- 73 6. 부피성형가공법 --------------------------------------- 123. 7. 판재성형가공 ---------------------------------------- 175 8. 절삭가공 --------------------------------------------- 217 9. 연삭가공 및 특수가공 -------------------------------- 278 10. 폴리머와 강화플라스틱의 가공법 -------------------- 315 11. 분말금속, 세라믹, 유리, 복합재료의 성질과 가공법 -- 347 12. 접합과 이음 ----------------------------------------- 360 13. 가공자동화 및 컴퓨터통합가공 시스템 --------------- 395. 14. 미소전자기계기구와 나노가공 ------------------------- 435 Prof. Jae-Woong Youn. 2.

(3) 강의 목표 및 주제  강의 목표 다양한 제조공정의 이해  각 제조공정의 특성 및 문제점 등의 파악  제조공정의 설계 능력 확보  제조공정의 이해를 통한 현장 적응력 확보 .  강의 주제 재료의 기계적 성질  주조공정  성형공정  절삭 및 연삭공정  플라스틱 성형공정  용접 공정  자동화 등 . Prof. Jae-Woong Youn. 3.

(4) Introduction. INTRODUCTION. 윤재웅 대구대학교 자동차 · 산업 ·기계공학부 Prof. Jae-Woong Youn. 4.

(5) Introduction. 재료(Material). Prof. Jae-Woong Youn. 5.

(6) 주조공정(Casting Processes). Prof. Jae-Woong Youn. 6. Introduction.

(7) 성형가공(Forming Processes). Prof. Jae-Woong Youn. 7. Introduction.

(8) 기계가공(Material Removal Processes). Prof. Jae-Woong Youn. 8. Introduction.

(9) 접합공정(Joining Processes). Prof. Jae-Woong Youn. 9. Introduction.

(10) 공장자동화(Automation Processes). Prof. Jae-Woong Youn. 10. Introduction.

(11) Introduction. Microfabrication. Prof. Jae-Woong Youn. 11.

(12) Chap.2 재료의 기계적 성질. Chapter 2. 재료의 기계적 성질. 윤재웅 대구대학교 Prof. Jae-Woong Youn. 자동차 · 산업 ·기계공학부 12.

(13) Chap.2 재료의 기계적 성질. Introduction  소성가공 : 물체의 변형을 통한 가공공정 (Tension, Compression, Shear)  Engineering strain or Nominal Strain. e. l  l0 l0. Shear strain :.  . b a.  Tension . .  . Strength-deformation characteristics (tension test) P Engineering stress :  . A0. Yield point (Y) : 물체의 탄성변형 한계 Modulus of elasticity (=Young's modulus, Hooke's law). E.  e.  직각방향의 Strain 하중방향의 Strain. . Poisson's ratio :  . . Modulus of resilience :. Ye0 Y  Y = (Stress-strain curve의 면적)  2 2E. → 단위체적당 에너지 (specific energy). Prof. Jae-Woong Youn. 13.

(14) Chap.2 재료의 기계적 성질. Tension - 1 . Plastic deformation • stress와 strain의 관계가 선형적이 아님 • 탄성과 소성영역의 정확한 구분이 어려우므로 0.2%의 strain 지점을 Yield point로 규정. . ※ Structure 설계 시 항복은 바람직하지 않지만, Metal working에서는 필수적임 Tensile strength (or Ultimate tensile strength) • UTS 이상 하중을 가하면 Neck 현상 발생 • UTS 보다 작은 하중에서도 변형 발생 (← Neck). . Fracture stress or Breaking stress. METALS (WROUGHT). E (GPa). Y (MPa). UTS (MPa). ELONGATION (%) in 50 mm 45-5 65-3 50-9 21-5 40-30 60-5 65-2 60-20 25-7 0. POISSONÕS RATIO ( 0.31-0.34 0.33-0.35 0.43 0.29-0.35 0.32 0.31 0.28-0.33 0.28-0.30 0.31-0.34 0.27. 90-600 35-550 69-79 Aluminum and its alloys 140-1310 76-1100 105-150 Copper and its alloys 20-55 14 14 Lead and its alloys 240-380 130-305 41-45 Magnesium and its alloys 90-2340 80-2070 330-360 Molybdenum and its alloys 345-1450 105-1200 180-214 Nickel and its alloys 415-1750 205-1725 190-200 Steels 480-760 240-480 190-200 Stainless steels 415-1450 344-1380 80-130 Titanium and its alloys 620-760 550-690 350-400 Tungsten and its alloys NONMETALLIC MATERIALS 0.2 0 140-2600 70-1000 Ceramics 820-1050 Diamond 0.24 0 140 70-80 Glass and porcelain 0.5 0.01-0.1 Rubbers 0.32-0.40 1000-5 7-80 1.4-3.4 Thermoplastics 10-1 20-120 2-50 Thermoplastics, reinforced 0.34 0 35-170 3.5-17 Thermosets 0 3500 380 Boron fiber 1-2 2000-5300 275-415 Carbon f ibers 5 3500-4600 73-85 Glass f ibers (S, E) 3-4 3000-3400 70-113 Kevlar fibers (29, 49, 129) 3 2400-2800 73-100 Spectra f ibers (900, 1000) Note: In the upper table the lowest values for E, Y, and UTS and the highest values for elongation are for the pure metals. Multiply GPa by 145,000 to obtain psi, and MPa by 145 to obtain psi. For example, 100 GPa = 14,500 ksi, and 100 MPa = 14,500 psi.. Prof. Jae-Woong Youn. 14.

(15) Chap.2 재료의 기계적 성질. Tension - 2  Ductility Ductility : 파단 시의 strain l f  l0  Elongation = 100 (%) . l0. . • gage mark 간의 거리에 반비례 (gage length는 elongation 표기시 항상 같이 표기) Reduction of area = A0  Af 100 A0 • 고온에서의 유리 : 100 % • 상온에서의 유리 : 0 %.  True stress and true strain. P (A : 순간 or 실제 면적) A l dl l    ln  True strain : l0 l  l0   ln(1  e) . True stress :  . . 소성영역에서 금속의 체적은 일정하게 유지됨 l. A . D .   ln    ln  0   2 ln  0   A D  l0  • 가장 큰 strain은 neck 근처에서 생성. Prof. Jae-Woong Youn. 15.

(16) Chap.2 재료의 기계적 성질. Tension - 3  True stress-true strain curve.   K n log   log k  n log  ( k : stress coefficient, n : strain-hardening exponent) . Toughness =. . f. 0. d. e. 0.01. 0.05. 0.1. 0.2. 0.5. 1.0. 2.0. 5.0. 10. . 0.01. 0.049. 0.095. 0.18. 0.4. 0.69. 1.1. 1.8. 2.4. Prof. Jae-Woong Youn. 16.

(17) Chap.2 재료의 기계적 성질. Tension - 4  Types of stress-strain curves Perfectly elastic material : glass, ceramic 등  Rigid-perfectly plastic material  Elastic-perfectly plastic material  Rigid-linearly plastic material  Elastic-linearly strain-hardening material .  예제 2.2.  Effects of temperature . 온도의 상승 • 재료의 연성과 인성은 증가 • 탄성계수, 항복응력, 인장강도는 감소 (n도 감소). Prof. Jae-Woong Youn. 17.

(18) Chap.2 재료의 기계적 성질. Tension - 5  Effects of strain rate 변형률속도가 높을수록 강도는 증가  Strain-rate sensitivity exponent . m.   C. • 냉간가공 : m < 0.05 • 열간가공 : 0.05 < m < 0.4 • Superplastic : 0.3 < m < 0.85. Prof. Jae-Woong Youn. 18.

(19) Chap.2 재료의 기계적 성질. Compression - 1  압축 Test . Solid cylindrical 시편 이용 시편과 die 사이의 마찰력이 중요 (→Barreling). . Engineering strain rate : e  . . . . . True strain rate :.  . v h. v h0.  Plane-strain compression test   . 시편의 폭을 충분히 크게하여 평판변형을 유발하도록 함 연성재료 : 인장시험 결과와 유사 취성재료 : “ ” 다름. Prof. Jae-Woong Youn. 19.

(20) Chap.2 재료의 기계적 성질. Compression - 2  Bauschinger effect. 소재를 인장항복강도까지 인장시킨 후, 압축하면 압축시 항복강도가 인장시 보다 작아 지는 현상  반대도 성립 ← strain softening (work softening) .  Disk test . 취성재료 (세라믹 또는 유리)의 압축 test. Prof. Jae-Woong Youn. 20.

(21) Chap.2 재료의 기계적 성질. Torsion  튜브형의 시편 이용  전단응력 :   T 2 2r t r  전단 변형률 :   l  Shear modulus (modulus of rigidity) : G .  E   2(1  ).  압축응력은 전단변형률의 증가를 초래  인장응력은 “ 감소를 초래. Compressive stress Prof. Jae-Woong Youn. 21.

(22) Chap.2 재료의 기계적 성질. Bending.  취성재료의 파단 Test  Three-point bending 및 Four-point bending Test 사이에서 구해진 파단계수에는 차 이가 있음. Prof. Jae-Woong Youn. 22.

(23) Chap.2 재료의 기계적 성질. Hardness - 1  정의. 압입(Indentation)으로 생기는 영구변형에 대한 재료의 저항성  마모나 긁힘에 대한 저항성  Indenter의 형상이나 재질에 따라 다양한 Test 방법 존재  재료의 근원적인 성질은 아님 (Indenter의 형상이나 재질에 따라 다르기 때문) Brinell Test  Indenter와 압입하중을 명시  경도가 낮거나 중간정도인 재료에 적합 Rockwell Test Vickers Test  하중의 크기에 무간하게 동일한 값을 가짐  다양한 재료에 적용 Knoop Test  가벼운 하중  시편의 크기가 매우작거나 취성재료에 적합  사용하중을 명시 Scleroscope  휴대용  반발높이와 낙하높이로부터 계산 Mohs Test :  Scratch에 의해 평가 (1 ~ 10) . .   . . . Prof. Jae-Woong Youn. 23.

(24) Chap.2 재료의 기계적 성질. Hardness - 2.  Hardness and Strength Hardness = C․Y  C > 1 : 변형경화 및 3축응력 효과에 의해 1보다 큼 . Prof. Jae-Woong Youn. 24.

(25) Chap.2 재료의 기계적 성질. Fatigue.  Cyclic or periodic loads : Tools, dies, gears, cams, shafts, and springs  Fatigue failure 기계적 하중 또는 열적인 Stress가 반복적으로 작용하는 경우, 정적인 하중상태에서의 항복값 이하에서 파손이 일어나는 현상  Stress amplitude : 시편이 받는 최대응력과 최소응력의 차를 반으로 나눈 값  Endurance limit : 반복회수에 무관하게 Fatigue failure가 일어나지 않는 maximum stress ※ Endurance limit가 분명하지 않은 경우, 특정한 Cycle 횟수(10 exp(7)) 에서의 Fatigue strength로 . 결정. Prof. Jae-Woong Youn. 25.

(26) Chap.2 재료의 기계적 성질. Creep  Creep 정하중 상태에서 장시간 방치되는 경우, 소재가 영구변형되는 현상  유리창문의 경우, 아래쪽 두께가 더 두꺼움  금속의 경우 고온에서 creep의 발생이 심각함  고온에서의 creep은 grain-boundary의 sliding에 의해 발생  Creep의 설계 : 2단계 기준 . Prof. Jae-Woong Youn. 26.

(27) Chap.2 재료의 기계적 성질. Impact  Impact (Dynamic) loading. 기계공작시에 발생 (High speed metal working or drop forging)  Impact test : notch를 준 시편  Impact resistance : high strength & high ductility (→high toughness) . Prof. Jae-Woong Youn. 27.

(28) Chap.2 재료의 기계적 성질. Residual Stress - 1  잔류응력. 비균일한 변형에 의해 발생 (외력이 모두 제거된 후에 남아있는 Stress) → Beam bending  대부분의 가공공정에는 잔류응력이 3차원적으로 남게됨  잔류응력이 남아있는 보의 일부를 절삭가공하는 등 변형을 주게되는 경우, 보의 평형 (Equilibrium) 상태가 깨어짐 . Prof. Jae-Woong Youn. 28.

(29) Chap.2 재료의 기계적 성질. Residual Stress - 2  Effects of residual stresses . Tensile residual stress • 부품의 피로수명과 파괴강도를 저하시킴 • 부가되는 인장응력을 견디기 어려움. • 장기간에 걸친 stress cracking 또는 stress-corrosion cracking 유발 . Compressive residual stress • 바람직함 • 피로수명을 향상시키기 위해 shot peeing과 surface rolling에 의해 압축 잔류응력을 발생시킴. Prof. Jae-Woong Youn. 29.

(30) Chap.2 재료의 기계적 성질. Residual Stress - 3  Reduction of residual stresses Stress-relief annealing 또는 소성변형을 추가로 발생시켜 수행  상온에서 장기간 방치하여 stress relaxation 수행  일반적으로 warpage(뒤틀림)를 동반함 → 가공여유를 부여 . Prof. Jae-Woong Youn. 30.

(31) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Chapter 3.. 금속의 구조와 가공 특성. 윤재웅 대구대학교 Prof. Jae-Woong Youn. 자동차 · 산업 ·기계공학부 31.

(32) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. 금속의 결정구조 - 1  Crystal(결정). 금속이 용융상태로부터 응고될 때, 원자들은 결정이라고 하는 여러 가지 정렬된 형태로 배열 Crystalline structure  결정내 원자들의 배열 Unit cell (단위 격자)  특정금속의 Lattice structure 특성을 보여주는 가장 작은 원자 그룹 Basic types  Body-Centered Cubic : (텅스텐, 철(912°이하, 1394°이상)  Face-Centered Cubic : (알루미늄)  Hexagonal Close-Packed (HCP) : 철 (912°~ 1394°) 각 금속의 원자들은 결합할 때 에너지가 최소화되도록 배치됨 .   . . FIGURE 3.2a The body-centered cubic (bcc) crystal structure: (a) hard-ball model; (b) unit cell; and (c) single crystal with many unit cells. Prof. Jae-Woong Youn. 32.

(33) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. 금속의 결정구조 - 2. Prof. Jae-Woong Youn. 33.

(34) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Deformation and Strength of Single Crystal - 1  Basic mechanism of plastic deformation . Slipping • 원자평면이 인접한 다른 평면에서 미끄러짐 • 이론적인 최대 전단응력. ( ) max  . G b  2 a. → 이방성(Anisotropy). Twinning • 쌍정면에 대해 대칭으로 형성됨 • 쌍정은 갑자기 형성되고, 보통 HCP나 BCC 금속의 소성변형과 FCC금속의 풀림처리 시에 발생. Prof. Jae-Woong Youn. 34.

(35) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Deformation and Strength of Single Crystal - 2  Slip system 5개 이상의 slip system을 가지면 연성을 가짐)  BCC . • 48개의 slip system 존재. • 비교적 b/a 값이 크기 때문에 요구 전단력이 큼. (티타늄, 몰리브덴, 텅스텐) . FCC • 12개의 slip system 존재 (알루미늄, 구리, 금, 은). . HCP • 3개의 slip system 존재 • slip의 가능성이 매우 적어 취성을 가짐 (베릴륨, 마그네슘, 아연).  Ideal tensile strength of metals Cohesive force(결합력) : 인장응력이 σmax 에 도달했을 때 원자결합은 깨지게되며, 이때의 σmax 가 이론적 인장강도임 E  E  이론적 인장강도  max   2a 10 . Prof. Jae-Woong Youn. 35.

(36) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Deformation and Strength of Single Crystal - 3  Imperfections (결함). 실제 금속의 강도는 이론적 강도에 비해 1/10 ~ 1/100 정도의 수준임(← 금속의 결함 때문)  Defects . • Point defects : vacancy, interstitial atom, impurity atom. • Linear or one-dimensional defects : dislocations • Planar or two- dimensional defects : grain boundary • volume or three- dimensional defects : voids, inclusions,. cracks . Dislocations • dislocation 밀도 : 단위체적당 dislocation의 총 길이, mm/mm3 • 순수 단결정 : 0 ~ 103 • 풀림처리한 단결정 : 105 ~ 106 • 풀림처리한 다결정 : 107 ~ 108 • 냉간가공된 금속 : 1011 ~ 1012. Structure-sensitive property : 항복강도, 파괴강도, 전기전도도 등  Structure-insensitive property : 융점, 비열, 열팽창, 탄성계수 등 . Prof. Jae-Woong Youn. 36.

(37) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Deformation and Strength of Single Crystal - 4  Strain hardening (Work hardening) . Dislocation의 역할 • slip에 필요한 stress의 저하 요인. . Dislocation의 수가 많아지게 되는 경우 • 서로 간섭하여 얽힘 • 결정립계, 불순물, 개재물 등에 의해 움직임의 방해를 받음 → 강도가 높아짐 (Strain hardening). Prof. Jae-Woong Youn. 37.

(38) Grains and Grain Boundaries - 1. Chap.3 금속의 구조와 가공 특성.  Polycrystals 일반적인 금속은 randomly oriented crystal로 구성되기 때문에 다결정으로 간주  Grain size (핵 생성 속도)  rapid cooling → smaller grain  slow cooling → larger grain  Grain boundary  순금속의 경우 각각의 grain은 single crystal  합금의 경우 다결정  Polycrystal 금속의 경우 결정방향이 random하기 때문에 isotropic 함 (이러한 현상은 실제로는 거의 존재하지 않음) . Prof. Jae-Woong Youn. 38.

(39) Grains and Grain Boundaries - 2. Chap.3 금속의 구조와 가공 특성.  Grain size Large grain size : ․강도와 경도가 낮고 연성이 큼  박판의 경우 인장후에 표면상태가 거칠어짐 .  Influence of grain boundaries Grain boundary는 dislocation의 움직임을 방해  온도, 변형속도, 결정립계의 불순물량 등에 따라 달라짐  고온 또는 변형속도에 의해 성질이 변경되는 재료의 경우 grain boundary의 slip이 그 원인임  Creep mechanism도 grain boundary의 sliding이 원인임 . Prof. Jae-Woong Youn. 39.

(40) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Plastic Deformation of Polycrystalline Metals  Anisotropy 금속의 소성변형은 이방성을 유발함 (이방성의 정도는 변형의 정도에 비례)  Ductility의 이방성은 금속의 변형시 특정방향의 crack을 유발함  이방성은 금속의 물리적(전기 및 자기) 및 기계적 특성을 변화시킴  금속의 이방성  선택적 방향성 (Preferred orientation) . • 인장시 : 변형방향으로 정렬 • 압축시 : 변형의 수직방향으로 정렬 . 기계적 섬유화 (Mechanical fibering) • 불순물, 기공, 개재물 등의 정렬로 유발됨 • 불순물은 결정립계를 약화시킴. Prof. Jae-Woong Youn. 40.

(41) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Recovery, Recrystalization, and Grain Growth - 1  결정립과 결정립계의 변형은 특정한 온도범위에서 열처리함으로써 제거됨  Recovery. 재결정 이하의 특정한 온도 범위에서 발생  변형된 영역의 응력을 완화시킴  경도나 강도같은 기계적 성질에는 크게 변화가 없고, 연성은 일부 회복됨  Recrystallization  특정 영역의 온도(온도영역 : 0.3 Tm ~ 0.5 Tm)에서 변형이 없는 등축의 결정이 새로 형 성됨  한시간 안에 완전하게 재결정되는 온도 범위로 정의  Dislocation의 밀도를 감소시키고, 강도를 감소시키며 연성은 증가됨  납, 주석, 카드뮴, 아연 등은 상온에서 재결정됨 (Strain hardening이 불가능)  Recrystallization은 냉간가공된 정도에 의존 . • 냉간가공된 정도가 심할수록 재결정 온도는 낮아짐 (냉간가공이 심한 경우, dislocation의 숫자와. dislocation에 축적된 에너지는 크고, 이러한 Energy는 재결정시 필요한 에너지로 전환됨) . 온도, 시간, 두께 감소율이 재결정에 미치는 영향 • 온도의 상승에 따라 재결정에 필요한 시간은 감소 • 변형의 정도가 클수록 재결정에 필요한 온도는 낮아짐 • 변형량이 클수록 재결정 동안 입자의 크기는 작아짐. Prof. Jae-Woong Youn. 41.

(42) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Recovery, Recrystalization, and Grain Growth - 2  Grain의 성장. 금속의 온도를 계속 높이면, 결정립은 성장하게 되고 결국 원래 입자의 크기를 초과 (바 람직하지 않음)  큰 입자는 박판의 인장 또는 단조를 통해 orange peel이라는 거친 표면을 형성 . Prof. Jae-Woong Youn. 42.

(43) Cold, Warm, and Hot Working. Chap.3 금속의 구조와 가공 특성.  Cold working : 상온에서 소성변형 발생  Hot working : 재결정 온도 이상에서 소성변형 발생 열팽창과 수축, 거친표면, 가열에 의한 산화막 형성 등으로 치수 정밀도가 떨어짐  Warm working : 상온 이상 재결정온도 이하에서 변형  성형성, 절삭성, 용접성 등에 영향을 미침 . Prof. Jae-Woong Youn. 43.

(44) Failure and Fracture - 1. Chap.3 금속의 구조와 가공 특성.  Types of failure . 내부 및 외부 균열에 의한 파손 • 연성파괴 (Ductile fracture) • 취성파괴 (Brittle fracture). . 좌굴(Buckling)에 의한 파괴.  Ductile fracture 파단전에 상당한 소성변형이 발생  일반적으로 전단응력이 최대가 되는 면을 따라 발생 (과도한 slip)  작은 Void의 형성에 의해 파단 시작 (Void의 성장과 결합에 의해 파괴) . Prof. Jae-Woong Youn. 44.

(45) Failure and Fracture - 2  Brittle fracture 소성변형을 거의 일으키지 않은 상태에서 재료가 파단  BCC, HCP에서 발생  압축면에 45°방향으로 파단  Defects (결함) . • 취성재료의 경우 압축보다 인장에 더 약한 이유는 결함의 존재 때문임 . Fatigue fracture (피로 파괴) • 피로파괴의 본질은 취성임. . 피로강도의 향상 방법 • 압축 잔류응력을 발생시킴 • 표면경화 처리 수행 • 표면의 notch나 표면결함을 줄일 수 있도록. 매끄러운 표면으로 가공. Prof. Jae-Woong Youn. 45. Chap.3 금속의 구조와 가공 특성.

(46) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Physical Properties  Density(밀도) 단위 부피당 재료의 무게  비중 : 물의 밀도에 대한 상대적 비율  Specific strength(비강도) : 무게에 대한 강도 비율 Melting point  내열성 재료 선정시 중요 Specific heat(비열)  단위 질량의 재료를 1。C 올리는데 필요한 에너지  비열이 작을수록 가공후 온도가 높아져 치수정밀도 등을 저하시킴 Thermal conductivity(열 전도도)  금속결합 : 전도도가 큼  이온 및 공유결합(세라믹) : 열전도도가 낮음  열전도도가 높아야 가공후에 불균일 변형이 발생하지 않음 Thermal expansion (열팽창)  열팽창 계수는 재료의 융점에 반비례  Shrink fit(열박음) 공정에 이용  열응력을 감소시키기 위해 열전도도가 높고 열팽창이 작아야함 Electrical and Magnetic properties (전기-자기적 성질)  전기전도도 : 전류가 얼마나 쉽게 흐르는가를 결정  자성 : 전기 모터, 발전기 등에 활용됨 Corrosion resistance (내 부식성)  화학반응에 의해 생성  금속/세라믹 : 부식성  플라스틱 : 분해 .  . . . . . Prof. Jae-Woong Youn. 46.

(47) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Properties of Ferrous Metals and Alloys  Carbon and alloy steel. 다양한 원소의 첨가 : 경화능, 강도와 경도, 인성, 내마모성, 가공성, 용접성을 개선  탄소함유량이 클수록 강도와 경도는 증가하나 연성, 용접성, 인성 등은 감소  탄소강의 분류 . • 저탄소강 : 탄소함유량이 0.3% 미만 (볼트, 너트, 관재 등) • 중탄소강 : • 고탄소강 : . “ “. 0.3 ~ 0.6 % (자동차, 농기계 등) 0.6% 이상 (공구, 케이블, spring 등). 합금강 • 높은 강도를 가짐. • 주로 구조물과 수송산업 등에 쓰임.  Stainless steel 뛰어난 내부식성과 높은 강도, 연성을 가짐  크롬(10 ~ 12%), 니켈, 몰리브덴, 구리, 티타늄, 실리콘, 망간, 알루미늄, 질소, 황 등을 첨가 .  Tool & Die steel 상온 및 고온에서 높은 강도, 충격인성, 내마모성 등을 갖도록 설계된 합금강  고속도강 : 고온에서 강도와 경도 유지 (공구용) . Prof. Jae-Woong Youn. 47.

(48) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Properties of Nonferrous Metals and Alloys - 1  철금속에 비해 비싸지만 많은 기계적, 물리적, 화학적 특성 때문에 중요하게. 활용됨.  알루미늄 비강도가 높음  화학작용에 대한 내부식성, 높은 열 및 전기전도도, 좋은 성형성, 비자기성을 가짐  마그네슘  공업용 금속중 가장 가볍고, 진동감쇠 특성이 우수  강도가 약하므로 다른 원소와 합금으로 쓰임  구리  열과 전기전도도, 내 부식성, 성형성, 가공성이 우수  가공특성을 개선하기 위해 합금으로 활용 . • 황동(구리 + 아연) • 청동(구리 + 주석).  니켈 강도와 인성, 내부식성  자성을 띰  고온에서 뛰어난 강도와 내부식성을 가짐  Invar : 철과 니켈의 합금으로 온도변화에 의한 치수 변화가 없음  초합금(Superalloy)  고온용 부품에 활용 (내열합금 또는 고온합금) . Prof. Jae-Woong Youn. 48.

(49) Chap.3 금속의 구조와 가공 특성. Properties of Nonferrous Metals and Alloys - 2  티타늄 비강도가 높고, 상온/고온에서 내부식성이 우수  내열금속 (Refractory metals)  용융점이 매우 높음  고온 강도 유지  몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 탄탈  기타의 비철금속  베릴륨 : 비강도가 높고, 중성자 흡수율이 낮아 핵시설, X-선 장치에 할용  지르코늄 : 고온에서 좋은 강도와 연성을 가지며 내부식성이 높음  저용융 금속 : 납, 아연, 주석 . • 납 : 소음진동의 감쇠, X-선 차단 • 아연 : 철, 알루미늄, 구리에 이어 네 번째 많이 이용되며, 내부식성 • 주석 : 강판 코팅용 (은백색 광택). 형상기억 합금 : 상온에서 소성변형을 일으킨 후, 열을 가하면 복귀(55% 니켈 - 45% 티탄)  비정질합금 (Amorphous alloy) : 결정립 구조를 갖지 않고(유리), 내부식성이 높음 . Prof. Jae-Woong Youn. 49.

(50) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Chapter 4.. 표면특성 및 품질검사. 윤재웅 대구대학교 Prof. Jae-Woong Youn. 자동차 · 산업 ·기계공학부 50.

(51) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Introduction.  가공제품의 표면은 가동중 여러 가지 기계적, 물리적, 열적, 화학적 영향을 받기 때문에 모재와는 상당히 다른 성질 및 거동을 보임 . Tribology : 표면의 거동을 다루는 학문.  표면이 제품에 주는 영향 마찰 및 마멸  윤활제의 효율성  도장(Painting) 및 피복(Coating) 등과 내부식성  균열  열 및 전기전도도 . Prof. Jae-Woong Youn. 51.

(52) Surface Structure and Properties - 1. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  표면의 구성 모재(Substrate) : 재료의 구성과 가공 이력  가공경화층 : 제조과정을 통해 받은 소성변형과 가공경화의 정도가 모재 보다 심함  산화물층 : 항상 산화물층 존재 (산화물층은 일반적으로 모재보다 훨씬 경함)  가스나 수분의 흡착층  불순물(오염물) .  표면조직은 생산방법에 따라 달라짐. Prof. Jae-Woong Youn. 52.

(53) Surface Structure and Properties - 2. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  Surface Integrity(표면완전성) 표면완전성 : 어떤 표면의 기하학적 특성 뿐만아니라 기계적 및 야금학적 성질과 특성 들을 총칭하여 의미함  주요 표면결함 . • 균열(Crack) • Crater : 얕게 패인 자국 • Heat-affected zone(열영향부) : 가열로 인해 미세조직이 변화한 부분 • Inclusion(개재물) : 금속내에 포함된 작은 비금속 원소 또는 화합물 • Intergranular attack (입계 약화) : 취하작용 및 부식 등으로 인해 Grain boundary가 약화 • Metallurgical transformation(금속학적 변태) : 온도와 압력의 변화로 미세조직이 변화 • Pit : 화학적 또는 물리적 요인으로 표면이 얕게 파이는 현상 • 소성변형 : 마찰, 공구 및 Die 형상, 무딘 공구의 사용, 가공방법 등으로 인해 표면이 소성변형된. 상태 • 잔류응력 : 불균일 응력이나 온도분포로 인해 발생. Prof. Jae-Woong Youn. 53.

(54) Surface Structure and Properties - 3. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  Surface Texture (표면조직) 제조방법에 무관한 표면의 고유 특징 : 표면조직, 표면정도(Surface finish), 혹은 표면거 칠기(Surface roughness)  Flaw(흠) 혹은 Defect(결함) : 긁힌 자국 등과 같이 불규칙적인 표면 기복  Lay(가공무늬) : 눈으로 식별이 가능할 만큼 현저한 가공자국의 형태나 방향  Roughness(거칠기) : 좁은 간격으로 나타나는 촘촘하고 불규칙적인 표면기복  Waviness(파상도) : 파도와 같이 나타나는 표면 기복 (공작물 처짐 혹은 뒤틀림, 주지적 인 열적, 기계적 변화 등) . Prof. Jae-Woong Youn. 54.

(55) Surface Structure and Properties - 4  Surface roughness . Arithmetic mean value (산술평균값, Ra). Ra  . a  b  c   n. Root-mean-square average (Rq). a 2  b2  c2     Rq  n . . Maximum roughness height (Rt) 최고점과 최저점 사이의 높이. 이들 값들의 값이 같다고 하더라도 표면 형상은 다를 수 있음 (예, 표면에 존재하는 몇몇 깊은 골짜기).  표면거칠기의 측정   . Surface roughness tester 또는 surface profilometer (Diamond stylus) Cutoff : 측정시 촉침이 움직이는 거리 Waviness를 Filtering하고 Roughness만 출력하는 것이 일반적임. Prof. Jae-Woong Youn. 55. Chap.4 표면특성 및 품질검사.

(56) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 1.  Tribology : 마찰, 마멸 및 윤활현상 등과 같이 표면끼리의 상호작용을 연구하는 학문 분야  마찰 (Friction) 정의 : 수직하중에서 서로 접촉하고 있는 물체들 사이의 상대 미끄럼 운동에 대한 저항  에너지 소실현상들 중의 하나로 항상 열을 발생시키며, 이때 수반되는 온도상승으로 인하 여 공정 전체에 중대한 영향을 초래함  Coulomb의 마찰 : 거친 표면사이에 생기는 기계적 체결현상  Adhesion theory(응착이론)가 실험적 관찰과 상당히 일치함 .  Adhesion theory of friction (응착마찰 이론) 무윤활 상태에서의 실제 접촉면적은 면들의 거칠기 정도에 관계없이 겉보기 접촉면적 (Apparent area of contact)의 극히 일부분임  실제 접촉면적이(Ar)이 넓고 하중이 작은 경우, 돌출부 접촉부위에 작용하는 수직응력은 탄성적이지만, 하중이 증가함에 따라 작용응력이 증가하여 소성변형이 발생 (접촉부위 : Junction(접합부)) . Prof. Jae-Woong Youn. 56.

(57) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 2  응착결합(Adhesion bond). 수직하중 작용하에서 돌출부들 끼리의 밀착에 의해 유발됨  금속가공 공정에서는 하중이 충분히 크기 때문에 각 접합부에 작용하는 수직응력은 항복응력에 쉽게 도달됨 → 소성변형과 동시에 응착결함됨(국부용접) . 접촉면의 분리에 필요한 인장력 Coefficient of adhesion = ----------------------------------------(응착계수) 접촉면에 작용하는 압축력 → 연한금속일 수록 큰값.  Coefficient of friction. . F Ar  (응착마찰 이론)   N Ar . • 분모항 : 모재의 성질 • 분자항 : 표면의 성질 . 돌출부에 작용하는 수직응력의 크기는 재료의 경도값 →. . Prof. Jae-Woong Youn.  경도. 57.

(58) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 3  마찰에 의한 온도상승. 마찰을 극복하는데 사용되는 에너지는 대부분 열로 변환  온도상승량이나 분포는 마찰력의 크기, 미끄럼속도, 표면거칠기, 그리고 열전도도와 비 열과 같은 재료의 물성치에 따라 달라짐  마찰 Mechanism PROCESS COEFFICIENT OF FRICTION () . • Adhesion mechanism • Ploughing mechanism. COLD 0.05-0.1 0.05-0.1 0.03-0.1 0.05-0.1 0.5-2. Rolling Forging Drawing Sheet-metal forming Machining. HOT 0.2-0.7 0.1-0.2 0.1-0.2 -.  마찰의 감소 재료의 선정 : 초경합금이나 세라믹 재료들과 같이 응착이 잘 생기지 않는 재료를 사용  윤활 : 표면 피막(Coating) 및 윤활  기타 : 초음파 진동을 주어 순간적으로 접촉물질을 분리시킴 .  마찰의 측정 일반적인 방법 : 두 힘(N, F)을 측정하거나 시편의 크기를 측정  Ring compression test . • 소성가공 공정에 적용을 목적으로 함 • Ring 형상의 시편을 편평한 판 사이에서 압축시키면서 소성변형에 의한 링의 치수변화를 측정 • Ring 형상은 외경:내경:높이의 비가 6:3:2인 시편을 사용. Prof. Jae-Woong Youn. 58.

(59) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 4  Wear 물체 표면의 재료가 점진적으로 손실 또는 제거되는 현상  마멸의 단점 . • 표면형상에 변화를 줌. • 가공면에 심각한 손상을 입힘 . 마멸의 장점 • 표면거칠기의 향상 (초기에). Prof. Jae-Woong Youn. 59.

(60) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 5  Adhesion Wear(응착마멸) . 돌출부들이 응착결합된 상태에서 접선력(마찰력)이 작용할 경우, 원래 접촉면 또는 그 아랫부분이 전단에 의해 파단되는 현상 → 재료의 일부가 모재로부터 떨어져 나감. . 돌출부 접촉부위의 변형경화, 확산, Mutual solid soulubility 등의 요인에 의해 접촉부 결. 합 강도가 모재보다 강함 → 연한 부분에서 파단됨 . 표면에 형성된 산화층은 돌출부들 사이의 응착을 방해하는 방어막 구실을 하기 때문에 가벼운 마멸상태가 유지되며, 마멸입자의 크기도 작음. Prof. Jae-Woong Youn. 60.

(61) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 6  Abrasive Wear(연삭마멸). 경하고 거친표면 또는 경한 돌출부가 있는 표면과 이보다 연한 표면이 서로 미끄럼 운 동을 할 때 발생 → 연삭기구와 같이 미소한 chip을 생성 (연한 재질이 깎임)  수직하중을 줄이거나 재료의 경도를 증가시켜 연삭마멸을 감소시킴  탄성중합체(Elastomer) 또는 고무재료들은 연삭마멸에 대한 저항성을 가짐(← 경한 입 자가 지나갈 때 탄성변형하고 바로 복원됨, 타이어) .  Corrosion wear(부식 마멸) . Oxidation wear(산화마멸) 혹은 Chemical wear(화학마멸)로도 불림.  Fatigue wear(피로 마멸) 표면이 반복하중을 받을 때 생기는 마멸  Thermal fatigue(열피로) : 열응력에 의해 생긴 균열들이 결합하여 표면의 일부가 떨어 져 나감 . Prof. Jae-Woong Youn. 61.

(62) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 7  일반적 고찰 마멸의 정량적 분석은 어려움  여러차례의 실험을 수행하는 경우 재현성이 어려움 .  마멸의 측정 촉각(접촉)에 의한 측정  치수변화의 측정 (Gage를 이용한 검사, 표면조도 측정 등)  성능이나 소음의 정도를 지속적으로 관찰  방사능 측정  윤활유에 포함된 마멸입자를 측정 . Prof. Jae-Woong Youn. 62.

(63) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 8  Lubrication(윤활) . 가공공정중 공구, 혹은 Die와 공작물 사이의 접촉면에 영향을 미치는 인자 • 접촉압력, 상대속도, 온도. . 마찰과 마멸을 줄이기 위해 두 표면사이에 일정한 간격이 유지되도록 윤활제 사용.  Lubrication regimes(윤활방식) . Thick film • 유막의 두께가 표면거칠기의 10배 이상 • 두 표면을 유막에 의해 완전 분리 • 마찰계수 0.001 ~ 0.02. . Thin film(박막윤활) • 유막두께가 표면거칠기의 3 ~ 5배로 얕아짐 • 금속간의 접촉이 이루어지고 마찰/마멸이 커짐. . Mixed lubrication(혼합윤활) • 작용하중의 대부분은 돌출부들의 금속과 금속간의. 접촉을 통해 전달되고, 나머지는 돌출부 골짜기에 존재하는 가압된 유막에 의해 전달 • 유막의 두께는 표면거칠기의 3배 이하 • 마찰계수는 0.4까지 변함 . Boundary lubrication (경계윤활) • 하중은 얇은 경계층으로 덮여있는 접촉면을 통해 직접 전달 • 마찰계수 0.1 ~ 0.4 • 경계층이 깨어지면 마멸량은 증가 → 접촉면의 화학적 성질과 표면거칠기가 마멸량을 좌우. Prof. Jae-Woong Youn. 63.

(64) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Tribology - 9  금속가공용 윤활유     . 마찰을 감소시켜 가공에 소요되는 힘과 에너지를 줄이고 온도상승을 막음 마멸을 줄이고 Seizure, galling 등의 방지 공구, Die 및 주형내에서의 소재유동을 용이하게 함 공작물, 공구 및 Die 표면들 사이의 열교환을 방해 → 열간가공시 공작물의 냉가을 방지 Die나 주형으로부터 가공물을 꺼내거나 분리시키는 것을 용이하게 함.  고체 윤활제     . 제조공정용의 윤활제로 사용됨 흑연 : 층방향으로의 전단에 약하기 때문에 이 방향으로 낮은 마찰 계수를 가짐 이황화 몰리브덴(MoS2) : 층상구조의 고체 윤활제 강도가 낮은 금속이나 고분자 재료 : 공작물 표면에 피복하여 사용 유리 : 고온에서 점성이 큰 액체상태 → 윤활제.  Conversion coating(전환 피복) . 윤활제가 공작물 표면에 잘 부착되게 하기위해 공작물의 가공직전에 공작물 표면을 산으로 화학반응시켜 거친 다 공질 상태로 변화시킴 → 윤활막이 견고하게 형성됨.  윤활제의 선정 시 고려사항       . 제조공정의 종류 공작물, 공구, Die 재료들과의 조화 다른 윤활제에 의한 오염 가능성 폐기된 윤활제의 처리 윤활제의 보관 및 보존 생물학적 및 생태학적 문제점들 비용. Prof. Jae-Woong Youn. 64.

(65) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Surface Treatments, Coatings, and Cleaning - 1  표면처리의 필요성 내마멸성, 내침식성, 압입저항의 향상  마찰의 조절  응착의 감소  윤활의 향상  내부식성 및 내산화성의 향상  강성 및 피로저항의 향상  표면거칠기의 향상  장식, 색상, 특수질감의 효과 .  표면처리법 . Shot peening • 주철, 유리, 세라믹 재료로 된 수많은 Shot을 공작물 표면에 반복적으로 투사 • Shot peening으로 생긴 소성변형은( ~ 1.25mm 깊이) 깊이방향으로 불균일하고, 표면에 압축 잔. 류응력을 남겨서 소재의 피로수명을 향상 시킴 . Roller burnishing • 강한 Roll로 표면을 국부적으로 냉각가공하는 방법으로 surface rolling 이라 불림 • 표면조도 향상 • 내부식성 (부식 유발물질의 침입 방지) • Ballizing 혹은 Ball burnishing : 원통의 내면을 표면처리. Prof. Jae-Woong Youn. 65.

(66) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Surface Treatments, Coatings, and Cleaning - 2 . Explosive hardening (폭발경화법) • 순간적으로 높은 압력을 표면에 작용시킴 • 공작물 형상을 크게 변화시키지 않고 (5% 미만) 표면의 경도를 증가 시킬 수 있음. . Cladding • 금속소재의 표면위에 내부식성의 다른 금속재료를 Roll이나 다른 수단 으로 가압하여 얇게 입히. 는 공정 . Mechanical Plating (기계적 도금법) • 소재의 표면위에 놓인 미세한 금속 입자들을 유리, 세라믹, 혹은 사기 구슬들로 때려 촘촘하게. 입히는 공정 • 도금두께는 0.025mm 이하 . Case hardening(표면경화법) • Craburizing(침탄법), Carbonitriding(침탄질화법), Cyaniding(청화법), Nitriding(질화법), Flame. hardening(화염경화법), Induction hardening(유도 경화법) 등이 있음 . Hard facing (살돋움법) • 소재의 면이나 모서리 혹은 어떤 한점에 내마멸성의 경한 금속재료를 용접으로 비교적 두텁게. 덧붙이는 공정 . Thermal spraying (가열분무법) • 금속재료를 화염, 전기 아크 혹은 플라즈마 아크 등으로 용융시킨 후, 용융금속을 소재에 분무. 하는 공정. Prof. Jae-Woong Youn. 66.

(67) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Surface Treatments, Coatings, and Cleaning - 3  Vapor deposition (증착법). 피복재료의 화합물이 함유된 기체와 소재표면의 화학반응을 통해 제품을 피복하는 공정  피복층의 두께는 수 μm임 .  물리적 증착법 . Vacuum evaporation(진공증착법) • 피복된 금속이 높은 온도와 진공상태에서 가열된 후 표면에 모여 피복층 형성 • 복잡한 형상도 균일하게 피복. . Sputtering • 불활성기체(아르곤)가 전기장에 의해 이온화되면서 생기는 양이온이 피복재료(음극)를 때리면 피. 복재료의 원자가 튀어나와서 모재표면에 응축되면서 피복층 형성 . Ion plating (이온 도금법) • 진공증착법 + Sputtering.  Chemical vapor deposition (화학적 증착법) 불활성 분위기와 대기압하에서 950 ~ 1050 ℃ 정도로 가열  필요로하는 피복금속의 가스들이 주입되어 화학반응을 일으킴  피복층의 두께는 물리적 증착의 경우보다 두꺼움 . Prof. Jae-Woong Youn. 67.

(68) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Surface Treatments, Coatings, and Cleaning - 4  Ion implantation (이온 주입법). 이온도금과는 달리, 이온들이 진공상태에서 가속되어 소재표면을 통해 수 μm 정도의 깊이까지 내부로 침투  소재의 표면경도를 증가시키고, 내마멸성 및 내부식성도 향상시킴  정확한 공정제어 가능 .  Diffusion coating(확산 피복법) . 합금원소들이 확산현상에 의해 소재 내부로 침투 → 표면성질을 변화시킴.  Electroplating (전기도금) . 전해액속에 잠겨있는 소재(음극)와 도금재료(양극) 사이의 전위차에 의해 야기되는 전해작용을 이용해 피복하는 방법. Prof. Jae-Woong Youn. 68.

(69) Chap.4 표면특성 및 품질검사. Surface Treatments, Coatings, and Cleaning - 5 도금 두께 : 0.05mm 까지 가능  Electroless plating (무전해 도금법) . • 소재의 도금이 화학반응을 통해 이루어지며 전원은 사용되지 않음 . Anodizing (양극처리법) • 소재를 양극으로 하여 전해액속에 잠기게한 후 전압을 가하면, 양극측에서 발생되는 산소가 소. 재표면을 산화시켜 산화층이 형성됨 • 다양한 색상의 유기염료들이 사용될 경우 소재표면에 착색된 피막이 형성.  Surface cleaning (표면청정법) 고체, 반고체 혹은 액체상태의 오염물질을 표면으로부터 제거하는 방법  기계적 방법 . • brushing • abrasive blushing • tumbling • steam jet • 초음파 등 . 화학적 방법 • 용해 • 비누화 : 기름을 수용성 알칼리염으로 변화시킴 • 유화 : 유화액으로 변형시키고, 기름때와 유화제는 유화액속에 부유됨 • 분산 : 농도의 저하 • 집합 : 윤활제를 표면으로부터 분리시켜 덩어리로 변형시킴. Prof. Jae-Woong Youn. 69.

(70) Testing and Inspection - 1. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  Nondestructive testing (비파괴검사) . 제품의 성질 및 표면상태를 변화시키지 않고 수행.  액체침투법(Liquid-penetrants technique) 제품의 표면에 바른 액체가 표면의 열린 틈을 통해 내부로 침투되는 것을 조사하여 표 면균열, 갈라진 금, 기공 등을 검사  Procedure . • 검사표면의 세척 및 건조 • 침투액을 표면에 붓이나 Spray로 뿌림 • 액체가 표면의 틈으로 스며들 수 있도록 충분한 시간동안 대기 • 현상체(Developing agent)를 가하면 침투액이 거꾸로 표면으로 빠져나오면서 표면의 열린 틈. 가장자리에 퍼짐 • 직접 혹은 자외선 등을 비추어 결함조사 . 표면결함을 찾기 위한 장치가 간단한 장점이 있지만, 내부결함 검사는 불가능한 단점이 있음.  자기탐상법(Magnetic-particle inspection technique) 강자성의 미세한 입자를 이용하여 제품표면 혹은 표면 밑 결함을 검사  Procedure . • 제품의 표면에 강자성의 입자를 건식(직접) 혹은 습식(물이나 기름에 타서 사용)으로 뿌림 • 제품에 자장을 걸면 표면의 불연속선, 즉 결함을 따라 입자들이 모임 • 모인 입자들은 결함의 형상이나 크기를 나타냄 . 표면 밑 결함도 표면에서 멀리 떨어져있지 않으면 이 방법으로 찾을 수 있음. Prof. Jae-Woong Youn. 70.

(71) Testing and Inspection - 2. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  초음파 검사법(Ultrasonic inspection) 제품에 발사된 초음파 빔이 균열과 같은 내부결함을 만나면 반사되는 성질을 이용하여 제품의 내부결함을 검사  Transducer . • 압전재료로 Probe 또는 Search unit(탑촉자)가 활용됨 • 1 ~ 25MHz의 초음파 주파수 • 초음파는 중간매질을 거쳐 검사물에 전달 (물, 기름, 글리세린, 그리스 등) . 다른 비파괴검사보다 정확도가 높으나, 검사의 실시 및 검사결과의 정확한 해석에 경험 이 요구됨.  음향방사법(Acoustic-emission technique) 소성변형, 균열의 발생 및 전파, 상변화, 급작스런 결정립계의 재배치 등에 의해 검사물 자체가 발생하는 신호를 검출하여 제품의 결함을 검사  제품에 탄성적인 응력을 가하면서 실시  압전식 세라믹 센서 사용 . Prof. Jae-Woong Youn. 71.

(72) Testing and Inspection - 3. Chap.4 표면특성 및 품질검사.  음향 충격법(Acoustic-impact technique)  . 검사물의 표면을 망치 등으로 가볍게 두드릴 때 발생하는 음향신호를 분석하여 결함을 감지 검사물의 형상과 질량에 따라 음향신호가 다르므로 결함의 존재를 식별하기 위해서는 표준품이 필 요함.  방사선 투과법(Radiography) . 주로 X선 검사, 제품의 내부결함을 검사.  와전류탐상법(Eddy-current inspection method)  . 검사물을 코일 속이나 옆에 설치한 후, 60Hz ~ 6MHz의 교류를 흐르게 하면 검사물에 와전류가 발 생 검사물 내부에 결함이 존재하는 경우, 와전류 방향을 바뀌게하고 전자기장에 변화를 줌.  열탐상법(Thermal inspection) . 온도변화를 이용한 내부결함의 검사.  Holography . 광학장치를 이용하여 물체의 3차원상을 만듦.  파괴검사 (Destructive testing)  . 제품의 형상이나 표면상태 등에 변화를 주어 검사 경도시험도 파괴검사임 (미소경도시험 : 비파괴 검사).  자동검사(Automated inspection)  . Postprocess inspection On-line inspection or In-process inspection. Prof. Jae-Woong Youn. 72.

(73) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Chapter 5.. 금속의 주조공정 및 열처리 윤재웅 대구대학교 Prof. Jae-Woong Youn. 자동차 · 산업 ·기계공학부 73.

(74) Prof. Jae-Woong Youn. 74.

(75) Prof. Jae-Woong Youn. 75.

(76) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Introduction  Casting(주조). 용융금속을 주형에 부어 응고시킴으로써 제품을 만드는 방법  주조공정으로 거의 모든 금속을 원하는 모양의 최종제품으로 성형할 수 있으며, 어떤 경우에는 약간의 후작업이 필요하기도 함 .  주조공정의 주요 인자 금속의 응고에 따른 수축  용탕의 주형(Mold or, Mold cavity) 유입  주형에서 금속의 응고와 냉각동안 일어나는 열전달  주형재료의 영향 . Prof. Jae-Woong Youn. 76.

(77) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 1.  Pure metal의 경우 확실하게 정의된 융점(Melting point)와 응고점(Freezing point)을 가지므로, 일 정한 온도에서 응고가 일어남  용융금속의 온도가 응고점까지 떨어지면 응고과정의 잠열(Latent heat)이 방출되는 동안 온도는 일정 하게 유지됨  합금의 경우는 어떤 온도 범위에 걸쳐서 응고가 일어남 (액상선/고상선) → Phase diagram (상태도). Prof. Jae-Woong Youn. 77.

(78) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 2  Solid Solution (고용체). 합금시에 용매의 특정한 결정구조가 유지되면 그 합금을 고용체라 함  치환고용체(Substitutional solid solution) . • 용질의 원자크기가 용매의 원자 크기와 비슷하면, 용질원자는 용매 원자와 치환되어 치환고용체. 를 형성 (황동 : 구리 + 아연) . 침입고용체(Interstitial solid solution) • 용질원자의 크기가 용매원자보다 훨씬 작으면 용질원자는 용매원자 사이의 공간을 확보하며. 침입고용체를 형성 (Steel).  Intermetallic compounds (금속간 화합물) . 용질원자가 용매원자 사이에 특정한 비율로 섞여있는 복잡한 구조.  Two-phase system (2상계) 고용체는 하나의 균질한 고상(Solid phase)을 형성  두 개의 고상으로 구성된 시스템을 2상계라 부름 (Mechanical mixture) . Prof. Jae-Woong Youn. 78.

(79) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 3  Phase diagram (평형 상태도)  . 특정한 합금에서 온도, 조성과 현재의 상 사이의 관계를 나타내는 선도 Lever rule • 상태도에서 여러 상들의 조성을 지렛대 법칙이라는 방법으로 구할 수 있음 • 고체 부분의 무게 비율. C  CL S  0 S  L CS  C L. • 액체 부분의 무게 비율. C  C0 L  S S  L CS  C L. . 예제. Prof. Jae-Woong Youn. 79.

(80) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 4  The iron - carbon system (철-탄소계) Pure iron : ~ 0.008% 탄소 함유  Steel : 0.008% < C < 2.11 %  Cast iron : < 6.67% C .  Ferrite d-ferrite : 매우 높은 온도에서만 안정하며, 실제적으로 공학적 의미는 없음  a-ferrite (or ferrite) : BCC구조이며 최대 0.022%의 탄소용해도를 가짐  Ferrite는 연성을 가지며, 상온에서 768℃까지 자성을 띰  탄소량은 ferrite의 기계적 성질에 큰 영향을 미침 . Prof. Jae-Woong Youn. 80.

(81) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 5  Austenite. 1394℃와 912℃ 사이에서 FCC로 바뀌며 보통 -철이라 부름  1148℃에서 2.11%의 탄소를 용해할 수 있음  탄소가 철사이에서 침입하여 존재  Austenite는 강의 열처리에 있어서 중요한 상으로, FCC 구조는 고온에서 연성을 가지 므로 성형성이 좋음  Austenite는 비자성임 .  Cementite 탄소함유량이 6.67%인 100% 탄화철 (Fe3C, iron carbide)  Cementite는 매우 Brittle함 . The unit cell for (a) austentite, (b) ferrite, and (c) martensite. The effect of the percentage of carbon (by weight) on the lattice dimensions for martensite is shown in (d).. Prof. Jae-Woong Youn. 81.

(82) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 6  The iron-iron carbide phase diagram (철-탄화철 상태도) . 0.77% 탄소함유량에 대해 (Eutectoid steel, 공석강) • Austenite 온도에서 서서히 냉각 (서냉은 평형상태를 유지하기 위함) • 727℃에서 Ferrite와 Cementite로 변태. (Ferrite에서는 탄소용해도가 0.022% 밖에 안되므로. 초과분의 탄소는 Cementite로 석출됨) • 단상의 Austenite가 두 개의 다른 고체상(Ferrite와 Cementite)로 동시에 석출됨 (Pearlite) → 공석반응 (Eutectoid reaction) . Pearlite • 미세구조는 Ferrite와 Cementite의 층상구조 • 기계적 성질은 Ferrite와 Cementite의 중간. . 탄소가 0.77% 미만인 경우 • Pearlite상과 Ferrite상으로 구성. . 탄소가 0.77% 이상인 경우 • Pearlite상과 Cementite상으로 구성. . 철에서 합금원소의 영향 • 공석온도가 727℃ 보다 높아지거나 낮아짐 • 합금원소는 공석조성(공석점에서 강의 탄소함유량)을. 낮게함. Prof. Jae-Woong Youn. 82.

(83) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 금속의 응고 - 7  Cast iron (주철) . 주철은 철과 탄소(약 2.11 ~ 4.5%), 그리고 실리콘으로 구성된 철합금으로 응고형태에 따라 다음과 같이 분류됨 • Gray cast iron (회주철). • Nodular cast iron (가상흑연 주철) • White cast iron (백주철) • Malleable cast iron (가단주철) • Compact graphite iron (컴팩트 흑연주철) . 주철은 강의 용융온도 보다 낮은 온도에서 완전히 액상으로 됨 → 낮은 용융온도를 갖기 때문에 주조공정에 적당함. Prof. Jae-Woong Youn. 83.

(84) 열처리 (Heat Treatment) - 1. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  금속의 다양한 미세조직을 열처리에 의해 수정  상변태(Phase transformation)을 야기하여 강도, 경도, 연성, 내마멸성 등 다양한 기계적 성질을 변경. Prof. Jae-Woong Youn. 84.

(85) 열처리 (Heat Treatment) - 2. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Heat treating ferrous alloys Pearlite  Austenite에서 Pearlite로 변태하는 공석과정에서 냉각속도에 따라 미세/조대 Pearlite 구 조로 나뉨 (냉각속도가 빠르면 미세 Pearlite)  미세 Pearlite : Pearlite 구조에 Ferrite와 층상 Cementite가 얇고 치밀하게 존재  조대 Pearlite : 층상구조가 두껍고 넓게 존재  항온 변태선도(Isothermal Transformation Diagram or Time-TemperatureTransformation Diagram(TTT))  Spherodite  Pearlite가 공석온도까지 가열되고 그 온도에서 일정한 시간 만큼(700℃, 하루정도) 유지되면, 층상의 Cementite는 구형 변환  형상으로 인해 응력집중을 완화시킴  Pearlite 구조에 비해 높은 인성과 낮은 경도를 가짐  연성의 Ferrite가 높은 인성을 갖고, 구형 탄화물 입자가 재료내에서 균열의 전파를 막아 주므로 냉간가공이 가능  Bainite  Ferrite와 Cementite로 구성된 아주 미세한 구조  강에 합금원소를 첨가시키고, Pearlite로 변태하는데 필요한 것 보다 빠른 냉각속도에서 만들어짐  일반적으로 같은 경도 등급에서 Pearlite에 비해 연성이 좋고 강함 . Prof. Jae-Woong Youn. 85.

(86) 열처리 (Heat Treatment) - 3. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Martensite Austenite가 급랭되면 FCC 구조가 BCC로 바뀜 (→ Martensite)  BCC 보다 Slip system이 적고, 탄소가 침입형으로 존재하므로 매우 경하고 취성이 큼  무확산 변태 Retained Austenite (잔류 Austenite)  합금을 Quenching(담금질)할 째, 온도가 충분히 낮지 않으면 일부분만 Martensite로 변태됨  나머지는 Austenite로 잔류 (Austenite는 치수 불안정성을 야기하고, 경도와 강도를 저 하시키며 균열을 만들 수 있음) Tempered Martensite  Tempering : Martensite의 강도를 줄이고 인성을 향상시키는 공정  Martensite를 BCC a-Ferrite와 Cementite의 작은 입자로 구성되는 두 상으로 변환되는 중간온도까지 가열 (Tempering 시간이 길고, 온도가 높으면 Martensite의 경도를 줄임 ← Austenite가 합쳐져서 성장하고 불안정한 탄화물 입자가 용해됨) Hardenability of ferrous alloys  열처리에 의해 합금이 경화되는 능력  Jominy test 법으로 경화능 결정 Quenching Media (담금질 액)  물, 염수, 기름, 용융염, 공기 등에서 수행  열전도도, 비열, 증발열 등에 따라 냉각속도가 결정됨 . . .  . Prof. Jae-Woong Youn. 86.

(87) 열처리 (Heat Treatment) - 4. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Heat treating nonferrous alloys and stainless steel 비철합금의 경우 강과 같은 상변태를 일으키지 않기 때문에, 비철합금의 경화 및 경화 방법은 근본적인 차이가 있음  Precipitation hardening(석출경화법) 또는 Age hardening(시효경화)라고 불림  온도가 저하함에 따라 한 재료가 다른 재료안에서 용해도가 저하하는 합금으로써만 가 능함 .  Case hardening (표면경화) 표면경화 : 표면의 성질만 바꾸는 처리 공정  표면경화법은 기본적으로 열처리 공정이며 필요한 원소(탄소, 질소, Boron 등)가 함유 된 분위기에서 소재를 가열하여 표면의 성분조성, 미세조직과 성질을 바꿈  Carburizing (침탄법)  Carbonitriding (탄소질화법)  Cyaniding (청화법) . • 부품을 Ac1점 약간 위에서 용융된 Sodium cyanide salt bath에 담금. Nitriding (질화법)  Induction Hardening (유도 경화법)  Flame Hardening (화염 경화법) . Prof. Jae-Woong Youn. 87.

(88) 열처리 (Heat Treatment) - 5. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Annealing (풀림처리) 냉간가공 또는 열처리된 금속이나 합금이 원래의 성질을 되찾도록 해주는 공정 (연성의 증가, 경도와 강도의 감소, 조직변경, 가공된 부품의 절삭성과 치수안정성의 개선을 위 한 잔류응력의 해소)  Annealing 공정 . • 가공물을 특정온도까지 가열 (냉간가공의 정도에 따라 재결정온도 이상일 수 있음) • 일정시간 동안 온도 유지 • 서냉.  Full annealing 철금속의 annealing에 적용 (A1 or A3 이상 가열) → 조대 Pearlite로서 부드럽고 연성이 크며, 작고 균일한 결정립을 가짐  노안에서 서냉  Isothermal annealing . Prof. Jae-Woong Youn. 88.

(89) 열처리 (Heat Treatment) - 6. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Normalizing Annealing시 발생할 수 있는 과도한 연화를 공기중에서 행하면 피할 수 있음  Austenite 조직으로 변태되도록 A3나 Acm 온도까지 가열  Full annealing된 부품에 비해 큰 경도와 강도를 갖게되며, 연성은 떨어짐  균일한 결정립의 미세 Pearlite 조직을 얻음 (잔류응력을 줄이고 절삭성을 향상시킴) .  Spherodizing Cementite의 구조를 구상화하는 공정  Procedure : 임계영역보다 낮은 온도까지 서서히 가열한 후, 충분한 시간 동안 온도 유지  절삭성을 향상시킴 (특히, 과공석강의 절삭성을 향상시킬 때 유용) . Prof. Jae-Woong Youn. 89.

(90) 열처리 (Heat Treatment) - 7. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Tempering . 열처리에 의해 경화된 강의 취성을 줄이고, 연성과 인성을 늘리며 잔류 응력을 줄이는 데 이용.  Austempering 가열된 강을 Austenizing 온도에서 Ferrite나 Pearlite의 형성을 피할 정도로 급속 냉각  Austenite에서 Bainite로 완전히 항온변태가 일어날 때까지 특정온도로 유지  공기중에서 상온까지 서냉 . • 균열과 뒤틀림을 줄이거나, 경도를 유지하며 연성과 인성을 향상 시킴. • 비교적 짧은 공정시간 때문에 매우 경제적임.  Martempering Austenizing 온도로 가열된 강 또는 주철을 뜨거운 기름이나 용융염 같은 액체매개물에 담궈 그 온도까지 급냉  제품 전체의 온도가 균일해질 때까지 액체매개물 속에 담궈둔 후, 공기중에서 온도구배 가 없도록 서냉  이때의 조직은 Martensite로 대부분의 사용 목적에 부적절하므로 Tempering 시킴  균열이나 뒤틀림에 대한 저항이 크고 열처리 동안 잔류응력을 발생시킴 . Prof. Jae-Woong Youn. 90.

(91) 열처리 (Heat Treatment) - 8. Prof. Jae-Woong Youn. 91. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.

(92) 열처리 (Heat Treatment) - 9. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Design consideration for heat treating . 복잡한 모양(단면의 변화나 두께 차이)의 제품인 경우, 냉각속도가 불균일 해지고 이로 인한 온도구배는 수축량에 차이를 가져와 열응력 및 균열을 발생시킴 → 제품설계시 고려, 담금질액, 온도 등의 선택 • 날카로운 모서리를 피함 (균열발생) • 구멍이나 홈, 날카로운 부분 또는 비대칭 부분은 균열 발생 • 얇고 넓은 면은 뒤틀리기 쉬움. Prof. Jae-Woong Youn. 92.

(93) Casting Structure (주조 조직) - 1  Pure Metals . 결정립은 주형으로부터의 열전달과 반대방향으로 성장. Prof. Jae-Woong Youn. 93. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.

(94) Casting Structure (주조 조직) - 2. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Alloys . Mushy zone : 액상과 고상의 공존영역 • 응고범위 = TL - TS • 응고범위가 없는 순금속의 경우, Mushy 영역의 형성없이 응고표면이 면으로 이동. . 냉각속도의 영향 • 응고시간이 길면 조대한 수지상정(Dendrite) 구조를 갖게됨 • 응고시간이 짧아지면 조직은 미세하게 되고 Dendrite 가지사이의 간격도 좁아짐. Prof. Jae-Woong Youn. 94.

(95) Fluid Flow and Heat Transfer - 1. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Fluid flow (용탕의 유동) . Gating System • Pouring basin • Sprue. • Gate • Runner • Riser. 용탕에 포함되어 있는 산화물 등을 주입구 벽에 붙게함  너무 빠른 응고, 난류문제, 가스 혼입 등을 최소화할 수 있도록 설계 해야 함  탕구(Sprue)의 단면적에 구배를 줌 : 용융금속이 떨어지면서 속도가 증가하기 때문에 단면적이 감소(베르누이 정리) → 액체가 탕구벽과 접촉하지 않게 됨(공기가 유입됨) . Prof. Jae-Woong Youn. 95.

(96) Fluid Flow and Heat Transfer - 2. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  유동 특성 . 난류발생을 억제 • 난류는 용융금속이 공기나 다른 가스의 유입을 일으키고, 이는 표면에 불순물을 형성 • 유동방향과 단면적의 급작스런 변화를 피해야 함. . 불순물과 Slag가 제거될 수 있도록, 주입구와 탕구계의 설계 및 필터 이용 필요.  Fluidity of molten metal (용탕의 유동성) 유동성(Fluidity) : 용탕이 주형속을 채울 수 있는 능력  유동성에 영향을 주는 용탕의 특성 . • 점도 및 표면장력 • 게재물(Inclusion) : 게재물은 유동성을 나쁘게 함 • 합금의 응고 형태 : 응고범위가 짧을수록 유동성이 커짐 . 주조시의 열적 특성과 용탕의 유동에 영향을 미치는 주조 변수 • 주형설계 • 주형재료와 표면특성 : 주형의 열전도도가 크고, 표면이 거칠수록 유동성은 줄어듬 (주형의 온도. 를 높이면 유동성은 좋아지지만 응고가 느려지며, 조대입자를 형성하게 되므로 강도가 떨어짐) • 과열의 정도 : 응고를 지연시키므로 유동성을 좋게함 • 주입속도 : 천천히 주입할수록 빠르게 식으므로 유동성이 떨어짐 • 열전달 : 용탕의 점성에 직접적인 영향을 줌 . 유동성 시험법 : 채널을 통해 용탕을 부은 후, 용탕이 응고되어 정지하기 전까지 흘러간 거리를 척도로 함. Prof. Jae-Woong Youn. 96.

(97) Fluid Flow and Heat Transfer - 3. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  Heat transfer (열전달) . 경계면에서 생기는 온도 강하는 경계층 (Boundary layer)의 존재와 불완전한 접촉에 기인. Prof. Jae-Woong Youn. 97.

(98) Fluid Flow and Heat Transfer - 4  응고시간 (Solidification time)  체적  C   표면적. 2. . 응고시간 =. . 외부 돌출각(B)이 내부 돌출각(A) 보다 빨리 식음.  수축(Shrinkage) . 수축 요소 • 응고전 냉각동안 생기는 용탕의 수축 • 용탕의 응고시 수축 • 대기 온도로 냉각되는 동안 고상 금속(주물)의 수축. Prof. Jae-Woong Youn. 98. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.

(99) Fluid Flow and Heat Transfer - 5. Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  결함 (Defects) Metallic projection(금속 돌출)  Cavity(기공) : 내부 및 외부 기공  Discontinuity(불연속 부분) : 균열  Defective surface(표면결함) : Surface fold(표면접힘), Lap(겹침), Scar(흠) 등  Incomplete casting(불완전한 주물) : 너무 이른 응고로 인한 유동 부족, 용탕의 부족, 주입 후의 용탕 손실 등  Incorrect dimension or shape : 부적절한 수축 여유, 변형/뒤틀림 등으로 인한 치수 오차  Inclusion(게재물) : 비금속 게재물은 응력 집중원으로 작용하고, 주물의 강도를 감소시킴  Porosity(미소기공) . • 주조시에 기공은 수축 또는 Gas 등에 의해 발생 → 주물의 연성과 표면정도에 치명적임 • 두꺼운 부분의 표면은 응고되면서 기공 발생 • 용탕이 응고되면서 수축하여 Dendrite 사이나 Dendrite 가지 사이에서 미세기공이 발생. Prof. Jae-Woong Youn. 99.

(100) Fluid Flow and Heat Transfer - 6 . Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. 수축 기공을 없애는 방법 • 용탕의 적절한 공급 • Chill(냉각쇠) 사용 : 응고속도를 증가시킴 • 열 전도도가 높은 주형재료 사용 : 온도 구배를 급하게 함으로써 기공을 줄이거나 없앰. • 열간 균형 가압 . 응고시 가스 발생 • 가스는 용탕에서 더 큰 용해를 가짐 • 용탕이 주형재료와 반응하여 가스 발생. . 가스가 생기면 내부 기공에 축적되거나 미세기공을 형성 → 용탕에 용해된 gas는 불활성 기체를 불어 넣어 제거 → 금속을 진공속에서 용해하여 주입. Prof. Jae-Woong Youn. 100.

(101) 주물 재료(Casting Alloys). Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리.  철합금(Ferrous alloys) 주철(cast iron) : 모든 금속중 주물재료로 가장 많이 사용됨  주철은 일반적으로 마모저항, 경도, 기계가공성 등 여러가지 바람직한 성질을 가짐  회주철(Gray cast iron) . • 흑연이 편상으로 크게 존재하는 구조 • 편상흑연은 응력집중원의 역할을 하므로 압축에는 강하지만 인장에는 약하여 연상을 거의 갖지. 않음 • 편상흑연은 내부마찰에 진동감쇠 능력이 있으므로, 공작기계의 받침대와 구조물에 적합 . 구상 흑연주철(Nodular cast iron) • 흑연의 결절성(Nodular) 또는 구상형(Spheroid)으로 형성 • 재료가 연성을 가지며 충격에 강함. . 백주철(White cast iron) • 흑연대신 많은 양의 탄화철을 포함하므로 취성이 강함 • 조직은 매우 강하고 내마멸성이 있음 • 파단면에 흰 결정면이 보이므로 백주철이라 함. . 가단주출(Malleable cast iron) • 가단주철은 백주철을 여러시간 동안 annealing하여 얻음 • 열성, 강도, 충격저항 등이 우수. . Compact 흑연주철(Compact graphite iron) • 짧고 두꺼운 내부적으로 연결된 편상흑연들로 구성 • 기계적, 물리적 성질은 편상흑연과 구상흑연 주철의 중간 정도됨. Prof. Jae-Woong Youn. 101.

(102) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Ingot Casting and Continuous Casting - 1  Ingot 용탕을 고상형으로 제작  Ingot을 이용하여 압연, 주조, 단조공정등을 수행함으로써 성형함 .  연속주조 . 성형공정의 효율을 개선하고 Ingot에 대한 필요를 없애기 위해 Ingot 주조가 연속주조로 대체되고 있음.  Ferrous alloy Ingot(철합금 Ingot) 온도가 내려감에 따라 금속에 용해되는 가스의 용해도가 급격히 감소하기 때문에 가스의 대부분은 응고과정에서 방출됨  방출된 가스는 탄소와 결합하여 응고된 Ingot에 기공을 형성함  Killed Steel . • 완전히 탈산된 강으로 산소와 기공이 모두 제거된 상태. • 탈산과정에서 용탕에 녹아있는 산소는 첨가된 알루미늄, 실리톤, 만간, 바나듐 등과 반응 • Killed란 용어는 강이 주형속으로 주입된 이후 조용하게 유지하기 때문에 붙여짐 • 완전한 Killed강에는 가스로 인해 생기는 기공이 없으며 Ingot의 표면 근처에 형성되는 큰 구멍인. Blowhole도 없음 • 응고표면의 금속수축 때문에 Ingot의 윗표면에 Pipe가 형성됨(수축공동). Prof. Jae-Woong Youn. 102.

(103) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Ingot Casting and Continuous Casting - 2 . Semi-Killed Steel • 부분적으로 탈산된 강으로, 일반적으로 Ingot의 상부층에 약간의 기공을 가지나 Pipe가 거의 없음. (파이프가 형성되는 자리에 기공이 형성되기 때문에 Piping이 생기지않음) . Rimmed Steel • 일반적으로 0.15% 미만의 적은 양의 탄소를 포함 • Gas는 Ingot의 바깥을 따라 blowhole을 형성 • Rimmed 강의 경우에는 거의 Piping이 일어나지 않으며 표면정도가 양호한 연성의 표면을 가짐.  Continuous Casting(연속주조) Ladle : 용탕은 질소가스를 5～10분 동안 불어넣어 청정시키고, 온도를 균일하게 유지함  Tundish : 불순물을 거름  Mold : 수냉식, 주로 공정 시작전에 주형의 바닥에는 고체의 개시봉(Stater) 을 삽입함  두께를 더욱 감소시키기 위해 곧바로 압연기에 연결할 수도 있음(I-beam제작)  두께가 얇으면 필요한 압연공정의 횟수를 줄일 수 있으므로 전체공정의 경제성을 개선할 수 있음 . Prof. Jae-Woong Youn. 103.

(104) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Ingot Casting and Continuous Casting - 3  Continuous Casting(연속주조) Ladle : 용탕은 질소가스를 5～10분 동안 불어넣어 청정시키고, 온도를 균일하게 유지함  Tundish : 불순물을 거름  Mold : 수냉식, 주로 공정 시작전에 주형의 바닥에는 고체의 개시봉(Stater) 을 삽입함  두께를 더욱 감소시키기 위해 곧바로 압연기에 연결할 수도 있음(I-beam제작)  두께가 얇으면 필요한 압연공정의 횟수를 줄일 수 있으므로 전체공정의 경제성을 개선할 수 있음 . Prof. Jae-Woong Youn. 104.

(105) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Casting Processes : Expendable Mold (주조공정 : 소모성 주형) - 1 . 주물이 응고한 후에는 주형을 깨고 주물을 꺼내므로 소모성 주형이라고 함.  Sand Casting(사형 주조) 주물의 모양을 갖는 모형(Pattern)을 이용  탕구계를 포함하는 주형을 만들며, 용탕을 주입하여 채우고, 금속이 냉각 되어 응고하 면 모래주형을 깨뜨리고 주물을 꺼냄  주물사(Sands) . • 대부분의 사형주조는 Silica Sand(SiO2)를 사용 • 주물사는 미세하고 둥글어야 매끈한 주형면을 형성하고 치밀하게 결합됨. • 통기도(Permeability)가 좋아야 주조하는 동안 가스와 공기가 쉽게 빠져나갈 수 있음 • 모래입자들은 결합하고 적절한 강도를 부여하기 위해 점토를 첨가함. Prof. Jae-Woong Youn. 105.

(106) Chap.5 금속의 주조공정 및 열처리. Casting Processes : Expendable Mold (주조공정 : 소모성 주형) - 2  Types of Sand Molds(사형의 종류) . 생사형(Green-sand mold) • 가장 많이 이용됨(가장 저렴) • 용탕주입시 아직 수분을 함유하고 있다는 의미. . 건조사형(Skin-dried mold) • 주형면을 공기나 화염으로 건조시킴  일반적으로 높은 강도를 갖고 있으므로 대형주물에 이용  생사형보다 강하고 더욱 정확한 치수와 좋은 표면정도를 갖게함 • 주형의 뒤틀림이 크고, 건조시간이 필요하므로 생산성이 떨어짐 • 사형의 구성요소  상형(Cope)  하형(Drag)  Cheek : 둘 이상의 부분으로 구성된 주형  Pouring basin (용탕받이)  Gate : 용탕에서 난류를 최소화하기 위해 탄구계(Gating system)을 가짐  Riser : 응고수축의 보상  Core : 주물사로 만들어지며, 주형안에 첨가하여 주물내부에 공동부를 만듬  Vents(배기공) : 가스의 배출. Prof. Jae-Woong Youn. 106.