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주물
주물(casting, 鑄物)은 주조로 만들어진 제품이다. 주조(鑄造)는 주로 철, 알루미늄 합금, 구리, 황동 등 금속 재료를 융점보다 높은 온도에서 가열하여 액체로 만들어 거푸집에 부어 굳히는 가공 방법이다. 주조에 사용되는 틀을 주형(鑄形)이라고 한다. 다이캐스팅(die casting)은 보통 철로 된 금형 안에 알루미늄 재료를 사용하는 것을 말한다.[1]
목차
개요
주물은 원료인 금속을 용해하여 주형(거푸집)에 부어 냉각 응고시켜서 원하는 모양의 금속제품으로 만드는 일 또는 그 제품의 총칭이다. 뜨거운 쇳물을 견딜 수 있는 금속 덩어리로 만든 주형에 중력, 압력, 원심력 등을 이용해 금속을 주입시켜 만든다. 사용하는 금속이나 주형의 종류, 용해된 금속의 유입법에 따라 분류할 수 있다. 재질에 따라 주철 주물, 강철 주물, 구리합금 주물, 경합금 주물 등으로 나누어진다. 주형과 주조법에 따라 모래형 주물, 금형 주물, 다이캐스트 주물, 정밀 주조주물, 원심 주조주물 등으로 나눈다. 주철과 주강에서는 모래형에 주물을 붓는 모래형 주물이 많이 사용된다. 주물은 주조나 용접에 비해 복잡한 형상의 것을 간단하게 대량 생산할 수 있는 것이 특색이다. 기계제품, 자동차부품, 전자부품, 각종 기어박스, 황동, 공예품, 도로 난간 데스리 등 제품이 있다. 주물은 기계 구조의 대부분을 차지하며 주철 주물이 가장 널리 사용되고 있다.[2][3]
주물은 사용하는 금속에 따라서 주철 주물, 알루미늄 합금 주물, 구리 합금 주물 등으로 분류하거나 주형의 종류와 용해된 금속의 유입법에 따라 분류한다. 주형의 재료는 주물사(鑄物砂)를 단단히 다져서 만드는 사형(砂型), 강(鋼) 등의 금속에 조각해서 만드는 금형(金型), 가열하면 단단해지는 합성수지의 입자에 모래를 혼합한 것을 미리 가열한 금속제의 모형(母型) 위에 떨어뜨려서 고화시켜 얇은 껍질 모양의 주형을 만드는 셸형(shell mold) 등 여러 가지가 있으며, 각각 사형 주물, 금형 주물, 셸 몰드 등으로 나누어진다. 녹은 금속의 유입방법으로는 중력을 이용하는 중력 주조, 녹은 금속을 가압하여 주형에 밀어 넣는 다이캐스팅, 원심력을 이용하여 주형의 구석구석까지 쇳물을 보내는 원심주조, 소량의 화약을 놓고 그 폭발의 압력으로 쇳물을 밀어 넣는 폭발 주조, 주형을 아래로 향하게 하여 그 일부를 쇳물의 표면에 조금 넣어 두고 쇳물의 면을 가스로 가압하여 주형 속에 쇳물을 넣는 동시에 주형의 밑에서는 배기하여 쇳물을 빨아올리는 사출주조법(射出鑄造法) 등이 있다.
주물 작업을 하려면 우선 주형을 만들어야 한다. 금형의 경우는 금속의 쇳물을 흘려보내도 지장이 없고 내열성(耐熱性)이 있는 금속 덩어리를 파서 오목한 부분을 만든다. 금형은 하나의 주형을 수백 번이고 사용하기 때문에, 만들어진 주물을 응고 후에 손쉽게 빼낼 수 있도록 몇 개로 분할하게 되어 있다. 사형에서는 매번 주형을 부수어 주물을 꺼내야 하므로 주형을 제품의 개수만큼 만들지 않으면 안 된다. 보통 나무로 만든 제품의 모형을 몇 개로 나누어 만든 모형(母型)을 틀 속에 넣어 주위에 모래로 다져서 단단하게 한 후 모형을 빼내는 방법으로 주형을 만든다. 그러나 원통이나 원판을 조합한 것은 회전주형(sweeping mold)이라 하여 판으로 만든 외형의 모양을 회전시키면서 모래산을 만들어 주형을 만든다. 다음에는 여러 형식의 융해로에서 금속을 용해하는데 합금의 경우에는 사전에 배합하여 정해진 성분으로 만든 쇳물을 일단 쇳물바가지(ladle) 속에 넣고 여기서 주형에 주입한다. 굳어지는 것을 기다려 물건을 꺼내고 사형이면 모래를 털어낸 다음 그대로 또는 주물표면을 잔손질하여 제품으로 마무리한다. 석탄 난로는 주물 표면 그대로의 예이고 무쇠솥은 깎아서 마무리한 예이다.
다이캐스팅 어원
다이캐스팅은 영어 단의 합성어이다. 영어로는 Die-Casting이라고 하며 주물이라고도 한다. 다이(Die)라 부르는 금속 재질의 틀(금형)에다가 소재가 되는 금속을 녹여서 높은 압력으로 강제로 밀어 넣는 주조 방법 중 하나이다. 그리고 틀이 녹아 버리면 안 되므로 소재가 되는 금속은 틀보다 녹는점이 낮은 금속을 써야 한다. 보통 철로 된 틀에다가 알루미늄을 녹여 붓는 방식이 많이 쓰이나 알루미늄 이외에도 여러 합금이 소재로 쓰인다. 녹인 금속 소재는 그냥 흘려 넣는 방법도 있긴 하지만 보통은 높은 압력을 걸어 강제로 밀어 넣는데 이러한 점에서 플라스틱 재료를 사용하는 사출성형하고도 비슷한 점이 많다.[4]
종류
종류 특성 사형주조 모래를 사용하는 주조방식 중력주조 기계가 90도 정도 꺾이는 방식 정밀주조 금형-왁스-모래로 찍어내는 방식 다이캐스팅 알루미늄만 가능한 주조. 가장 정밀한 대신 금형비용이 천만원 단위.
- 사형주조는 작은 형상부터 큰 형상까지 자유롭게 작업이 가능하다는 장점이 있으나 모래를 사용하니 표면이 매끄럽지 못하고 거칠어 한 번 더 표면가공을 하고 있다.
- 중력주조는 말 그대로 중력 방향으로 용탕을 주입하는 방식의 공법으로 조직이 치밀하고 내압성, 내마모성이 좋다.
- 정밀주조는 최종적으로 형태를 잡아주는 금형을 만들어 그 안에 왁스를 넣어 제품 형상에 맞게 단단하게 굳히는 작업을 한 후, 면 정리 공정을 하여 에틸실리케이트와 모래를 섞은 액상을 왁스 위에 코팅한 뒤 고온으로 왁스를 날려버리고 비어있는 틀을 주형을 사용하여 안에 금속재료를 넣어 굳혀주는 공법이다. 정말주조의 장점으로는 설계유연성이 좋고 제품이 정밀하고 정확하며 표면이 매끄럽다.
- 다이캐스팅은 주조와는 다르게 강철로 만든 거푸집에 용융금속을 넣어 원하는 형상의 주물을 만드는 공법이다. 자동차 업계를 중심으로 높은 정밀도를 요구하는 대형 부품 주조를 주고 하고 있으며 대표적으로 알루미늄을 이용한다. 다이캐스팅은 조직이 치밀하여 강도가 높고 정밀도가 매우 높으며 표면도 아주 깨끗하며 얇은 주물의 제조가 가능하여 경량화에도 탁월하다.[5]
재질
주물은 재질에 따라 주철주물, 강주물(鋼鑄物), 구리합금주물, 경합금(輕合金) 주물로 나뉜다.
주철주물
용해로는 큐폴라(cupola)가 보급되고 연료는 코크스가 사용되며 송풍(送風)에 있어서는 전력에 의한 송풍기가 사용되고부터 용해량, 용해속도, 용해온도가 뚜렷하게 향상되었다. 또 주철의 재질도 탄소, 규소, 망간 등의 각 양을 조정함에 따라 여러 가지로 변화한다는 사실을 알게 되었고, 선철(銑鐵)이나 강설(鋼屑)의 배합에 의해 펄라이트 바탕에 균일하게 조각모양의 흑연이 분포하는 이른바 국목(菊目)조직의 주철주물도 만들 수 있게 되었으며, 이 재료가 내마모성이 뛰어나고 인장강도도 커서 기계부품에 적합하다는 것도 밝혀졌다. 그리고 19세기 말에는 반사로를 사용, 주철을 용해하여 성분을 잘 조정해서 이것을 내면에 금형(金型)을 댄 주형에 부어 넣음으로써 주물 표면을 단단하게 하는 칠드주물에 의한 롤의 제조에 성공하였다. 이 롤은 강의 압연에 널리 사용되었다. 이어서 가단(可鍛)주철 주물 제조에 성공하고, 백주철주물(白鑄鐵鑄物)을 풀럼처리함으로써 연성(延性)이 풍부한 주철을 만들 수 있게 되어, 철관용의 연결재료로서 수도보급에 의한 방대한 수요를 메울 수 있었다.
강주물
강주물은 용해온도가 높고 응고수축률이 커서 기공(氣孔)이나 핀홀 등의 공극(空隙)이 생기기 쉬워 주조에 고도의 기술이 필요하다. 19세기 말까지는 주로 평로(平爐)가 사용되어 용해시간이 길고 온도도 불충분하여 양질의 주물을 얻기가 어려웠다. 그러다가 20세기에 들어서자 에루식(式) 전호로(電弧爐)가 출현하여 양질의 주강품을 만들 수 있게 되었다.
구리합금주물
구리합금주물은 도가니로 안에서 용해된다. 구리 88％, 주석 10％, 아연 2％의 청동이 제일 많이 사용되는데 이를 포금(砲金)이라고도 한다. 구리합금은 내식성(耐蝕性)·내해수성(耐海水性)·인성(靭性)이 뛰어난 함선(艦船) 방면에 널리 사용된다. 그런 의미에서 20세기에 들어서면서부터 함선의 프로펠러의 재료로 각국의 해군에서 활발한 연구를 추진하였다. 대표적인 것은 아연 40％, 망간 5％, 알루미늄 1％ 이하의 망간황동, 그리고 아연 10％ 또는 15％, 규소 4％의 실진청동 등이다.
경합금주물
경합금주물은 알루미늄계, 마그네슘계가 모두 20세기 초부터 제조되었다. 주조용 알루미늄합금으로는 니켈을 함유하는 Y합금, 규소를 함유하는 실루민, 구리를 함유하는 라우탈, 마그네슘을 함유하고 내식성이 있는 히드로날륨 등이 항공기공업의 발전에 따라 각각 특징적으로 응용하여 사용되고 있다. 한편 마그네슘합금은 알루미늄, 알루미늄과 아연·망간 등과의 합금이 사용되었는데, 용해할 때에 산화되기 쉽고 주형에도 산화방지를 위한 손을 써야 하므로 좀처럼 보급되지 않았다.
주물의 기원
주물의 기원은 신석기시대 후기에 토기 소성용(燒成用)의 요로(窯爐)에서 금이나 구리를 녹이는 1000℃ 이상의 온도를 실현시켰을 때로 거슬러 올라간다. 가장 오래된 주물은 메콩강 상류지방에서 발견된 BC 4500년 무렵의 청동도끼로 알려져 있다. 중근동(中近東)에서는 BC 4000∼BC 3500년에 구리도끼가 석제(石製)의 개방형으로 주조되었고, BC 3000∼BC 2500년에는 청동이 제련되어 자루구멍이 난 청동공구를 심봉(心俸)주형으로 주조하는 기술이 유럽에도 전해졌다. 중국에서는 BC 1700년 무렵 황허강(黃河, 황하) 중류지방에 청동문화가 형성되었고, 은대(殷代)에는 소성점토 조각을 짜맞춘 주형으로 복잡한 무늬와 미려한 주물표면을 가진 다양한 형태의 제기(祭器)를 주조하는 기술을 가지게 되었다. 청동에 이어서 제철기술이 근동에서 BC 1500∼BC 1000년에 생기고, 중국에서도 BC 400년 무렵부터 철제련이 시작되었는데 때를 같이하여 주물 기술도 개발되어 BC 100년에는 주철제(鑄鐵製) 농기구가 다량 생산되기에 이르렀다. 유럽에서는 14세기부터 주철이 생산되었다.
제조기술의 혁신
주철 주물에 대해서는 구상(球狀) 흑연주철의 발명을 빼놓을 수 없다. 이에 따라 무르다는 주철의 약점이 아주 없어져 강도부재(强度部材)에도 쓰이게 되었다. 자동차의 크랭크샤프트나 무거운 하중(荷重)에도 견뎌내는 주철관 등에 많이 사용되고 있다. 또한 주철을 녹이는 데는 저주파 유도전기로가 사용되었고, 강설에 가탄(加炭)하여 주철용탕을 만들 수 있어 성분이나 온도의 제어, 용탕 유지 등을 쉽게 조작할 수 있게 되었다. 강주물 분야에서는 주조 방안 등에 컴퓨터를 이용하여 완전한 주물을 만들기 위한 논리적 해명이 진행되고 있다. 구리합금 분야에서는 선박의 추진기 재료로서 알루미늄을 10％ 함유하는 알루미늄청동 사용이 늘어나고 있다. 경합금주물에서는 특히 알루미늄 다이캐스팅이 많이 이용되고 있다. 규소를 10％ 함유하는 실루민 합금이 사용되며 고순도 아연 지금(地金)을 정련기술 향상으로 쉽게 만들 수 있게 되어, 종래의 납, 카드뮴 등의 불순물로 인해 물러서 사용할 수 없었던 아연 다이캐스팅을 오늘날은 널리 사용할 수 있게 되었다. 주물공장 생산능률은 주형 제조기술에 의해 지배된다고 해도 과언이 아니다. 제2차세계대전까지의 주형은 규사에 점토와 물을 섞어 점결(粘結)한 것이었으나, 그 뒤 많은 새 조형법이 연이어 탄생하였다. 페놀수지를 점결제로 하는 셸몰드법은 점결제로 사용한 유기물이 주입된 뒤 열분해하여 점결력을 잃기 때문에 주물사(鑄物砂)의 재생이 아주 쉽다. 물유리(water glass)를 점결제로 하고 탄산가스를 불어넣어 반응시켜 단시간에 경화시키는 탄산가스법은 주형 강도가 크고 건조형을 대신하는 것으로 보급되었다. 또 염화비닐막을 이용하여 사형(砂型) 속을 진공으로 하고 외부압력으로 주형을 굳히는 V프로세스법은 점결제를 전혀 쓰지 않는 방법이다. 그러나 점토와 수분으로 주물사를 점결하는 재래의 사형법(砂型法)은 조형이 간단하고 경비도 적게 들어 사형용 조형기가 고속화, 고압화, 대형화됨으로써 현재에도 조형법의 주류를 이루고 있다. 최근에는 정밀주물 제작법으로 다시 옛날의 납형법(蠟型法)이 부활되고 있다. 이것은 로스트왁스법이라고도 하는 것으로, 정밀한 금형인 왁스제의 모형을 만들어 이것을 내화물 분말과 에틸실리케이트 용액의 혼합 이상물(泥狀物)에 묻혀 건조·소성해서 왁스를 녹여내고 주형하는 방법이다. 이 방법은 터빈블레이드와 같은 복잡한 곡면을 다른 가공법으로는 만들어내기가 어려운 부품의 제작이나 또는 소성가공·절삭가공 등을 할 수 없는 특수합금형 부품의 제작 등에 널리 응용되고 있다.[6]
동영상
각주
참고자료
- 〈주조〉, 《위키백과》
- 〈주물(鑄物)〉, 《네이버 지식백과》
- 〈주물〉, 《네이버 지식백과》
- SP열처리, 〈금속 가공법, 다이캐스팅(Die Casting)〉, 《네이버 블로그》, 2016-06-27
- 서진테크, 〈주물·주조(Casting)이란?〉, 《네이버 블로그》, 2021-06-03
- 성공을 도와주기, 〈주물〉, 《티스토리》, 2010-01-03
같이 보기
