기공과 수축 기공: 핵심 주조 결함 식별하기

TL;DR

기공과 수축 기공은 각각 다른 원인과 외관을 가지는 일반적인 주조 결함이다. 기공은 응고 과정에서 가스가 포획되어 발생하며, 매끄럽고 구형의 공극을 형성한다. 반면에 수축 기공은 주물이 냉각되면서 체적 수축을 보상할 만큼 충분한 용융 금속이 공급되지 않을 때 발생하며, 거칠고 각진 공동을 만들게 된다. 이러한 원인과 형태학적 차이점을 이해하는 것은 금속 주조품의 결함을 진단하고 예방하는 데 매우 중요하다.

기공 현상 이해하기: 원인과 특성

기공은 금속 주조에서 흔히 발생하는 결함으로, 응고 중인 금속 내부에 갇힌 가스로 인해 공극이 형성되는 특징을 가진다. 용융된 금속이 냉각되면서 알루미늄 합금의 수소와 같은 용해된 가스를 유지할 수 있는 능력이 크게 감소한다. 이 과잉 가스는 용액에서 배제되어 기포를 형성하며, 금속이 이러한 기포 주위에서 응고됨에 따라 그 안에 갇히게 된다. 이러한 결함은 최종 부품의 구조적 완전성과 압력 밀봉성을 저하시킬 수 있으므로 고성능 응용 분야에서는 이러한 결함을 방지하는 것이 필수적이다.

기공의 외관은 그 특징 중에서도 가장 대표적인 것이다. 기공은 일반적으로 구형 또는 길게 늘어진 형태를 가지며, 매끄럽고 때때로 광택이 나는 내벽을 지닌다. 이러한 형상은 기체 방울이 액체 또는 반액체 상태의 금속 내부에서 생성되면서 주변 구조가 굳어지기 전에 표면 장력이 이들을 최소 에너지 상태인 구형으로 끌어당기기 때문에 발생한다. 이러한 기공은 주물의 하부에 위치한 내부 기공, 주물 표면의 물집(blisters), 또는 주물 상단 부위에 흩어져 있는 미세한 점상 기공(pinholes) 등 다양한 형태로 나타날 수 있다.

기공 발생의 근본 원인은 다양하지만 거의 항상 용해 및 주조 공정 중에 기체를 발생시키는 물질이나 조건이 도입되는 것과 관련이 있다. 이를 정확히 진단하기 위해서는 전체 생산 공정에 대한 세심한 검토가 필요하다. 가장 흔한 원인들로는 다음이 있다:

• 용융금속 내에 용해된 기체: 용해 된 금속은 대기 또는 습한 또는 오염 된 충전 물질의 기체를 흡수 할 수 있습니다. 수소는 많은 비철금속의 주요 원인입니다.
• 때 난류: 속 또는 격동적인 을 채우면, 녹은 금속 안에 공기가 갇히고, 공허함을 형성할 수 있습니다.
• 습도 및 오염물질: 부적절하게 말린 곰팡이, 핵,, 도구 등에서 나오는 수분은 녹은 금속과 접촉하면 증발하여 증기가 만들어져 주입물에 갇히게 됩니다. 윤활료와 결합제도 분해되어 가스를 방출할 수 있습니다.
• 곰팡이의 낮은 투과성: 곰팡이나 핵심 물질이 구멍에 있는 기체를 충분히 배출할 수 없다면, 그들은 굳어지는 금속에 갇힐 가능성이 더 높습니다.

수축구 엽기성: 원인 과 특징 을 이해 함

축소성 포러스성은 근본적으로 다른 메커니즘에서 발생합니다. 액체 상태에서 고체 상태로 전환하는 금속의 부피적 수축입니다. 대부분의 금속은 고체 형태로 밀도가 높고, 이는 용량이 적다는 것을 의미합니다. 만약 추가 용광 금속, 즉 피드 금속이, 마지막으로 굳어지는 부위에 지속적으로 도달할 수 없다면, 물질 수축은 공허함을 만들 것입니다. 이 결함들은 굳어지는 마지막 단계에서 먹이 경로의 중단의 직접적인 결과입니다.

기공성 기포의 매끄러운 형태와 달리 수축 기공은 각진, 불규칙한 형태와 거친 내부 표면이 특징입니다. 이는 응고 과정에서 자라는 나뭇가지 모양의 결정 구조인 덴드라이트 사이에 남아 있는 비틀린 좁은 공간에서 기공이 형성되기 때문입니다. 결과적으로 생성된 공동은 기포가 아니라 이러한 상호 교차하는 덴드라이트 사이의 복잡하고 파열된 패턴을 따르는 공극입니다. 수축 결함은 표면에 나타나는 더 큰 개방형 공동(파이프) 또는 미세 균열들의 내부적이고 상호 연결된 네트워크(스폰지형 또는 실 모양 수축)로 나타날 수 있습니다.

수축 기공이 발생하는 주요 원인은 응고 과정을 효과적으로 관리하지 못했기 때문입니다. 주물이 응고될 때, 이상적으로는 액체 금속 공급원에서 가장 먼 지점부터 서서히 리저(riser) 또는 급탕 시스템 방향으로 진행되며 방향성 있게 응고되어야 합니다. 수축 기공은 이러한 과정이 방해받을 때 발생합니다. 주요 원인 요소는 다음과 같습니다:

• 부적절한 금속 주입 시스템: 리저가 너무 작거나 주물 본체보다 먼저 응고되면 수축을 보상하기 위한 충분한 용융 금속을 공급할 수 없다.
• 핫 스팟(Hot Spots): 주물의 두꺼운 부분은 인접한 얇은 부분보다 느리게 냉각된다. 이러한 '핫 스팟'은 액체 금속의 고립된 영역이 될 수 있으며, 최종적으로 응고되고 수축할 때 이를 메울 수 있는 금속 공급 경로가 없어 공극이 발생한다.
• 불량한 열 기울기: 금형 전체에 걸친 부정확한 온도 분포는 방향성 응고를 방해하여 수축 결함이 발생하기 쉬운 고립된 액체 영역을 만들 수 있다.
• 주물 형상: 두께의 급격한 변화를 포함하는 복잡한 설계는 본질적으로 핫 스팟과 수축 결함이 생기기 쉬우며 더 취약하다.

비교 분석: 가스 기공 대 수축 기공

기공과 수축 기공을 구분하는 것은 주조 결함을 진단하는 첫 번째 중요한 단계입니다. 두 결함 모두 최종 부품의 강도를 약화시키지만, 그 원인이 다르므로 해결 방법도 달라야 합니다. 가장 신뢰할 수 있는 식별 방법은 기공 형태에 대한 시각적 검사입니다. 기체로 인한 공극은 일반적으로 둥글고 벽면이 매끄럽지만, 수축으로 인한 공극은 각지며 거칠게 나타납니다. 자세한 비교를 통해 형성 방식과 위치에서도 추가적인 차이점을 확인할 수 있습니다.

다음 표는 이 두 가지 흔한 주조 결함을 구별하는 주요 특성들을 직접 비교한 것입니다.

이러한 기공의 형성 시점은 중요한 차이점을 나타냅니다. 가스 기공은 금속의 온도가 낮아져 가스 용해도가 감소하면, 반고체 영역(mushy zone)에서 비교적 초기에 형성될 수 있습니다. 기공은 여전히 액체 또는 반액체 상태의 환경에서 기포 형태로 생성됩니다. 반면, 수축 기공은 응고 후기 단계에서 발생하는 결함입니다. 이는 상당히 발달되고 조밀한 수지상 결정(dendritic network) 내부 깊은 곳에서 발생하며, 남아 있는 액체 금속이 마지막으로 응고되는 영역까지 흐르거나 공급되기 어려운 상황에서 일어납니다. 이러한 차이 때문에 가스 기공은 매끄럽고 둥근 형태를 띠는 반면, 수축 기공은 입자 사이의 복잡한 틈새 형태를 따릅니다.

주조 기공 방지 및 완화 전략

기공을 효과적으로 방지하기 위해서는 식별된 결함 유형에 따라 맞춤형 접근이 필요합니다. 기체 기인 기공의 경우는 가스 발생원을 통제하는 데 중점을 두고, 수축 기인 기공의 경우에는 응고 및 금속 공급 관리를 중심으로 전략을 세워야 합니다. 종합적인 품질 관리 전략은 두 가지 모두를 해결해야 합니다.

기체 기인 기공 방지

기체 기인 기공을 최소화하려면 용융 금속에 가스가 혼입되거나 흡수되는 것을 막기 위해 재료와 공정을 철저히 관리해야 합니다. 주요 예방 조치로는 다음이 포함됩니다.

1. 용탕 처리: 주조 전 회전 탈기 또는 플럭스 처리와 같은 탈기 기술을 사용하여 용융 금속에 녹아 있는 수소 및 기타 가스를 제거합니다.
2. 재료 및 공구 준비: 모든 배합재, 공구, 주물 주걱, 금형 등을 완전히 건조하고 예열하여 수분의 원천을 제거하세요. 배합재는 깨끗하고 부식이나 오염이 없어야 합니다.
3. 최적화된 게이트 설계 및 주입: 금형 캐비티로 금속이 원활하고 난류가 없는 흐름으로 주입되도록 게이팅 시스템을 설계하십시오. 이를 통해 충전 중 공기의 물리적 포획을 최소화할 수 있습니다.
4. 적절한 금형 벤팅: 용융 금속으로 채워질 때 공기 및 기타 가스가 캐비티로부터 배출될 수 있도록 금형과 모든 코어에 충분한 벤트를 확보해야 합니다.

수축 다공성 방지

수축을 방지하는 핵심은 응고가 완료될 때까지 주물의 모든 부분에 액체 상태의 보충 금속이 지속적으로 공급되도록 보장하는 것입니다. 이는 신중한 설계와 공정 제어를 통해 달성됩니다:

1. 효과적인 리저 및 게이팅 설계: 리저는 공급하는 주물 부위보다 더 오랫동안 용융 상태를 유지할 만큼 충분히 크게 설계되어야 합니다. 게이팅 시스템은 주물이 리저 방향으로 점진적으로 응고되는 방향성 응고를 유도해야 합니다.
2. 냉각재(Chill) 및 슬리브를 이용한 응고 제어: 두꺼운 부분의 냉각을 가속화하고 핫 스팟(hot spots)을 방지하기 위해 금속 인서트인 칠스(chills)를 사용하십시오. 리저(risers)에는 절연재 또는 발열성 슬리브를 사용하여 용융 상태를 더 오래 유지할 수 있습니다.
3. 기하학적 수정: 가능한 경우, 두께의 급격한 변화를 피하고 보다 부드러운 전이를 만들어 핫 스팟 발생 가능성을 줄이기 위해 부품 설계를 수정하십시오.

부품의 고장이 허용되지 않는 자동차와 같은 산업 분야에서는 첨단 금속 성형 전문 기업과 협력하는 것이 중요합니다. 예를 들어 샤오이 (닝보) 금속 기술 와 같은 공급업체는 다이 설계부터 대량 생산에 이르기까지 결함 없는 부품 생산에 필요한 정밀 엔지니어링 및 공정 제어 수준을 자동차 단조 분야에서 입증하고 있습니다. 이러한 품질에 대한 철학은 기공(porosity)과 같은 결함을 줄이고 중요한 응용 분야에서 신뢰성을 확보하기 위해 필수적입니다.

자주 묻는 질문

1. 기공과 수축의 차이점은 무엇입니까?

주된 차이점은 그 원인과 외관에 있다. 기공성, 특히 가스 기공성은 포획된 가스로 인해 발생하며 매끄럽고 둥근 공동을 형성한다. 수축 또는 수축 기공성은 냉각 중 금속의 부피 감소로 인해 발생하며, 액체 금속이 충분히 공급되지 않아 생긴 빈 공간으로 인해 거칠고 각진 공동을 만든다.

2. 수축 기공성을 유발하는 원인은 무엇인가?

수축 기공성은 금속이 응고될 때 발생하는 부피 수축으로 인해 생긴다. 주물의 일부 구역에 용융 금속의 흐름이 완전히 응고되기 전에 차단되는 경우, 이러한 수축으로 인해 빈 공간이 생성된다. 이는 종종 리저에서의 부적절한 공급이나 두꺼운 부분에서 고립된 핫 스팟 형성으로 인해 발생한다.

3. 가스 기공성의 정의는 무엇인가?

기공성 기공은 용해된 가스가 냉각 중에 방출되거나, 난류 주조 시 공기가 혼입되거나, 수분 및 기타 불순물이 고온의 금속과 접촉하여 기화됨으로써 금속 주물 내부에 형성된 기체 기포가 포획되어 생기는 공극을 의미한다.

4. 주물 내 공극이 기공성 기공인지 수축성 기공인지 어떻게 구별할 수 있습니까?

이들을 구별하는 가장 효과적인 방법은 공극의 형태학적 특성을 육안으로 점검하는 것이다. 기공성 기공은 일반적으로 매끄러운 내면을 가진 구형으로, 거품과 유사한 외형을 띤다. 반면에 수축성 기공은 각지며 거칠고 결정질 표면을 가지는데, 이는 고체화되는 덴드라이트 사이의 틈새에서 형성되기 때문이다.