소재

사형주조 기술개발, 車·造船 강국 실현 ■ 기술의 정의 및 분류 ◇ 기술의 정의 및 분류 사형 주조는 원하는 모양의 제품을 얻기 위해 모래(또는 주물사)를 사용해 만든 소정의 공간(주형 공간)에 용융 금속을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법이다. 일반적으로 금속 소재는 변형 저항이 커 원하는 모양으로 제작하기가 쉽지 않다. 사형 주조 기술은 변형 저항이 큰 고체 상태의 금속을 용해해 변형이 자유로운 액체 상태로 사형에 주입해 원하는 모양의 제품을 얻는다. 사형 주조 공정은 주조 방안 수립, 조형, 용해, 주입 및 후처리 순으로 진행되며 일반적인 주조품 생산 공정은 아래 그림과 같다. ||사형 주조 기술은 주형의 종류와 주조 방법에 따라서 분류할 수 있다. ○ 주형의 종류에 의한 분류 사형 주조 기술을 주형의 종류에 따라서 생형, 열 경화성, 가스 경화성, 상온 자경성 및 특수 주형(또는 사형)으로 분류할 수 있다. 사형은 모두 1회용 주형이다. 각 주형은 생산량, 제품의 크기, 기본 설비 보유 여부, 후처리 및 경제성에 따라 장단점을 가지고 있으며, 주형 종류의 선택 시 많은 경험과 숙련이 요구된다. ○ 주조 방법에 의한 분류 주조 방법에 의한 분류는 보통 주입 압력을 기준으로 한다. 사형의 경우 주형 강도가 비교적 작으므로, 중력에 의해 용탕이 주입되는 중력 주조법을 적용한다. 일부 열 경화성, 가스 경화성 및 상온 자경성 주형의 경우 0.5~2kgf/cm2의 낮은 압력을 가하는 저압 주조법을 적용하기도 한다. 소실 모형 주조법 및 V 프로세스와 같은 특수 사형은 진공 흡입을 이용한다. 각 주조 방법의 선택은 합금의 종류에 따라서 달라진다. ||◇ 작동원리 및 적용 부품 소재 ○ 작동 원리 주조품을 생산하기 위해서는 얻고자 하는 형상의 모형(Pattern)을 제작한 후 이를 이용해 조형한다. 모형을 주형 상자(Flask)와 조립한 후 주물사를 채워 넣고 다진다. 상형(Cope)과 하형(Drag)을 분리한 후 모형을 방출시키면 모형의 모양과 같은 모양의 주형 공간(Mold Cavity)이 남는다. 탕구(Sprue)의 바닥과 주형 공간을 탕도(Runner)와 인게이트(Ingate)로 연결시킨다. 용탕을 주입하면 주형 내의 모든 공간은 용탕으로 채워진다. 사형의 구성 요소는 아래 그림에서 보이는 바와 같다. ||모형(Pattern)을 조형 방식에 따라서 아래 표와 같이 분류할 수 있다. 모형 소재로는 목재(목형), 금속(금형) 및 플라스틱(수지형) 등이 주로 사용되며 석고를 사용하는 경우도 있다. 목재로는 삼나무·노송·참나무·벚나무·홍송·티크·합판 등이 사용되며, 금속 소재로는 회주철·구상흑연주철·황동·청동·알루미늄 합금·탄소강·아연 합금 등이 사용된다. 그리고 플라스틱 소재로는 에폭시(Epoxy)·우레탄(Urethane)·케미컬 우드(Chemical Wood)·발포 수지 등이 각각 사용된다. ||사형의 경우 주형사의 구성 요소로는 주물사, 점결제 및 경화제가 있다. 점결제는 주물사를 결합시키는 역할을 하고, 경화제는 결합을 촉진시켜 주형 강도를 증가시키는 역할을 한다. 주물사는 내열성, 치수 안정성 및 재활용성이 중요하다. 주물사는 고온의 용탕과 접촉해도 소착이 일어나지 않도록 충분한 내화도를 가져야 하며, 용탕과 접촉해 가열된 후 냉각되는 동안 팽창 및 수축이 크게 일어나지 않아야 한다. 그리고 사용 시 모래 입자가 잘 파괴되지 않고 반복 사용할 수 있어야 한다. 주형용 모래로는 규사·지르콘사·올리빈사·알루미나사 등을 사용하며, 이 중 규사가 가장 많이 사용된다. 나머지는 가격이 비싸므로 냉각을 촉진할 필요가 있는 경우나 용탕과 주형사이의 반응을 방지할 필요가 있는 경우 등에 제한적으로 사용된다. 주형용 모래의 화학 성분과 특징은 아래 표에 요약했다. ||○ 적용 부품 소재 사형 주조용 금속 부품 소재는 매우 다양하며 재질별로 아래 그림과 같이 주철 주조품(또는 주물), 주강 주조품, 동합금 주조품, 경합금 주조품 및 기타의 5가지로 분류할 수 있다. 이 가운데 중량을 기준으로 주철 주물이 가장 많이 사용된다. 근래에는 자동차, 중장비 및 로봇 등의 경량화 추세에 따라 알루미늄과 마그네슘 합금의 생산량이 증가하고 있다. 비슷한 금속 소재라 하더라도 주조용 합금(Casting Alloy)과 가공용 합금(Wrought Alloy)의 화학 조성은 다소 차이가 있다. 주조용 합금의 기본 요구 조건으로서 주조성 특히 유동성은 필수적이다. 유동성이란 용탕이 응고가 일어나기 전에 좁은 채널을 흘러 들어갈 수 있는 능력이다. 즉, 복잡한 모양의 주조 제품을 얻기 위해서는 주형 공간 충전 능력이 필수적이다. 따라서 규소와 같은 금속 용탕의 유동성을 개선하는 원소의 함량이 가공용 합금보다 많고, 주조한 후 소성 가공을 하지 않으므로 미세 조직이 상대적으로 조대하고 내부 결함도 존재하며 기계적 성질, 특히 연신률과 인성이 상대적으로 낮다. ||■ 기술의 환경 변화 및 중요성 ◇ 주조산업 분야의 인력부족 심화 우리나라 사형 주조 기술은 20세기 후반을 지나면서 자동차 산업, 기계 공업 및 조선 업계의 발전과 더불어 크게 향상됐으며 제품 생산량도 크게 증가했다. 그러나 주조 산업 분야는 뿌리 산업 분야(주조·단조·금형·용접·열처리·표면처리)중에서도 대표적인 3D(Dirty, Danger, Difficult) 업종으로 나쁘게 인식돼 젊은 사람들이 기피하게 됐다. 또한, 현장 엔지니어는 물론 생산직 작업자들의 인력 공급이 부족해 노령화가 심화된 기술 분야다. 그리고 설비 투자 증대로 인한 생산 원가와 인건비 상승 등에 의한 국제 가격 경쟁력 약화 등으로 많은 수요업체들이 중국으로부터 비교적 간단한 주조 제품을 직수입하거나, 주조 공장을 중국 현지에 건설해 주조 제품을 국내에 수입하는 현상도 나타났다. ◇ 사형 주조 기술의 전략적 육성 필요 주조 산업 분야 중 사형 주조 기술은 관련 산업 분야에 소재를 공급하는 기본 산업으로 중소기업적 특성이 매우 강한 산업이다. 또한 용융 금속의 유동성을 이용해 아무리 모양이 복잡한 제품이라도 제조할 수 있는 기술이다. 더불어 생산 기술 및 제품 품질의 향상, 생산 원가의 절감 그리고 적기 제품 공급 등으로 인해 우리나라의 자동차, 조선 및 산업 기계 산업 등과 같은 관련 산업 분야의 발전에 지대한 영향을 미치는 기술이다. 즉, 개발 제품인 경우에는 다품종 소량 제품의 수요와 적기 공급 등의 문제로 인해 수입에 의존할 수 없는 경우가 많고, 다른 성형 기술로 제조한 제품으로 대체할 수 없는 경우가 많다. 또한 에너지 가격 상승 등으로 물류비가 원가에 미치는 부담 등으로 인해 수입에 의존할 수 없는 경우도 많다. 사형 주조 기술은 훈련과 오랜 경험으로 축적된 기술을 보유하고 있는 인력이 요구되는 기술로 단시간에 어느 수준에 도달하기 어려운 기술이다. 따라서 사형 주조 기술은 우리나라에서 반드시 육성해 발전시켜야 하는 기술이다. ◇ 정부의 뿌리 산업육성법 제정 및 발전 정책의 수립 오늘날 우리나라의 주조 산업 분야의 사형 주조 기술은 품질 향상 및 균일화, 경량화, 재질의 고급화, 적기 공급 등의 요구가 증대하고 있고, 인건비 상승, 노동력 감소, 설비 투자비의 증대, 에너지 가격 상승 그리고 더욱 엄격해진 환경 규제 등 많은 문제와 직면하고 있다. 다행히 금년에 정부는 ‘뿌리산업육성법’을 제정해 주조 산업의 국가 차원의 육성을 위한 발전 정책을 추진하고 있다. ■ 사형의 기술동향 사형 주조의 핵심 공정은 주형을 제작하는 사형 공정, 장입 소재를 용해하는 용해 공정, 주조품을 보호하기 위해 주형 표면에 도형제를 도포하는 도형 공정이다. 각 공정별로 최종 제품에 적합한 기술이 상이하므로 본 장에서는 주요 공정 기술의 종류와 최근 동향에 대해 확인하고자 한다. ◇ 생형(Green Sand Mold) 생형은 조형 속도가 매우 빠르고 주형 강도는 낮으나 점결제 사용량이 적어 붕괴성이 뛰어나므로 주물사의 재활용성이 높다. 주물사로는 규사 및 크로마이트사 등이 쓰이고, 점결제로는 점토분인 벤토나이트가, 그리고 첨가제로는 덱스트린, 당밀 또는 전분 등을 쓰며 물과 함께 혼합한다. 첨가제는 용탕과 주형의 반응 시 소착 등을 방지하기 위한 것이다. 주철 주조용 생형의 경우에는 조형 후 주입 시 강도 변화를 감소시키기 위해 씨콜(Sea Coal)을 첨가한다. 생형은 자동화가 용이하고, 고속 조형이 가능하며, 혼련사(주형사)의 가격이 저렴하다. 또한, 조형 후 바로 주입할 수 있고, 붕괴 및 탈사성이 좋으며, 주조품 표면이 깨끗하다. 생형은 주형의 가특성이 좋아서 주조품의 변형과 균열 발생이 적으며 주입 시 유해 가스의 발생이 적은 장점이 있다. 특히 탈사가 용이하므로 주물사 재생이 용이하다. 그러나 주형 강도가 낮은 편이어서 용탕 침투가 일어나기 쉽고, 수분이 과다한 경우 기공 결함이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 3D 산업 취급, 신규 인력 태부족 사형주조 기술 전략적 육성 필요 ◇ 열 경화성 주형 ○ 쉘(Shell) 주형 쉘 주형은 별도의 경화제를 사용하지 않고 경화되는 주형으로 코어(Core)의 제조에 많이 사용된다. 주물사로는 규사, 지르콘사 및 크로마이트사 등이 쓰이며 점결재로는 열경화성 수지인 Novorak Rsin (Phenol + Formaldehide)이 사용된다. 금형을 250~300℃의 온도로 가열하고 그 위에 이형제인 규소 수지를 바른 후 140~200메시(Mesh) 정도의 열경화성 수지 피복사를 덮어 조형하는 방법을 쉘 주형법이라 한다. 가열된 금형 위에 공급된 수지 피복사의 수지가 용융돼 접합된 후 금형을 뒤집어서 반응하지 않은 수지 피복사를 제거한다. 그리고 5~10mm 두께의 쉘을 금형에서 분리시켜 쉘쌍을 조립해 주형을 제작한다. 쉘 조형 공정과 조립된 쉘 주형은 아래 두 그림에서 보이는 바와 같다. 쉘이란 용어는 주형을 얇게 만들기 때문에 붙여진 것이다. 주조품이 작을 때에는 스프링이나 클램프 등으로 쉘을 조립하고, 클 때에는 용탕의 압력에 대해서도 쉘형의 조립 상태를 유지할 수 있도록 주형 상자에 쉘 주형을 넣고 쉘형과 주형 상자 사이에 빈 공간에 모래나 철편 등을 채워 넣는다. 쉘형 강도는 수지 피복사의 수지의 양과 가열 시간 등에 따라 달라진다. 쉘 주형은 다량의 주형을 준비한 후 일시에 주입해 다량의 제품을 생산할 수 있어 생산성이 좋고, 모래의 회수 및 재생이 용이하며, 수지 피복사를 사용하므로 제품 품질과 생산성이 우수하다. 또한, 속이 빈 코어를 제조할 수 있고, 소형 제품의 제조에 적합하며, 금형을 이용하므로 소형 대량 생산에 적합하고, 미숙련자도 제작할 수 있다. 철 및 비철 등 모든 금속 소재의 주조에 적용할 수 있으며 주조품의 정밀도가 높은 장점이 있다. 그러나 금형을 사용하므로 비용이 발생할 뿐만 아니라 소량의 주조품 생산시 비경제적인데, 이는 기공(Blow Hole) 결함 발생이 쉽고, 조형 설비가 필요하며, 수지 가격이 비싸므로 재료비에 의한 원가가 비싸기 때문이다. 또한, 가열하므로 쉘 제작의 에너지 비용이 높으며 철계 합금 주조시에는 제품 중량이 10kg 정도로 제한되는 단점이 있다. ||||◇ 가스 경화성 주형 가스 경화성 주형은 경화제로 반응성 가스를 사용하는 주형을 말한다. 주물사로는 규사 및 크로마이트사 등을 사용하며 점결제로는 무기계와 유기계의 수지를 사용한다. 반응성 가스로는 이산화탄소(CO2) 및 아민(Amine) 가스 등을 사용한다. 가스 경화형 주형은 아래의 표에서 보이는 바와 같이 무기계와 유기계로 분류할 수 있다. ||○ CO2 주형 CO2 주형은 점결제로 사용하는 물유리 중의 SiO2의 아래와 같은 경화 반응에 의해 겔화로 주형이 강도를 가진다. CO2 주형은 주물사의 가사 시간이 길어 작업성이 좋고, 전용 설비가 거의 필요 없으며 용탕 주입시 유독 가스의 발생이 없다. 그러나 주형 강도가 높아서 붕괴성이 나쁘고 주물사 재생이 어려우며 강알칼리성 물유리로 인해 폐사 처리가 쉽지 않다. Na2O·nSiO2·mH2O + CO2 → Na2CO3+ nSiO2·mH2O ○ VRH(Vacuum Replacement Hardening) 주형 CO2 주형은 주형 강도가 너무 크고 붕괴성이 나쁘다. 따라서 점결제인 물유리와 경화제인 CO2 의 사용량을 감소시켜 주형 붕괴성을 개선시키기 위해 개발한 주형이 VRH 주형이다. VRH 주형은 CO2 취입시 진공으로 흡인해 효율을 높혀 원하는 주형 강도를 얻는 방법으로 제조한다. VRH 주형법은 물유리 및 CO2 사용량을 절감하고, 주형의 붕괴성이 개선되며 물유리 사용량 감소에 따른 수분량 감소로 기공(Blow Hole)과 같은 주조 결함 발생이 감소하는 장점이 있다. 그러나 별도의 설비가 필요하고 대형 주조품을 생산하기 위한 주형 제조가 어렵다. ○ Cold Box 주형 Cold Box 주형은 페놀(Phenol) 수지와 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate) 수지를 점결제로 사용하고, 아민(Amine) 가스(TEA, Tri-Ethyl Amine)를 경화제로 취입하면 우레탄(Urethane) 반응이 일어나 경화한다. 열 경화성 주형에 비해 에너지와 그 비용이 절감되고, 경화 속도가 빨라서 생산성이 높다. 그리고, 열 경화성에 비해 모형 선택 폭이 넓으며(목형 또는 수지형을 사용할 수 있음), 대량 생산 또는 다품종 소량 생산이 가능하다. ◇ 자경성 주형 자경성 주형은 주물사와 점결제 혼련 시 경화제를 함께 첨가해 시간이 경과함에 따라 경화되는 주형을 말한다. 자경성 주형은 아래 그림과 같이, 점결제에 따라 무기계와 유기계로 분류할 수 있다. ||○ 후란(Furan) 자경성 주형 후란 자경성 주형은 가사 시간이 길기 때문에 대형 주조품의 제조에 많이 쓰이며 주물사 재생 처리가 좋다. 점결제로는 후란 수지가 그리고 경화제로는 유기 슬폰산계가 사용된다. 강도가 커서 수지 첨가량이 절감되며, 혼련사의 유동성이 좋고, 주형 표면 안정성이 우수한 장점이 있다. 또한 주형의 열간 강도가 높고, 주입 시 가스 발생량이 적으며, 주조품 표면이 깨끗하고 치수 정도가 좋다. 그러나 경화제가 온도 및 습도에 민감하며 알콜계 도형제는 주형 강도를 감소시키고 경화 반응에 시간이 걸리기 때문에 모형의 회전 시간이 긴 단점이 있다. ○ α set 자경성 주형 α set 자경성 주형에는 점결제로 알칼리 페놀(Alkali Phenol) 수지가 쓰이며, 경화제로는 유기 에스터(Ester)가 쓰인다. 주물사 회수·재생 처리가 용이하고, 사용되는 수지가 수용성 수지이므로 위험성이 적으며 냄새 등이 적어서 작업 환경이 개선되는 장점이 있다. 그러나 강산성 주물사에는 적당하지 않고, 주물사의 온도 및 습도가 경화에 민감하게 영향을 미치며 다른 유기 자경성 주형사에 비해서는 상대적으로 재생 처리가 곤란한 단점이 있다. ○ 페놀 우레탄(Phenol Urethane) 자경성 주형 페놀 우레탄(Phenol Urethane) 자경성 주형은 펩셋(Pepset) 주형이라고도 한다. 점결제로는 페놀(Phenol) 수지와 열경화성 수지(Polycyanate)가 쓰이며, 경화제로는 유기 염기성 화합물이 쓰인다. 경화속도가 빠르고 내·외부의 경화 시간 차이가 작아서 조형 시간이 단축되는 장점이 있다. 또한, 사용 주물사의 회수·재생이 용이하고, 혼련사의 유동성이 양호하며 주입 후 붕괴성이 양호한 장점이 있다. 그러나 유기 용제를 사용하기 때문에 악취가 발생하며 경화 속도가 주물사 온도에 민감한 단점이 있다. ■ 도형제의 기술동향 주조품을 보호하기 위해 조형한 후 주형 공간 표면에 도형제를 도포한다. 도형제는 고온의 액체 금속이 주형 공간 표면의 주물사 입자사이를 침투하는 것을 방지하고, 용탕 주입 시 주형 공간 표면의 주물사가 주조품에 소착되는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서 도형제의 입도는 가늘어야 하며 내화도가 충분히 있어야 한다. 도형제로는 흑연, 목탄분, 운모분, 알루미나 분말, 지르콘 분말, 및 규석 분말 등이 쓰이고 있다. 도형제는 도형기계 분말, 첨가제 그리고 도형제를 주형 공간 표면에 도포하기 좋게 하기 위한 용제로 이루어진다. 용제로는 알코올이나 물이 쓰이고 있다. 도형제를 용제로 희석해 도포하며 붓으로 칠하거나 스프레이(Spray)로 뿌리는 방법을 주로 이용한다. 또한, 소형 주조품을 도형제 통 속에 침지해 도포하는 경우도 있다. ■ 용해의 기술동향 용해로는 장입 소재를 용해해, 원하는 재질의 제품을 얻을 수 있도록 용탕의 화학 조성을 조절하고, 불순물을 제거하고 주형 내에서 유동도가 충분해 주입이 잘되고 승온할 수 있도록 설계 및 선택해야 한다. 주조용 용해로로는 큐폴라, 유도로, 반사로 및 도가니로 등이 주로 이용되는데 열원과 용융 금속의 종류에 따라 아래와 같이 분류할 수 있다. ◇ 큐폴라(Cupola) 큐폴라는 주철의 용해를 위해 주로 이용되며 용해 경비가 가장 적게 든다. 아래 그림에서 보이는 바와 같이 노저부에 출탕구(Tapping Spout)가 있고 출탕구보다 높은 위치에 출재구(Slag Spout)가 있다. 큐폴라의 작업 순서는 다음과 같다. ⅰ 노 내부를 수리하고 건조시킨다. ⅱ 용탕 또는 용재(Slag)의 유출에 의한 방지하기 위해 노 밑에 모래층을 둔다. ⅲ 노 내부 바닥에 장작과 코크스(Cokes)를 넣고 불을 붙인다. ⅳ 연소가 잘 일어나고 있을 때 코크스, 주물용 선철 및 석회석을 차례로 장입한다. 코크스는 1회에 150mm 정도, 주물용 선철은 중량 기준으로 코크스의 약 10배 그리고 석회 석은 약 5% 정도를 장입한다. ⅴ 약 10분 후 금속이 녹아 떨어지기 시작할 때 출재구를 내화점토로 봉입한다. ⅵ 송풍 장치를 가동해 송풍한다. 큐폴라의 용량은 시간당 용해 능력(tons/hr)으로 표시하며 보통 사용되는 큐폴라의 용량은 3~10tons/hr이다. 큐폴라의 규격은 용해층의 내부 직경과 풍구에서 장입구까지의 높이로 표시한다. 노 내부에 바르는 내화 점토층인 라이너(Liner)에 따라 분류하면 산성로와 염기성로가 있다. 전자의 라이닝 소재의 주성분은 SiO2이며 인(P) 및 황(S)은 잘 제거되지 않으나 탄소(C), 규소(Si) 및 망간(Mn) 등은 제거된다. 후자의 주성분은 산화마그네슘(MgO)이며 P와 S를 제거할 수 있다. 큐폴라는 다른 종류의 로에 비해 열효율이 좋고, 구조가 단순해 시설비가 싸고, 작업이 간편하며 연속 조업하는 동안 노에서 수시로 출탕할 수 있는 장점이 있다. 그러나 금속 장입 소재가 고온에서 연료와 장시간 접촉하기 때문에 화학 조성의 변화가 많고 감량되는 단점이 있다. ||◇ 유도로 유도로는 고주파 유도 용해로와 저주파 유도 용해로가 있으며 장입물의 크기에 따라 선택된다. 에너지원은 전기이며 전자 유도 작용에 의해 장입 소재인 금속 물체 중에 생기는 유도 전류가 금속 물체 중의 저항에 의한 손실 때문에 열로 변환돼 가열·용해하는 기구를 이용한 용해법이다. 구조적으로는 철심형과 무철심형이 있다. 철심형은 장입물의 크기가 클 경우에 사용하며 대용량의 용해를 할 수 있다. 현재 사형 주조 공장에서는 다음 무철심형을 주로 사용한다. 유도로는 급속 가열·용해가 가능하며, 전력 효율이 가장 높고, 용탕의 화학 조성 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 전력 비용이 많이 들고 설비비가 비싼 단점이 있다. ||◇ 아아크로 탄소 전극사이의 아아크에 의해 발생하는 간접적인 열에 의해 장입물을 용해하는 간접 아아크로와 탄소 전극과 장입물이 각각 극으로 작용해 발생하는 아아크에 의해 장입물을 용해하는 직접 아아크로가 있다. 각각의 아아크로는 아래 그림에서 보이는 바와 같다. 간접 아아크로는 온도가 낮고 용해율이 낮기 때문에 주로 융점이 낮은 동합금과 합금 주철의 용해에 이용된다. 직접 아아크로는 단상 및 3상이 있으며 전극과 장입물사이의 아아크 열과 전류가 장입물을 흐를 때의 저항열에 의해 가열·용해한다. 약 1,800℃ 정도로 고온에 도달하므로 휘발성이 적은 고력 주철. 가단 주철 및 주강의 용해에 이용되며 노상(Hearth)의 라이닝 소재에 따라 산성로와 염기성로로 분류할 수 있다. ||◇ 반사로 반사로는 용탕 표면을 직접 연료의 연소에 의해 가열할 뿐만 아니라 천정과 측면으로부터 반사열에 의해 가열하는 로다. 비철 합금의 용해를 위해 많이 이용되며 열원으로는 가스, 경유 또는 전기가 사용된다. 아래 그림에서 보이는 바와 같이 연소실과 용해실이 별도로 구분돼 있으며, 용해실에는 깊이 300~350mm 정도의 용탕이 고이는 노상이 있다. 석탄, 중유 또는 가스 연료의 연소 가스가 장입물을 직접 가열함과 동시에 내화 벽돌로 축조된 벽에서 반사되는 열로 금속을 가열해 용해한다. 출탕부는 용해실 측벽에 설치돼 있으며 노상은 실리카로 라이닝 돼있다. 용해 능력은 1회의 용해량으로 표시되며 15~40톤(ton) 정도로 용량이 많아 비교적 순수한 용탕을 얻을 수 있으며 한 번의 용해로 다량의 용탕을 얻을 수 있다. 따라서 대형 주조품을 얻을 때 주로 사용한다. ||◇ 도가니로 도가니로는 로 내에 넣어 놓은 도가니 내에 장입물을 넣어 용해하는 방식의 로로 그 역사는 매우 길다. 장입물과 용탕을 직접 가열하지 않고 로 내에 넣어 놓은 도가니를 직접 가열한다. 구리 및 알루미늄 합금과 같은 융점이 낮은 비철 합금의 용해에 주로 이용된다. 장입물이 직접 연료와 접촉하지 않으므로 비교적 깨끗한 용탕을 얻을 수 있고, 설비비는 적게 드나 열효율이 낮은 단점이 있다. 도가니로의 종류에는 연료에 따라 코크스로, 중유로, 가스로 및 전기 저항로 등이 있다. 또한 정치식과 가경식이 있으며 자연 통풍식과 강제 통풍식이 있다. 도가니는 구리 및 알루미늄 합금 등의 용해에 사용되는 흑연 도가니와 마그네슘 및 아연 합금 등의 용해에 사용되는 철제 도가니가 있다. ||◇ 용해 작업 주조품의 품질에 직접 영향을 미치므로 용해 작업은 매우 중요하다. 금속 장입물, 합금 원소 첨가제 및 용제 등을 로에 장입하거나 첨가한다. 공업적으로 순수한 1차 금속 및 고철과 계이팅계, 압탕 및 불량 처리된 주조품 회수재를 장입한다. 합금 원소의 융점이 낮을 때에만 순수한 합금 원소를 첨가해 용탕의 화학 조성을 제어한다. 융점이 높은 경우에는 저 융점 금속과 잘 섞이지 않으므로 융점을 낮춘 모합금을 첨가한다. 모합금은 중력 편석이 일어나는 경향이 작은 것을 선택해야 한다. 합금 용해를 하는 경우 일반적으로 융점이 낮은 합금을 먼저 용해하고 융점이 높은 합금을 첨가한다. 용탕 표면을 분위기와의 반응과 오염으로부터 보호하기 위해 그리고 용탕을 정련하기 위해 용탕 표면을 열손실에 대해 차단해야 한다. 이를 위해 일반적으로 용제를 용탕 표면을 덮거나 용탕과 용제를 혼합해 슬래그를 형성하게 한다. 주강의 경우 슬래그 성분에는 CaO, SiO2, MnO 및 FeO 등이 있다. 슬래그는 실리카 함량이 많은 산성 슬래그와 산화 칼슘 함량이 많은 염기성 슬래그가 있다. 용제는 탄산나트륨과 불화칼슘(주철용) 그리고 보락스-실리카 혼합물(동 합금용) 같은 2차 용제가 섞인 석회석 및 도로마이트 같은 무기 화합물이다. 이와 같은 화합물은 용해 가스와 여러 가지 불순물을 제거해 용탕을 정련한다. 출탕 및 주입 시에는 용탕이 가스와 비금속 개재물로 오염되지 않도록 주의해 용탕을 다루어야 한다. 레이들과 같은 도구는 깨끗하고 잘 건조돼야하며 조용하게 주입해야 한다. 전방 산업 발전과 함께 수요 증가 청년층 찾는 일자리 인식 전환 必 ■ 국가별 동향-미국 전 세계 주조 공장에서 생산하고 있는 주물 소재의 재질별로 분석해 보면 선진국일수록 비철 주조 공장이 차지하는 비율이 높다. 미국의 경우 60% 이상이 비철 주조 공장이며 이 중 다이캐스팅 공장의 비율이 매우 높다. 비철 주조품의 경우 수송 기계류, 전기 동력 장비 및 산업 기계류 순으로 나타나고 있다. 또한 미국의 경우 회주철에 비해 구상흑연주철의 생산량이 더 많다. 미국의 주조품 시장의 경우 Al 합금, 주강 및 구상흑연주철 제품 수요가 증가할 것으로 예상되며 회주철 제품의 수요는 외국과의 경쟁 및 기계적 성질 측면에서 뒤떨어져 감소할 것으로 예상된다. 또한 전기 자동차 시장의 확대와 수송 기계의 경량화 수요로 알루미늄 및 마그네슘 등 경량 비철 금속 주조품 수요가 증가할 것으로 예상된다. 미국의 제조업 투자와 인프라 재구축으로 주철 및 주강 제품의 시장도 꾸준히 유지될 것으로 예상된다. ■ 국가별 동향-일본 일본도 공장의 60% 이상을 비철 주조품 공장이 차지하고 있다. 자동차의 경량화 추세와 더불어 비철 주조품 생산량이 증가하고 있으며 앞으로 전자 산업 및 기계 공업 등의 분야에서 비철 주조품의 수요가 늘어나 비철 주조 산업의 발전이 있을 것으로 예상된다. 주요 연구기관으로 히타치금속 등과 같은 대기업 연구소, 중소기업 연구소 그리고 일부 대학교의 연구실에서 주조 분야의 연구·개발을 담당하고 있다. ■ 국가별 동향-유럽 연합(EU) 독일 및 프랑스와 같은 선진국에서는 미국 및 일본과 마찬가지로 공장의 60% 이상을 비철 주조품 생산 공장이 차지하고 있다. 유럽 연합(EU)의 경우 기업체 연구소 및 대학의 연구실에서 주로 주조 분야의 연구·개발을 담당하고 있다. 특히, 유럽 연합 내에 본사를 두고 있는 주조 부자재 업체 및 장비 제조 업체에서 사형 주조의 특성과 생산성 향상을 위한 장비 개발 등의 연구를 활발히 진행하고 있다. ■ 국가별 동향-한국 ◇ 연구 개발 현황 우리나라 주조 산업은 자동차, 조선, 전자 및 산업 기계 등의 부품으로 필요한 부품 소재 산업으로서 소재 공급을 하고 있어 완성품의 품질과 수출에 직접적인 영향을 미치고 있다. 또한 자동차 부품의 글로벌 마케팅에 힘입어 주조 부품의 직접 수출도 증가하고 있다. 주조 산업은 중소기업 중심의 인력 수요가 많아 고용 효과가 큰 반면 인력 수급이 문제다. 현장 작업 인력뿐만 아니라 기술 개발을 주도할 엔지니어의 유입이 절대 부족하며 현장 생산 작업은 외국인 노동자에 크게 의존하고 있다. 1980년대에 비해 2000년대에 대학졸업 현장 엔지니어의 비율이 두 배 정도로 증가해 주조 기술의 발전에 도움이 됐으나 숙련 기능공은 절반 이하로 감소해 작업 현장에서의 기술적 know-how 축적, 생산 기술 및 불량률 제어 등에 불리하게 작용하는 원인이 되고 있다. ◇ 선도 연구 기관 우리나라 사형 주조 기술에 대한 선도 연구 기관은 한국생산기술연구원이다. 과거 한국과학기술연구소(KIST)의 주물 센터가 모태가 돼 현재의 한국생산기술연구원으로 발전했다. 그리고 현대자동차 및 두산인프라코어 등 대기업 연구소 또는 기술원에서 주로 연구하고 있으며 영남대를 포함한 일부 대학의 연구실에서 기초 연구를 담당하고 있다. ◇ 기술 경쟁력 분석 우리나라 주조품 생산 규모는 약 210만톤으로 세계 8위권이며 축적된 기술 경쟁력을 바탕으로 자동차, 조선 및 공작 기계 등 국내 산업에 미치는 영향은 매우 크다. 공장 수는 약 870여개이며 4만명 이상의 종업원이 종사하고 있다. 이 중 중소기업이 90% 이상을 차지하며, 종업원 수 300인 미만 업체가 차지하는 비율이 90% 이상이고, 100인 미만 업체가 80% 이상이다. 우리나라 주조 공장 수는 1991년에 930개 까지 증가했다가 이 후 감소 추세를 보였다. 2000년에 약 800여개 업체로 증가해 2009년 현재 약 870여개 업체에 이르렀다. 주조 공장은 부산·경남, 인천·경기 및 대구·경북의 순으로 기계 공업이 발달한 곳을 중심으로 밀집돼 있다. 근래에는 자동차 공장의 이전에 따라 충남 및 전북 지역의 업체수가 증가하고 있다. ■ 시장 규모 및 전망 세계 주조품 생산량은 중국, 일본 및 우리나라를 포함하는 아시아가 약 59.6%, 미주가 약 11.9% 그리고 러시아를 포함하는 유럽이 약 23.3%를 차지해 중국의 영향이 가장 큰 것을 알 수 있다. 중국은 2009년 한 해 동안 약 3만개의 주조 공장에서 약 3,530만톤을 생산해 세계 주조품 생산량의 약 43.9%를 차지했다. 세계 주요 주조품 생산국은 중국, 인도, 일본, 러시아, 독일, 브라질, 및 우리나라의 순으로 우리나라는 2009년도 통계를 기준으로 세계 8위를 차지했다. 세계 주조 공장의 수는 중국, 인도, 미국, 일본 및 러시아의 순으로 나타나고 있으며 우리나라의 주조 공장 수는 약 870개 업체로 이 역시 세계 8위를 차지하고 있다. 독일의 경우 약 600개의 공장에서 약 390만톤을 생산해 공장당 생산량이 약 6,500톤으로 효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 전 세계의 주조 공장은 약 5만1,000개 정도이다. 최근 2년간 경쟁력이 없는 많은 공장들이 퇴출됐으며 경쟁력을 가지고 살아남은 공장은 기술 개발 및 국가적 차원의 지원 등이 이루어질 경우 안정적 성장세를 유지할 전망이다. 세계 주조품 생산량 중 회주철, 구상흑연주철, 주강 및 비철 주조품이 차지하는 비율은 각각 47, 24, 12 및 17%로 나타나고 있다. 회주철의 생산량이 가장 많으나 생산량의 증가율은 감소하고 있다. 1999년 이후 회주철 생산량은 약 9.3% 증가에 그쳤으나, 구상흑연주철, 주강 및 비철 주조품 생산량은 각각 약 39.6, 50.0 및 41.1% 증가했다. 또한 주철 주물의 구성비를 보면 전 세계적으로 회주철이 약 65% 그리고 구상흑연주철이 약 35%를 차지하고 있다. ■ 미래의 연구방향 우리나라 뿌리 산업의 한 분야인 주조 산업은 앞에서도 언급한 바와 같이 기술 경쟁력을 바탕으로 꾸준히 발전하고 있으며 자동차, 조선 및 산업 기계의 발전과 함께 그 수요는 더욱 증가할 것이다. 또한, 자본력과 기술개발 능력을 보유하고 있는 선진국에서 큰 관심을 가지고 있다. 그러나 인력 수급, 환경 문제 및 후발 국가의 기술발전 등으로 인해 발전에 어려움을 겪고 있다. 따라서 제조 공정 개선, 생산 기술과 우수한 제품 개발을 통해 우리나라 주조 산업이 꾸준히 성장하고 경쟁력을 가지기 위해서는 꾸준한 인력 양성, 생산 설비, 제품 개발, 공해 방지 및 작업 환경 개선 등의 노력이 필요하다. ■ 국내 사형주조산업이 나아갈 방향 20대의 젊은 사람들이 제조업 현장 특히 주조 공장에서 근무할 마음이 생길 수 있도록 정부 차원의 정책 수립 및 지원과 주조 업체의 노력이 필요하다. 그리고 교육 기관에서는 제조업 현장 작업에 관한 교육을 담당해 이에 도움을 줄 수 있어야 한다. 특히 대학, 관련 연구기관 및 학회에서 신규 인력 교육과 현장 엔지니어 재교육을 통해 꾸준히 인력 양성에 기여할 필요가 있다. 생산 공정 즉, 주물사 처리, 조형, 용해 및 후처리 공정 등의 가능한 부분을 찾아 자동화 및 기계화를 추진할 필요가 있다. 이를 통한 인건비 절감, 생산 효율과 생산성 증가를 통한 윈가 절감을 실현해 경쟁력을 확보할 수 있다. 정부의 지원과 기업체의 자체 노력, 그리고 연구소 및 대학 연구팀의 협력으로 부가가치가 높은 신제품 개발, 생산 제품의 고품질화, 생산 공정 개선을 통한 원가 절감 등의 연구 개발을 꾸준히 추진돼야 한다. 이를 꾸준히 추진함으로써 글로벌 경제 체제에서 앞서 나갈 수 있을 것이다. 더불어 날로 엄격해져 가고 있는 환경 규제에 대비하기 위한 공해 방지 설비 설치를 통해 세계적인 추세에 뒤쳐지지 않도록 노력해야 한다.

원천기술 확보로 新시장 선점해야 ■ 기술의 정의 및 분류 금속을 가공하는 방법은 크게 용융(액체) 상태에서 가공하는 방법과 고체 상태에서 가공하는 방법으로 구분된다. 금속을 융점 이상으로 가열해 액체 상태로 만드는 기술을 특수용해기술이라 한다. 용융금속을 특수한 용기(주형, 몰드, 등)에 주입하거나 특수한 방법으로 형상을 가지는 제품을 만드는 방법을 특수주조기술이라 정의한다. ◇ 기술의 정의 및 분류 특수용해주조기술은 특수한 환경에서 금속을 용해하는 기술(특수용해)과 용융금속을 주형에 부어서 제품을 만드는 기술(특수주조)로 분류한다. ||◇ 적용부품 형상이 복잡하고 생산 경제성이 요구되는 부품을 제조하는 경우 주조 방식을 우선 고려해야 한다. 고온에서 공기(산소 또는 질소)와 반응하는 특수금속을 용해하는 경우, 특수한 분위기(진공·가압·저압·분위기·자장 등)에서 용해하는 동시에 주조 제품을 성형하는 공정기술이 필요하다. ■ 기술의 환경변화 및 중요성 ◇ 환경 친화적 에너지 개발 활동 증가 주로 화석연료를 이용해 생산된 전기를 용해 과정의 에너지원으로 사용하기 때문에 CO2 저감은 용해 과정의 핵심 이슈이다. CO2 저감 노력의 일환으로 지난 30년 동안 미국·유럽·일본을 중심으로 용해 및 주조 과정에서 에너지 효율 향상을 위해 기술이 개발돼 왔다. ◇ 기술 및 시장 선점 경쟁 치열 용해 및 주조 분야에서는 신기술 개발에 의한 생산성 향상 및 신제품 제조에 따른 시장 선점 경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 특히 기술적·경제적으로 우위를 점할 수 있는 친환경 용해 및 주조 원천기술 개발 확보 경쟁이 치열하다. ■ 특수용해기술 동향 ◇ 진공 아크 재용해(VAR, Vacuum Arc Remelting) VAR 공정은 전극 제조 시 전극 자체가 아크열에 의해 녹아서 용해되는 공정이다. 전극은 하나의 봉재로 이루어지기도 한다. 분말이나 스크랩을 용해하기 위해서는 소재를 압착한 다음 적정 크기로 용접한 후에 용해 공정을 거쳐 잉고트를 생산하게 된다. ||VAR 공정은 진공 또는 불활성 가스 분위기(진공도 0.25-0.9 기압)에서 아크(Arc)를 발생(아크길이 2.5-5cm)시켜 수냉 동 도가니 내에서 용해해 잉고트를 제조한다. 제조된 잉고트의 화학적 조성 균질화를 위해 잉고트 표면의 산화층을 황삭해 제거한 다음, 이를 소모전극으로 사용해 2~3회 재용해한 후 건전한 잉고트로 제조한다. 현장에서는 2회의 재용해로 화학적으로 균질한 잉고트를 제조할 수 있기 때문에 장시간의 잉고트 균질화 처리 없이 바로 코깅(Cogging) 공정을 거쳐 판재 압연을 수행하고 있다. 화학용 부품 등과 같은 정적 구조물에 사용되는 소재는 VAR로 2회 재용해해 사용하는 반면에, 항공기 부품과 같이 동적 구조물에 사용되는 소재는 VAR로 3회 재용해해 화학적 균질성과 결함이 제거된 엄격한 품질 조건을 만족시키는 잉고트를 사용해 부품을 제조하고 있다. ||최근에는 수율을 높이기 위해 전극을 원형으로 하는 대신 60% 단면적을 가지는 반원 형태(최소 안정적 아크 단면적)로 압착한 다음 선별된 스크랩(Scrap)을 용접해 1차 전극으로 사용한다. 이 경우 스크랩을 최대 50% 정도까지 재활용하고 있다. 그러나 항공기 부품에 사용하는 소재는 스크랩 사용을 제한하고 있다. 이는 스크랩을 사용하는 경우 불순물이 유입돼 피로균열의 원인으로 작용하는 것을 방지하기 위함이다. 소모식 VAR법은 생산비용이 적고 10톤 이상의 대형 잉고트 제조에 적합하다는 장점을 갖고 있어 상업적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 용해속도 조절의 어려움, 성분원소의 편석, 전극 제작 시 침입형 불순물의 오염 등의 단점도 존재한다. ◇ 전자빔 용해(EBM, Electron Beam Melting) 열원으로 전자빔을 사용하면 보다 높은 온도를 얻을 수 있고, 전자기적 조절에 의한 열원의 위치 이동이 용이하다. 따라서 전자빔 용해는 고융점을 가지는 금속의 용해에 사용돼 왔다. 1905년 EBM 기술이 개발돼 탄탈륨 용해에 적용된 이래, 기술적으로 안정된 전자총을 제조하는 기술이 발전해 1970년대에 이르러 타이타늄 스크랩을 재용해하는 상용화 공정에 적용됐다. 타이타늄 용해용으로 사용되는 전자빔 용해로는 수냉 용해용기(Hearth)가 부착돼 있어 EBCHM(Electron Beam Cold Hearth Melting)이라 불린다. EBM 장치는 원소재를 직접 수냉식 도가니에 장입한다. 그 다음 전자빔 토치(Torch)를 이용해 Hearth 윗부분을 선회하며 용해하고, 수냉 몰드 내에 용탕을 주입하는 연속주조 방법으로 잉고트를 제조한다. ||EBM에서 용해작업은 고진공 분위기 하에서 이루어진다. 따라서 용융상태에서 높은 증기압을 갖는 알루미늄과 같은 경량합금원소의 증발 손실이 발생하기 때문에 최종 제품의 합금 성분조절이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 조업 과정에서 중금속이나 고밀도 불순물은 비중 차에 의해 Hearth 하부에 분리돼 잉고트에서 배재되는 장점도 있다. ◇ 플라즈마 아크 용해(PACHM, Plasma Arc Cold Hearth Melting) PAM 기술은 열원으로 플라즈마 아크를 사용함으로써 용해 분위기를 자유롭게 바꿀 수 있는 EBM의 높은 정련효과와 VAR의 합금제조 능력을 겸비한 방법이다. 플라즈마 아크 용해는 상기 EBCHM에서 소개한 EB 총(Gun) 대신에 플라즈마 토치를 장착했다는 점 외에는 EBCHM과 매우 유사하다. 수냉 Hearth가 부착돼 있는 PACHM(Plasma Arc Cold Hearth Melting)도 널리 이용되고 있다. 산업적으로는 비소모성 전극 주위에 알곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려주면서 직류 또는 교류 아크 열 플라즈마로 수십 MW까지 얻어내는 비이송식 또는 이송식 플라즈마가 주류를 이루고 있다. ||◇ 유도 용해(ISM, Induction Skull Cold Crucible Melting) ISM 방식은 열원으로 유도전기를 이용한다. 용해로는 전기전도도가 좋은 구리 내부에 수냉을 시키면서 와전류(Eddy Current)를 최소화하기 위해 수냉 Path가 있는 구리를 조각으로 구성하고, 수냉 구리조각 사이에 부도체를 삽입해 간극을 유지하면서 도가니를 구성할 수 있도록 제조돼 있다. 가열방식은 전자기적 유도전기가 흘러 장입된 금속이 도가니와 접촉하지 않는 상태에서 장입된 금속을 용해하는 방식이다. ISM으로 용해하는 경우에는 수냉에 의해 용융금속이 얇은 Skull을 즉시 형성함으로써 도가니와 접촉을 하지 않은 상태에서 활성금속들을 용해할 수 있다. 또한 도가니와의 반응이 없을뿐더러 전자기적 힘에 의해 강력하게 저어가면서(Intensive Stirring) 여러 번 반복해 사용할 수 있기 때문에 첨가원소를 균일하게 합금화하면서 작업을 수행할 수 있다. 유도 용해법은 코일에 교류 전류를 흘려서 코일의 내부에 놓여 있는 금속에 전자유도 작용에 의해 와전류를 발생시키고, 와전류에 의한 줄(Joule) 발열을 이용해 용해하는 방법이다. 반면, 유도 스컬 용해법은 종래의 유도 용해에서 도가니를 수냉 동으로 바꿔 타이타늄을 용해해도 도가니에 의한 용탕 오염 문제를 피할 수 있는 것이 큰 특징이다. 유도 용해에서는 전자기력에 의해 용융 금속에 중심 방향으로 힘이 작용한다. 따라서 용융 금속이 직접적으로 수냉 동 도가니에 접촉하는 기회가 적고, 용탕이 동 도가니에 접촉하더라도 동 도가니가 수냉되기 때문에 경계면에서 즉시 응고돼 용탕이 도가니를 용손할 수 없다. 이 용해법의 최대 과제는 용해로의 대형화에 있다. 현재 사용되고 있는 용해로는 100kg 이하의 작은 주괴의 생산만 가능하다. 경제성을 향상시키기 위해서는 5-6톤 규모의 주괴가 요구되나 아직은 이러한 대형 장비는 실용화 되지 않고 있다. 주조신공정 통한 소재부품 개발 절실 신공정기술 연구개발 중심 전환 필요 ■ 특수용해기술 개발의 주요이슈 ◇ 경제성 제조원가·투자규모·생산비용 면에서 VAR이 압도적으로 우세하나 저가로 스크랩을 구입할 수 있는 경우에는 다른 용해방법도 경쟁이 가능하다. 작업조건이 비교적 단순하고 고장이 적고 수리가 용이한 VAR 장비의 특성상 초기 투자가 고려되는 국내실정에 더욱 유리할 것으로 보인다. 반면에 고품질의 잉고트나 소량의 특수 타이타늄 합금을 VAR로 제조하기 위해서는 2~3회의 반복 용해가 필요하다는 점에서 소재별로는 다른 용해방법도 경쟁력이 있을 수 있다. px !important;">||||◇ 결함의 종류와 방지대책 특수용해에 의해 제조된 잉고트 및 빌렛 제조 공정 중에 발생하는 결함은 원소재와 함께 유입되는 불순물에 의해, 부적절한 용해작업에 의해, 또한 열간 가공 중에 나타나게 된다. ||○ Type I 결함 원소재에서 유입되는 불순물에 의한 대표적인 결함으로 Type I 결함이 있다. Type I 결함의 종류로는 LDI(Low Density Inclusion), HID(High Interstitial Defect), HD(Hard Alpha) 등이 있다. 이러한 결함은 원소재로부터 또는 조업 중에 공기 또는 수분이 스며들어 이를 구성하는 산소, 질소 등이 용융 금속과 반응해 생기는 결함이다. Type I 결함은 α 상을 안정화시키는 원소에 의해 발생되기 때문에 국부적으로 α 상이 편중되고 공공 또는 미세균열이 동반된다. 이는 유입된 가스 상이 응고가 완료된 고상 내에서 분압을 가짐으로써 국부적으로 공기 또는 가스 포켓이 형성되기 때문에 발생한다. Type I 결함이 잉고트 내에 존재하면 낮은 변형 양에서도 균열이 쉽게 일어나기 때문에 가공된 판재에서 피로강도가 현저히 저하된다. 이 결함은 한번 유입되면 후공정에서 복구할 수 없기 때문에 원소재 스폰지의 철저한 관리를 통해 수분, 산소, 질소 등의 유입을 차단해야 한다. ○ Type II 결함 Type II 결함은 HAD(High Aluminium Defect)라고도 불리는데, 알루미늄이나 주석과 같이 증발이 용이한 저융점 합금원소들이 응고수축부에 응축돼 나타난다. 이 결함은 α 상을 유발하나 강도가 모재에 비해 크게 높지 않기 때문에 덜 유해하다. Type II 결함이 존재하면 반복사용 중에 피로균열 크랙이 비교적 쉽게 생성돼 소재의 고주기 피로 성질이 저하된다. 주로 잉고트가 최종 응고하는 부위에서 발생하기 때문에 응고수축부를 제거하거나 응고 시 여분의 열을 가해 최종 수축부의 응고속도를 낮춤으로써 발생빈도를 낮출 수 있다. ○ Blocky α 결함 α 상 안정화 원소(Al, Sn 등)가 미세편석을 일으킴에 따라 국부적으로 β 상 변태온도가 높아져서 생성되는 α 상에 의한 결함을 Blocky α 결함이라고 부른다. 이러한 결함은 소재의 기계적 성질에는 크게 영향을 미치지 않는다. 그러나 초음파 검사로 쉽게 발견할 수 있으나, 성형공정 중에 β 상 변태온도 근처에서 서서히 승온 및 냉각시키면 없어지게 된다. ○ β Fleck 결함 β Fleck 결함은 잉고트 중에 β상 안정화원소(Fe, Cr, Ni, Mn, Cu 등)가 국부적으로 존재하는 경우, 이 영역에서 변태온도가 낮아져서 생기는 결함이다. 잉고트의 직경이 커질수록 발생빈도가 증가한다고 알려져 있다. 이 결함이 존재하면 피로균열의 시작점으로 작용해 향후 가공 단조품의 피로강도를 저하시킬 수 있으므로 피해야 한다. 이 결함은 Blocky α와 마찬가지로 β상 재결정 및 동적 재결정 과정에서 확산에 의해 제거될 수 있다. ○ Coarse Dendrite 결함 잉고트 응고 시 형성되는 조대한 수지상정(Coarse Dendrite)은 가공 중에 수지상정 경계면에서 균열을 유발시키므로 적절이 제거돼야 한다. 코깅 중에 균열이 발생될 때에는 이 균열의 지속적인 성장을 방지하기 위해 연마에 의해 초기균열 부위를 제거한 후 열간 소성가공을 수행해야 한다. 이 결함을 방지하기 위해서는 잉고트 제조 시 냉각속도의 조절에 의해 조대한 수지상이 생성되지 않도록 해야 한다. ○ 미세수축공(Micro Shringkage) 결함 미세수축공은 응고 시 수지상정 가지 사이에서 액상 금속의 공급이 충분하지 못한 경우에 생성되는 결함이다. 또한 염화물이 다량 잔류하는 스폰지를 사용하는 경우에도 잉고트 내에 둥근 모양의 미세수축공이 생성된다. 용해조업 중에 진공도가 낮은 경우에도 유입되는 잔존 산소나 질소에 의해서 미세수축공이 형성될 수 있다. ○ HDI(High Density Inclusion) 결함 HDI 결함은 주로 스크랩 중에 유입되는 절삭 바이트를 구성하는 고융점 불순물(WC, Mo, Ta, Nb 등)이 혼입되거나, 브리켓을 용접하는 과정에서 혼입된 비소모성 용접봉 소재(주로 W) 등이 타이타늄의 용해온도에서 녹지 않고 고체 상태로 존재함으로써 발생하는 고융점 원소 개재물에 의한 결함이다. ○ 수축공(Shrinkage hole) 결함 응고의 말기에 적정한 열이 유입되지 않으면 표면이 먼저 응고한 후 내부에서 응고수축이 일어남에 따른 수축공이 표면 직하에서 발생한다. 수축공의 크기는 일반적으로 잉고트의 크기에 비례해 생성되는데, 직경이 3cm 이상 되는 수축공은 차후 압연과정에서 압착되지 못하고 연신돼 긴 결함을 발생시키기 때문에 판재의 수율이 낮아지게 된다. 대부분의 공장에서는 비파괴검사에 의해 잉고트 내의 수축공 결함의 크기와 위치를 확인한 다음, 건전한 부위만 남도록 절단한 후 코깅과 압연공정에 넘어간다. ||||◇ 잉고트 결함과 방지대책 잉고트를 가공하는 과정에서 생길 수 있는 결함으로는 가공공정 중에 유입되는 표면 산화물, 불충분한 소성가공에 의한 미세조직의 불균일과 내부의 결함의 지속 존속, 낮은 가공온도와 심한 가공량에 기인하는 균열 등의 결함이 생성될 수 있다.||○ α Case 생성 결함 타이타늄과 같이 반응성이 높은 금속은 공기 중에서 산소와의 친화력이 크기 때문에 가공 중에 항상 산화피막이 존재한다. 잉고트 냉각 중, 또는 코깅이나 압연을 위해 잉고트를 장시간 가열하게 되면 고온에서 타이타늄과 공기 중에 존재하는 산소와 질소 등과의 반응에 의해 두꺼운 α Case가 생성된다. 생성된 α Case는 주로 타이타늄 산화물로 단단하고 취성이 높은 세라믹의 특징을 지니고 있기 때문에 비파괴 검사에 의해서 발견하기 어렵다. 잉고트 상태에서는 선반에 의한 황삭가공으로 표면을 벗겨냄으로써 제거가 가능하다. 가공된 잉고트는 압연작업 전에 모래에 의한 Short Blast나 화학적 밀링에 의한 방법으로 α Case를 제거하기도 한다. ○ Elongated α 결함 잉고트를 충분히 높은 온도((α+β) 변태온도 이하)에서 가열하지 않으면 동적재결정에 의한 2차 (α+β) 상이 충분히 생성되지 못하고, 상온에서 존재하던 α 상이 존속하면서 가공 방향으로 연신돼 Elongated α라는 결함이 압연재 내에 생긴다. 이러한 결함이 판재 내에 존재하면 미세조직 상의 Texture가 내재해 기계적 성질에 이방성을 나타내게 되므로 소재결함으로 작용하게 된다. 이러한 결함을 막기 위해서는 압연작업을 α+β 변태온도 이상에서 수행해야 한다. 변태온도 이하에서 압연을 하는 경우에는 가공량을 충분히 많이 주어 상대적으로 낮은 온도에서도 동적 재결정이 일어나게 해 연신된 초석 α 상을 제거해야 한다. ○ SIP(Strain Induced Pore) 결함 잉고트를 비교적 낮은 온도에서 열간 가공하게 되면 잉고트 내의 미세조직 차이에 의해 국부적인 영역에서 변형이 집중되면서 미세기공 등과 같은 결함이 생성된다. 이러한 결함을 SIP라 한다. 이러한 결함을 제거하기 위해서는 압연 가공 중에 가공온도를 적절하게 높이거나, 변형속도를 낮추면서 가공량을 충분히 많이 주어야 한다. ○ Fold 결함 표면에 생성된 산화피막을 충분히 제거하지 않고 소성가공이나 단조 작업을 수행하면 산화피막이 겹쳐서 소재 내에 유입돼 미세조직 상에 불균일한 결함을 유발한다. 이와 같은 결함을 Fold 또는 Lap이라고 부르며, 해당 결함이 최종 제품 내에 존재하면 미세조직의 불균일에 의해 정적 및 동적 기계적 물성이 국부적으로 현저한 차이가 나게 된다. ○ 모서리 균열 잉고트를 고온성형 할 때 모서리와 같이 냉각이 빨리되는 부위는 압연 작업 중에 적정 가공온도 이하로 냉각돼 모서리 균열이 유발되기도 한다. 이러한 결함을 제거하기 위해서는 잉고트의 모서리를 치거나 원형으로 적절히 가공해 모서리에서도 냉각이 서서히 이루어지게 기계가공하는 방법을 사용한다. 또는, 최종 가공온도를 적정온도 이상에서 수행해 모서리 균열을 막을 수 있다. 친환경 용해주조 기술 개발 경쟁 치열 용해주조, 경제성·결함방지 기술 핵심 ■ 미국 동향 최근에는 정밀도가 높고 경제성이 우수한 항공기, 우주선, 병기 등과 같은 특수한 분야의 부품을 제조하기 위한 신기술과 소재의 고청정화 및 정밀도가 높은 주조품의 제조에 관한 연구가 진행되고 있다. 이 분야의 연구개발은 주로 대기업(GE, Pratt Whitney, PCC, Alcoa Howmet, Hitchiner 등)에서 진행하고 있다. 근래에는 특수금속(예, 타이타늄) 생체부품(임프란트, Hip Joint 등)을 청정용해 및 정밀주조 공정으로 생산하는 고부가가치 산업에 소요되는 연구개발이 진행되고 있다. ||■ 일본 동향 일본의 경우에는 이 분야의 독자적인 기업이 부각되기보다는 대기업에 소속된 조직에서 최종제품을 제조하기 위한 설비의 제조와 용해 및 주조 기술을 개발해 왔다. 즉, 일본의 5대 철강 메이저와 IHI, Hitachi, Mishubishi 등과 같은 대형설비 제조회사 중심으로 용해 및 주조 분야가 개발돼 왔다. ■ EU 동향 유럽의 특수용해 및 주조분야의 기술개발은 주로 대형설비을 제조할 수 있는 독일, 영국, 프랑스와 같은 서유럽 국가를 중심으로 발달해 왔다. 제 2차 세계대전 이후에 산업의 부흥을 위해 다양한 설비의 제조와 기타 부자재 등의 분야에서 많은 연구개발이 이루어졌다. ■ 국내 동향 ◇ 연구개발 현황 기술 선진국과는 달리 한국의 특수금속의 용해 및 주조 기술은 1980년부터 산업용 대형 주조품을 제조하기 위한 대형 용해로와 철강 등의 용해를 위한 대형 용해로 위주로 발전해 왔다. 장비는 대부분 선진국에서 구매해 국내에서 활용하고 있는 수준이다. 일부 기업에서 고융점 활성금속인 타이타늄, 초내열 합금, 등에 관한 주조기술을 연구개발하고 있다. ◇ 선도 연구기관 국내 산업의 발전과 함께 대형 플랜트를 건설하기 위한 중공업 발전에 따라 이 분야의 기술도 다양하게 발전해 왔다. 최근에는 POSCO, 두산중공업, 현대, 삼성중공업 등과 같은 대형 제조사를 중심으로 설비의 국산화뿐만 아니라 대형 주조물을 제조하는 세계적인 기술을 개발하고 있다. 특히 대형 선박과 해양 시스템 등을 제조하는 산업이 발전함에 따라 대형물의 용해 및 주조 기술이 발전했고, 또한 자동차를 비롯한 일반 산업용 주조품을 제조하기 위한 특수용해 및 주조기술도 발전하게 됐다. ||◇ 기술경쟁력 분석 특수용해 및 주조 공정기술 분야에서 한국의 기술 수준은 선진국 대비 70% 수준으로 대부분 장비의 설치 및 활용 수준에 그치고 있다. 미국이나 유럽의 경우 항공 산업에 소요되는 기술적 우위를 가지는 제품을 제조하기 위해 정련과 재용해를 위한 EB 용해로 등의 신형 장비를 제조해 제품의 품질 면에서 향상된 기술을 보유하고 있다.||■ 국내외 주요 기업의 생산 활동 최근 들어 미국 및 유럽의 경기위축으로 이 분야의 산업 활동도 많이 감소한 상황이나 세계 경기 부양과 함께 국내외 기업 활동도 호전될 것으로 예측된다. ||■ 미래의 연구방향 및 국내 산업의 나아갈 방향 ◇ 미래의 연구방향 특수용해 및 주조기술에 의한 부품제조 기술은 지금까지 가공, 분말야금, 단조 등의 공정을 이용했으며, 부품을 상대적으로 낮은 가격으로 제조할 수 있는 분말부품으로 대체하는 기술개발에 주력해 왔다. 그러나 자동차, 항공기 부품 등과 같은 일반 산업용 부품의 고강도화·다기능화·정밀화 추세에 따라 주조부품도 이러한 요구를 충족할 수 있는 획기적인 신공정을 개발해 적용해야 지속적인 성장을 유지할 수 있는 상황에 부딪혔다. 따라서 다양한 특수용해기술과 신주조기술을 접목하고 신접합공정에 의한 3차원 부품제조 등 다양한 신주조품의 개발이 요구된다. 친환경, 에너지 고효율화를 위해서는 철계 부품 위주에서 알루미늄·마그네슘·타이타늄 등 비철분말소재를 이용한 경량화를 추진해야 한다. 또한 특수용해 및 신주조기술을 이용해 복잡형상 부품을 저비용으로 제조하는 기술을 지속적으로 연구개발해야 한다. ◇국내 산업의 나아갈 방향 선진국의 경우 특수용해업체와 주조업체, 그리고 주조품을 사용하는 업체가 서로 구분돼 있기 때문에 업체 별로 각각의 고유기술을 보유하고 있다. 국내 특수용해를 통한 신주조제품을 개발하는 산업계가 중점으로 추진하고 있는 기존 소재의 개선 및 개량보다는 신물질 및 신공정에 대한 원천기술을 확보해 신시장을 선점하는 전략의 실행이 필요하다. 아울러 특수용해를 수행할 수 있는 장치와 장비의 개발이 더불어 이루어져야 신기술의 개발과 더불어 경제성이 우수한 주조품을 제작할 수 있다. 우리나라는 현재까지 완제품 위주의 조립 산업에서는 세계적인 경쟁력을 가지고 있으나, 기술을 통한 부가가치가 체화돼 있는 특수용해 및 주조 신공정을 통한 부품소재의 개발이 절실한 시점이다. 정부에서는 완제품 위주의 연구개발에서 부품소재 제작을 위한 신공정기술 연구개발 중심으로 전환함으로써 지속적인 경제성장에 박차를 가해야 한다. 특히 모든 산업의 기초원천이 되는 주조, 단조, 표면처리, 열처리, 금형 등과 같은 뿌리산업에 보다 많은 정부의 지원이 필요하다.