KR20080009721A - 주철주물의 수축공의 예측 및 방지 방법 - Google Patents

Abstract

여러 가지 형상의 주물이나 주물의 각 부분에 대하여, 주조에 앞서 수축공의 유무를 정확하게 예측하고 방지하는 방법을 제공한다. 주물제품의 형상을 전체적 또는 부분적으로 직육면체 또는 정육면체에 근사하게 만들어, 긴 쪽의 두 변의 합계를 남은 짧은 쪽의 한 변으로 나눈 값인 형상계수를 구하여, 이 값이 한정치(판정계수)를 초과하는지 여부에 따라 수축공의 발생을 예측한다.

주물, 형상계수, 압탕, 냉금

Description

주철주물의 수축공의 예측 및 방지 방법{METHOD FOR PREDICTING AND PREVENTING SHRINKAGE CAVITY OF IRON CASTING}

본 발명은 주철주물의 수축공(shrinkage cavity)의 예측 및 방지 방법에 관한 것이다.

수축공의 예측에 관해서는 오래전부터 각종 방법이 제시되고 있다. 대표적인 것으로는 러시아 치보리노프가 제안한 주물의 체적을 표면적으로 나눈 값인 모듈러스(modulus)에 의해 평가하는 방법, 니이야마(新山)가 제안한 온도 기울기(G)를 냉각속도의 제곱근(平方根)

로 나눈 값으로 평가하는 방법이 있다.

그러나 이러한 수축공 예측 방법들은 흑연 생성에 의한 팽창을 수반하지 않는 주강(鑄鋼)이나 비철금속 등에서는 효과적인 수단이 되어 왔지만, 흑연 생성을 수반하는 주철에서는 반드시 효과적인 수단이 된다고는 볼 수 없었다.

이에 요시다(吉田) 등은 구상(球狀) 흑연 주철의 수축공 발생의 판정법으로서 특허 문헌 1을 제안하였다. 이 방법은 주물내부와 표면의 공정(共晶) 응고 시간을 측정하여, 이 공정응고 시간의 중첩 정도 즉, 매시도(massey degree)로부터 수축공의 유무를 판단하는 것이다. 또한, 특허문헌 2에서는 흑연의 입자수와 흑연 반경으로부터 고상율(固相率)을 구하여 수축공의 판정에 이용하는 방법을 제안하였 다.

이러한 요시다 등의 판정방법들은 구상 흑연주철의 수축공 경향을 판정하는 데는 어느 정도 유익하기는 하지만, 이러한 방법들로 수축공을 예측하는 것에는 무리가 있다. 왜냐하면, 이러한 방법들에서는 커다란 주물 정도의 수축공이 발생하게 되어 주형 강도가 충분히 높은 경우에는 수축공과 제품의 크기에 상관이 없다는 발명자들이 발견한 사실과 상반되기 때문이다.

통상적으로 수축공의 예측 방법으로서는 응고 시뮬레이션에 의한 “핫스팟(hot spot)법”이 사용되어 왔다. 이 방법은 응고 과정에서 주물 내부에 다른 것과 단절된 용탕(溶湯)의 섬(島:island), 즉 온도 등온선 또는 응고선의 닫힌 루프(주위가 응고된 금속으로 둘러싸인 미응고 금속의 섬(metallic island)으로 “핫스팟”이라고 함)가 발생하면 미응고 금속부에 용탕이 보급될 수 없게 되기 때문에, 이 부분에 수축공이 쉽게 발생하게 되는 것에 착안한 것이다. 흑연의 정출(晶出)에 의한 팽창을 수반하지 않는 주강(鑄鋼)이나 비철금속에서는 이 “핫스팟”부에 수축공이 발생할 확률이 매우 높기 때문에 정확한 판정법으로서 “핫스팟법”이 널리 이용되고 있다. 그러나 흑연의 정출에 의한 팽창을 수반하는 주철에서는 “핫스팟”이 발생하였다고 해서 이 부분이 반드시 수축공이 되는 것은 아니다.

특허문헌 1: 일본공개특허공보 평 10-296385호,

특허문헌 2: 일본공개특허공보 평 5-96343호

수축공의 방지 방법으로서는 압탕(feeder head) 이나 냉금(chiller) 등이 있다. 압탕에 있어서는 제품의 모듈러스를 계산하여 제품의 모듈러스보다 큰 모듈러스를 가지는 압탕을 세우는 방법이 일반적이다. 이 때문에 압탕의 사이즈가 제품 사이즈와 거의 동일하게 되어 수율이 극단적으로 악화되는 문제가 발생한다. 또한, 주철은 주강(鑄鋼)보다 수축공이 발생하기 쉽지 않다하여 압탕의 양을 줄이게 되면 수축공이 발생하게 되는 바, 결국 주강과 동일한 정도의 압탕을 세우지 않으면 수축공이 발생하는 경우가 많다. 냉금에 의한 수축공 방지 방법에 있어서도 냉금을 시공함으로써 수축공 장소를 이동시킬 수는 있지만, 수축공을 없앨 수는 없다. 이는 주철의 수축공 발생 구조가 복잡하기 때문에 충분히 해명되고 있지 않음에 있다.

종래 기술에서 서술한 바와 같이 각종 수축공 예측 방법이 제안되었지만, 아직까지 주철의 특성에 상응한 정확한 수축공 예측 방법은 수립되어 있지 않은 실정이다. 또한, 수축공 예측이 가능해졌다고 하더라도 수축공을 방지하기 위한 주철의 특성에 상응한 효율적인 방지 방법은 제안되어 있지 않다.

본 발명은 여러 가지 형상의 주물이나 주물의 각 부분에 대하여 정확하게 수축공 발생의 유무를 예측하여, 수축공이 발생한다고 예측되는 주물 또는 주물의 각 부분에 대하여 건전한 주물을 얻을 수 있도록 적절한 주조 방안이나 제품 형상 변경을 실시할 수 있도록 하는 수단을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은 크기나 재질 또는 형상이 다른 각종 주물의 제품에 대하여 수축공 발생의 유무나 응고 시뮬레이션 및 온도 측정 등 각종 실험을 실시하여, 어떠한 형상의 주물 제품에 수축공이 생기는가를 알아내었다. 직육면체(直方體) 블록의 예를 이용하여 그 수단을 해설하면, 직육면체의 긴 두 변의 합계를 나머지 짧은 변의 길이로 나눈 값(여기에서는 “형상계수”라고 한다)이 임의의 수치 이하인 경우에는 주물의 크기에 관계없이 수축공이 발생하지 않음을 발견하였다. 여기에서 말하는 임의의 수치는 Cr 이나 Mo 등의 수축공을 조장하는 원소가 포함되어 있지 않은 통상의 구상(球狀) 흑연 주철에서는 약 8인 것을 발견하였다. Cr이나 Mo가 증가함에 따라 이 수치가 변화되는 것도 발견하였다.

또한, 직육면체 블록이 아닌 형상의 주물 제품의 경우에는 형상을 근사적(近似的)으로 직육면체로 보아도 된다는 것을 발견하였다. 예를 들면, 구형상의 제품의 경우에는 구(球)가 내접하는 한 변이 구의 직경과 동일한 정육면체(立方體)로 볼 수 있으며, 원기둥 형상의 제품의 경우에는 두 변이 원의 직경과 동일한 직육면체(直方體)로 볼 수 있다. 안에 구멍이 형성된 도넛 형상의 원기둥의 경우에는 원기둥을 펼친 형태의 직육면체로 보면 된다. 각종 형상이 조합된 제품에 대해서는 그 제품의 각 부분을 분할하여 보면 된다는 것을 발견하였다.

상기와 같이 재품 형상만으로 수축공의 유무를 판정할 수 있지만, 응고 해석 등을 수행하여, 주물 제품의 응고시의 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도에서 패쇄된 각종 타원루프의 형상계수를 구하여 이 값이 8이하가 되는지 여부를 확인함으로써, 패쇄된 각 타원루프에서 수축공의 발생을 예측할 수 있음도 발견하였다.

이와 같은 방법을 사용함으로써, 응고 과정에서 주물 내부에 다른 것과 단절된 용탕의 섬(島), 즉 온도 등온선 또는 응고선의 닫힌 루트인 “핫스팟”에 수축공이 발생하는지 여부를 판정할 수 있게 된다. 물론, 타원구로서 형상계수를 구할 수도 있지만, 패쇄된 럭비볼 형상의 타원구를 직육면체에 근사하게 하여 형상계수를 구할 수도 있다.

컴퓨터에 의한 응고 시뮬레이션에서의 패쇄된 각 타원루프의 형상계수를 구하는 방법으로서는 다음과 같은 방법이 있다.

하나의 방법으로서는 응고 시뮬레이션에 의한 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도를 사용하여 임의의 타원 루트의 크기를 화면상에서 마우스 등의 조작에 의해 측정하여 형상계수를 구하는 방법이 있다.

또 하나의 방법으로서는 임의의 타원루프를 지정하여 형상계수를 구하는 방법이다. 예를 들면, 총 응고시간을 몇 개로 나누고, 그 중의 임의의 시간에서의 타원루프를 지정한다. 이 타원루프는 메시절단하였을 때의 요소로 구성된다. 이 메시의 X방향, Y방향, Z방향으로 요소가 몇 개 있는가를 구하여 타원루프의 형상계수를 구한다.

기타 방법으로서는 추출한 임의의 타원루프의 데이터를 다른 장소에서 처리하여 형상을 수치화한 형상계수를 구할 수도 있다.

이와 같이 컴퓨터를 사용한 타원루프의 형상계수를 구하는 방법으로서는 많은 수단을 생각해 볼 수 있다.

산업상의 본 발명의 최대 가치는 수축공의 예측을 가능하게 한 것은 물론이지만, 이와 더불어 수축공을 방지하는 방법을 제안 한 것에 있다. 즉, 냉금 또는 압탕 또는 양자를 이용하여 형상계수가 8이하가 되도록 제품을 분할함으로써 수축공이 발생하지 않게 됨을 발견한 것이다.

직육면체의 예로 해설하면, 예를 들면 800× 400× 80mm의 판을 예로 들면, 이 형상계수는 (800+400)/80=15가 되어 8이상으로 수축공이 발생하는 형상인 것을 알 수 있다. 이 판을 냉금으로 4분할하면 형상계수는 (400+200)/80=7.5가 되어 8이하로 수축공이 발생하지 않게 된다. 실제 제품 시험에 있어서도 설명한 대로의 현상을 확인할 수 있었다. 이 때의 냉금은 용탕(溶湯)과 직접적으로 접촉하는 냉금의 시공 방법일 수도 있지만, 하나인 패쇄된 응고 루프가 4개로 분단되기만 하면 되므로, 직접 용탕과 접촉하지 않는 냉금의 시공 방법이라도 문제는 없다. 또한, 냉금의 시공면적이 지나치게 커져서 패쇄된 응고 루프가 4개로 분단되지 않는 경우에는 당연히 수축공이 발생하기 때문에 주의를 요한다. 압탕을 사용하는 경우에는 전술한 판의 4곳에 압탕을 시공하여, 패쇄된 응고 루프가 4개로 분단되도록 하면 된다.

수축공이 발생하는지 여부에 대한 형상계수는 물론 수축공을 조장하는 Cr이나 Mo 등의 원소가 들어간 경우나, 반대로 수축공을 방지하는 C의 양 등에 따라 변화된다. 또한, 주형의 강도(정확히는 주형의 고온에서의 강도), 주형틀의　강성(剛性) 등에 따라 변화된다. 수축공 판정의 형상계수값은 이러한 조건들을 가미하여 결정하는 것이 바람직하다. 그러나 일반적으로 사용되고 있는 유기자경성(有機自硬性) 주형의 경우에서는 대체로 8을 기준으로 하면 된다는 것이 발명자들의 실험을 통해 확인되었다. 또한, 편상(片狀) 흑연주철에 대해서도 형상계수에 의해 수축공의 유무를 판정하여 수축공이 발생하지 않도록 방책을 세울 수 있다.

이상을 요약할 때, 본 발명의 제1 형태에 따르면, 주물제품의 형상으로부터, 긴 쪽의 두 변의 합계를 나머지 짧은 한 변으로 나눈 값인 형상계수를 구하여, 이 값이 8이하가 되는가 여부를 확인함으로써, 수축공의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 주철주물에서의 수축공의 예측방법이 제공된다.

본 발명의 제2 형태에 따르면, 주물제품의 응고시의 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도에 있어서, 패쇄된 각 타원루프의 형상계수를 구하여, 이 값이 8이하가 되는지 여부를 확인함으로써, 패쇄된 각 타원루프에서 수축공의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 주철주물에서의 수축공의 예측방법이 제공된다.

본 발명의 제3 형태에 따르면, 상기 제2 형태에 있어서, 응고 시뮬레이션에 의한 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도를 사용하여, 타원루프의 크기를 화면상에서 측정하여 형상계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측방법이 제공된다.

본 발명의 제4 형태에 따르면, 상기 제2 형태에 있어서, 응고 시뮬레이션에 의한 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도를 사용하여, 메시절단으로 분할된 타원루프를 구성하는 요소의 XYZ 방향의 수로부터 형상계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측방법이 제공된다.

본 발명의 제5 형태에 따르면, 형상계수가 8을 초과하는 경우에 냉금 또는 압탕 또는 양자를 병용하여 제품을 분할함으로써, 형상계수를 8이하로 만드는 것을 특징으로 하는 주철주물의 수축공의 방지방법이 제공된다.

본 발명의 제6 형태에 따르면, 상기 제1~5 형태에 있어서, 수축공이 발생하는지 여부에 대한 형상계수를 주물의 성분, 주형의 성질, 주조자세(鑄造姿勢)의 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측 및 방지 방법이 제공된다.

본 발명에서는 형상계수라는 개념을 창안하여, 이 형상계수를 이용함으로써, 매우 정확하고 간단하게 수축공 결함의 발생을 예측할 수 있도록 하였다. 주물성분, 주형의 종류, 주조자세 등이 다른 경우라도 형상계수에 의해 수축공의 발생을 예측하는 것을 가능하게 하였다. 또한, 수축공이 발생한다고 예측되는 경우에는 냉금 또는 압탕를 효과적으로 사용함으로써, 이론적으로 수축공의 발생을 방지할 수 있게 되었다. 따라서 주물주조에서의 불량률의 절감, 수율의 향상, 납기단축 등의 효과가 있으며, 저비용으로 그리고 효율적으로 구상(球狀) 흑연주철을 제조할 수 있게 되었다.

도 1(a), 도 1(b), 도 1(c), 도 1(d), 도 1(e), 도 1(f), 도 1(g)은 주물제품의 형상근사(形狀近似)에 대하여 설명하는 도면이다.

도 2는 직육면체의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 3은 원반형상체의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 4는 원통체의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5는 직육면체의 다른 주조자세에서의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 6은 다른 용탕 성분의 직육면체의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 7은 다른 주형을 사용한 경우의 직육면체의 형상계수와 수축공의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 8은 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 수축공 예측의 일예를 나타낸 도면이다.

도 9는 타원루프가 존재하는 단면의 일예를 나타낸 도면이다.

도 10은 폭(w)·길이(l)·두께(t_MS)를 측정하기 위한 다이얼로그를 나타내 도면이다.

도 11은 타원루프가 존재하는 단면의 일예를 나타낸 도면이다.

도 12는 응고 분포도의 타원루프의 일예를 나타낸 도면이다.

도 13은 타원루프에 외접하는 정육면체의 일예를 나타낸 도면이다.

도 14는 형상계수를 자동으로 산출하기 위한 다이얼로그를 나타낸다. 도 15는 냉금의 시공에 의한 수축공 방지방법을 나타낸다.

도 16은 압탕의 시공에 의한 수축공 방지방법을 나타낸다.

도 17은 올바르지 않은 냉금 사용의 일예를 나타낸다.

도 18은 올바른 냉금 사용의 일예를 나타낸다.

도 19는 주철주물제품의 수축공 예측 및 방지 방법의 흐름도(flow chart)이다.

상기 및 다른 본 발명의 목적, 형태 및 이점은 본 발명의 원리에 합하는 바람직한 구체예가 실시예로서 나타난 이하의 상세한 설명 및 첨부도면을 참조함으로써, 해당 기술의 숙련자에게는 명백해질 것이다. 또한, 본 발명은 이하의 상세한 설명에서 기술되며, 또한 첨부 도면에 나타난 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서는 기본적으로는 긴 쪽의 두 변의 합계를 나머지 짧은 한 변으로 나눈 값으로서 구한 형상계수(F)를 사용한다. 가장 알기 쉬운 예로서, 주물형상이 직육면체인 블록에 있어서는 블록의 폭(W)과 길이(L)의 합계를 두께(T_MS: 세 변 중 가장 짧은 변)로 나눈 값이 형상계수가 된다. 직육면체 이외의 형상의 블록에 있어서는 그 형상을 근사적으로 직육면체로 보면 된다.

도 1에 각종 형상의 주물에 대한 형상계수를 구하는 경우의 예를 나타낸다.

도 1(a)은 정육면체로 폭(W), 길이(L), 높이(T_MS) 모든 것이 정육면체의 한 변의 길이가 된다. 도 1(b)은 직육면체인 판을 가로로 놓은 경우, 도 1(c)은 직육면체인 판을 세로로 놓은 경우로, 폭(W), 길이(L), 높이(T_MS)를 도시한 바와 같이 취한다. 도 1(d)은 높이가 직경미만의 원반으로, 이와 같은 원반형상에 있어서는 원반의 직경을 폭(W)과 길이(L)로 보고, 높이(두께)를 T_MS로 보아 형상계수를 구한다. 도 1(c)에 나타낸 높이가 직경 이상인 원기둥의 경우에는 원기둥의 직경을 폭(W) 및 높이(T_MS)로 보고, 원기둥의 높이를 길이(L)로 본다. 도 1(f)에 나타낸 도넛 모양의 원통인 경우에는 원통을 펼쳐서 직육면체로 하여, 원통의 높이는 폭(W)으로 보고, 원통의 길이(L)를 길이(L)로 보며, 원통의 두께는 T_MS로 보아 형상계수를 구한다.

원기둥과 직육면체판과 원통이 조합된 도 1(g)과 같은 경우에는 원기둥 부분은 원기둥으로 하고, 직육면체판 부분은 판으로 하며, 원통 부분은 원통으로 하여 상술한 바와 같은 방법으로 개별적으로 형상계수를 구한 후, 각각의 부분에 대하여 수축공이 발생하는지 여부를 판정하면 된다. 또한, 후술하는 수축공 방지 대책도 각각의 부분에 대하여 수행하면 된다.

도 2, 도 3, 도 4는 형상 및 치수가 각각 다른 시험편에 대하여 형상계수((L+W)/T_MS)와 수축공 면적율의 관계를 측정한 실험결과를 나타낸다. 시험편의 재질은 일반적인 덕타일(Ductile) 주철주물(FCD600)로 하고, 주형은 후란(furan) 자경성 주형으로 하였다. 실험은 시험편의 치수(폭, 길이, 두께, 직경)를 각 도면의 표에 나타낸 바와 같이 변경하여 번호 A, B, C로 나타낸 수개의 시험편을 제작하고, 각 시험편에 대하여 형상계수와 수축공 면적율의 관계를 측정하였다.

도 2는 직육면체판의 시험편, 도 3은 원반형상의 시험편, 도 4는 원통형상의 시험편을 대상으로 하고 있으며, 모두 형상계수((L+W)/T_MS)가 8을 넘으면 수축공이 발생하며, 형상계수가 8이하에서는 수축공이 발생하지 않음을 알 수 있다. 즉, 형상에 의하지 않고 형상계수로 수축공의 발생을 예측할 수 있다는 것을 알 수 있다. 여기에서 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수를 판정계수로 칭함에 따르면, 도 2, 도 3, 도 4에서는 판정계수는 8인 것을 알 수 있다.

본 발명자들은 주조자세 즉 주조주물의 배치 방법에 따라서 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수, 즉 판정계수에 차이가 있는지 여부에 대하여도 조사하였다. 도 5는 동일한 주물(시험편으로서 직육면체판)을 세로로 놓은 경우와 가로로 놓은 경우의 형상계수((L+W)/T_MS)와 수축공 면적율의 관계에 대한 실험 결과를 나타낸다. 시험편은 일반적인 덕타일 주철주물(FCD 600)이다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 가로 놓기의 시험편(표 번호 D1)에서는 형상계수가 8이하에서 수축공이 발생하지 않게 되지만, 세로 놓기의 시험편(표 번호 D2)에서는 형상계수가 6이하에서 수축공이 발생하지 않게 된다. 따라서 가로 놓기에서는 판정계수가 8이 되며, 세로 놓기에서는 판정계수가 6이 된다.

이와 같이 주조자세에 따라 판정계수에 차이가 나는 이유는 중력의 영향에 의한 것이라고 볼 수 있다. 즉, 동일한 성분과 동일한 치수의 주물이라도 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수(판정계수)가 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서 수축공 판정의 형상계수 수치는 이러한 조건들을 가미하여 결정하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명자들은 덕타일 주물에 수축공의 발생을 조장하는 원소를 함유한 경우에 있어서, 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수에 차이가 있는지 여부에 대해서도 조사하였다. Mo은 수축공의 발생을 조장하는 원소로 알려져 있다.

도 6은 Mo의 함유량이 다른 3개의 시험편(표의 번호 E1, E2, E3)에 대한 형 상계수와 수축공 면적율의 관계를 나타낸 실험결과이다.

실험 결과, Mo를 함유하지 않은 일반적인 덕타일 주물에서는 형상계수가 8이하로 수축공이 발생하지 않게 되지만, Mo를 0.3중량% 함유하한 경우에는 형상계수가 6이하이며, 또한 Mo를 0.6중량% 함유한 경우에는 형상계수가 3이하로 수축공이 발생하지 않게 되는 것을 알 수 있었다. 즉, 수축공의 발생을 조장하는 원소를 함유함으로써, 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수(판정계수)가 변화되는 것을 알 수 있다. 수축공 판정의 형상계수값은 이러한 조건들도 가미하여 판정하는 것이 바람직하다.

주형의 종류가 다른 경우에 있어서, 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수, 즉 판정계수에 차이가 있는지 여부에 대해서도 조사하였다. 주형의 종류가 다른(표의 번호 F1, F2, F3, F4) 경우의 형상계수와 수축공 면적율의 관계를 도 7에 나타낸다.

도 7에서는 직육면체판을 시험편으로 사용하며, 고온강도가 없다는 CO₂형의 주형에서는 형상계수가 2이하로 수축공이 발생하지 않게 된다. 다음으로 고온강도가 낮은 생형(生型) 주형에서는 형상계수가 6이하, 또한 상온의 모래강도 10kgf/cm₂의 후란(furan)형 주형에서는 형상계수가 8이하, 또한 상온의 모래강도 30kgf/cm₂의 후란(furan)형 주형에서는 형상계수가 10이하로 각각 수축공이 발생하지 않게 된다. 즉, 주형의 종류에 따라 수축공이 발생하지 않게 되는 형상계수(판정계수)가 다르다는 것을 알 수 있다. 수축공 판정의 형상계수값은 이러한 조건들을 가미하여 결정하는 것이 바람직하다.

도 8은 컴퓨터에 의한 응고 시뮬레이션을 이용한 수축공 예측의 일예를 나타낸다.

응고 시뮬레이션에서는 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 응고 분포도가 얻어진다. 이 폐쇄된 타원루프로부터 폭(w), 길이(l), 두께(T_MS) 각각의 치수를 측정함으로써 형성계수(f)를 구할 수 있다. 타원루프는 반드시 가장 내측에 있는 루프를 사용할 필요 는 없으며, 응고 후반부로부터 최종 응고부에 걸친 루프를 취하는 것이 바람직하다(이후의 설명에서 타원루프라고 하는 경우는 이 응고 후반부에서 최종 응고부에 걸친 루프를 가리키는 것으로 한다).

도 8에 나타낸 예에서는 시험편의 형상으로부터 구한 형상계수(F)는 (200+200)/100=4이며, 응고 시뮬레이션에 의한 타원루프로부터 구한 형상계수(f)도 (60+60)/30-4로 되어 있다. 이 결과로부터, 응고 시뮬레이션으로부터 얻어진 응고 분포도의 타원루프로부터 구한 형상계수(f)는 시험편의 형상으로부터 구한 형상계수(F)와 근사한 값이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 컴퓨터에 의한 응고 시뮬레이션에 의해서도 응고 분포도로부터 형상계수에 의거한 수축공 예측이 가능하다. 특히, 제품형상이 복잡한 경우에는 이와 같은 응고 시뮬레이션에 의한 수축공 예측이 효과적이다. 또한, 복작한 형상이 조합된 경우에 있어서는 각 형상마다 발생하는 타원루프에 대하여 형상계수(f)를 구하고, 이렇게 구한 형상계수(f)로부터 수축공을 예측하면 된다는 것을 알 수 있다.

(1) 응고 시뮬레이션에 의한 폭(w)·길이(l)·두께(t_MS)의 측정 방법의 일예 본 발명의 응고 시뮬레이션에 의한 형상계수를 산출하기 위하여 필요한 폭(w), 길이(l), 두께(t_MS)를 측정하는 방법의 일예를 나타낸다.

응고 시뮬레이션에서는 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 응고 분포도가 얻어진다. 얻어진 분포도로부터 폐쇄된 타원루프를 측정하기 위해서는 먼저 도 9에 나타낸 바와 같이 타원루프가 존재하는 단면을 표시한다. 다음으로 타원루프의 크기를 측정하는 것인데, 측정에 있어서 도 10에 나타낸 U, V, W의 다이얼로그를 사용한다. 화면상에서 이 다이얼로그의 “U방향의 측정”을 누르면, 예를 들면 X방향에서 본 XY단면의 루프가 표시된다. “V방향의 측정”을 누르면, 예를 들면 Y방향에서 본 YZ단면의 루프가 표시된다. “W방향의 측정”을 누르면, 예를 들면 Z방향에서 본 ZX단면의 루프가 표시된다. 타원루프의 l, w, t의 측정에 있어서는 마우스 등을 사용하여 화면상에서 측정개시위치와 종료위치를 지정한다. 표시된 단면의 두께 방향의 측정은 도 11에 나타낸 바와 같이 도 10의 다이얼로그를 사용하여 표시하는 단면을 변경하여 수행한다. 이 때 3방향의 측정이 필요하지만, 어느 방향이 폭(w), 길이(l), 두께(T_MS)가 되는지가 불분명하기 때문에, 시스템은 3방향의 측정결과로부터 자동적으로 가장 짧은 길이를 두께(t_MS)로 보고, 다른 것을 폭(w), 길이(l)로 보고 판단한다. 3방향의 측정이 완료된 시점에서 “계산” 버튼을 클릭함으로써 형상계수가 계산된다. 계산치는 도 10의 형상계수란에 표시된다.

(2) 응고 시뮬레이션에 의한 형상계수의 자동계산의 일예 시뮬레이션에 의한 형상계수를 자동산출하는 방법의 일예를 나타낸다.

응고 시뮬레이션에서는 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 응고 분포도가 얻어진다. 이 응고 분포도로부터 임의의 패쇄된 타원루프를 얻기(표시) 위하여, 총 프레임수(응고 개시부터 종료까지의 시간을 몇 개로 분할하는가에 대한 수치) 및 표시 프레임수(응고 개시부터 종료까지의 시간을 분할한 가운데 몇 번째 섬(루프)을 표시하는가에 대한 수치)를 지정한다. 이에 따라 도 12와 같이 수개의 섬(島)이 얻어진다. 이 섬들은 등온도 분포 또는 등응고 시간 분포도를 의미한다. 이 섬들은 응고 시뮬레이션을 위하여 메시절단에 의해 분할된 요소로 이루어진다. XYZ의 각 방향의 요소수를 계산함으로써, 도 13에 나타낸 바와 같이, 이 섬(島)에 외접하는 직육면체를 산출하며, 이 직육면체로부터 폭(w), 길이(l), 두께(t_MS)를 구하여 형상계수를 자동 산출한다.

최종적으로 도 14에 나타낸 계산 버튼을 클릭함으로써 각 섬의 형상계수가 구해진다. 예를 들면, 이 형상계수에 청색에서 적색의 색을 착색하여 형상계수가 높은지 낮은지를 육안으로 확인할 수 있도록 함으로써, 수축공이 발생하는 부분인지 아닌지 여부를 판정할 수 있게 된다.

본 발명은 수축공의 예측을 가능하게 한 것은 물론이지만, 수축공을 방지하는 방법도 제안하는 것으로서, 그 예는 다음과 같다.

도 15는 수축공의 발생을 방지하는 냉금 시공의 일예를 나타낸다.

시험편은 일반적인 덕타일 주철(FCD600)이고 가로 놓기의 주조자세이므로 판 정계수는 8이다. 그러나 도 15의 예에서는 시험편의 형상계수는 (400+800)/80=15가 되어 8이상이므로 수축공이 발생하는 형상이다. 이 시험편의 상하측에 냉금을 십자로 시공하고, 응고 시뮬레이션에 의해 응고 분포도를 구하였다. 도 15에 있어서 A-A' 단면 및 B-B' 단면으로 나타낸 바와 같이, 패쇄된 타원루프가 4개로 나누어져 있는 것을 알 수 있다. 즉, 냉금으로 분할된 4개의 직육면체가 각각 독립적으로 응고된다고 보면 된다. 따라서 분할된 직육면체의 형상계수는 (400+200)/80=7.5가 되어 8이하이기 때문에 수축공의 발생을 방지할 수 있다.

도 16은 수축공의 발생을 방지하는 압탕 시공의 일예를 나타낸다.

도 15의 경우와 동일한 재질 및 동일한 치수의 시험편을 사용하기 때문에 시험편의 형상계수는 15가 되어 본래는 수축공이 발생하는 형상이다. 이 시험편 위에 직경 150mm, 높이 225mm의 압탕를 4개 시공하고, 응고 시뮬레이션에 의해 응고 분포도를 구하였다. 도 16의 A-A' 단면에서 나타낸 바와 같이, 패쇄된 타원루프가 4개로 나누어져 있음을 알 수 있다. 즉, 이 경우에도 압탕에 의해 분할된 4개의 직육면체가 각각 독립적으로 응고된다고 보면 된다. 분할 된 직육면체의 형상계수(F)는 7.5가 되어 수축공의 발생을 방지할 수 있다.

일반적으로 압탕을 시공하는 경우, 최종 응고부인 패쇄된 타원루프를 압탕의 내부에 가두어야 한다고 한다. 따라서 제품보다 큰 압탕를 세우는 경우가 많다. 그러나 형상계수의 관점에서 보면, 작은 압탕인 경우라도, 응고 시뮬레이션에 의해 얻어지는 응고 분포도의 패쇄된 타원루프를 분단하여, 압탕에서 분할된 각각의 부분의 형상계수 또는 분할된 타원루프의 형상계수가 판정계수를 초과하지 않은 수치 가 되기만 하면 충분하다는 것을 알 수 있다.

수축공 방지를 위하여 냉금이 일반적으로 사용되고 있지만, 올바르지 않은 사용법, 즉 수축공의 발생을 조장하는 사용법을 많이 볼 수 있다. 본 발명에서는 형상계수에 착안함으로써 압탕의 올바른 사용방법, 즉 수축공의 발생을 논리적으로 방지하는 방법을 발견하였다.

도 17에 올바르지 않은 냉금 사용법의 일예를 나타낸다.

시험편의 형상계수(F)는 (240)+400/80=8이기 때문에, 본래는 수축공이 발생하지 않는 형상이지만, 주조현장에서는 이 시험편의 상하측에 냉금(10a)(10b)를 시공하여 수축공을 막는 방법이 채용되곤 하는데, 오히려 수축공이 증가되는 경우가 있다. 상하측에 냉금(10a)(10b)를 부착한 상태에서의 응고 분포도를 응고 시뮬레이션에 의해 구하면, 도 17의 A-A' 단면 및 B-B' 단면으로 나타낸 바와 같이, 패쇄된 타원루프의 형상계수(f)는 (72+170)/13=19가 되어, 냉금을 시공하였음에도 불구하고 수축공이 발생하는 것을 알 수 있다.

이에 반해, 도 18에는 냉금의 올바른 사용방법을 나타낸다.

시험관의 형상계수(F)는 (100+400)/50=10으로 수축공이 발생하는 형상이다. 이 시험편의 양측에 냉금(10c)(10d)를 부착하고, 마찬가지로 응고 시뮬레이션에 의해 응고 분포도를 구하였다. A-A' 단면과 B-B' 단면에 나타낸 바와 같이, 패쇄된 타원루프의 형상계수(f)는 (17+60)/13=6이 되어 수축공이 발생하지 않게 된다. 따라서 냉금의 시공에 있어서, 형상계수에 의거한 사고방법에 따라 수축공을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

이상을 정리하여 본 발명에서의 수축공 예측 및 방지 방법의 흐름도(flow chart)를 도 19에 나타낸다.

본 발명의 수축공 예측 및 방지 방법은 다음과 같은 단계(1)~단계(6)로 이루어진다.

(1) 주물의 긴 쪽의 두 변(W, L)과 나머지 짧은 쪽의 한 변(T_MS)의 치수를 측정한다. 또는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 패쇠된 타원루프의 긴 쪽의 두 변(w, l)가 나머지 짧은 쪽의 한 변(t_MS)을 계산한다.

(2) W, L, T_MS로부터 형상계수[F=(W+L)/T_MS]를 구한다. 또는 w, l, t_MS로부터 형상계수[f=(w+l)/t_MS]를 구한다.

(3) 형상계수(F 또는 f)가 판정계수(E, 일반적으로는 8)보다 작은 경우에는 수축공 “없음”으로 판정한다.

(4) 형상계수(F 또는 f)가 판정계수보다 큰 경우에는 수축공 “있음”으로 판정한다.

(5) 수축공 “있음”의 경우에는 냉금 또는 압탕을 사용하여 제품을 분할한다.

(6) (1)에서 (5)까지의 공정을 되풀이하여 형상계수(F 또는 f)가 판정계수보다 작아지도록 한다.

본 발명에서는 형상계수라는 새로운 개념을 창안하여 이 형상계수를 사용함으로써 매우 정확하고 간단하게 수축공 결함의 발생을 예측할 수 있도록 하였다. 주물성분, 주형의 종류, 주조자세 등이 다른 경우라도 형상계수에 의해 수축공의 발생을 예측하는 것을 가능하게 하였다. 또한, 수축공이 발생한다고 예측되는 경우에는 냉금 또는 압탕을 효과적으로 사용함으로써 논리적으로 수축공의 발생을 방지할 수 있게 하였다. 따라서 주물주조에서의 불량률의 절감, 수율의 향상, 납기 단축 등의 효과가 있으며, 저비용으로 또한 효율적으로 구상(球狀)의 흑연주철을 제조할 수 있게 되었다.

본 발명에 따르면 주물주조시의 주물의 형상으로부터 수축공이 생기는가 여부를 주조 전에 예측할 수 있고, 또한 사전에 예방할 수 있으므로 주물주조 기술에 있어서 유용하다.

Claims (6)

1. 주물제품의 형상으로부터, 긴 쪽의 두 변의 합계를 나머지 짧은 한 변으로 나눈 값인 형상계수를 구하여, 이 값이 8이하인지 여부를 확인함으로써, 수축공(shrinkage cavity)의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 주철주물에서의 수축공의 예측 방법.
2. 주물제품의 응고시의 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도에 있어서, 패쇄된 각 타원루프의 형상계수를 구하여, 이 값이 8이하인지 여부를 확인함으로써, 패쇄된 각 타원루프에서 수축공의 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 주절주물에서의 수축공의 예측방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   응고 시뮬레이션에 의한 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도를 사용하여, 타원루프의 크기를 화면상에서 측정하여 형상 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   응고 시뮬레이션에 의한 온도 분포 또는 응고 시간 분포로부터 얻어진 응고 분포도를 사용하여, 메시절단으로 분할된 타원루프를 구성하는 요소의 XYZ 방향의 수로부터 형상계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측방법.
5. 형상계수가 8을 초과하는 경우에 냉금 또는 압탕 또는 양자를 병용하여 제품을 분할함으로써, 형상계수를 8이하로 만드는 것을 특징으로 하는 주철주물의 수축공의 방지 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   수축공이 발생하는지 여부에 대한 형상계수를 주물의 성분, 주형의 성질, 주조 자세에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 수축공의 예측 및 방지 방법.

Images