주조
주조(casting, 鑄造)는 주물을 만들기 위하여 실시되는 작업이다. 주조는 재료(주로 철, 알루미늄 합금, 구리, 황동 등의 금속)를 융점보다 높은 온도에서 가열하여 액체로 만들어 거푸집에 부어 굳히는 가공 방법이다. 주조에 사용되는 틀을 주형(鑄形)이라고 하며 주조로 만들어진 제품을 주물(鑄物)이라고 한다. 영어로 casting이라고 하면 주조 및 주물 모두를 가리킨다.[1][2]
목차
개요[편집]
주조는 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣어 굳혀 모양을 만드는 방법이다. 각종의 로(furnace) 안에서 고철, 선철, 합금철 또는 비철금속 원료를 가열해서 용해하고 적정 성분으로 조정된 쇳물을 모래 또는 금속재의 거푸집(mold) 속에 부어 넣은 후 냉각 응고시켜 만드는 것이다. 원하는 모형으로 만들어진 거푸집의 공동에 용융금속을 주입하여 성형시킨 뒤 용융금속이 굳으면 모형과 동일한 금속 물체가 된다. 가장 일반적인 거푸집은 모래와 진흙으로 만들며 세라믹스, 시멘트가 섞인 모래, 기타 다른 물질들도 거푸집 제작에 사용된다. 이러한 물질은 용융금속이 주입될 공동을 형성하는 모형(보통 나무, 금속, 수지 등으로 만들어짐)의 외부를 둘러싼다. 거푸집을 형성하는 재료가 모형의 모양으로 만들어지면 거푸집에서 모형을 빼낸다. 거푸집은 보통 상형과 하형으로 나눌 수 있는데, 이 두 부분은 모형이 제거된 뒤에 형틀에 넣어져서 핀과 부시(얇은 원통)에 의해 정확히 연결된다. 그다음에 용융금속은 탕구를 통해 거푸집 안으로 주입되면서 러너(runner)를 통해 공동의 각 부분에 보내진다.
거푸집은 용융금속의 압력에 견딜 수 있을 정도로 강할 뿐 아니라 거푸집의 공동으로부터 공기와 다른 기체가 빠져나올 수 있을 정도로 통기성이 좋아야 한다. 만일 통기성이 좋지 않으면 주물에 구멍이 생기게 된다. 주물공장용 모형제작에는 세심한 주의와 기술이 필요하다. 모형은 온도가 낮아져서 액체가 고체로 변하는 동안의 수축을 고려하여 원하는 주물보다 커야 한다. 폴리스티렌 거품 모형은 거푸집 안에 남아서 주입된 금속과 접촉하자마자 기화하며 밀랍모형은 용융금속이 주입되기 전에 녹아서 거푸집 밖으로 흘러나온다. 금속 거푸집은 일반적으로 금형 주조로 알려진 주조법에 사용된다. 이 거푸집 안에는 종종 공동이 필요하므로 거푸집의 한쪽 부분에 심형(core)을 붙인다. 금속, 수지, 나무로 만들어진 심형틀이 사용되기도 한다.
주조 방법[편집]
주조를 통해 만들어지는 제품의 형태는 결국 쇳물이 굳어진 모양으로 나타나게 된다. 쇳물이 채우게 될 빈 공간의 모습은 보통 플라스틱이나 나무, 금속 등을 이용해 별도로 제작하는 모형(패턴)이 결정한다. 주물 내에 빈 공간을 확보하기 위해 모래 등으로 만든 별도의 구조물을 만들어 주형 안에 배치시키기도 하는데 이를 코어라고 한다. 코어는 내화성(耐火性)이 좋기 때문에 쇳물을 붓더라도 그대로 형태가 남아있게 되고 따라서 코어를 제외한 공간을 따라 주물의 모양이 생성된다. 주조 방식은 크게 주형을 한 번 사용하고 폐기하는 방식의 소모성 주형(expendable molds)과 주형을 여러 차례 반복적으로 사용할 수 있는 영구 주형(permanent molds)으로 구분할 수 있다.
소모성 주형의 경우 보통 모래, 석고, 세라믹 등으로 주형을 만든다. 가장 일반적인 사형 주형(sand mold)의 경우엔 모래 90%, 점토 7%, 물 3%의 비율로 형틀(주형)을 제작한다. 형틀을 따라 흘러든 쇳물이 식어 굳으면 주형을 해체해 주물을 꺼낸다. 각 재료의 장점을 취하고자 2가지 이상의 재료를 사용해 주형을 만드는 경우도 있다. 복합 주형(composite molds)은 모래나 흑연, 금속 등 2가지 이상의 재료를 갖고 주형을 제작함으로써 주형의 강도나 냉각 속도 등을 조절한다. 이에 반해 주형을 재사용할 수 있는 영구 주형 방식은 주형이 고온의 쇳물을 수차례 견뎌낼 만큼 튼튼해야 하기 때문에 고온에서도 형태와 강도를 유지할 수 있는 금속으로 주형을 제작한다.
특징[편집]
주조는 금속표면에 힘을 가해서 제작하는 단조에 비해서 세밀하고 입체적인 형상을 만들기 매우 용이하므로 세공품, 동상이나 대종 같은 복잡한 형상의 부품 제작 등에 널리 응용된다. 덕분에 엔진 블록 등 복잡한 형상의 물체는 대체로 주조로 만든다. 하지만 대부분 표면이 거칠게 나오므로 표면이 깨끗해야 하는 바닥 부분과 같은 곳에는 추가적인 가공을 한다. 특히 기계 부품에 사용되는 부품들은 면이 깨끗해야 하기 때문에 반드시 이러한 가공을 거친다. 더불어 단조나 절삭 등의 재료인 강철괴 역시 전로의 등장 이후에는 주조로 제작된다. 이 방식으로 만들어낸 철제품은 인성 및 전연성이 크게 떨어진다. 전통적으로 주조 철 제품은 주로 탄소 함량이 높고 인성이 낮은 주철을 사용하기 때문이다. 그러나 주철이 아닌 충분히 탈 가스된 주강을 주조하여 적절한 열처리로 조직을 제어할 수 있는 기술이 발달된 경우, 이런 문제는 상당 부분 경감된다. 단 탈 가스된 주강을 주조하는 것은 주철의 주조에 비해 까다롭다. 용용점이 훨씬 높고 냉각 시 수축률이 주철에 비해 크기 때문에 주강 주물 제작에 쓰는 자는 주철용 자보다 눈금 간격이 더 크다. 요즘은 기술이 발달하여 이런 것이 덜하지만 과거에는 주조가 단조보다 생산성이 떨어져서 복잡한 모양이 아닌 병기류의 경우 대부분 단조가 대세였다. 이유는 쇳물을 담는 주물사가 그 온도를 버티지 못하고 무너졌기 때문이다. 요즘은 내열성이 올라가고 조직제어 기술도 발달하여 소형 물품의 경우 주조로 대량 생산하는 경우가 많다. 현대에는 제철소에서 쇠를 녹여 쇳물을 만들면 그걸 바로 생산품 주조틀에 넣는 것이 아니라, 탄소 함량 조절을 거친 뒤, 철괴나 강판, 파이프 등의 형태로 만들어 다음 생산공정으로 공급한다. 그러면 다음 생산자는 철괴를 재료로 단조, 절삭, 벤딩, 용접, 프레스 가공 등으로 형태를 만든 뒤 열처리하여 내구성을 확보한다. 과거 동전 역시 이 방식으로 만든다. 조선시대 상평통보를 엽전으로 부르는 것은 당시 대량 생산을 위해 주물틀을 입구 하나에 엽전이 여러 개 나오게 만들었는데 막 주물틀에서 나온 모습이 마치 나뭇가지에 잎(葉)이 달린 모습과 같아서 붙은 별명이다.[3]
역사[편집]
주조 기술의 역사는 대단히 오래여서 전 3,000-4,000년의 예전부터 행하여지고 있었다. 주형(鑄型)에는 석형, 목형 찰흙형, 납형(蠟型) 등이 미술공예의 주조에 사용되었다. 또한 한 개의 형(거푸집)에서 만드는 총형(總型)법과 여러 개로 분할된 기형(寄型, 모아 맞추기 형)법 등이 있다. 주조의 내부를 공동(空洞)으로 하기 위해서는 외형의 내부에 알맹이(中心)를 만들어 이로써 동의 두께가 결정된다. 그 틈새에 용해한 구리를 들어붓는다. 외형에는 생형(生型)과 소형(燒型；구운 형)의 두 가지가 있어서 생형은 주로 평면에 가까운 것을 만들 경우이고 소형은 주로 입체적인 상의 주형에 쓰인다. 이집트의 페피 1세와 그 아들(기원전 4000년)의 입상(立像)은 납형(蠟型) 주조법과 때려만들기 기법을 병합한 가장 오래된 작품이다. 주조에 사용되는 금속은 금, 은, 청동, 주석, 안티모니(antimony) 등이 쓰이는데 그 중에서도 청동(브론즈, 일반적으로 唐金으로 불리고 있다)은 지금(地金)의 질이 좋고 발색도 아름다워 대표적인 재료이다.
빛깔 붙이기는 주조가 사이에서는 서로 비법(秘法)이라고 하여 발표하는 것을 좋아하지 않는데 지금(地金)의 질에 따라서 빛깔을 내는 방식이 달라진다. 일반적으로 사용되고 있는 빛깔 붙이기는 다갈색(茶褐色)을 내자면 정종 속에 오랫동안 쇠 부스러기를 넣어둔 용액(일반적으로 鐵漿)을 칠한다. 흑색에는 단반을 산(酸)에 녹여서 소금을 섞은 액을 끓여서 칠한다. 청동색을 내자면 암모니아의 엷은 액을 여러 번 칠한다. 그 밖에 화학적으로 발색시키는 방법을 연구하면 된다.
주조 공정[편집]
- 원하는 형상과 크기를 가진 주형 공동은 응고 재료의 수축에 따른 적당한 여유를 가지도록 만들어야 한다. 결과적으로 주형 물질은 원하는 세부 모양을 재현 생산할 수 있어야 하고 주형은 용융 재료를 오염시키지 않도록 내화성을 가져야 한다
- 용융 공정(melting mold)은 용융 금속을 적정온도로 가열해야 하고 원하는 양을 만족스러운 품질로 적당한 비용 내에서 만들어야 한다
- 주입기술(Pouring technique)은 용융 금속을 주형에 주형에 주입하도록 고안되어야 하고 주입 전에 공동 내에 존재하거나 고온 금속의 유입에 다라 발생하는 모든 공기나 가스가 제거되도록 준비해야 한다. 그리고 용융 금속은 자유롭게 공간을 채워 조밀하고 결합이 없는 고품질의 주물을 만들어야 한다.
- 응고 과정(Solidification process)은 적절하게 설계를 해야 하고 내부 기공이나 기포를 만들지 않고 응고와 응축이 일어나도록 주물을 설계해야 한다. 그리고 주형은 냉각 시 발생하는 수축을 지나치게 억제해서는 안 된다 또한 지나치게 억제된 경우는 주물은 고온 상태에서 강도가 적을 때 크랙이 발생하는 경우가 있다.
- 주물을 주형에서 분리할 수 있어야 한다. 1회용 주형의 경우는 주조 작업 후 주형을 깨뜨리므로 문제가 없지만 재사용 주형의 경우는 복잡한 주물은 분리할 때 설계상 문제가 된다.
- 주물이 주형에서 분리된 후에는 세척 다듬질 검사 등을 해야 한다. 그리고 이물질은 금속이 공동에 들어간 곳에 보통 붙어 있고 주형분리성을 따라 과잉 재료가 존재할 수 있다.[4]
위험 요인[편집]
- 목형 제작 시 목재 가공기계에 손 부위 등 신체의 일부가 끼인다.
- 작동 중인 목재 가공기계가 움직이는 범위 내로 접근하여 부딪힌다.
- 작업장 내에 불안전하게 적재되어 있는 목형 및 주조품 등이 무너지면서 끼이거나 부딪힌다.
- 용해로에서 용해 작업 시 수증기 폭발 및 화상의 위험이 있다.
- 용탕 주입 작업 시 쇳물이 주형 틀 밖으로 튀면서 작업자가 화상을 입는다.
- 작업장 바닥에 놓여진 제품에 걸려 넘어져서 부상을 입는다.
- 사상 작업 시 균열, 손상으로 인한 숫돌 파손으로 파편이 날아와서 재해가 발생한다.
사례별 예방대책[편집]
끼임[편집]
- 목공기계는 정기점검을 실시한다.
- 표준작업절차서를 만들어 절차에 의해서 작업을 한다.
- 작업시에는 2인 1조의 작업을 한다.
- 작업지휘자를 지정하여 작업을 하고 필요 시 개인 보호구를 착용한다.
- 기계의 회전 또는 왕복 운동 범위 내에 접근을 금지해야 한다.
화상[편집]
- 용해대상 금속에 대한 수분 유입 방지조치 철저히 실시한다.
- 옥내 별도의 보관장소에 보관하여 수분이 닿지 않도록 한다.
- 용해로 투입 전 건조작업 실시한다.
- 고철 재료 입고 시 수분함유 여부에 대한 검수를 철저히 한다.
- 용해로의 주기적인 점검을 실시하고 보수작업을 한다.
- 작업안전 수칙을 준수한다.
- 고열작업에 적합한 개인 보호구를 착용하고 작업을 한다.
- 방열복, 안면보호구 등의 개인 보호구를 지급하여 착용한다.
물체에 맞음 등[편집]
- 연삭 숫돌은 작업시작 전에 외관검사를 실시한다.
- 숫돌을 목재 망치로 가볍게 두들겨 소리로 이상 유무를 확인한다.
- 작업 시 보안경을 착용한다.
- 작업전 연삭기를 공회전 시켜 이상 유무를 확인한다.
- 작업을 중단할 때는 전원스위치를 끄고, 숫돌이 확실히 정지 되지 않은 상태에서 손으로 만지지 않도록 한다.
- 작업장은 보행 통로를 확보하고 통로 내에는 자재 및 물품을 적재하지 않는다.
- 가공 대기 중인 소재는 걸려 넘어질 위험이 없도록 정리 정돈하여 보관한다.[5]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈주조〉, 《위키백과》
- 〈주조〉, 《나무위키》
- 〈주조〉, 《네이버 지식백과》
- 공학나라, 〈주조의 개요〉, 《티스토리》, 2020-06-21
- 크리스, 〈(건설기초안전교육) 주물 및 단조작업〉, 《네이버 블로그》, 2019-03-18
같이 보기[편집]
