주조와 단조의 장단점 및 차이점

 

주조와 단조의 장단점 및 차이점

 

 

 

주조와 단조의 장단점 및 차이점

 

목차

 

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1. 주조 (鑄造, Casting)

 

주조 (鑄造, Casting)

 

정의

주조는 금속 재료를 가열하여 녹인 다음, 원하는 모양의 형틀에 부어서 제품을 만드는 작업입니다. 주조 제품은 공작기계, 원동기, 펌프, 트랙터 등, 근대 산업에 이용되는 모든 기계의 부품으로써 중요한 비중을 차지하고 있습니다. 

 

작업 구성

제품 모양의 형틀을 주형이라고 하며 형틀의 재료에 따라  목형(목재)나 사형(모래), 금형(금속)으로 구분됩니다.

주조 작업으로 만든 제품을 주물이라고 하며, 재료로는 주로 철(iron)이나, 강(steel), 구리합금 등이 사용됩니다.

주조에 이용되는 금속 중에 보통주철은 주로 큐폴라에서 용해되며, 가단주철, 합금주철, 구상흑연주철 등은 전기로에서 용해된다. 

즉, 주철은 철을 주조로 만든 제품, 주강은 강을 주조로 만든 제품으로 둘 다 주물의 종류입니다.

 

 

 

장점

- 주형의 크기에 따라 제품의 크기와 중량에 자유도가 높다.

- 복잡한 형상의 제품을 단조에 비해 비교적 쉽고 빠르게 제작할 수 있다.  

- 생산공정이 단순하고 제작 단가가 상대적으로 저렴하여 대량 생산에 적합하다.

- 합금을 추가하여 고강도, 우수한 기계적 성질을 가진 제품 생산도 가능하다.

 

단점

- 용해 및 주입 과정에서 관리가 부실할 경우 내부 응력이 잔존하여 기계적 강도, 내구성, 신뢰성 측면이 불안해질 수 있다. 

- 다공성, 기포, 핀홀, 수축, 균열 등의 결함이 발생할 수 있다. 

- 주형 비용이 발생한다.

- 내부 응력 잔존 제거에 따른 가공 작업 추가시 작업비용 상승될 수 있다.

 

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2. 특수 주조법

  (1) 원심주조법

 * 개요 : 고속회전하는 사형 또는 금형 주형에 쇳물을 주입하여 원심력에 의하여 주형 내면에 압착, 응고하도록 주물을 주조하는 방법

 * 용도 : 파이프, 포신, 수도용 주철관, 피스톤링, 실린더 라이너

 * 특징

• 응고가 빠르거나, 유동성이 작은 금속일수록 주형의 회전속도를 크게 한다
• 관이나 원통을 만들  때 코어가 필요 없다
• 높은 압력이 걸리므로 수축공이나 기공이 없다
• 작업시간이 짧고 대량생산에 적합
• 모형을 사용하지 않는다
• 주철, 주강, 구리합금이 사용

 * 종류

• 수평식 : 길이가 긴 주철관을 만들 때

수평식

• 수직식 : 중심 축에 대하여 포물선형을 형성, 상부는 얇고 하부는 두꺼워진다
    → 회전수를 증가시키면 두께차가 작아진다

수직식

 

 

  (2) 다이캐스팅

 * 개요 : 용융 금속을 금형(영구주형) 내에 대기압 이상의 높은 압력으로 빠르게 주입하여 용융 금속이 응고할 때까지 압력을 가하여 압입하는 주조법

 * 다이캐스팅용 합금 : Cu, Al, Zn, Sn, Mg 합금

 * 용도 : 전기기구, 재봉틀, 사진기, 통신기기부품, 계산기 부품, 라디오 또는 TV부품

 * 장점

• 생산속도가 빠르기 때문에 대량 생산에 적합하고 원가가 낮아진다
• 주물 표면이 깨끗하고 치수가 정밀
• 기공이 적고 치밀한 조직을 얻을 수 있다
• 얇은 주물과 복잡한 형상의 주조가 가능
• 두께가 얇아서 경량화 할 수 있다
• 기계가공 여유가 필요치 않다
• 균일한 연속 주조 가능
• 금형 재사용 가능
• 인서트 성형(핀, 축, 체결부품을 금형 내에 미리 설치하여 용탕과 일체로 제품 제작)이 가능하다
   

 * 단점

• 설치비가 비싸 소량 생산에는 부적합하다
• 주형 재료보다 용융점이 높은 금속재료에는 적용할 수 없다
• 금형 주형의 크기와 구조상 제품치수에 제한이 있다
• 방출 핀 흔적과 분리선에 소량의 플래시가 발생할 수 있다

 * 종류

• 고온가압실식 : 주조 압력이 작고 주조 속도가 빠르다. Pb, Sn, Zn합금과 같은 저용융합금을 사용
• 저온가압실식 : 주조 압력이 크고 주조 속도가 느리다. Al, Mg, Cu 합금의 주조 가능  

 

  (3) 셀주조법

 * 개요 : 규소 모래와 합성수지를 배합한 분말을 가열된 금형에 뿌려서 주형을 만들고 쇳물을 부어 주물을 만드는 방법

 * 용도 : 소형 자동차용 크랭크축, 캠축의 대량 생산에 이용됨

 * 특징

• 사형 금형을 사용하여 내마모성이 큰 주물을 제작할 때 이용
• 주철, 주강, 알루미늄 합금 등의 정밀 주조에 사용
• 자동화가 가능하여 대량 생산에 적합

 

 * 공정 순서

 

 

  (4) 인베스트먼트 주조법

 * 개요 : 얻고자 하는 주물과 동일한 형상의 모형을 wax 또는 paraffin 등으로 만들어 주형재에 매몰하여 다진 다음 가열하여 주형을 경화시킴과 동시에 모형을 용출(熔出)시켜 주형을 완성하는 주형제작법을 말하며, 일명 lost wax 법이라고도 한다. 이 주형에 의한 주조(investment casting)에서 주물의 치수 정도와 표면 정도가 좋기 때문에 정밀주조법이라고도 한다.

 * 용도 : 정밀하고 형상이 복잡하여 기계가공이 어려운 소형주물(1g ~ 35kg)

 * 특징

• 정밀하고 형상이 복잡하여 기계가공이 어려운 제품의 주조에 적합하다.
• 모형재료인 wax를 재사용할 수 있다.
• 융점이 높은 철금속의 주조가 가능하다.
• 소형물의 주조에 한한다.
• 주조 단계가 많기 때문에 주조비가 높다.

 

3. 주조 종류별 장단점

종류	장점	단점
사형주조	대부분의 금속 주조 가능함	부분적으로 마무리 공정 필요
	크기, 모양, 무게에 제한 없음	표면정도 미흡
	공구 비용이 저렴함	공차 편차가 큼
셀주조	치수 정확도 및 표면정도 양호	크기에 제한이 있음
	생산속도 높음	모형 및 소요장비가 고가
석고주형	복잡한 형상 가능	비철 금속만 생산 가능
	치수 정확도 및 표면정도 양호	크기와 생산량에 제한이 있음
	기공발생 적음	장기간 주형 제작시간
세라믹주형	복잡한 형상에 적용	크기에 제한이 있음
	공차 편차가 적음
	표면정도 양호
인베스트먼트	복잡한 형상에 적용	크기에 제한이 있음
	치수 정확도 및 표면정도 양호	높은 모형, 주형 제작비, 인건비
	거의 모든 금속에 적용 가능
영구주형	치수 정확도 및 표면정도 양호	높은 주형비용
	기공발생 적음	형상 및 복잡성에 제한이 있음
	생산속도 높음	고용융점 금속의 부적절
다이캐스팅	치수 정확도 및 표면정도 양호	높은 금형비용
	생산속도 높음	비철 금속만 생산 가능
원심주조	대형 원심형 제품 주조	장비가 고가임
	생산속도 높음	형상에 제한이 있음

 

 

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4. 단조 (鍛造, Forging)

 

단조 (鍛造, Forging)

 

정의

단조는 고체인 금속재료를 고정시켜 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 금속을 성형하는 작업입니다. 황동을 가공하는 곳에서는 방짜라고도 합니다.

작업 구성

 (1) 가열 온도에 따른 구분
  - 열간단조(熱間鍛造) : 재료에서 재결정(再結晶)이 진행되는 온도 이상에서 단조하는 것. 소성변형(변태점 부근 온도에서 이루어지는 변형)이 일어나, 조직이 미세화되고, 결과적으로 강도와 인성이 증가된다.
  - 온간단조(溫間鍛造) : 재결정 온도에서 단조하는 것
  - 냉간단조(冷間鍛造) : 재결정 온도보다 낮은 온도에서 단조하는 것. 경도와 강도가 증가되는 반면 전연성(가공하기 쉬운 성질. 쉬운 말로 늘어나기 쉬운 성질)은 저하된다.

 (2) 가공 방법에 따른  구분
  - 자유단조(自由鍛造) :  평탄한 공구 사이에 소재를 놓고 적당히 돌리거나 위치를 바꾸어 두들기면서 바라는 모양의 제품 제작

  - 형단조(型鍛造) : 일정한 모양으로 요각(凹刻)한 금형(金型) 사이에 소재를 끼우고 두들겨서 바라는 모양의 제품 제작

 

 

 (3) 작업 종류에 따른  구분
  - 단련(鍛鍊) : 고체 재료의 조직을 균일하게 하고, 결정고체(結晶固體)에서는 결정입자의 크기를 작게 하기 위해 해머로 두들기는 작업

  - 프레스(Press) : 해머로 두들기지 않고 공구로 서서히 가압하여 소정의 모양으로 만드는 작업

 

장점

- 거칠고 큰 입자는 파괴되어 미세하고 강한 조직으로 변한다. 재질 입자구조가 균일해지므로 기계적 강도(충격 및 전단 강도) 측면에서 우수하다.

- 단조 작업에 따른 재질 내부에 재료 내부에 발생한 기포나 불순물이 제거되고, 주조에 비해 내구성이 우수하다.

 

단점

- 가공에 많은 시간이 소요되며, 제품 크기가 클수록 단조로 가공하기 어려운 측면이 있다.

- 복잡한 형상에 적합하지 않으며 정밀제품을 얻기 위해서는 경우에 따라 추가적인 2차 가공(후가공)이 필요하다.

 

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5. 주조와 단조의 차이점

항목	주조	단조
제품 크기	제한 없음	소형 제품
제품 형상	복잡함	단순함
비용	상대적으로 저렴	비쌈
강도	상대적으로 불안	기계적 강도 우수
내구성	상대적으로 불안	내구성 우수
생산성	대량생산에 적합	소량 다품종 생산에 적합
후 가공	필요없거나 선택	후가공 필요
합금 활용	상대적으로 합금 활용 용이함	제한적으로 합금 사용가능

 

 

단류선 형성 비교

 

 

※ 상대적인 비교이므로 참고만 해주시길 바랍니다.

 

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