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신기술 동향
제목 주조 신기술동향
학회명 한국주조공학회 등록일 2012-08-23
이메일 kfs@kfs.or.kr 조회수 7065

주조 신기술동향



주조기술은 역사가 오래된 기술이지만, 실 생활용품 및 각종 산업용 부품 제조에 중요한 기술로 고품질의 주조품 생산을 위한 기술개발이 꾸준히 진행이 되고 있다.  
주조품 중 가장 생산량이 많은 주철은 다양한 성질을 가지는 철 합금으로 약 2~4의 탄소와 1~3의 규소를 함유하는데, 특성을 향상시키기 위하여 화학 조성, 응고 및 냉각 속도의 조절 그리고 열처리 등을 하고 있다. 주철은 넓은 범위의 강도와 경도를 가지며 기계 가공이 비교적 쉬우므로 자동차부품에 널리 적용이 되고 있으며, 그 생산량 또한 자동차산업과 더불어 증가하고 있는 추세이다. 특히 고강도와 고인성이 요구될 경우 구상흑연주철을 열처리하여 얻는 오스템퍼드 구상흑연주철의 실제품에의 적용이 활발히 이루어지고 있으며, 경량화를 위하여 건전한 흑연 조직을 가지는 박육 회주철 생산을 위한 기술개발도 진행되고 있다. 한편 주강품은 발전소 및 자동차부품 등 각종 특수 용도에 적용이 증가하고 있는데, 고내식 합금주강, 고내마모 합금주강 등의 개발이 이루어지고 있으며, 응고조직 형성과정을 규명하기 위하여 방사광을 이용하여 응고조직의 형성을 실시간으로 직접 관찰하는 기술의 개발이 진행되고 있다.

비철합금 중에서는 알루미늄합금, 마그네슘합금 및 그 주조기술의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 주조용 알루미늄합금은 주조특성이 우수한 알루미늄-실리콘 이원계를 중심으로 널리 사용되고 있으며, 최근 들어 기존의 합금이 가지는 한계를 극복하기 위한 새로운 합금개발연구가 활발하게 진행 중이다. 대표적인 한 가지 개발방향은 고전도성 주조합금에 대한 것으로서 LED 방열부품, 전기 전도체와 같이 높은 전도성이 요구되거나 주조 후 양극산화 등의 표면처리공정이 필요한 경우에 활용하기 위해 기존의 Al-Si합금을 대체하는 연구가 이루어지고 있다. 고전도성을 유지하기 위해서 가능한 소량의 합금원소만 첨가하면서 최소한의 강도 및 주조성을 갖도록 설계하는 개념이며 적용 주조공정이 주로 다이캐스팅이기 때문에 금형과의 소착을 방지하기 위해 Fe는 필수적으로 소량 첨가된다.  또 다른 개발방향은 고강도 주조합금에 대한 것으로서 기존의 일반적인 알루미늄합금으로는 충족하기 어려운 고강도용 자동차 부품 등에 적용하는 목표를 가지고 있다. 예를 들어, 다이캐스팅 공정에 적용되고 있는 알루미늄 합금으로는 ALDC 3, ALDC 10, ALDC 12 등의 Al-Si 합금계와 ALDC 5 혹은 ALDC 6 등의 Al-Mg 합금계가 사용되고 있는데, 이러한 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 수준은 300MPa 이하이다. 자동차 경량화를 위하여 300MPa 이상의 고강도가 요구되는 알루미늄 자동차 부품에 적용하기 위해서는 350MPa급 이상의 인장강도를 가지는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금개발이 필요하다. 그리고 ‘알루미늄 주조합금의 통합화'에 관한 개발도 진행이 되고 있다. 합금의 종류가 다양하면 합금원소양이 다르므로 한 번에 재용해하기가 어렵다, 따라서 합금원소를 적게 사용하거나 합금의 종류를 단순화하는 방향으로의 합금개발이 필요하다. 예를 들어, 자동차 부품에 사용되는 알루미늄 주조합금은 Al-Si-Mg합금과 Al-Si-Cu합금, 두 종류가 가장 많이 사용되고 있으며, 이러한 합금들은 부품의 요구특성에 따라 다른 주조공정이 적용되고 있다. 만약 모든 요구특성을 만족할 수 있는 단일 합금조성을 개발한다면 폐기된 알루미늄 소재를 훨씬 더 효율적으로 재사용할 수 있을 것이다. 마그네슘 합금 및 공정기술도 개발이 많이 이루어지고 있는데 중 주목할 만한 것은 마그네슘합금의 산화억제를 위하여 CaO를 사용한 기술로  향후 마그네슘 합금의 확대를 위한 중요한 기술로 평가받고 있다. 

비철합금의 성형기술로 가장 활발하게 생산이 이루어지고 있는 다이캐스팅 분야에서도 최근 자동차산업의 활황과 더불어 경량화를 위한 다이캐스팅 기술과 각종 IT 기기의 기판이나 외장 케이스 제조를 위한 다이캐스팅의 개발도 요구되고 있다. 보다 얇고, 보다 복잡한 형상의 부품 제조를 위해서는 고도의 성형기술 및 이를 위한 합금의 개발도 동반되어야 한다. 다이캐스팅은 고생산성을 자랑하나 종래의 일반 다이캐스팅 방법에서는  내부함유 가스량 과다로 인한 내압성 결여, 파단칠층으로 인한 표면불량,  내부 수축공으로 인한 강도 및 기밀성 저하, 언더커트 처리 곤란 등의 취약점이 있다.  특히 미려한 표면이 요구되는 제품에서 표면가공 후의  육안으로 관찰되는  기포는 제거하기가 용이하지 않으며, 내 기밀성이 요구되는 부품에서도  불량의 대부분을 기포결함이 차지한다.  또한 가공 후에 나타나는 하드스포트도 주요 결함의 하나로 들 수 있다. 이와 같이 일반 다이캐스팅법은 여러가지 개선점을 안고 있으므로, 이의 해결을 위하여 새로운 다이캐스팅 주조법이 개발되어 실용화되고 있는데, 기공, 수축공, 언더커트, 파단칠층 및 기공을 최소화하여 열처리가 가능하고 접합이 가능한 제품을 만들기 위하여 진공다이캐스팅, 스퀴즈캐스팅, 분체이형제법, 반응고다이캐스팅, 붕괴성중자법 등 다양한 공법이 개발, 실용화되고 있다. 이러한 공법은 한 가지만 사용되는 것이 아니고 결함을 최소화한 다이캐스팅제품을 제조하기 위하여 다수의 공정을 복합화하여 사용하는 추세에 있다. 예를 들면  Hi-Vac공법은  VACURAL 시스템, 보온로에의 자동용탕공급시스템, 건식팁윤활, 유성이형제 도포시스템, 고진공대응 실(seal) 금형, 금형온도 자동조절장치로 구성하여 저 Fe 함유 고인성 다이캐스팅용합금을 제조하고 있다. 또한  New-Leomacs공법은 횡형체결, 종형주입 다이캐스팅기와 전자펌프급탕시스템, 플로트식 정탕면유지로, 분체이형제와 분체슬리브윤활제 공급시스템으로 구성하여 고강도, 고인성 다이캐스팅제품을 생산하고 있으며, NI주조법은 고강도, 고연성, 고신뢰성의 알루미늄 부품의 제조가 가능한 공법으로 횡형체결, 종형주입 다이캐스팅기와 인라인 용탕처리 장치 및 정탕면유지로, 급탕포트 및 가압챔버, 그리고 분체이형제 균일도포 시스템으로 구성되어 있어서, 다이캐스팅의 고생산성을 살리면서 고강도, 고연성의 A356합금의 고속주조가 가능하다. 이러한 방법을 활용하면 종래 다른 공법으로 제조해왔던 부품의 경량화가 가능해지고, 기존의 중력주조 또는 저압주조로 제조하여 왔던 부품의 다이캐스팅화가 가능해지면서 원가절감, 고성능화의 기대를 충족시킬 것으로 보인다.

한편 주조기술 중에서도 용해기술은 주조품의 고품질화를 위하여 매우 중요한 기술인데, 최근 기술개발이 활발히 이루어지고 각광을 받고 있는 기술이 냉도가니를 이용한 용해, 정련 기술이다. 냉도가니 용해는 핀치 효과(Pinch effect)를 통해 용탕이 도가니 벽에 닿지 않는 무접촉 용해를 가장 큰 특징으로 하며, 그에 따라 도가니 접촉에 의한 오염을 최소화하고 잉곳의 표면 품질 향상에 기여하는 방법으로 비교적 높은 융점(약 1500~3000℃)의 고순도를 요구하는 물질의 용해에 매우 유용하며, 이 방법으로 티타늄(Ti), 태양전지용 실리콘(SoG-Si) 등의 용해 및 정련에 관한 개발이 진행이 되고 있다. 신에너지 중 중요한 부분을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 계속하여 원가하락의 압박을 받고 있는데, 이에 대응할 수 있는 방안의 하나가 냉도가니법을 이용한 태양전지급 실리콘의 용해 및 정련기술이다.

주조공법은 대량생산에 적합한 공법이므로, 주조품 및 주조방안의 설계 및 내부 결함검사기술의 중요성도 증대되고 있다. 따라서 보다 계산이 빠르고 계산정도가 높은 주조공정 전산모사 해석 및 열변형 해석 기술의 개발이 계속 진행이 되고 있고,  엔지니어링 설계 기술과 주조공정 해석 기술, 쾌속 조형기 및 3D-CT (3- dimensional compacted tomography)를 조합하여 신속하고 정밀도가 높은 주물 시제품의 신속 제작 기술 및 역설계 분야에 3D-CT와 RP (rapid prototyping) 장비를 활용함으로써 제품 도면이 없는 상태에서 3D 도면을 추출하고, 주물 시제품을 단기간 내에 제작 가능한 기술의 개발도 진행되고 있다. 또한 개발된 설계해석기술을 인터넷을 활용한 대형허브를 구축하고 생산현장과 유무선 네트워킹에 의하여 신속히 기술지원을 하는 시스템 기술도 개발, 실용화 단계에 있다.

주조기술은 가장 경제적인 부품의 성형기술이며, 재료의 리싸이클링이 가능한 기술이므로 향후 제조업의 고도화를 위해서도 필수불가결한 기술로 자동차부품, IT기기, 각종 산업기계분야 등 다양한 용도를 위하여 주조의 각 세부기술분야에서 지속적인 기술개발이 요구되고 있다.


<그림 설명 . 태양전지용 실리콘 정련 및 연속주조 설비>
 태양전지에 사용되는 고순도 실리콘을 pilot scale로 용해 및 정
련하기 위한 설비로써, 건물 3층 높이의 챔버 내부에 냉도가니 및 코일이 설치되어 있다. 3층에는 챔버 상부가 드러나 있으며, 실리콘 정련을 위한 플라즈마 토치, 원료연속공급장치(feeder), 유도가열전원(300kW급), 플라즈마전원(30kW급), 각종 컨트롤러 등이 위치하여 있다. 냉도가니 용해를 통해 용탕이 생성되면 챔버 상부에 설치된 플라즈마에 의하여 불순물이 제거되고, 피더를 통하여 실리콘 원료를 연속적으로 장입하면서 정련된 용탕을 챔버 하부쪽으로 천천히 인출시켜 최고 6N(99.9999) 급의 태양전지용 실리콘 잉곳을 제작한다.

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