[사형주조법]
사형주조(sand casting)는 모형과 코어의 조합으로 만들어진 공동부에 게이팅 시스템을 연결함으로써 주형을 완성하고, 여기에 용탕을 주입하여 공동부를 채우고, 금속이 응고하면 모래주형을 깨뜨리고 주물을 꺼내는 작업으로 구성된다.
사형의 재료 및 사형 제작 공정에 대한 설명 참조.
https://thomasrobotech.tistory.com/35 (주조공정 - 모형 및 주형 / 4.사형 주형)
[석고주조]
석고주조(plaster casting)는 패리스(paris 또는 gypsum, CaSO4-nH2O)라는 석고를 주형재료로 사용하며 금, 은, 마그네슘, 구리와 이들의 합금을 주조하는 데 유용한 방법이다. 집섬(gypsum)은 "인베스팅 주조(investing casting)"와 "코프(cope)와 드래그(drag) 주형"에서도 사용될 수 있는데, 후자의 경우를 석고주조라 한다. 석고주조에서는 코프와 드래그를 만들기 때문에 주물에 사형주조에서와 같이 파팅 라인(parting line)이 생긴다.
주형의 재료로 사용될 석고를 물에 넣고 천천히 교반하여 크림상태의 슬러리(slurry)를 만든다. 이때 석고에 물을 붓는 것이 아니고 물에 석고를 넣는 것이며, 적당한 교반속도를 유지해 주는 것이 매우 중요하다. 너무 빠르게 섞으면 슬러리에 과도한 공기의 혼입을 유발하여 주형 표면이 거칠어질 우려가 있고, 너무 느리게 섞으면 모형 위에 붓기 전에 슬러리가 굳을 위험이 있다. 석고반죽에는 필요에 따라 여러 가지 첨가물이 들어간다. 금속 주조를 위한 석고반죽에는 주형의 깨짐을 방지하기 위하여 보통 20~30%의 활석(talc)을, 굳는 시간을 촉진시키기 위해서는 테라 알바(terra alba)나 산화마그네슘(magnesiumoxide), 건조시에 석고의 팽창을 조절하기 위해서 라임 (lime)이나 시멘트(cement)와 같은 물질을 첨가한다.
미리 준비된 매치플래이트 형태의 모형에 슬러리를 붓고, 상온에서 몇 분 정도 지나면 석고반죽이 굳기 시작하고 적당히 굳은 후 모형을 제거한다. 이런 방식으로 코프와 드래그를 만들고, 200-425℃ 정도의 오븐에서 완전히 건조시킨다. 물기를 완전히 제거한 주형의 각 부분은 매우 취약하므로, 이를 조립할 때에는 세심한 주의가 필요하다.
석고주조에서는 0.8~1% 정도의 치수정확도를 유지할 수 있고 주물의 표면정도가 좋기 때문에 연마나 절삭과 같은 후가공이 필요치 않은 장점이 있다. 또한 석고주형은 열저항이 커서 용탕의 냉각속도가 느리기 때문에, 뒤틀림이 적고 균일한 결정립구조의 주물을 만들 수 있다. 그러나 석고주형은 통기성이 매우 나빠서 응고과정에서 발생하는 가스가 빠져나가지 못하므로, 보통 진공상태나 압력하에서 용탕을 주입해야 하는 단점이 있다.
복잡하고 얇은 주물을 만들기 위한 석고주조기술의 하나로 앤티오치 (Antioch) 공정이 있다. 이 공정의 장점은 석고주형의 통기성을 향상시킴으로써, 주물의 미세한 부분을 표현하고 응고중에 발생하는 습기나 가스의 출구를 제공하는 것이다. 이 공정으로 주형을 만들기 위해서는 집섬, 모래, 아베스토스(abbestos), 활석, 소듐 실리케이트(sodium silicate)의 혼합물에 물을 부어 슬러리를 만든다. 이 슬러리를 모형에 붓고 응고 후 모형을 제거하여 주형을 만든다. 이 주형을 상온에서 6시간, 대기압 상태의 수증기 오토클레이브(autoclave)에서 2시간, 다시 공기 중에서 12시간 적치 후, 최종적으로 230℃ 이상의 오븐에서 건조시킨다. 오토클레이브 공정에서 주형 내부에 특별한 통기성 구조가 형성되지만 동시에 주형의 강도가 현저히 저하된다.
[인베스트먼트 주조]
인베스트먼트 주조(investment casting)는 소실왁스(lost wax), 소실모형(lost pattern), 핫 인베스트먼트(hot investment) 그리고 정밀주조(precision casting) 등의 다양한 명칭을 갖고 있다. 이 공정에서는 왁스나 플라스틱과 같은 열에 녹는 재료로 모형을 만든다. 여러 개의 모형과 게이팅시스템을 조립하여 나무형태로 만들고, 이를 양끝이 뚫린 스테인리스 스틸 원통 속에 넣는다. 알루미나(alumina), 실리카(silica), 집섬(gypsum), 지르코늄 실리케이트(zirconium silicate) 등의 내화제가 첨가된 적당한 결합제의 슬러리를 모형 위에 붓고 진동을 가하여 공기방울을 제거한다. 내화제가 적당히 응고된 후, 원통용기를 오븐에 넣고 서서히 가열하면 내화제는 더욱 단단해지고 모형은 녹아 흘러내리거나 기화되어 주형 공동부가 형성된다. 이렇게 완성된 주형은 650~1000℃까지 가열되고, 여기에 용탕이 부어진다. 녹일 수 있는 거의 모든 종류의 합금은 적당한 내화제의 선택과 알맞은 주형온도의 조절을 통해 인베스트먼트 주조가 가능하다.
인베스트먼트 주조의 주요 특징은
① 치수정확도와 표면정도가 우수하고 미세한 부품을 주조할 수 있다.
② 터빈 날개 (turbine blade), 제트 노즐(jet nozzles) 등의 기계가공이 어려운 합금제품의 제작에 적합하다.
③ 파팅 라인이 없다.
④ 제작비가 비싸다.
[다이캐스팅 및 영구주형주조]
다이캐스팅(die casting)은 금속제 영구주형에 압력을 가하여 용탕을 충전시키는 주조공정 및 제품을 지칭하고, 영구주형주조(permanent mold)는 중력이나 원심력에 의해 용탕을 충전시키는 공정 및 제품을 말한다. 두 가지 경우 모두 주형을 여러 번 재사용하는 공통점이 있으나, 영구주형주조 주물은 다이캐스팅 제품과 비교하여 살두께가 두껍다. 중력만으로는 미세한 주형 공동부에 용탕을 채우기가 어려우므로, 두께 1/4 또는 1/2인치 이하의 제품을 주조시에는 가압형식의 다이캐스팅 방법을 적용한다.
1) 영구주형주조
영구주형은 두 부분으로 만들어지는데, 다음 그림과 같이 수직방향의 파팅라인을 갖도록 만들 수도 있고, 사형주조에서와 같이 수평방향의 파팅 라인을 갖도록 만들 수도 있다. 주형재료는 보통 등급이 좋은 주철을 사용하는데 강, 그래파이트(graphite), 구리, 알루미늄을 사용하는 경우도 있다.
다음 그림은 알루미늄 베어링을 주조하기 위한 전형적인 영구주형을 나타내고 있다.
주형의 좌측 부분에는 게이트, 라이저 그리고 코어가 결합된 주물의 형상이 보인다. 영구주형의 경우에 코어 재료는 모래, 석고(plaster), 금속 등이 사용된다.
영구주형을 사용하는 주조공정의 순서는 다음과 같다.
① 솔로 문지르거나 더운 공기를 불어서 주형을 청소하고, 화염으로 적당한 주조 온도를 유지한다.
최적의 작업온도는 오직 경험적으로 결정되는 것이며 주물에 따라서 변한다.
② 주형 표면에 내화염료(refractory wash)를 도포하거나 화염으로 카본(carbon)을 증착한다.
③ 필요에 따라 코어를 삽입하고 주형을 체결한다.
④ 래이들로부터 용탕을 붓는다.
⑤ 주물이 응고될 때까지 충분히 기다린다.
⑥ 주물을 주형으로부터 추출한다.
영구주형주조법을 사용하는 주요 금속은 주석, 아연, 납, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 주철 그리고 이들의 합금이 있다.
2) 다이캐스팅
다이캐스팅은 영구형에 비해서 생산성이 매우 높다. 다이캐스팅법은 주조장비의 종류에 따라 저온 챔버공정(cold chamber process)과 고온챔버공정(hot chamber process, gooseneck process) 두 가지로 분류된다.
다음 그림은 다이캐스팅의 저온챔버공정을 대략적으로 나타낸다. 아연, 알루미늄, 구리, 마그네슘, 납, 주석 등의 합금으로 된 용융금속이 이들로부터 가압챔버에 부어진다(그림(a)). 이때 챔버는 가열되지 않은 상태이다. 다음에 플런저의 전진운동으로 용탕은 20000 psi 또는 그 이상의 압력으로 주형에 주입된다(그림(b)). 주물이 응고된 후, 금형이 열리고 코어가 빠진다(그림(c)). 마지막으로 이젝터 핀(ejector pin)이 주물을 주형으로부터 방출시킨다(그림(d)).
다음 그림은 거위목기구(gooseneck machine)의 원리를 보여준다. 가압압력은 보통 600psi 를 넘지 않으며, 플런저(plunger)로 직접 용탕을 가압하거나 또는 공기로 가압하여 주형 공동부를 채운다. 그림에서와 같이 거위목방법에서는 가압챔버가 용탕 속에 잠겨서 고온상태가 유지되므로 고온챔버공정(hot-chamber process)이라고도 한다.
거위목방식은 저온챔버방식에서와 같이 레이들을 이용해 수동으로 채울 수도 있고, 캠 메커니즘에 의해 자동적으로 용탕을 채울 수도 있다. 알루미늄이나 구리와 같이 용융점이 높은 합금의 경우에는 금속플런저에 의한 직접 가압방식보다는 공기로 가압하는 방식이 선호된다. 금속 플런저는 비교적 빠르게 부식되므로 주기적인 교환이 필요하고, 특히 철재질의 플런저는 주물을 오염시킬 수 있으며 주물의 강도, 연성, 내부식성 등을 약화시킬 우려가 있다. 이러한 이유로 알루미늄이나 구리 합금의 경우에는 저온챔버방식이 광범위하게 이용된다.
보통 금형의 수명을 연장하고, 주물의 냉각속도를 높여 최적의 특성을 구하기 위하여 금형은 냉각수나 냉각유에 의해 냉각된다.
[원심주조법]
주조산업에서 원심력은 관형태 제품의 제작이나 금속의 정권 등에 다양하게 이용되고 있다. 19세기 초반에 발명되어 많은 연구와 산업적 적용이 시도되었고, 다음과 같은 장단점이 있다.
① 원심주조법(centrifugal casting)은 관형상의 제품을 만드는 데 경제적인 방법이다.
기존의 주조방식에서 안지름치수를 위해 필요했던 코어가 원심주조법에서는 필요하지 않다.
② 원심력은 응고 전에 빠르게 용융금속을 채우는 데 도움을 주며 이를 통하여 주물간의 온도편차를 제어하기가 유리하다.
③ 원심주조법은 관형태의 주물에서는 최적 품질의 제품을 생산할 수 있으나 다른 형태의 주물을 원심주조할 경우는 다른 정적 주조공정에 비하여 우수하지 못하다.
원심주조법은 다음과 같이 세 가지 방식으로 나눌 수 있다.
① 진원심주조법(true centrifugal casting)
: 주물은 자신의 주축을 중심으로 회전하게 되므로 이때 발생하는 원심력이 관형태의 주물의 안지름을 자연스럽게 형성시켜 주기 때문에 라이저와 중심 코어가 필요하지 않다.
② 반원심주조법(semicentrifugal casting)
: 살이 있는 바퀴와 같은 주물을 제작할 경우 주물은 자신의 주축을 중심으로 회전을 하고 라이저와 코어가 필요하다.
③ 센트리퓨지 주조(centriftged casting)
: 중심부의 게이트의 둘레에 여러 개의 주형틀을 연결하고 원심력은 단지 용융금속의 주입을 원활히 하는 데만 이용하는 방식이다.
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