금속 주조 종합 가이드: 기술, 소재, 응용 분야

액체 금속과 금형을 사용하는 금속 가공 공정인 금속 주조(Metal Casting)는 수천 년 동안 존재해 왔습니다.

역사 전반에 걸쳐 금속 주조는 검에서 풍력 터빈까지 모든 것을 만드는 데 사용되었으며, 오늘날 고품질 금속 부품을 만드는 가장 가치 있고 다재다능한 방법 중 하나입니다.

이 가이드는 다이캐스팅, 정밀 주조 등 다양한 변형과 가장 일반적인 주조 금속을 포함한 금속 주조의 기초를 다룹니다.

금속 주조란 무엇인가?

금속 주조는 용융 액체 금형을 금형에 붓는 제조/제작 공정입니다.

금형 내부는 제작 중인 부품의 네거티브 인상으로 설계되어, 용융 금속이 금형 내에서 식고 굳으면 최종 부품의 모양을 취합니다. 완성된 부품은 금형에서 제거할 수 있습니다.

제작되는 부품과 사용되는 금속에 따라 각각 고유한 장점을 가진 다양한 금속 주조 변형이 있습니다. 패턴, 금형, 충전 기술은 이 변형들 간에 크게 다를 수 있습니다.

금속 주조는 다재다능한 공정이지만, 주조 부품은 특정 설계 제약의 대상이 되며, 엔지니어는 냉각 단계에서 금속 수축을 고려해야 합니다.

금속 주조 공정 설명

핵심 금속 주조 공정은 금속을 가열하고, 금형에 붓고, 식고 굳기를 기다린 다음, 완성된 부품을 금형에서 제거하는 것을 포함합니다. 실제로는 공정에 더 많은 단계가 있을 수 있으며, 다양한 금속 주조 공정은 서로 다른 방식으로 작동합니다.

다음은 금속 주조 공정의 간소화된 개요입니다. 일부 단계는 주조 변형에 따라 달라지며, 일부는 완전히 생략됩니다.

1. 패턴 제작(Pattern Making): 시작 단계에서 많은 금속 주조 공정은 최종 부품의 복제품인 패턴 제작을 요구합니다. 패턴은 영구적이거나 소모성일 수 있으며, 왁스, 목재, 플라스틱 같은 소재로 만들 수 있습니다.
2. 코어 제작(Core Making): 중공 부품 주조의 경우, 금형 캐비티 내부에 배치되어 주조 부품의 내부 형상을 형성하는 고체 소재 조각인 코어 설계가 필요할 수 있습니다. (예: 더 큰 원통형 금형 내의 원통형 코어는 튜브 모양의 주조 부품을 생성합니다.)
3. 금형 제작(Mold Making): 금형은 공정에 따라 다른 방식으로 만들어집니다. 예를 들어 영구 금속 금형은 CNC 머신으로 만들 수 있고, 사형(Sand Mold)은 패턴 외부에 모래 혼합물을 적용하여 만듭니다. 금형 제작 관행을 몰드메이킹(Moldmaking)이라고 하며 전문 분야입니다.
4. 금형 충전(Filling the Mold): 금속을 녹을 때까지 가열한 다음 금형에 붓거나 강제로 주입합니다. 중력 주조의 경우 용융 소재가 아래로 캐비티에 붓는 반면, 고압 다이캐스팅의 경우 높은 압력으로 캐비티에 강제로 주입되며, 다이를 고정하기 위해 높은 클램핑 힘이 필요합니다.
5. 부품 제거(Removing the Part): 주조 부품이 식고 굳으면 금형에서 제거됩니다. 사형 주조 같은 공정의 경우 부품에 도달하기 위해 금형을 파괴해야 합니다. 영구 금형의 경우 금속 금형의 두 반쪽을 분리하여 다시 사용할 준비가 됩니다.
6. 후처리(Post-processing): 주조 금속 부품은 세척(예: 금형 잔여물 제거)이나 사용 준비가 되기 전 다른 후처리 단계가 필요할 수 있습니다.

금속 주조의 장점

단조나 CNC 가공 같은 다른 금속 가공 옵션보다 금속 주조를 선택해야 할 수많은 이유가 있습니다. 금속 주조의 주요 이점 중 일부는 다음과 같습니다:

• 대량 생산에 적합
• 거대하고 무거운 부품 생산 가능
• 매우 두꺼운 벽의 부품 생산 가능
• 조립 구성 요소보다는 대형 일체형 부품에 적합
• 우수한 베어링 품질
• 일부 경량 합금에 이상적
• 소재 다재다능성

금속 주조의 한계로는 불가피한 결함, 제한적인 치수 정밀도(CNC 가공 대비), 노동 집약적, 일반적으로 높은 최소 주문 수량 등이 있습니다.

주요 금속 주조 유형

다이캐스팅(Die Casting)

복잡하고 세밀한 부품을 위한 가장 중요한 금속 주조 유형 중 하나인 다이캐스팅은 두 개의 재사용 가능한 공구강 다이(Tool Steel Dies)를 툴링으로 사용합니다. 이 공정은 플라스틱 사출 성형과 유사합니다: 용융 소재가 고 압력(Pressure)으로 캐비티에 강제로 주입되어 엔지니어들이 세밀한 디테일의 부품을 만들 수 있게 합니다.

맞춤형 다이 제작 비용이 높아 대량 생산에서 더 흔합니다. 일단 제작되면 이 다이들은 여러 번 사용할 수 있습니다. 다이캐스팅 부품은 우수한 표면 마감을 갖는 경향이 있습니다.

알루미늄 다이캐스팅과 마그네슘 다이캐스팅은 모두 고품질 부품에 널리 사용됩니다.

중력 주조(Gravity Casting)

다이캐스팅과 마찬가지로 중력 주조는 재사용 가능한 금속 금형을 사용하여 금속을 주조하는 방법입니다. 그러나 중력 주조는 압력 대신 중력(Gravitational Forces)을 사용하여 액체 금속을 금형 상단에서 하단으로 이동시킵니다. 금형은 첫 주조 전에 예열되어야 하며, 낮은 열 피로로 인해 주철로 만들어지는 경우가 많습니다.

중력 주조는 다른 모든 금속 주조 기술보다 앞서 수천 년 전부터 존재해 왔습니다. 영구 금형 주조의 한 형태이며, 중력 주조 공정의 대안으로는 가스 압력과 진공이 있습니다.

정밀 주조/로스트 왁스 주조(Investment Casting / Lost Wax Casting)

정밀 주조 또는 로스트 왁스 주조는 소모성 패턴과 금형을 사용하여 금속을 주조하는 방법입니다: 두 항목 모두 주조 공정 중에 파괴됩니다(녹은 왁스는 종종 재사용 가능).

중력 주조와 마찬가지로 정밀 주조도 수천 년 역사를 가집니다. 로스트 왁스 주조 공정 동안 패턴은 왁스나 동등한 소재로 만들어집니다 — 때로는 손으로, 때로는 레진 3D 프린터 사용 — 그 내화성 소재가 패턴 주위에 부어져 금형을 만듭니다.

인베스트먼트(Investment)는 패턴 주위에 적용된 세라믹 층으로, 이는 용융 금속의 금형으로 기능합니다. 이 세라믹 층은 디베스팅(Divesting)이라고 불리는 공정에서 제거됩니다.

사형 주조(Sand Casting)

사형 주조는 금속 주조의 심플하고 수세기 된 방법으로 대체 기술보다 저렴합니다. 모래(점토 같은 결합 재료와 혼합)를 금형 소재로 사용하며, 금형은 높은 열을 견딜 수 있습니다.

사형 주조 공정에서 패턴은 플라스크(Flask)라고 불리는 특수 상자 내에 담긴 모래에 담급니다. 패턴 주위에 모래를 다져서 용융 금속을 부을 수 있는 금형을 만듭니다.

금속 주조 공정에 사용되는 모래는 그린 샌드(Green Sand)(젖은 점토) 또는 에어 세트 샌드(Air Set Sand)(접착제가 있는 건조 모래)일 수 있습니다.

기타 주조 공정

로암 몰딩(Loam Molding)과 셸 몰딩(Shell Molding) — 둘 다 소모성 금형 공정 — 과 원심 주조(Centrifugal Casting)와 연속 주조(Continuous Casting) 같은 영구 금형 공정을 포함하여 제조에 사용되는 수십 가지 더 많은 금속 주조 공정이 있습니다.

주조 압력: 높음 또는 낮음?

금속 다이캐스팅은 가치 있는 금속 가공 공정이며, 고압 다이캐스팅과 저압 다이캐스팅 두 가지 추가 범주로 나눌 수 있습니다. 적절한 압력 선택은 소재, 벽 두께, 부품 크기 같은 요인에 따라 달라집니다.

고압 다이캐스팅(High Pressure Die Casting)은 저압 다이캐스팅보다 더 일반적인 기술이며, 두 배 이상 더 자주 사용됩니다.

알루미늄과 아연 같은 연질 합금에 이상적인 고압 다이캐스팅은 높은 압력과 높은 속도로 액체 금형을 금형에 강제로 주입하며, 금형을 닫아두기 위해 강력한 프레스가 필요합니다. 따라서 이 공정은 저압 다이캐스팅보다 더 비쌉니다.

고압 다이캐스팅의 장점:

• 빠른 생산
• 얇은 벽 가능
• 매끄러운 표면 마감
• 최소 수축

저압 다이캐스팅(Low Pressure Die Casting)은 용융 금속을 금형에 더 부드럽게 강제로 주입하는 더 느린 형태의 다이캐스팅입니다. 낮은 융점의 합금에 적합합니다. 고압 다이캐스팅보다 느리지만, 저압 금속 주조 공정은 복잡한 형상에 적합하고 매우 강한 부품을 생산할 수 있습니다.

저압 다이캐스팅의 장점:

• 강한 부품
• 복잡한 형상

주조 가능 금속

다양한 금속이 주조 공정에 적합합니다. 그러나 3ERP가 허용하는 세 가지 가장 일반적인 주조 소재는 알루미늄, 아연, 마그네슘입니다.

알루미늄 주조

알루미늄 주조는 알루미늄을 성형하는 가장 광범위한 수단입니다. A380, A383 같은 합금으로 변속기, 엔진 같은 산업 및 자동차 부품을 제조하는 데 사용됩니다.

알루미늄 주조를 수행하는 몇 가지 방법이 있습니다. 알루미늄 다이캐스팅은 속도와 우수한 표면 마감으로 인해 대량 생산에 탁월합니다. 영구 금형 주조는 초강력 알루미늄 부품에 적합하며, 사형 주조는 소량 및 복잡한 형상의 알루미늄 주조에 적합합니다.

주조 공정에 관계없이 알루미늄 주조는 강하고 가벼운 부품을 만들므로 매우 다재다능합니다.

아연 주조

아연 합금은 인기 있고 저렴하며 널리 구할 수 있는 주조 적합 금속입니다. 아연 주조는 일반적으로 고압 다이캐스팅을 포함하여 높은 생산 속도와 최소 후처리 요구사항을 허용합니다.

아연의 높은 주조 유동성 덕분에 아연 주조는 매우 얇은 벽과 세밀한 디테일의 부품을 만들 수 있습니다. 아연은 더 나은 결합을 위해 냉간 단조(Cold-formed)될 수도 있습니다.

제조업체는 ZAMAK 아연 합금 또는 아연-알루미늄(ZA) 합금 중 선택할 수 있습니다. 주조 아연 부품에는 자동차 부품, 에어컨 부품, 전자 부품이 포함됩니다.

마그네슘 주조

주조 — 특히 고압 다이캐스팅 — 는 마그네슘 부품 제작을 위한 가장 일반적인 금속 가공 공정으로, 마그네슘 부품 생산의 약 98%를 차지합니다.

마그네슘은 모든 구조용 금속 중 가장 가벼우므로 경량화 애플리케이션에 이상적입니다. 마그네슘 주조의 기타 장점으로는 매우 얇은 벽, 우수한 디테일, 좋은 강성 대 중량 비율이 있습니다.

소량의 경우 마그네슘 부품은 석고 주조(Plaster Casting)로도 만들 수 있지만, 전문 애플리케이션에는 마그네슘 다이캐스팅이 최적입니다.

3ERP는 귀하의 다음 프로젝트를 위해 신뢰할 수 있는 주조 회사 네트워크를 갖춘 프로토타이핑 전문 업체입니다. 프로젝트 규모에 관계없이 오늘 무료 견적을 받아보세요.