금속 주조는 용융 금속을 비어 있는 형상 공간에 부어 물체를 만드는 공정입니다. 금속은 냉각·경화되어 이 형상 몰드가 준 형태를 갖게 됩니다. 주조는 단단한 금속 블록에서 부품을 깎아내는 가공에 비해 제조 비용이 저렴한 경우가 많습니다. 금속 주조 방법에는 여러 가지가 있으며, 어떤 주조가 가장 효율적인지는 사용 금속, 생산 런 크기, 주조 복잡도에 따라 달라집니다.
생산 런을 시작하기 전, 주조소 현장의 주요 용어와 방법을 아는 것이 도움이 됩니다.
몰드는 액체 금속을 받아 그 캐비티 모양으로 냉각된 물체를 생성하는 소재의 공동입니다. 몰드는 단순할 수 있습니다. 금속 주괴를 만드는 틀은 식빵 틀처럼 금속을 붓고 식히기만 하면 됩니다. 대부분 몰드는 더 복잡한 형상으로 패턴을 기반으로 합니다. 패턴이 분할 몰드에 각인됩니다. 패턴 절반은 몰드 한쪽에, 나머지 절반은 다른 쪽에 각인된 후 두 절반을 클램핑해 몰드를 채웁니다. 몰드를 두 부분으로 만들면 충전 전 패턴을 뺄 수 있습니다. 이 몰드는 수평 분할로 만들 수 있습니다.
수평 성형에서 몰드 상반을 코프(cope), 하반을 드래그(drag)라 부릅니다.
수직 성형에서 몰드 앞쪽 절반을 스윙(swing), 뒤쪽 절반을 램(ram)이라 부릅니다.
몰드에 내부 공간이나 구멍이 필요하면 코어(core)를 만듭니다. 이 코어는 내부 공간 모양으로 만들어집니다. 코어는 보통 주조품을 넘어 연장되어 코어 프린트(core prints)를 통해 두 제방 사이에 다리처럼 매달려 고정됩니다. 코어 주변 빈 공간에 금속이 채워지고, 코어가 최종 주조품에서 제거되면 있던 자리에 구멍이 남습니다. 코어가 매우 길면 채플릿(chaplets)으로 받쳐줍니다. 이들은 보통 최종 주조품과 같은 금속으로 만들어지며, 소재로 채워질 공간에 놓여 최종 주조품의 일부가 됩니다.
주조 방법 선택의 중요한 요소 중 하나는 치수 공차입니다. 최종 제품 크기에서 허용되는 변동입니다. 금속은 냉각 시 수축하며, 주조 유형에 따라 수축 정도가 달라집니다. 제품이 정밀해야 한다면 니어 넷 주조(near net casting)를 내는 방법을 원할 수 있습니다. 이는 셰이크아웃 시 제품 크기가 거의 정확한 상태를 의미합니다.
또 다른 고려사항은 표면 마감입니다. 주조품 표면이 얼마나 입자감이 있고, 울퉁불퉁하거나 거칠어도 괜찮은가? 주철 팬에 허용되는 것이 웨딩 링에는 안 됩니다. 매우 매끄러운 금속 표면은 보통 가공으로 만드는데 추가 비용이 듭니다. 매끄럽고 광택 있는 표면이 원하면 더 미세한 마감의 주조 방법을 선택해 가공 비용을 줄일 수 있습니다.
금속 주조는 크게 재사용 몰드 공정과 소모성 몰드 공정 두 범주로 나뉩니다.
재사용/영구 몰드는 여러 제품을 만들지만, 소모성 몰드는 주조 공정 중 파괴됩니다. 일반인의 관점에서는 대량 생산 시 재사용 몰드가 더 비용 효율적일 것 같지만, 항상 그렇지는 않습니다. 대부분의 철강 제품은 소모성 주조 공정으로 만듭니다.
저온 성형 물질(레진, 초콜릿, 왁스 등)은 거의 항상 재사용 몰드를 사용합니다. 야금이 다른 점은 고온이 관여된다는 것입니다. 이는 몰드에 큰 부담을 줍니다. 따라서 아연, 알루미늄, 마그네슘, 주석, 구리 등 융점이 낮은 합금이 재사용 성형 공정에 더 많이 성공합니다.
하지만 일부 상황에서는 철계 금속도 재사용 몰드에 주입됩니다. 설계 복잡성, 금속 선택, 치수 공차와 표면 마감 요구사항이 재사용 몰드 적합성에 모두 영향을 미칩니다.
영구 몰드는 보통 채워질 금속보다 융점이 높은 금속으로 만듭니다. 외부 압력 없이 유동 금속을 붓습니다. 영구 코어는 완성 주조품에서 재사용을 위해 인출 가능하도록 단순해야 합니다.
이 몰드는 철 주조에도 쓰이며 저온 합금에도 사용됩니다. 조립 라인보다 턴테이블이 가장 일반적인 산업 워크플로입니다. 몰드 코팅, 코어 배치, 몰드 닫기, 주입, 몰드 열기, 주조품 배출 등 개별 작업이 각 몰드가 다음 스테이션을 지날 때 수행됩니다.
첫 주조 전 몰드를 예열해 온도 차이로 인한 균열을 방지합니다.
이 방법으로 나오는 주조품은 다이캐스팅 등 다른 재사용 방법만큼 얇은 벽을 가질 수 없습니다. 그러나 '밀착 공차(close tolerance)'로 생산되어 최종 주조품 크기를 더 정밀하게 예측할 수 있습니다. 이 방식으로 만든 주조품은 치밀하고 미세한 결정립을 가지며 표면 마감이 매끄럽고 여러 결함 유형을 회피합니다.
이 성형 방식은 철에 충분히 내구성이 있지만 황동(고아연 황동)에는 선호되지 않습니다. 황동은 몰드나 다이를 오염시킵니다.
반영구 몰드 주조의 유일한 차이는 주조 공정에 사용되는 코어가 소모성 모래 코어일 수 있다는 점입니다. 모래 코어는 최종 주조품에서 온전하게 추출될 필요가 없어 더 복잡한 코어 형상 가능. 주조품에 코어 제거용 개구부가 남으면 진동 테이블에서 '셰이크아웃'해 모래시계처럼 모래를 배출할 수 있습니다. 영구 몰드 주조의 공차, 밀도, 외관 이점은 금속 몰드에 주조된 부분에만 존재합니다.
이 화려한 이름의 주조 방식은 코어 없이 몰드 내부에 소량 금속을 입혀 금속 '피부(skin)'를 만들어 중공 주조품을 만듭니다. 금속이나 기타 소재가 굳는 속도에 따라 슬러시 주조 접근법이 다릅니다. 한 방법은 소량 액체를 몰드에 붓고 회전시켜 내부를 금속으로 코팅합니다. 다른 방법은 몰드를 완전히 채운 후 지정된 냉각 시간 후 여분의 소재를 쏟아냅니다. 아연, 알루미늄, 페주석이 흔히 슬러시 주조됩니다.
진정한 원심 주조에서는 수냉식 몰드가 중앙축을 중심으로 고속 회전하며 액체 금속이 공급됩니다. 원심력이 액체 금속을 몰드 표면을 따라 균일한 층으로 끌어당깁니다. 이 방법이 작동하려면 최종 주조품이 회전축을 중심으로 균일한 기하학을 가져야 합니다. 따라서 대략 원통형이나 원형인 튜브, 링 등에 최적입니다.
이 방법으로 주조된 제품은 보통 결함률이 매우 낮습니다. 불순물은 주조품 내면(보어) 근처에 모여 가공으로 제거 가능. 대부분의 압력용 파이프나 피팅은 이음매 없는 구조의 강도 때문에 원심 주조로 만듭니다.
일부 소형 금속 주조품(주얼리 등)은 도가니에서 금속을 끌어당기며 중앙점 주위로 몰드 전체를 흔드는 원심분리기를 사용해 만듭니다. 이는 진정한 원심 주조는 아니지만 압력 주조의 한 형태입니다.
압력 주조 방법은 중력 외의 힘으로 영구 몰드 내 금속 흐름을 제어합니다. 공기나 가스, 진공, 기계적 힘, 원심력 모두 압력 주조에 사용됩니다. 이 방법들은 주조소가 몰드 충전 속도를 정밀 제어할 수 있게 합니다: 중력은 항상 같은 힘으로 작용하지만 인위적 힘은 조절 가능합니다.
진공 주조는 몰드를 감압시켜 생성된 진공이 아래 저수조에서 액체 금속을 끌어올립니다. 금속이 식는 동안 진공을 유지해야 하므로 얇은 벽 주조에 주로 쓰입니다. 우수한 표면 마감 제공. 저압 주조는 이 과정을 뒤집어 몰드에 진공을 만드는 대신 용융 금속이 있는 용해로를 가압합니다. 금속이 라이저를 통해 몰드 캐비티로 밀려 들어갑니다.
모든 다이캐스팅 머신(아래)도 주조 생성을 위해 어떤 형태의 압력을 사용합니다.
다이캐스팅 머신은 용융 금속을 담는 베이스, 두 판의 금속 몰드 또는 다이, 소재를 끌어당겨 압력으로 다이 내에 강제 주입하는 인젝션 시스템으로 구성됩니다.
다이캐스팅 공정은 열린 몰드에서 시작합니다. 노즐이 몰드에 윤활제를 분사해 부품 달라붙음 방지. 몰드 양 절반을 닫고 닫힌 몰드에 압력 노즐로 주입. 신규 주조품에 잠시 냉각 시간 부여 후 다이 오픈. 이젝터 핀이 새 주조품을 다이에서 밀어내면 공정 반복.
다이캐스팅에는 두 가지 금속 주입 형태가 있습니다. 콜드 챔버 다이캐스팅은 주사기처럼 작동: 각 다이 주조 전 인젝션 챔버에 용융 금속을 채우고 피스톤이 인젝터 내용물을 다이로 밀어넣습니다. 핫 챔버 또는 구스넥 다이캐스팅은 인젝션 시스템 챔버를 용융 금속에 담가 시스템 형상 덕분에 인젝터가 스스로 리필됩니다. 구스넥 시스템은 피스톤이나 공기 압력으로 이 소재를 몰드로 밀어넣습니다.
구스넥 시스템은 용융 금속 욕조에 잠겨 있어 부식되기 쉽습니다. 따라서 융점이 낮은 알루미늄이나 알루미늄-아연 합금에 주로 사용됩니다. 피스톤 또는 콜드 챔버 인젝션 다이캐스터는 인젝터가 지속적으로 열에 노출되지 않아 황동, 청동 등 더 높은 온도가 필요한 금속에 사용 가능.
완전히 가공, 압연, 기타 가공된 것으로 보이는 금속 부품도 주조소 바닥에서 시작된 경우가 많습니다. 연속 주조는 블룸(bloom), 빌릿(billet), 슬래브(slab)라 불리는 다양한 크기의 단순한 금속 형상을 영구 형상을 통해 압출해 만듭니다. 이 공정은 가공 강철의 원재료를 만듭니다.
연속 주조 공정은 공장 바닥 높은 곳에서 시작합니다. 용융 금속이 주조 속도를 제어하는 깔때기로 공급됩니다. 깔때기 아래 20~80인치 길이의 단순한 형상 몰드(폭은 정사각형, 원형, 직사각형)를 채웁니다. 몰드 벽은 냉각되어 주조품 외부가 통과하며 동결됩니다. 금속이 형상을 빠져나가며 응고 중이지만 여전히 가소적입니다. 이로 인해 연속 주조 기계가 구부려 완성품이 수평으로 나오게 합니다. 일련의 휠이 슬래브를 컨베이어 벨트로 안내하며 냉각 스프레이가 표면을 고체화합니다. 수평면의 가스 제트가 연속 금속 조각을 관리 가능한 길이로 절단해 들어올려 쌓을 수 있게 합니다.
소모성 몰드 방법은 철계 금속 주조에서 확실한 승자입니다. 고온을 견뎌야 할 필요가 없어 비용 효율적입니다.
샌드 주조는 금속 주조에 가장 흔히 사용되는 방법입니다. 최소 3천 년 된 제조 공정: 최초 점토 주조 증거는 중국 상나라(기원전 1600~1046년)에서 나옵니다.
이 공정이 여전히 인기인 건 당연합니다: 모래는 싸고, 풍부하고, 가소적이며, 열을 견딥니다.
모래로 만든 코어는 제거가 쉽습니다: 진동 테이블로 셰이크아웃 가능. 러너와 게이트(몰드 캐비티로 금속 유도용)는 숙련된 몰더가 수작업으로 자르거나 패턴의 일부로 생성됩니다.
샌드 주조품 표면 마감은 거칠고 치수 공차는 정밀하지 않아, 장식 울타리부터 주철 팬, 자동차 엔진 부품까지 크고 견고한 제품 생산에 적합합니다.
이 시리즈 이전 기사에서 샌드 주조에 대해 더 읽어보세요.
셸 몰딩은 더 엄격한 치수 공차를 제공하는 샌드 주조 변형입니다. 샌드 몰딩과 매우 유사하나 모래에 레진을 혼합합니다. 모래-레진 혼합물을 뜨거운 금속 몰딩 패턴 각 절반 위에 붓습니다. 이 혼합물이 녹았다 식으며 셸을 형성합니다. 몰드의 '셸'들을 결합하고 보통 모래로 채워진 플라스크로 지지합니다. 레진이 내부 표면에 추가 지지를 제공해 매우 정밀한 몰드를 형성합니다.
셸 몰딩은 전통 샌드 주조용 코어 생산에 자주 쓰입니다. 레진이 모래 코어에 강도를 주어 주조품이 될 보이드 위에 위치해도 형상 유지. 이 셸 코어는 중공일 수 있으며, 슬러시 주조 같은 공정으로 뜨거운 금속 몰드에서 생성됩니다. 코어 몰드 두 절반을 클램핑·가열한 후 레진 코팅 모래로 채웁니다. 몰드를 구워 셸 벽이 코어 크기를 지탱할 만큼 두꺼워지면 미경화 레진 모래를 다시 쏟아냅니다. 두 절반을 분리하면 견고한 코어가 드러나 샌드 주조 몰드에 배치되어 주조품 내 공간을 만듭니다.
샌드 주조는 단연 가장 많이 쓰이는 금속 주조 형태지만, 일부 프로젝트에 부적합한 한 가지 측면이 있습니다. 샌드 주조 패턴은 자신이 만든 몰드에서 제거되어야 하므로 복잡한 패턴 구조가 필요할 수 있습니다. 드래프트 요구사항, 파팅 라인 배치, 게이트, 라이저, 코어는 패턴 메이커가 주조 공정 각 단계에서 패턴 필요사항을 신중히 고려하도록 요구합니다.
로스트 왁스, 인베스트먼트, 정밀 주조 공정은 고융점 철계 합금도 작업 가능하면서 샌드 주조 패턴 제작의 일부 과제를 회피하는 대안입니다.
인베스트먼트 주조 설계자는 왁스 또는 플라스틱 패턴을 주조할 정밀 금속 다이를 만듭니다. 이 패턴들 역시 같은 소재로 만든 스프루에 조립됩니다: 주조 작업자는 토치로 스프루를 녹여 각 패턴을 부착합니다.
이 어셈블리는 몰드로 사용될 셸을 만드는 데 쓰입니다. 미세 입자 고내화 골재 슬러리와 에틸 실리케이트 주 결합제로 만든 독점 본딩 에이전트를 분무, 브러싱, 또는 담금질합니다. 이 혼합물을 굳힌 후 패턴을 점점 더 거친 슬러리로 반복 코팅해 패턴 주위에 골재 셸을 만듭니다. 몰드는 코팅이 굳을 때까지 대기한 후 거꾸로 오븐에서 가열해 왁스가 흘러나와 재사용을 위해 수집되게 합니다. 왁스 제거 후 몰드를 예열된 퍼니스에서 베이킹. 몰드는 루즈 샌드로 지지되어 관례적 방식으로 주입 가능.
주조품 냉각 후 인베스트먼트 주조 주변 셸을 진동 테이블로 깨고 털어냅니다.
인베스트먼트 주조는 우수한 표면 마감과 높은 치수 정밀도를 제공합니다. 샌드 주조 같은 파팅 라인이 없습니다.
풀 몰드 또는 폼 주조 공정은 샌드와 인베스트먼트 주조 공정의 결합입니다. 발포 폴리스티렌 패턴을 사용합니다. 폼 패턴은 게이팅과 러너 시스템을 포함해 완성될 수 있으며 드래프트 여유 제거도 가능. 때로는 패턴을 충전 전 제거하지만, 일부 폼은 뜨거운 금속 주입 시 몰드 내에서 즉시 기화되어 그대로 둘 수 있습니다.
이 공정은 1개 또는 소량 주조 런에 이상적이지만, 때로는 주조소가 폼 패턴을 대량 생산해 생산 수량을 만들기도 합니다. 파괴성 폼 패턴 제작 장비에 추가 비용이 들지만, 패턴이 매우 복잡하면 전체 주조 공정 경제성이 유리할 수 있습니다.
제조사와 상담해 프로젝트에 가장 비용 효율적인 주조 방식을 찾는 것이 도움이 됩니다. 일반적으로 철계 금속은 소모성 몰드로 주조되며, 비철 금속은 더 넓은 가능성을 가지나 이 단순 규칙에도 예외는 있습니다.
프로젝트 니즈를 명확히 이해하고 공정에 들어가면 최적의 주조 공정을 선택하는 데 도움이 됩니다. 설계가 정밀한 크기여야 하는가? 벽은 얼마나 얇아야 하는가? 최종 주조품 크기와 무게는? 표면 마감은? 이 모든 질문에 대한 답을 미리 알면 현명한 설계자가 제품을 주조 공정을 통해 안내하며 최선이자 가장 저렴한 공정을 찾을 수 있습니다.
금속
사형 주조는 복잡한 지오메트리와 정교한 조각을 가진 3차원 객체 제작에 다재다능함을 제공합니다. 이 공정은 수세기 동안 사용되어 왔습니다. 오늘날 새로운 혁신으로 사형 주조 기술이 저생산과 대량생산 모두에 맞게 간소화되었습니다. 하지만 많은 사람이 사형 주조 공정이 어떻게 작동하는지 모릅니다. 실제 공정은 일반적으로 여섯 단계입니다. 하지만 특정 요인(패턴으로 금형을 만들지, 가공으로 원하는 제품 형상의 모래 공동을 만들지 - 프로토타입과 제품 개발 시 설계가 변경될 때 사용)에 따라 추가 작업이 포함될 수 있습니다. 설계 패턴
주조(Casting)란? 주조는 액체 상태의 재료(주로 금속)를 원하는 형상의 공동(캐비티)을 가진 금형에 붓고 응고시켜 제품을 얻는 제조 공정입니다. 응고된 제품 자체도 주물(casting)이라 부르며, 금형에서 꺼내거나 금형을 파손해 제품을 취출합니다. 주조 재료는 금속 외에도 에폭시, 콘크리트, 석고, 점토 등 두 가지 이상 성분 혼합 후 경화되는 냉간 경화 재료도 포함됩니다. 금속 주조는 7,000년 역사를 가진 공정으로 제조업과 미술 분야 모두에서 활용되어 왔습니다. 최초 주조품은 기원전 3200년경 이라크에서 발견된 구리
