이 문서는 금속 주조에 사용되는 게이팅 시스템을 설계하는 방법을 안내합니다.
게이팅 시스템의 설계는 금속과 몰드 조성 모두에 따라 달라집니다. 예를 들어, 알루미늄과 같이 산화되기 쉬운 저융점 금속에서는 드로스(산화물 등) 유입을 방지하기 위해 정교한 게이팅 설계가 필요합니다.
반면 주철의 경우 높은 주입 온도를 피하기 위해 용융 금속의 흐름 경로를 짧게 설계합니다. 세라믹 몰드용 게이팅 설계는 일반적인 투과성 사형 몰드용과 상당히 다릅니다.
전반적으로 게이팅 설계는 크게 세 가지 범주로 분류됩니다: (i) 수직 게이팅, (ii) 하부 게이팅, (iii) 수평 게이팅.
수직 게이팅에서는 용융 금속이 수직으로 부어져 대기압 하에서 몰드 바닥부터 채워집니다.
하부 게이팅에서는 용융 금속이 몰드 바닥에서 위로 채워지므로, 수직 게이팅에서 발생하는 튀김과 산화를 방지할 수 있습니다. 그림 2.6은 단순한 수직 게이팅과 하부 게이팅 설계를 보여줍니다.
수평 게이팅 시스템에서는 용융 금속의 원활한 분배와 최소한의 난류를 위해 추가적인 수평 구간이 도입됩니다.
유체 흐름 원리에 기반한 간단한 계산으로 몰드 충전 소요 시간을 추정할 수 있습니다. 이를 그림 2.6의 두 설계에 적용해 보겠습니다. 단위 질량 흐름당 통합 에너지 균형 방정식, 즉 베르누이 방정식을 사용합니다.
그림 2.6a에서 지점 1과 3의 압력이 동일(p₁ = p₃)하고 레벨 1이 일정하게 유지된다고 가정하면, 지점 1의 속도(v₁)는 0입니다. 또한 마찰 손실은 무시합니다. 이때 지점 1과 3 사이의 에너지 균형 방정식은 다음과 같습니다.
식 (2.7)은 정압 헤드 h에 대해 분사하는 제트 속도를 나타내며, 유효 헤드는 (hₜ – h)가 됩니다. 이제 표시된 순간에 몰드 내 금속 레벨이 높이 dh만큼 dt 시간 동안 상승한다고 할 때, Aₘ과 A_g는 각각 몰드와 게이트의 단면적입니다. 그러면,
투과성 소재(예: 사형)로 만든 몰드에서는 용융 금속 흐름 내 압력이 어느 지점에서도 대기압 아래로 떨어지지 않도록 주의해야 합니다. 그렇지 않으면 몰드 내 유기 화합물 소성에서 발생한 가스가 용융 금속 흐름으로 유입되어 기공이 있는 주물을 만듭니다. 이를 흡입 효과라고 합니다.
그림 2.6a를 참조하여 지점 2와 3 사이에 베르누이 방정식을 적용하면 다음과 같습니다.
흡입 효과가 나타나는 또 다른 상황은 흐름 방향의 급격한 변화와 관련됩니다. 그림 2.9a와 같이 관성 효과로 인해 용융 금속 흐름이 급격한 모서리 부근에서 수축합니다. 수직 게이팅에서 이는 중력 가속도와 무관합니다.
그림 2.9a의 지점 2에 표시된 수축 영역을 베나 컨트랙터(vena contracta)라고 합니다. 지점 2 주변에 진공이 생기는 것을 방지하기 위해 그림 2.9b처럼 몰드를 베나 컨트랙터에 맞게 만듭니다. 즉, 흐름 방향의 급격한 변화를 피하는 것입니다. 러너 직경이 d이고 입구 직경이 d'라면, 일반적으로 d'/d ≈ 1.3을 유지합니다. 이는 r ≈ 0.15d를 의미합니다.
주물 내 불순물을 방지하기 위해 게이팅 설계에 일반적으로 사용되는 요소들은 다음과 같습니다(그림 2.10 참조):
로에서 직접 나오는 용융 금속 흐름의 침식력을 감소시킵니다. 또한 주입 베이스를 사용하면 일정한 주입 헤드를 유지할 수 있습니다.
스프루에 설치된 세라믹 스트레이너가 드로스를 제거합니다.
스프루 끝에 설치된 세라믹 스플래시 코어도 용융 금속 흐름의 침식력을 줄여줍니다.
수평 게이트에 설치된 트랩으로, 무거운 불순물과 가벼운 불순물이 몰드로 유입되는 것을 방지합니다.
스프루와 게이트 내 용융 금속 속도는 단면 전체에서 균일하다고 가정하지만, 실제로는 고체 표면과 접촉하는 유체 속도는 0이고 도관 축에서 최대가 됩니다.
도관 내 속도 분포는 도관 형상과 흐름 특성(난류 또는 층류)에 따라 달라집니다. 지금까지의 논의에서는 마찰 손실이 없다고 가정했습니다.
실제 유체에서는 흐름 단면의 급격한 수축이나 확대 시 마찰 손실이 항상 존재합니다. 이어지는 논의에서는 속도 분포와 마찰이라는 두 요인을 고려하여 앞서 개발한 방정식들을 수정하겠습니다.
산업기술
고객은 사형 주조에서 가장 중요한 부분인 패턴을 거의 보지 못합니다. 패턴은 이후 용융 금속으로 채워질 모래의 공동을 형성합니다. 패턴 설계를 제대로 하면 사형 주조 공정이 최소한의 가공으로 품질 좋은 부품을 생산합니다. 잘못하면 주조 결함, 낮은 수율, 고객 불만과 영원히 씨름하게 됩니다. 모래에 구멍 내기 다이캐스팅이 거대한 강철 블록에서 정밀 가공된 금형을 필요로 하는 것과 달리, 사형 주조는 모래, 박스 두 개, 목재 패턴만 있으면 됩니다. 이는 중소량 주문에 경제적인 공정입니다. 패턴은 기본적으로 완제품과 같은 크
정밀 주조의 핵심 공정은 용융 금속을 세라믹 몰드에 주입하는 것입니다. 용융 금속은 몰드 구석구석까지 고르게 완전히 채워져야 니어넷셰이프 부품이 나옵니다. 하지만 부품 복잡도에 따라 어려움이 발생할 수 있습니다. 금속이 응고 전 모든 지점, 모서리, 격리 구역에 도달하지 못하면 표면 결함, 기공, 스크랩이 발생합니다. 세라믹 몰드 전체에 용융 금속을 최적으로 공급하기 위해 게이팅 시스템을 설계합니다. 게이팅 시스템은 금속 흐름을 부품 각 구역으로 유도하며 몰드 내 금속 공급량을 제어합니다. 금속 유입 방향과 공급 속도를 정밀 제어
