야금 주조용 몰딩 샌드: 종류, 구성 성분, 핵심 특성

이 문서에서는 다음을 다룹니다: 1. 몰딩 샌드 정의 2. 몰딩 샌드 종류 3. 주요 구성 성분.

몰딩 샌드 정의

몰딩에 사용되는 주요 원료는 몰딩 샌드입니다. 다른 재료에서는 얻을 수 없는 몇 가지 주요 특성을 제공하기 때문입니다. 몰딩 샌드는 서리, 바람, 비, 열, 물살 같은 자연력의 작용으로 암석이 분해되어 생긴 입상 입자로 정의됩니다. 암석은 복잡한 조성을 가지며 모래에는 암석의 대부분의 원소가 포함되어 있습니다.

이러한 이유로 몰딩 샌드는 세계 각지에서 상당히 다릅니다. 자연 상태에서는 강과 호수의 바닥과 제방에서 발견됩니다. 몰딩 샌드는 그 기원 특성에 따라 여러 범주로 분류됩니다.

몰딩 샌드의 주요 구성 성분은 다음과 같습니다:

• i. 실리카(SiO₂) — 86~90%
• ii. 알루미나(Al₂O₃) — 4~8%
• iii. 산화철(Fe₂O₃) — 2~5%, Ti, Mn, Ca 산화물 소량 및 일부 알칼리 화합물

천연사(Natural Sand)

그린 샌드(green sand)라고도 하며 천연 자원에서 채취합니다. 물만 바인더로 포함합니다. 장점은 수분 함량을 오래 유지하고, 넓은 수분 작업 범위를 가지며, 몰드 패칭과 마무리가 쉽습니다.

합성사(Synthetic Sand)

상대적으로 점토가 없는 모래, 바인더(물과 벤토나이트), 기타 필요한 재료를 혼합하여 만든 인공 모래입니다. 혼합 비율을 조절하여 특성을 쉽게 제어할 수 있어 더 나은 몰딩 샌드입니다.

강 주물용 그린 합성사 조성: 신규 실리카사 25%, 올드 샌드 70%, 벤토나이트 1.5%, 덱스트린 0.25%, 수분 3~3.5%.

강 주물용 드라이 합성사 조성: 순 실리카사 15%, 올드 샌드 84%, 벤토나이트 0.5%, 수분 0.5%.

이 외에도 지르코나이트(Zirconite), 올리빈(Olivin) 등 특수 모래가 있습니다. 이 특수 모래는 실리카보다 비싸므로 사용이 정당화되는 경우에만 사용됩니다.

몰딩 샌드 종류

용도에 따라 몰딩 샌드는 다음과 같이 분류됩니다:

(i) 그린 샌드(Green Sand)

모래가 자연 상태(어느 정도 습윤)일 때를 그린 샌드라고 합니다. 실리카사, 18~30% 점토, 6~8% 물의 혼합물입니다. 점토와 물이 그린 샌드에 결합 강도를 줍니다. 미립, 부드럽, 가볍고 다공성입니다. 습윤 상태라 압착 시 주어진 형상을 유지합니다. 램밍으로 몰드가 치밀해지면 벤팅으로 다공성 구조를 만듭니다. 날카로운 모서리는 그린 샌드 몰딩에서 피해야 합니다. 뜨거운 금속을 부을 때 약해서 부러지기 때문입니다. 그린 샌드는 일반적으로 소형 또는 중형 몰드 주조에 사용됩니다. 몰드 건조 비용과 지연이 절약되어 주어진 바닥 면적에서 더 많은 출력을 얻을 수 있습니다. 주물 결함 방지를 위해 그린 샌드에 석탄 분진을 혼합합니다.

(ii) 드라이 샌드(Dry Sand)

대형 주물에 드라이 샌드 몰딩을 사용합니다. 그린 샌드로 만든 몰드를 건조하거나 구워서 습윤 모래의 거의 모든 수분을 제거합니다. 건조 후 몰딩 박스 내 구조는 더 강하고 치밀해집니다. 벤팅은 필요하지만 그린 샌드 몰드만큼은 아닙니다. 대형 중량 몰드에는 더 조립한 모래 알갱이에 소똥, 말똥 등을 혼합합니다.

(iii) 로암 샌드(Loam Sand)

점토와 모래를 물과 함께 반죽하여 얇은 플라스틱 페이스트 상태로 만든 것으로, 부드러운 벽돌 받침 위에 몰드를 쌓아 올립니다. 로암 샌드는 최대 50% 점토를 함유하고 단단하게 건조됩니다. 내화 점토도 포함합니다. 몰드 거친 구조의 수직면을 붙잡을 수 있을 만큼 충분히 접착성이 있어야 합니다. 잘게 썬 짚과 거름이 결합을 돕는 데 흔히 사용됩니다. 수분 함량은 18~20%입니다. 로암은 주조 준비가 될 때까지 매우 천천히 완전히 건조시킵니다. 화학 팬, 드럼 등 대형 정형 주물 주조에 사용됩니다.

(iv) 페이싱 샌드(Facing Sand)

패턴 표면 바로 옆에 사용되어 용융 금속과 접촉합니다. 가장 가혹한 조건에 노출되므로 높은 강도와 내화도가 필요합니다. 중고 모래 첨가 없이 실리카사와 점토로 만듭니다. 플럼바고 분말, 실론 납, 흑연 등 다양한 형태의 탄소(페이싱 재료)를 사용하여 금속이 모래로 타들어가는 것을 방지합니다. 때로는 고운 몰딩 샌드와 6~15배 비율로 혼합하여 몰드 페이싱을 만듭니다. 몰드 내 페이싱 샌드 층은 보통 20~30mm 범위입니다. 페이싱 샌드는 전체 몰드 모래의 10~15%를 차지합니다.

(v) 백킹 샌드(Backing Sand)

반복 사용된 오래된 몰딩 샌드로, 석탄 분진 첨가와 용융 금속 접촉 또는 연소로 인해 검은색입니다. 백킹 샌드, 플로어 샌드, 블랙 샌드라고도 합니다. 페이싱 층 뒤쪽 몰드를 채우는 데 사용됩니다. 용융 금속 고온과 점토 연소로 모래 알갱이 날카로운 모서리가 둥글어져 결합 강도가 약합니다.

(vi) 시스템 샌드(System Sand)

기계 몰딩에서 플라스크 전체를 채우는 데 사용됩니다. 강도, 투과성, 내화도가 백킹 샌드보다 높아야 합니다.

(vii) 파팅 샌드(Parting Sand)

몰딩 박스가 서로 달라붙지 않게 마른 고운 날카로운 모래인 '파팅 샌드'를 뿌립니다. 파팅 샌드는 그린 샌드가 패턴에 달라붙는 것도 방지합니다. 깨끗한 무점토 실리카사입니다. 구운 코어 샌드도 이 목적에 사용할 수 있습니다.

(viii) 코어 샌드(Core Sand)

코어 제작에 사용됩니다. 코어 오일(아마씨유, 로진, 경질 광유 및 기타 바인더)과 혼합된 실리카사입니다. 경제성을 위해 대형 코어에는 피치 또는 밀가루와 물을 코어 샌드로 사용할 수 있습니다.

(ix) CO₂ 샌드(CO₂-Sand)

CO₂ 샌드에서는 실리카 알갱이가 천연 점토로 코팅되는 대신 규산나트륨으로 코팅됩니다. 이 혼합물을 먼저 패턴 주위에 채운 후 약 1분간 틈새로 CO₂를 통과시켜 경화시킵니다. 모래가 단단하게 굳어 강한 몰드를 만듭니다.

(x) 셸 샌드(Shell Sands)

페놀 또는 요소-포름알데히드 수지로 코팅된 합성사로, 가열된 패턴에 대해 경화되어 매우 강하고 얇은 셸을 만듭니다. 백업 샌드가 주물 무게를 지지할 필요 없습니다. 합금이 고온에서 응고되므로 수지는 해리되지 않습니다. 그러나 응고 주물 열로 화학 결합이 깨지면서 몰드가 분해됩니다.

(xi) 페이싱 샌드(Facing Sands) — 반복 항목

보통 페이싱 샌드를 패턴에 먼저 도포하여 용융 금속과 접촉하게 합니다. 이 모래는 금속과 접촉해도 융합되거나 타지 않을 만큼 내화성이 충분합니다.

(xii) 백킹 샌드(Backing Sands) — 반복 항목

페이싱 샌드에 기계적 백업 지지로 적용됩니다. 가스 배출을 위해 투과성이 있어야 합니다.

(xiii) 몰드 워시(Mould Washes)

미세 세라믹 입자 슬러리입니다. 몰드 표면에 도포하여 페이싱 샌드 알갱이 융합을 최소화합니다. 틈새를 메워 주물 표면을 더 매끄럽게 만듭니다.

몰딩 샌드 주요 구성 성분

실리카, 점토(바인더), 수분은 몰딩 샌드의 세 가지 주요 구성 성분입니다. 입상 석영(그 자체로 모래) 형태의 실리카가 몰딩 샌드의 주성분입니다. 실리카사는 80~90% 산화규소를 함유하며 높은 연화 온도와 열 안정성이 특징입니다. 모래에 내화성, 화학적 저항성, 투과성을 부여합니다.

크기와 형상에 따라 지정됩니다. 모래 알갱이는 크기 측면에서 미립, 중립, 조립일 수 있고, 형상 측면에서 원형, 준각형, 복합형일 수 있습니다. 미립은 작고 복잡한 주물에 바람직합니다. 미립은 서로 가깝게 있어 투과성이 나쁩니다. 중립 모래는 벤치 작업과 가벼운 플로어 작업에 사용됩니다. 조립 입자는 가스 배출을 위해 대형 주물에 사용됩니다.

입자 크기는 모래를 체로 쳐서 결정합니다. 원형 입자는 서로 접촉이 적고 강도가 부족하지만 투과성이 높습니다. 준각형 입자는 원형보다 투과성이 다소 낮습니다. 명확한 모서리를 가진 각형 입자는 더 높은 강도와 낮은 투과성을 줍니다. 복합 입자는 단단한 덩어리라 선호되지 않습니다.

산화규소는 석영암이나 화강암(석영과 장석 구성) 분해로 얻습니다. 장석이 분해되면 점토가 되어 습윤 상태에서 몰딩 샌드에 가소성을 부여합니다. 즉, 수분 존재 시 필요한 결합 작용과 강도를 주고 건조 후 강도를 높입니다. 일반적으로 실리카사에서 발견되는 점토량은 6~10% 범위입니다.

점토는 실제로 미립 실트(결합 특성 없는 광물 퇴적물)와 미립 점토로 구성되며, 후자가 몰드 샌드에 필요한 결합 강도를 부여하여 램밍 후 몰드 형상을 유지시킵니다. 그러나 투과성을 감소시킵니다. 너무 많은 점토는 건조 후 몰드 균열을 유발합니다.

산화철, 산화마그네시아, 소다, 포타시, 석회, 물은 몰딩 샌드에서 발견되는 기타 물질입니다. 좋은 몰딩 샌드는 불순물 2% 미만을 함유합니다. 그린 샌드 몰딩은 저수분 모래(3~5%)로 수행됩니다. 드라이 샌드 몰딩에서는 몰드 제작 시 더 많은 물이 존재하는데, 저장 후 건조 결합 강도 증진에 유리하기 때문입니다.

종종 석탄 분진도 첨가하는데, 이는 모래를 더 개방적으로 만들고 금속 주입 후 몰드 냉각을 돕습니다. 상당한 열을 흡수하여 모래 알갱이 과열과 융합을 방지합니다. 또한 보호막을 형성하는 CO₂를 방출하여 금속과 모래를 분리시킵니다.

그림 3.17은 네 가지 모래 알갱이 유형을 보여줍니다. 주조 공정 성공은 몰딩 샌드의 압축 강도, 투과성(지정 차압 하 모래 시편 가스 유량), 변형, 유동성(램밍 중 패턴 주위와 위로 모래가 흐르는 능력), 내화도에 크게 의존합니다. 그림 3.18은 주어진 모래-점토 비율에서 몰딩 샌드 수분 함량이 이 모든 중요한 특성에 미치는 영향을 보여줍니다.