사형 몰드 이해: 정의, 종류, 금속 주조 기초

이 문서에서는 다음을 다룹니다: 1. 사형 몰드 정의 2. 사형 몰드 분류 3. 금속 공급(피딩).

사형 몰드 정의

사형 몰드는 용융 금속을 부어 응고시키는 미리 형성된 모래 용기로 정의할 수 있습니다. 주조 후 주물에서 분리되며, 사형 몰드는 일반적으로 파괴됩니다. 몰드는 몰드 상단 개구부로 용융 금속을 부어 채우며, 중력에 의해 금속이 몰드 모든 부분으로 흐르도록 적절한 통로를 만듭니다.

소형 또는 중형 주물은 일반적으로 플라스크(flask)라는 직사각형 박스형 용기(상하 개방)에서 만듭니다. 플라스크는 두 부분 또는 세 부분으로 구성될 수 있으며, 다월 핀으로 정렬됩니다. 용융 금속을 붓기 전에 플라스크를 클램프로 고정하여 용융 금속의 부력으로 플라스크 상부가 들리는 것을 방지해야 합니다.

사형 몰드 분류

사용 재료에 따라 몰드는 다음과 같이 분류됩니다:

1. 그린 샌드 몰드
2. 스킨-드라이 몰드
3. 드라이 샌드 몰드
4. 시멘트 결합 몰드
5. 금속 몰드

1. 그린 샌드 몰드(Green Sand Moulds)

그린 샌드 몰드는 용융 금속 주입 시 모래에 수분이 존재하는 몰드입니다. 알갱이는 습윤 점토로 결합됩니다. 수분 수준을 신중하게 제어해야 합니다. 사실상 모든 철계 합금 주조에 사용됩니다. 그린 샌드는 여러 종류가 있으며 소형, 중형, 종종 대형 몰드 제작에도 사용됩니다.

그린 샌드 몰드는 기본 재료가 저렴하여 제작 비용이 가장 적게 듭니다. 주어진 바닥 면적에서 더 많은 출력을 얻을 수 있습니다. 백업 작업이나 장비가 필요하지 않지만 드라이 샌드 코어를 사용해야 합니다. 드라이 샌드 몰드보다 부드러워 주물 응고 및 냉각 시 더 큰 수축 자유도를 허용합니다. 또한 몰딩 시간이 덜 소요됩니다. 그러나 그린 샌드 몰드는 다른 것만큼 강하지 않아 취급 중이나 금속 침식으로 손상되기 쉽습니다. 모래 수분은 블로우 홀, 가스 홀 등 특정 주물 결함을 유발할 수도 있습니다. 이 몰드는 장기간 보관할 수 없습니다. 그린 샌드 몰드에서 얻은 주물 표면 마무리가 매우 매끄럽지 않습니다. 때때로 석탄 분진이나 유기 재료를 첨가하기도 하는데, 이를 로암 몰딩(loam moulding)이라고 합니다.

다음 표(3.5)는 다양한 목적의 그린 샌드 조성을 보여줍니다:

그린 샌드 몰딩의 세 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

(a) 오픈 샌드 법(Open Sand Method)

가장 단순한 형태로, 전체 몰드를 주조장 바닥이나 바닥 위 모래 베드에 만듭니다. 이 방법은 주로 평평한 상면을 가진 단순한 솔리드 주물에 사용됩니다. 적절한 레벨링 후 패턴을 모래 베드에 눌러 몰드를 만듭니다. 몰딩 박스가 필요 없으며 몰드 상면은 공기에 개방됩니다. 주입 베이스는 몰드 한 끝에 만들고, 오버플로 채널은 캐비티 측면에 깎습니다.

(b) 베디드인 법(Bedded-in Method)

이 방법에서는 코프(cope), 즉 모래 덮개가 필요합니다. 주물 상면이 평평하지 않을 때 사용합니다. 패턴을 주조장 바닥 모래나 부분적으로 모래가 채워진 드래그에 망치로 두드려 몰드 캐비티를 만듭니다. 드래그 상면을 평평하게 하고 파팅 샌드를 뿌립니다. 코프를 패턴 위에 놓고 램밍합니다. 러너와 라이저를 깎고 코프 박스를 들어 올립니다. 패턴을 빼내고 드래그와 코프 몰드 표면을 마무리한 후 코프를 올바른 위치에 다시 놓아 몰드를 완성합니다.

(c) 턴오버 법(Turn-Over Method)

이 방법은 솔리드 및 분할 패턴 모두에 일반적으로 사용됩니다. 패턴 절반을 평평한 면을 몰딩 보드에 놓고 드래그를 램밍한 뒤 뒤집습니다. 다음으로 코프를 패턴 다른 절반 위에 놓고 램밍하고 뒤집습니다. 두 패턴 절반을 흔들고 빼냅니다. 이제 코프를 드래그 위에 올려 몰드를 조립합니다.

2. 스킨-드라이 몰드(Skin-Dry Moulds)

그린 샌드에 드라이 샌드 베이킹을 한 것입니다. 경우에 따라 램밍된 모래 표면층에서 25mm 깊이까지 히터나 가스 토치로 수분을 건조시킵니다. 대형 몰드에서 더 흔하며 사실상 모든 철계 및 비철계 합금 주조에 사용할 수 있습니다. 주어진 크기의 드라이 샌드 몰드보다 제작 비용이 적게 들지만 그린 샌드 몰드보다는 비쌉니다. 장비 적음, 재료 저렴, 준비 시간 단축, 드라이 샌드 몰딩 대비 바닥 면적 절약 등의 장점이 있습니다. 그러나 드라이 샌드 몰드만큼 강하지 않으며 수분이 드라이 스킨을 통해 이동할 수 있어 장기 보관은 불가능합니다.

3. 드라이 샌드 몰드(Dry Sand Moulds)

강도 발현에 수분을 필요로 하지 않는 모래로 만듭니다. 소형 및 중형 작업용 모래 혼합물은 플로어 샌드 13부, 신규 모래 8부, 말똥 또는 톱밥 1부입니다. 중량 작업용은 11:9:1, 초중량 작업용은 10:10:1 비율입니다.

몰드 표면에 물엿 물을 뿌립니다. 몰드 모든 부분을 150~300°C로(수분이 제거될까지) 노에서 구워 강도 증가, 침식 저항, 표면 조건 개선을 도모합니다. 드라이 샌드 몰드는 많은 합금에 사용 가능하지만 강 주물에 더 흔히 사용됩니다. 주로 소형 및 중형 작업에 사용됩니다. 대형 작업의 경우 드라이 샌드 몰드를 섹션으로 만들어 구운 후 조립합니다. 드라이 샌드 몰드는 더 강하고 손상 적게 쉽게 취급할 수 있으며 장기 보관도 가능합니다. 금속 침식에 강하고 수분 관련 결함 경향이 제거됩니다. 단점은 더 비싼 몰딩 재료, 높은 인건비, 추가 작업/장비/공간 필요입니다.

4. 시멘트 결합 몰드(Cement-Bonded Moulds)

이 몰드에서는 실리카사를 포틀랜드 시멘트로 결합하여 몰딩 재료로 사용하며 공기 중 건조됩니다. 매우 대형 철계 작업과 피트 몰딩, 구우기가 불가능한 기타 경우에 가장 흔히 사용됩니다. 높은 강도를 가지며 드라이 샌드의 모든 장점을 갖습니다. 공기 건조 작업을 위한 추가 공간이 필요합니다. 이 몰드에 사용된 재료는 다른 몰드처럼 재사용할 수 없어 공정이 비싸집니다.

5. 금속 몰드(Metal Moulds)

다이캐스팅, 영구 몰드, 원심 주조 공정에 사용됩니다.

사형 몰드 내 금속 공급(Feeding of Metal in Sand Moulds)

주물이 크기와 형상이 복잡할 때 공급 문제 해결은 건전한 주물을 보장하는 가장 중요한 측면입니다. 큰 금속 덩어리에서 열 추출 속도가 느려 온도 기울기가 최소화되고 방향성 응고를 피더(feeder) 방향으로 얻기 어렵기 때문에 문제가 발생합니다.

짧은 응고 범위를 가진 합금에서는 방향성 응고를 쉽게 얻을 수 있지만, 넓은 응고 범위 합금에서는 상당히 어렵습니다. 응고 중 고립될 수 있는 두꺼운 섹션에 뜨거운 액체를 공급하고 초기 온도 기울기를 설정하기 위해 피더와 라이저 위치를 정하는 것이 매우 중요합니다. 때로는 몰드 내 칠(chill), 단열 패드, 테이퍼 섹션을 사용하여 온도 기울기를 인위적으로 설정할 수 있습니다.

T자, 십자 등 단면은 금속 부피가 많고 열이 빠져나갈 표면적이 줄어들어 응고에 더 오래 걸리므로 수축 공동이 생기기 쉽습니다. 해결책은 금속 부피를 줄이고 열 방출 표면적을 늘리는 형상을 제공하는 것입니다.

십자의 경우 리브 위치를 어긋나게 하거나, 십자 중심에 코어드 홀을 도입하거나, 직선 리브보다 벽이 얇은 원형 웹을 사용하여 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 마지막으로 응고될 부분이 피더에서 금속 공급을 받도록 보장해야 합니다. 피더, 게이트, 채널의 설계, 크기 결정, 배치가 따라서 가장 중요합니다.

보통 공급 문제는 경험으로 가장 잘 해결되지만, 경험으로 개발된 몇 가지 과학적 및 경험적 규칙이 이 문제 해결에 좋은 가이드가 될 것입니다.

(i) 열전달 접근법(제곱근 시간 효과)

...

(ii) 슈보리노프의 규칙(Chvorinov's Rule)

슈보리노프 규칙에 따르면 균일한 스킨 두께는...

따라서 동일한 계면 경계 조건이 성립하는 모든 형상에 대해, 슈보리노프 규칙에 따르면 응고 시간은 부피/표면적 비율의 제곱에 정비례합니다.

피더 내 금속이 마지막에 응고되도록 보장하기 위해,

...

동일 부피에서 표면적이 감소하는 순서로 다음 형상들의 응고 시간이 점진적으로 증가합니다:

1. 판(Plates)
2. 봉(Bars)
3. 입방체(Cuboids)
4. 단원통(Short cylinders)
5. 구(Spheres)

이론적으로 구가 가장 늦게 응고하지만 피더로는 실현 불가능합니다. 단원통이 가장 가깝게 접근하며 몰딩 용이성을 위해 테이퍼지게 만듭니다.