산업기술
산업 제조
주조는 액체 상태의 재료를 원하는 형상의 공동(cavity)을 가진 금형(mold)에 부어 넣고 응고시켜 제품을 만드는 제조 공정입니다. 응고된 부품을 주물(casting)이라고 하며, 금형에서 꺼내거나 금형을 파손하여 공정을 완료합니다.
주조 재료는 일반적으로 금속이거나 두 가지 이상의 성분을 혼합하여 경화시키는 시멘트, 콘크리트, 플라스터, 점토 등의 냉간 경화 재료입니다.
금속 주조는 제조업과 미술 분야에서 7,000년 이상 사용되어 온 공정입니다. 최초로 알려진 주조품은 기원전 3200년경의 구리 개구리로, 현 이라크 지역에서 발견되었습니다. 금속 주조 과정에서 용융 금속을 도가니(crucible)에서 금형으로 이송하여 양각의 금속 주조품을 만듭니다. 금속과 금형을 냉각시킨 후 금속 제품을 꺼내 마무리합니다.
전통적인 금속 주조 기법에는 로스트 왁스 주조(lost-wax casting), 석고 주조(plaster mold casting), 다이캐스팅(die casting), 사형 주조(sand casting) 등이 있습니다. 이러한 금속 주조 공정은 주물 공장(foundry)이나 보석 세공소에서 수행될 수 있습니다.
금속 주조 공정은 수천 년 동안 조각상, 장신구, 운송 수단, 무기, 도구 제작에 널리 활용되어 왔습니다.
주조는 다른 방법으로는 제작이 어렵거나 비경제적인 복잡한 형상을 만드는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 공작기계 베드, 선박 프로펠러 같은 중장비 부품도 여러 개의 작은 부품을 접합하는 대신 요구되는 크기로 한 번에 주조할 수 있습니다.
더 보기: 금속 주조란 무엇인가?
주조 공정은 일반적으로 용융 재료(주로 금속)를 사용합니다. 이 용융 재료를 완제품 형상의 금형 공동에 부으면, 열이 금형을 통해 방출되면서 냉각되어 원하는 형상으로 응고됩니다.
금속 주조는 크게 재사용 금형 공정과 소모성 금형 공정으로 나뉩니다. 두 공정 모두 주조자가 도가니에서 금속을 녹여 금형에 붓고, 금속이 식어 응고되면 금형 재료나 주조품을 꺼냅니다.
기본 금속 주조 공정은 패턴(pattern)과 금형 제작, 용융 금속 주입, 고체 주조품 추출, 마무리 순으로 진행됩니다. 이 공정은 다양한 금속 주조 유형, 형상, 크기에 맞게 커스터마이징 가능합니다.
금형을 만들기 전에 금형의 형상을 결정할 패턴을 제작해야 합니다. 패턴은 최종 주조품의 3차원 모델로, 왁스, 모래, 플라스틱, 목재 등으로 제작할 수 있습니다.
일부 주조자는 석고나 실리콘 금형을 사용하여 용융 금속을 견디지 못하지만, 소모성 금형 주조에 사용할 왁스 패턴을 대량 생산합니다.
패턴 제작 시 금속 냉각 시 발생할 수축을 고려해야 합니다. 또한 게이트 시스템인 스프루(sprue)를 패턴에 추가하여 용융 금속이 금형으로 원활히 흐르도록 할 수 있습니다.
패턴이 완성되면 금형을 만듭니다. 앞서 언급한 대로 금속으로 만든 재사용 금형이나 모래, 석고, 세라믹 셸로 만든 일회용 금형 중 선택할 수 있습니다.
각 금형 제작 방식은 주조 금속의 종류와 패턴 복잡도에 따라 최적화되어 있습니다. 왁스나 플라스틱 패턴을 사용하는 경우 가마(kiln)에서 패턴을 태워 제거할 수 있습니다.
모든 금속 주조품은 철계(ferrous) 또는 비철계(non-ferrous) 합금으로 제작됩니다. 합금은 최종 주조품의 용도에 최적화된 기계적 특성을 제공하는 원소들의 혼합물입니다. 철계 합금에는 강철, 가단 주철, 회주철이 있습니다.
주조에 가장 많이 사용되는 비철계 합금은 알루미늄, 청동, 구리입니다. 보석 세공소에서 귀금속을 다룰 경우 은, 구리, 금, 백금을 사용하기도 합니다.
용해 공정은 합금마다 다르며, 각 합금마다 고유의 녹는점이 있습니다. 기본적으로 고체 합금을 도가니에 넣고 노(furnace)나 화염으로 가열합니다.
용융 금속을 금형 공동에 붓습니다. 소형 주조품은 용해한 도가니에서 직접 금형으로 부을 수 있습니다. 대형 주조품은 노에서 금속을 가열한 팀이 큰 도가니나 레들(ladle)로 이송하여 금형에 붓습니다.
용융 금속 주입 시 모든 안전 수칙을 준수해야 합니다. 천연 섬유 의복, 긴 바지와 소매, 절연 장갑, 안전 고글 등 보호구를 착용하세요. 유해 가스 흡입을 막기 위해 환기가 잘 되는 공간에서 작업하고, 화학 소화기를 비치하며, 노와 금형 사이의 통로를 확보하세요. 금형이 응고될 때까지 기다립니다.
금속이 식어 응고되면 금형에서 꺼냅니다. 일회용 금형은 주조품에서 금형을 깨뜨려 제거합니다. 석고 금형(investment)의 경우 금속 응고 후 물에 담가 금형을 쉽게 제거합니다. 재사용 금형은 이젝터 핀(ejector pin)으로 주조품을 밀어냅니다.
주조품을 다듬고 광택을 냅니다. 물로 남은 금형 재료를 씻어내거나, 소형품은 니퍼로 게이트를 제거하고, 대형품은 앵글 그라인더로 다듬는 과정이 포함됩니다.
대표적인 주조 공정 종류:
사형 주조는 가장 대중적이고 오래된 주조 방식으로, 소량 생산에 적합하고 비용이 저렴합니다. 손바닥 크기의 소형품부터 열차 베드 같은 대형품까지 제작 가능하며, 사용 모래 종류에 따라 대부분의 금속을 주조할 수 있습니다.
일반적으로 실리카 기반의 천연 또는 합성 모래를 사용하며, 구형 입자가 밀착되어 매끄러운 금형 표면을 만듭니다. 냉각 시 적절한 유연성과 수축을 허용하여 균열이나 파손 위험을 줄입니다. 점토를 첨가하면 입자 간 결합력을 높일 수 있습니다. 자동차 엔진 블록 등이 사형 주조로 제작됩니다.
정밀 주조는 로스트 왁스 주조라고도 하며, 주조품마다 일회용 왁스 패턴을 사용합니다. 왁스를 금형에 주입해 패턴을 만들고, 내화물과 결합제로 여러 번 코팅하여 두꺼운 셸을 형성합니다.
여러 패턴을 모아 공통 스프루를 만들고 셸이 경화되면 뒤집어 가열하여 왁스를 제거합니다. 이 패턴은 금형 제작 시 발생하는 힘을 견디기 약하므로 세심한 주의가 필요합니다. 장점은 왁스를 재사용할 수 있다는 점입니다.
자동차, 발전, 항공우주 산업의 터빈 블레이드 등 고정밀 부품 제작에 널리 쓰이며, 정확성, 반복성, 범용성, 무결성이 뛰어납니다.
다이캐스팅은 용융 금속을 고압으로 금형 공동에 강제 주입하는 방식입니다. 주로 아연, 구리, 알루미늄 기반의 비철 합금을 사용하며, 철금속 다이캐스팅도 가능합니다.
소형~중형 부품을 대량으로 생산할 때 정밀한 디테일, 우수한 표면 품질, 치수 정밀도가 요구되는 용도에 특히 적합합니다.
저압 주조에서는 가압 노(보통 0.7 bar)에서 금형 하부로 용융 금속을 수직 주입합니다. 보존 노가 수직 다이캐스팅 머신 하부에 위치하며, 압력으로 금속을 금형 내에 유지하여 응고시킵니다.
금형 공동 충진을 정밀하게 제어할 수 있어 산화물 생성을 줄이고 기공을 방지합니다. 본래 자동차 휠 같은 축대칭 부품 생산용으로 개발되었으나, 샌드 코어 사용으로 중공 형상과 복잡한 형상에도 적합합니다.
원심 주조는 회전하는 금형에서 발생하는 원심력을 이용해 주철관 같은 장대형 원통 부품을 만듭니다. 용융 금속이 금형 내벽에 밀착되어 기공 없는 치밀한 주조품을 얻습니다.
물 냉각 금형을 사용하는 드 라보(de Lavaud) 공정으로 시작되었으며, 상하수도관, 대형 포신 등 대칭형 부품에 적용되고 라이저(riser)를 최소화할 수 있습니다.
자체 축을 중심으로 회전할 수 없는 비대칭 부품은 압력 주조(pressure casting) 변형을 이용해 공통 스프루 주변에 여러 부품을 배치하고 금형을 회전시킵니다. 대형 기어 링 제작에도 유사한 원리가 쓰입니다. 주조 재료에 따라 금속 또는 모래 금형을 사용합니다.
중력 다이캐스팅은 영구 금형에 용융 금속을 용기나 레들로 부어 중력만으로 충진하는 방식이며, 금형을 기울여 충진을 제어할 수 있습니다.
언더컷과 공동은 샌드 코어로 가공합니다. 사형 주조보다 표면 품질과 기계적 특성이 우수하며(급속 응고 덕분), 알루미늄 사형 주조보다 생산 속도가 빠르지만 금형 비용이 더 듭니다. 가스 기공이 적고 미세 결정립을 얻을 수 있으며, 후가공이 적고 품질이 높지만 툴링 비용 면에서는 사형 주조보다 비효율적일 수 있습니다.
진공 보조 다이캐스팅은 금형 공동 내 가스를 배출하여 금속 주입 시 가스 포집을 줄이고 기공을 감소시켜 더 높은 품질의 주조품을 만듭니다.
진공 시스템은 보조 수단일 뿐, 금형 공동, 러너, 게이트, 오버플로의 우수한 설계를 대체할 수는 없습니다.
스퀴즈 주조는 영구 금형 주조와 다이 단조를 결합한 하이브리드 공정으로, 예열 및 윤활된 금형에 정량의 용융 합금을 붓고 압력 하에서 단조 및 응고시킵니다.
로스트 폼 주조(LFC)는 왁스 대신 발포 폴리머 폼을 패턴으로 사용하는 증발 패턴 주조로, 왁스를 녹여 제거할 필요 없이 폴리머의 낮은 비등점을 이용해 정밀 주조 공정을 단순화합니다.
연속 주조는 일정한 단면의 금속 프로파일을 대량 생산하기 위해 개발된 공정입니다. 용융 금속을 수냉식 개방형 금형에 부으면 외부에서 내부로 서서히 응고되며 '스킨'이 형성됩니다.
응고 후 스트랜드(strand)를 연속 인출하고, 기계식 전단이나 산소아세틸렌 토치로 정해진 길이로 절단하여 후공정이나 비축장으로 이송합니다.
주조 크기는 스트립(수 mm 두께 × 약 5m 폭), 빌릿(90~160mm 정방형), 슬래브(1.25m 폭 × 230mm 두께)까지 다양합니다. 때로는 절단 전 열간 압연을 거치기도 합니다.
연속 주조는 표준 제품의 연속 생산으로 비용이 낮고 품질이 우수합니다. 강철, 구리, 알루미늄, 납 등이 연속 주조되며, 강철이 가장 큰 비중을 차지합니다.
주조는 타 제조 공정 대비 다음과 같은 장점이 있습니다.
주조는 액체 재료를 원하는 형상의 공동이 있는 금형에 부어 응고시키는 제조 공정입니다. 응고된 부품을 주물이라 하며, 금형에서 꺼내거나 금형을 깨서 공정을 마칩니다.
주조는 금속이나 플라스틱 같은 용융 재료를 금형에 넣고 금형 내에서 응고시킨 후 꺼내거나 깨서 가공 부품을 만드는 제조 공정입니다.
주조 공정은 주로 금속인 용융 재료를 완제품 형상의 금형 공동에 붓고, 열이 금형을 통해 방출되면서 냉각·응고되어 원하는 형상이 되도록 하는 과정입니다.
사형 주조, 정밀 주조(로스트 왁스), 다이캐스팅, 저압 주조, 원심 주조, 중력 다이캐스팅, 진공 다이캐스팅, 스퀴즈 주조, 로스트 폼 주조, 연속 주조 등이 있습니다.
용융 재료(주로 금속)를 금형 공동에 부어 열이 금형을 통해 빠져나가면서 냉각·응고시켜 원하는 형상을 얻는 과정입니다.
단조 산업에서 특정 형상의 물체(주로 금속)를 생산하는 제조 공정으로, 정확한 형상의 중공 공동이 있는 금형에 뜨거운 용융 금속을 부어 만듭니다.
다이캐스팅, 정밀 주조, 석고 주조, 사형 주조 등 열간 성형 공정이 있으며 각각 고유한 제조 이점이 있습니다. 장단점 비교를 통해 생산 런에 가장 적합한 방식을 선택할 수 있습니다.
이 기법에는 영구 금형, 다이, 원심, 연속 주조 등 최소 4가지 이상의 방법이 포함됩니다.
주조는 액체 재료를 원하는 형상의 중공 공동이 있는 금형에 부어 응고시키는 제조 공정입니다. 다른 방법으로는 제작이 어렵거나 비경제적인 복잡한 형상 제작에 주로 쓰입니다.
주조 재료는 일반적으로 금속이거나 두 가지 이상의 성분을 혼합해 경화시키는 냉간 경화 재료로, 에폭시, 콘크리트, 플라스터, 점토 등이 있습니다.
원심 주조 종류: 트루 원심 주조(일반 원심 주조), 세미 원심 주조, 원심 주조(centrifuging)가 있습니다.
금속 주조는 용융 금속을 비어 있는 형상 공간에 부어 금속이 식어 경화되면서 금형이 준 형상을 갖게 하는 공정입니다.
주조 결함 종류 및 예방: 기공(핀홀, 블로홀, 오픈 홀), 수축 결함(오픈, 클로즈드, 휨), 금형 재료 결함(컷, 와시, 스웰, 드롭), 주입 금속 결함(콜드 샷, 콜드 셧, 미스런), 야금 결함(핫 티어, 핫 스팟), 형상 결함(미스매치, 플래시) 등이 있습니다.
코어는 패턴으로 형성할 수 없는 주조품 내부의 형상이나 공동을 만들기 위해 금형에 삽입하는 미리 성형된 결합 모래 인서트입니다. 주조품의 중공 부분이나 공동 형성에 자주 쓰입니다.
주조는 주로 금속을 사용하고, 몰딩은 플라스틱에 초점을 둡니다. 둘 다 용융 재료를 다이 또는 금형에 넣어 최종 형상을 만듭니다.
주요 주조 도구는 수공구, 용기, 기계 공구입니다. 수공구로는 램머, 삽, 리들, 벤트 와이어, 리프터, 슬릭, 트로웰, 망치, 스왑, 클램프, 개거, 벨로우 등이 있습니다. 기계 공구는 자동화된 주물 공장에서 주로 쓰입니다.
다이캐스팅에 흔히 쓰이는 4대 합금은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 아연 기반 합금이며, 그 외 희소 철계 합금도 사용 가능합니다.
용융 재료(주로 금속)를 완제품 형상의 금형 공동에 붓고, 열이 금형을 통해 방출되면서 냉각·응고시켜 원하는 형상을 얻습니다.
원심 주조는 용융 금속을 고속 회전하는 원통형 금형에 부어 회전에 의한 원심력이 용융 금속에 압력을 가해 파이프 등을 생산하는 방법입니다.
영구 금형 주조의 변형으로 중공 주조품을 만듭니다. 재료를 금형에 부어 셸이 형성될 때까지 냉각시킨 후 남은 액체를 쏟아내 중공 셸을 얻습니다.
여러 금속과 합성 재료를 주조할 수 있으며, 특히 철과 강철은 다양한 용도에 우수한 기계적 특성을 보입니다.
점토로 결합된 모래 금형에서 주조하며, '그린'은 모래 색이 아니라 금형이 미경화(uncured) 상태임을 의미합니다. 드라이 샌드 금형은 금속을 붓기 전 모래를 구운 경우입니다.
설계 복잡도, 재료 선택, 주조 비용 등을 고려해 적합한 다이캐스팅 공정을 선정합니다.
금속이 액체에서 고체로 상변이할 때 노출 표면에서 발생하는 내부 또는 외부 부피 변화입니다. 주조와 콘크리트 응결 공정에서 나타납니다.
플래시(flash)라고도 하며, 주조품에 붙어 있는 불필요한 과잉 재료입니다. 주로 파팅 면에 형성되는 얇은 금속 판으로, 재용해 시 드로스가 됩니다.
코어는 주조와 몰딩에서 내부 공동과 후입각(180° 초과 내부 각)을 만드는 장치로, 보통 제품을 꺼내기 위해 파괴되는 일회용품입니다.
주철의 4대 기본 유형은 백주철, 회주철, 구상흑연 주철, 가단 주철입니다.
금형은 원하는 물체의 복제품이나 인상을 만드는 첫 단계이고, 주조품은 전체 공정 후 얻는 최종 제품입니다. 주조품은 최종 제품이며, 경우에 따라 추가 금형을 만드는 데 쓰이기도 합니다.
산업기술
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
메탈 플레이팅(도금)이란? 메탈 플레이팅은 소재 표면에 얇은 금속층을 입히는 것. 도전성 표면에 금속을 증착시키는 표면 피복 공정입니다. 수백 년 역사를 지닌 기술이자 현대 기술에도 필수적입니다. 장식, 내식성, 납땜성 향상, 경화, 내마모성, 마찰 저감, 도장 밀착성 향상, 전도도 변경, IR 반사율 개선, 방사선 차폐 등 다양한 목적. 주얼리는 은/금 마감 위해 도금 활용. 원자 단위 박막 증착 가능해 나노기술에도 응용. 여러 도금 방식과 변형 존재. 한 방식은 금속 시트로 고체 표면 덮고 열/압력 가해 융합. 다른 기법: 전기