주형 제작 공정(Moulding Process) 완전 해설: 그린/드라이/스킨드라이/룸 샌드, 벤치/플로어/핏/스위프/플레이트 몰딩, 특수 공법 10종

주형 제작 공정(Moulding Process) 개요

일반적인 주형 제작 공정은 다양한 기준 분류 가능. 크게:

1. 수작업 주형(Hand moulding)
2. 기계 주형(Machine moulding)

단품·소로트 생산은 수작업, 대로트·대량 생산은 주형 기계 사용.

주형 공정 분류 기준

주형 공정은 흔히 다음 기준 분류:

(A) 주형 재료 기준

1. 그린 샌드 주형 (Green sand moulds)
2. 드라이 샌드 주형 (Dry sand moulds)
3. 스킨 드라이 주형 (Skin-dried moulds)
4. 룸 주형 (Loam moulds)

(B) 주형 제작 방법 기준

1. 벤치 몰딩 (Bench moulding)
2. 플로어 몰딩 (Floor moulding)
3. 핏 몰딩 (Pit moulding)
4. 스위프 몰딩 (Sweep moulding)
5. 플레이트 몰딩 (Plate moulding)

주형 재료별 공정

1. 그린 샌드 몰딩 (Green Sand Moulding)

철·비철 고품질 주물용 다재다능·신속·저비용 공법. 그린 샌드 = 실리카사 + 물 + 벤토나이트 + 첨가제(철 주물용 석탄분 등). 천연 몰딩 샌드 또는 실리카사+결합점토+물 배합을 목적 작업 특성에 맞춰 비율 혼합·완전 교반.

2. 드라이 샌드 몰드 (Dry Sand Mould)

그린 샌드 몰딩과 유사하나 다른 배합사 사용, 전 주형 부품 오븐 건조 후 재조립 차이. 그린 샌드는 수분+천연 점토로 형상 유지. 드라이 샌드는 밀가루, 수지, 당밀, 점토 등 첨가 결합제 의존. 재료 완전 혼합 후 묽은 점토수로 템퍼링. 결합제 양 = 주물 크기 따라 결정.

3. 스킨 드라이 몰딩 (Skin-dried Moulding)

다짐 모래 표면층 수심 약 25mm 이상 가스 토치/히터로 건조. 그린 샌드·드라이 샌드 장점 일정 부분 겸비. 건조 시간 단축→비용 절감. 대형 주형이나 정밀 디테일 요구 작업에 특히 적합.

4. 룸 몰드 (Loam Mould)

룸(loam) = 점토+모래+물로 만든 묽은 가소성 혼합물. 내화점토/가니스터 포함. 룸은 수직면에 달라붙을 충분한 점착성 필요. 룸 몰드는 치밀·밀착 덩어리라 통기 확보 위해 특수 조치 필수. 인위적 기공 형성: 잘게 썬 짚, 특히 말똥(horse manure) 혼입. 전형적 룸 샌드 배합 예시(도표 참조). 벽돌 조적 러프 구조에 회전 스위프로 정형 마감. 주철판·바로 벽돌 보강. 룸 몰드 표면 검게 그을리고 건조 후 조립.

완전 패턴·일반 플라스크 너무 비싼 대형 주물에 주로 사용. 대형 실린더, 둥근바닥 솥, 화학 팬, 대형 기어, 기계 부품 등 생산.

제작 방법별 공정

1. 벤치·플로어 몰딩 (Bench and Floor Moulding)

벤치 몰딩: 작업대 위에서 편안한 높이로 만들 수 있는 소형 주형 위주.
플로어 몰딩: 대형/심도 큰 주형은 주조장 바닥 모래에서 그린/드라이 샌드 방식과 유사하게 제작. 바닥 자체가 드래그 역할. 코프 덮거나 오픈 캐스트.

2. 핏 몰딩 (Pit Moulding)

대형 작업 주형은 주조장 바닥 파낸 핏(pit)에서 제작. 패턴·주형 인양 용이. 핏이 드래그 역할인데 뒤집을 수 없으므로 패턴 아래 모래는 베드인(bedded-in) 다짐. 패턴 정위치 매달고 아래 다짐. 패턴 바닥 평평하면 평탄 다진 면에 올려놓기도. 핏 바닥 코크스 깔고 짚 덮고 모래 다짐·레벨링. 코크스층 코너 수직 벤트 파이프로 대기 연결→가스 배출. 바닥 습하면 핏 내면 타르페이퍼/벽돌/목재로 라이닝. 보통 박스 1개로 주형 완성. 러너, 주탕구, 피더 가공.

3. 스위프 몰딩 (Sweep Moulding)

회전면 형상 부품 주형용. 예비 공정: 베이스(1)와 스핀들(2) 주조장 바닥에 설치. 모래 채워 다져 대략 주물 형상·크기 형성(Fig a). 스위프 홀더(5) 스핀들에 장착, 스위프(6) 볼트·너트 고정. 스위프 프로파일로 스핀들 회전시키며 주형 면 성형(Fig b). 스위핑 후 스핀들 제거, 중심부 패칭. 게이트 내면 주입 준비 완료(Fig c).

4. 플레이트 몰딩 (Plate Moulding)

패턴을 파팅 면 가로질러 반분, 평행 변 가진 동일 형상 플레이트 양면에 장착. 플레이트 사용 이점:

1. 패턴 취급 용이·신속
2. 주형 상·하부 이음 작업 생략: 플라스크 다질 때 플레이트 자체가 이음 역할
3. 패턴 인발 신속: 플레이트 박스 측면 오버랩, 고정 핀이 가이드 역할

특수 주형 공정 (Special Moulding Processes)

최근 시간·비용 절감, 고품질 주형·코어, 적은 노력·숙련으로 생산성 증대 위해 개발. 대체로 주형·코어 건조·소성 불필요, 화학 반응 급속 경화. 다음 특수 공법 사용 크게 증가.

1. 이산화탄소 몰딩 (CO₂ Moulding)

원리: 규산나트륨(water glass) 함유 샌드 믹스에 CO₂ 가스 통과시키면 규산나트륨이 경질 겔(gel)로 변해 모래 즉시 강력 결합 → 주형 강도 확보. 주형·코어 경화 공정.

2. 페로실리콘 몰딩 (Ferro-silicon Moulding)

원리: 규산나트륨 + 페로실리콘 분말 중량비 2.25:1 혼합 → 발포 작용 + 발열 반응. 상온서 느리나 온도 오르면 가속. 최종 실리카사가 단단한 다공질 덩어리 형성. CO₂ 공정처럼 주형·코어 소성 불필요.
보통 철 주물: 깨끗한 건조사 65메시, 비철 주물: 100메시 적합. 주형 폐쇄 전 적합 워시 코팅 필수.

3. 이칼슘 실리케이트 몰딩 (Dicalcium Silicate Moulding)

원리: 2~3% 이칼슘 실리케이트(강력 경화제) + 5% 규산나트륨 + 모래 + 기포제 혼합 → 샌드 믹스 유동성 증대. 종래 다짐 불필요하게 몰드 내 유입. 최종 단단 덩어리 + 충분한 붕괴성 확보.
최대 장점: 건조·배킹 불필요 → 노동력·장비 대폭 절감. 고품질 무결함 주물 생산. 회주철·강주물 중대형 주물에 폭넓게 적용.

4. 시멘트-샌드 몰딩 (Cement-Sand Moulding)

포틀랜드 시멘트 결합제로 모래 입자 결합. 시멘트+규산나트륨 조합으로 강도·통기성·유동성 양호 조합 달성. 기포제 써서 플로어블 시멘트 슬러리 제조 → 다짐 대폭 감소. 시멘트 2%, 규산나트륨 4~5%, 피치/당밀 1% 첨가로 양호 결합 개발. 매끄럽고 정밀한 표면 얻으나, 주된 단점: 플라스크에서 녹아내기(knock out) 어려움.

5. 셸 몰딩 (Shell Moulding)

발명자 크로닝(Croning) 이름 따 크로닝 공정(Croning process) 또는 C-공정. 수지 결합 샌드 기법 변형으로 강, 철, 비철 합금 주조용.
미립사(100~150메시) + 열경화성 수지 결합제 혼합 → 가열 금속 패턴(선호: 회주철)에 압착. 가열 시 수지 경화 → 모래 입자 서로 부착 → 패턴 치수·형상 정확히 따르는 튼튼한 셸(반쪽 주형) 형성. 경화·박리 후 코어 세팅, 상하 셸 결합, 플라스크 넣고 백업재 충전 → 주입 준비 완료.

6. 핫박스·콜드박스 몰딩 (Hot and Cold Box Moulding)

핫박스 공정: 코어 제작 특화. 셸 몰딩과 동일 소재이나 수지로 모래 입자 코팅. 수지-샌드 믹스 → ~200~300℃ 가열 금속 패턴/코어 박스에 블로잉 → 셸 형성 대신 고체 덩어리 형성. 전용 머신: 블로잉→경화→박리 일괄. 셸 몰딩보다 치수 정밀도·생산성 우위. 소형 주물 대량 기계화 생산 필수 공정.
콜드박스 공정: 미립 건조사 + 폴리이소시아네이트 수지 바인더 + 알키드 페놀 수지 혼합 → 밀봉 코어 박스 블로잉 → 공기 중 트리에틸아민 증기 촉매 주입. 액상 페놀 수지 하이드록실기 + 이소시아네이트기 → 경질 우레탄 수지 형성. 두 바인더 1:1 비율, 수지 혼합물 중량 1~2% 첨가. 장점: 패턴 가열 불필요, 경화 20~30초 내 완료. 단순·고생산성 코어 제작, 소형 주물 대량용 최적.

7. 인베스트 몰딩 (Invest Moulding / Lost Wax Process)

로스트 왁스트 공정(lost wax process), 정밀 주조(precision casting)라도 부름. 매우 엄격한 공차 달성, 후가공 불필요.
주 2단계(도면 참조): 1) 마스터 패턴(목재/금속) 제작 → 주변에 몰드 형성. 몰드 샌드 아닌 젤라틴/저융점 합금 주입. 통상 2분할 개폐 가능. 2) 이 몰드로 '로스트 패턴(lost pattern)' 제작.

8. 플라스터 몰딩 (Plaster Moulding)

석고(파리 석고)로 주형 제작. 실무: 파리 석고 + 활석 + 석면 + 섬유 + 실리카 분말 + 조절수 → 슬러리. 금속 패턴 플라스크 내 부어넣기. 진동 후 응고. 약 30분 후 패턴 제거, 건조·베이킹(컨베이어 오븐 ~200℃). 인서트·코어 장착, 가이드 핀으로 코프·드래그 정합. 용융 금속 주입. 주형 내 냉각 후 셰이크아웃, 주형 파괴. 게이트·스프루·플래시 트리밍.

9. 세라믹 몰딩 (Ceramic Moulding)

특수 개발 세라믹 골재 + 액상 화학 바인더(알코올계 실리콘 에스테르) 걸쭉한 슬러리 → 재사용 가능 분할·게이트 금속 패턴(보통 매치플레이트 장착) 위에 부음. 슬러리 자력으로 공동·요충 채움, 다짐·진동 불필요. 약 3~5분 경화 후 패턴 인발. 세라믹 매스 플라스크서 분리, 경화제 처리→화학적 안정화, ~980℃로 가열→액상 바인더 제거. 용융 금속 주입 준비 완료.

10. 석션 몰딩 (Suction Moulding)

주형 공간 공기 흡입→진공 생성 → 몰딩 샌드 흡입 충진 → 패턴 다짐. 철, 강, 알루미늄 주조에 사용.