금속 주조 공정 완벽 해설: 유형, 장점, 단계 및 응용 분야

이 글에서는 금속 주조란 무엇인가? 그리고 어떻게 수행되는지, 그 공정, 금속 주조 단계, 금속 주조 공정의 유형에 대해 배웁니다.

금속 주조 공정

금속 주조 공정은 원하는 형상을 설계하는 제조 수단으로서 가장 오래되고 대중적인 방법입니다. 대부분의 제품 제조에서 첫 단계입니다.

주조는 녹일 수 있는 모든 금속으로 만들 수 있으며 디자이너가 원하는 어떤 형태든 가질 수 있습니다. 주조품은 몇 mm에서 수 미터 크기까지 생산할 수 있습니다. 주조 무게는 몇 그램에서 수 톤까지 다양합니다.

기계 가공이 어려운 금속으로 만든 매우 복잡한 형상, 중공 단면, 복잡한 내부 공동, 불규칙한 곡면 제품도 주조 공정으로 쉽게 생산할 수 있습니다.

참고: 열처리 - 제조에서 중요한 이유

많은 주조 공정이 있으며, 특정 부품 생산을 위한 공정 선택은 생산 비용, 생산 속도, 크기, 형상, 표면 조도 등의 요인에 따라 달라집니다. 주조 공정은 기본적으로 금형 제작에 사용되는 재료 유형과 용융 재료 주입 방법에서 차이가 있습니다.

금형 재료는 일반적으로 모래 또는 금속이며, 주입 방법은 중력, 진공, 저압 또는 고압을 사용할 수 있습니다. 주조는 다른 방법으로 만들기 어렵거나 비경제적인 복잡한 형상을 만드는 데 가장 자주 사용됩니다.

현대 주조 공정은 두 가지 주요 범주로 나뉩니다:

• 소모성 주조(Expendable)
• 비소모성 주조(Non-expendable casting).

소모성 주조에는 모래 주조, 쉘 주조, 석고 금형 주조, 정밀 주조(인베스트먼트 주조), 증발 패턴 주조가 포함됩니다.

비소모성 주조에는 영구 금형 주조, 다이 주조, 반고체 금속 주조, 원심 주조, 연속 주조가 포함됩니다.

금속 주조 공정의 장점

• 주조 공정 비용은 다른 제조 공정에 비해 매우 낮습니다.
• 다른 제조 방법으로는 제작하기 어려운 매우 무겁고 부피가 큰 부품을 이 공정으로 제조할 수 있습니다.
• 주조는 대량 생산뿐만 아니라 배치 생산에도 활용할 수 있습니다.
• 제품을 단일 피스로 주조할 수 있어 금속 접합 공정이 필요 없습니다.

금속 주조 공정 분류

• 현대 주조 공정은 소모성 주조와 비소모성(영구) 주조 두 가지 주요 범주로 세분됩니다.
• 금형이 단일 주조에 사용될 때 모래로 만듭니다. 이러한 금형은 주조품을 꺼내면서 파괴되므로 소모성 금형이라고 합니다.
• 이들은 소량 생산에 사용됩니다.
• 금형이 반복 사용될 때 금속이나 흑연으로 만들며 영구 금형이라고 합니다.

놓치지 마세요: 비전통 가공 공정의 유형은? [PDF]

금속 주조 공정의 유형

대량 생산에 사용되는 4가지 주요 금속 주조 공정 유형은 다음과 같습니다:

1. 모래 주조(Sand casting)
2. 정밀 주조(Investment casting)
3. 영구 금형 주조(Permanent mould casting)
4. 압력 다이 주조(Pressure die casting)

1. 모래 주조(Sand Casting)

가장 광범위하고 널리 사용되는 금속 주조 공정 유형입니다. 이는 소모성 금형-영구 패턴 주조 공정입니다. 모래 주조 공정에는 로, 금속, 패턴, 모래 금형이 사용됩니다.

패턴 주위의 모래 수동 다짐은 단순 주조에 사용됩니다. 복잡한 주조의 경우 모래 혼합물을 성형 기계로 다집니다. 성형 기계는 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 다짐 힘의 적용과 분배를 개선하여 주조 품질을 향상시킵니다.

모든 금속 유형에 사용할 수 있지만 표면 조도와 치수 정밀도는 다른 주조 공정에 비해 좋지 않습니다. 가장 경제적인 생산 공정입니다.

모래 주조의 장점

• 거의 모든 금속 주조 가능.
• 크기와 형상에 제한 없음.
• 장비 비용 낮음.
• 소량 생산에 저렴.

모래 주조의 단점 또는 한계

• 조면 거침.
• 치수 정밀도가 좋지 않음.
• 주조 후 마무리 가공 여전히 필요.
• 생산 속도 낮음.

2. 정밀 주조(Investment Casting)

쉘 정밀 주조의 작업 순서는 다음과 같습니다:

• 마스터 패턴 제작: 마스터 패턴은 목재나 플라스틱 같은 재료로 만듭니다.
• 마스터 다이 제작: 마스터 패턴을 사용하여 저융점 금속으로 다이를 주조할 수 있습니다. 강철 또는 목재 다이를 사용합니다.
• 왁스 패턴 준비: 왁스 패턴은 다이에 용융 왁스를 부어 만듭니다. 왁스가 고체화되면 다이에서 꺼냅니다.
• 왁스 패턴 조립: 주조 크기에 따라 여러 왁스 패턴을 중앙 스프루와 러너를 중심으로 트리 또는 클러스터 형태로 조립합니다.
• 클러스터 코팅: 클러스터를 내화물질 얇은 층으로 코팅합니다. 이 단계는 전체 클러스터를 매우 미세한 내화물질, 가수분해 에틸 실리케이트, 알코올, 겔화제가 혼합된 슬러리에 담그는 방식으로 수행됩니다.
• 최종 내화물질 층 생성: 코팅된 클러스터를 상대적으로 입자가 굵은 내화물질에 반복 담가 원하는 코팅 두께를 얻습니다.
• 코팅 경화: 코팅된 클러스터를 건조 및 경화시키기 위해 일정 시간(몇 시간) 방치합니다.
• 왁스 패턴 용해: 금형을 거꾸로 오븐에 넣고 왁스가 금형에서 흘러나오게 하여 재사용을 위해 수집합니다.
• 금형 예열: 금형을 700~1000°C에서 소성하여 금형 강도를 부여하고 용융 금속이 모든 복잡하고 얇은 단면으로 흐르도록 보장합니다.
• 뜨거운 금형 충전: 용융 금속을 중력, 진공 압력 또는 힘으로 금형에 채웁니다.
• 주조품 세척: 스프루와 러너를 제거하고 주조품을 세척 및 마무리합니다.

정밀 주조의 장점

• 거의 모든 금속 주조 가능.
• 우수한 표면 조도.
• 우수한 치수 정밀도.
• 꽤 높은 생산 속도.
• 복잡한 형상 주조 가능.
• 낮은 마무리 비용.

정밀 주조의 단점 또는 한계

• 높은 인건비.
• 비싼 금형과 패턴.
• 부품 크기 제한.

3. 영구 금형 주조(Permanent Mould Casting)

영구 금형 주조 공정에는 여러 가지가 있으며, 몇 가지를 나열하면 다음과 같습니다:

1. 중력 공급 영구 금형 주조
2. 저압 영구 금형 주조
3. 다이 주조
4. 원심 주조
5. 연속 주조

이 공정들에서는 금형이 반복 사용됩니다. 금형은 일반적으로 두 부분으로 되어 있으며 쉽게 열고 닫을 수 있도록 설계됩니다. 이젝터 핀은 고체화된 주조품 제거를 위해 제공됩니다. 금속 금형은 투과성이 없으므로 이형면과 이젝터 핀의 틈새가 가스 배출용 벤트 역할을 합니다.

금형 얇은 벽의 내화물 코팅은 금형 수명을 늘릴 뿐만 아니라 주조품이 금형 벽에 달라붙는 것을 방지합니다.

금형 예열과 수순환을 통한 제어 냉각으로 균일한 금형 온도를 유지합니다. 영구 금형과 다른 공정들은 합금강 금형을 사용하여 저융점 비철 재료 주조에 사용됩니다.

다른 공정과 비교하여 이 공정에서 더 나은 표면 조도와 치수 정밀도를 얻습니다. 초기 비용이 높으므로 대량 생산이 필요할 때만 경제적입니다.

영구 금형 주조의 장점

1. 우수한 표면 조도.
2. 우수한 치수 정밀도.
3. 높은 생산 속도.

영구 금형 주조의 단점 또는 한계

1. 높은 금형 비용.
2. 대량 생산에 적합.
3. 단순 형상 주조에 적합.
4. 저융점 금속 주조에 적합.

4. 다이 주조(Die casting)

다이 주조는 매우 일반적으로 사용되는 영구 금형 주조 공정 유형입니다. 난로, 선풍기, 모터, 장난감 등 많은 가전 부품 생산에 사용됩니다.

다이 주조 부품의 표면 조도와 공차가 매우 좋아 후처리가 거의 필요 없습니다. 다이 주조 금형은 비싸고 제작에 상당한 리드 타임이 필요하며 일반적으로 다이라고 부릅니다.

다이 주조에는 두 가지 일반적인 유형이 있습니다:

• 핫 챔버 다이 주조
• 콜드 챔버 다이 주조

4.1 핫 챔버 다이 주조 공정

핫 챔버 공정(아연 합금, 마그네슘용)에서 다이 캐비티와 연결된 압력 챔버가 용융 금속으로 영구적으로 채워집니다.

기본 작동 사이클은 다음과 같습니다:

• 다이가 닫히고 구스넥 실린더가 용융 금속으로 채워집니다.
• 플런저가 용융 금속을 구스넥 통로와 노즐을 통해 다이 캐비티로 밀어넣습니다: 금속이 고체화될 때까지 압력 하에 유지됩니다.
• 다이가 열리고 코어가 있으면 후퇴합니다; 주조품은 이젝터 다이에 남습니다; 플런저가 돌아가며 노즐과 구스넥을 통해 용융 금속을 다시 당깁니다.
• 이젝터 핀이 주조품을 이젝터 다이에서 밀어냅니다. 플런저가 입구 구멍을 열면 용융 금속이 구스넥 실린더를 다시 채웁니다.

핫 챔버 공정은 (a) 저융점 금속이고 (b) 금형 재료인 강철과 합금되지 않는 금속에 사용됩니다. 일반적인 예로 주석, 아연, 납이 있습니다.

4.2 콜드 챔버 다이 주조 공정

콜드 챔버 공정에서는 각 사이클마다 용융 금속을 콜드 챔버에 붓습니다. 작동 사이클은:

• 다이가 닫히고 용융 금속을 콜드 챔버 실린더에 떠넣습니다.
• 플런저가 용융 금속을 다이 캐비티로 밀어넣습니다; 금속이 고체화될 때까지 고압 하에 유지됩니다.
• 다이가 열리고 플런저가 실린더에서 고체화된 슬러그를 밀어냅니다; 코어가 있으면 후퇴합니다.
• 이젝터 핀이 주조품을 이젝터 다이에서 밀어내고 플런저가 원래 위치로 돌아옵니다.

이 공정은 알루미늄, 구리(및 그 합금) 같은 고융점 금속에 특히 유용합니다.

다이 주조의 장점

1. 훌륭한 표면 조도.
2. 훌륭한 치수 정밀도.
3. 높은 생산 속도.
4. 복잡한 형상 주조 가능.
5. 거의 또는 전혀 마무리 비용 없음.

다이 주조의 단점 또는 한계

1. 금형의 높은 비용.
2. 비철 금속 주조로 제한.
3. 부품 크기 제한.

관심 있을 만한 글: 용접 결함의 유형은? 원인과 대책 [PDF]

금속 주조 공정의 단계

주조품 생산을 위한 금속 주조 공정 단계는 다음과 같습니다:

1. 패턴 제작(Pattern making)
2. 금형 제작 및 코어 제작(Moulding and Core making)
3. 용해 및 주조(Melting and Casting)
4. 펫틀링(Fettling)
5. 시험 및 검사(Testing and inspection).

첫 번째 단계는 주조 공장 외부에서 수행되고 나머지 네 단계는 주조 공장 내부에서 수행됩니다.

1. 패턴 제작

• 패턴 제작에서는 기획 섹션에서 받은 주조 도면과 금형 공정에 따라 패턴을 설계하고 준비합니다.
• 패턴 재료는 필요한 주조 수와 주조품에서 원하는 표면 조도 등의 요인에 따라 선택됩니다.
• 공구 및 다이 제조, 금형 제작과 관련된 숙련된 직종이며 정밀 목공 요소도 종종 포함됩니다.
• 패턴 제작에 사용되는 재료는 목재, 금속, 플라스틱입니다.

2. 금형 제작 및 코어 제작

• 패턴을 금형 단계로 보내 금형을 모래나 패턴의 도움으로 다른 재료로 준비하여 원하는 형상의 공동을 만듭니다.
• 중공 부분을 얻기 위해 코어 박스에서 코어를 준비합니다. 금형과 코어는 강도를 부여하기 위해 구운 후 주입을 위해 조립됩니다.
• 금형 제작은 수동 또는 기계의 도움으로 수행할 수 있습니다.
• 용융 금속 흐름을 위한 적절한 금형 설계와 배열은 건전한 주조품 생산에 매우 중요합니다.

3. 용해 및 주조

• 올바른 조성의 금속을 적합한 로에서 녹입니다.
• 용융 금속을 국자로 떠서 금형에 붓습니다.
• 금형을 냉각시켜 금형 내 용융 금속이 고체화되게 합니다.
• 금형을 깨서 주조품을 꺼낸 후 세척 섹션으로 보냅니다.

4. 펫틀링(Fettling)

• 주조품을 펫틀링 섹션으로 보내 불필요한 돌기, 부착된 모래를 제거하고 전체 표면을 깨끗하고 균일하게 만듭니다.
• 일부 주조품은 열처리도 필요하며 이는 이 단계에서만 수행됩니다.

5. 시험 및 검사

• 검사관이 주조 공장에서 출하 전 주조품을 시험하고 검사하여 결함이 없고 원하는 사양에 부합하는지 확인합니다.
• 주조품에서 결함이 발견되면 완전히 불합격 처리됩니다.

참고: 모든 기계 엔지니어가 알아야 할 기계적 특성 목록

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