금속 주조 필수 가이드: 기술, 응용 분야 및 장점

역사적으로 금속 주조는 검에서 풍력 터빈까지 모든 것을 만드는 데 사용되었으며, 오늘날 고품질 금속 부품을 제작하는 가장 가치 있고 다재다능한 방법 중 하나입니다.

금속 주조란 무엇인가요?

금속 주조는 용융된 액체 금속을 금형에 붓는 제조/정밀 공정입니다.

금형 내부는 제작할 부품의 네거티브 인상(negative impression)과 결합되어 있어, 용융 금속이 금형 내에서 냉각 및 응고되면 최종 부품의 형태를 취하게 됩니다. 완성된 부품은 금형에서 제거됩니다.

금속 주조에는 각각의 용도에 따라 고유한 장점을 가진 다양한 종류가 있습니다. 패턴, 금형, 충전 기술은 이러한 차이에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

금속 주조는 다재다능한 공정이지만, 주조 부품은 특정 설계 제약이 따르며 엔지니어는 냉각 단계에서의 금속 수축을 고려해야 합니다.

핵심 금속 주조 공정은 금속을 가열하여 금형에 붓고, 냉각 및 응고된 후 완성된 부품을 금형에서 꺼내는 것입니다. 일반적인 경우 공정 단계가 더 많으며, 다양한 금속 주조 공정이 서로 다른 방식으로 작동합니다.

패턴 제작: 패턴은 대부분의 금속 주조에 필수적인 단계이며, 최종 부품의 복제품이 금형 제작의 열쇠입니다. 패턴은 재료(왁스, 목재, 플라스틱 등)에 따라 영구적이거나 유연할 수 있습니다.

코어 제작: 코어는 중공 부품 주조에 필요하며, 금형 공동 내부에 배치되어 주조 부품의 내부 형상을 형성하는 고체 재료입니다(예: 더 큰 원통형 금형 내의 원통형 코어는 튜브 형상의 주조 부품을 생성).

금형 제작: 금형은 대상 용도에 따라 다양한 방식으로 제작됩니다. 예를 들어 영구 금속 금형은 CNC 머신으로 제작할 수 있고, 사형 금형은 패턴 외부에 모래 혼합물을 적용하여 만듭니다. 금형 제작은 몰드 메이킹(mold making)이라 불리며 전문 분야입니다.

금형 충전: 금속을 녹여 금형에 붓거나 강제로 주입합니다. 중력 주조의 경우 용융 재료를 아래로 공동에 붓고, 고압 주조에서는 고압으로 공동에 강제 주입되며 금형을 고정하기 위해 높은 클램핑 힘이 필요합니다.

부품 제거: 주조 부품이 냉각 및 응고된 후 금형에서 제거합니다. 사형 주조 같은 공정에서는 내부 부품을 꺼내기 위해 금형을 파괴해야 하지만, 영구 금형의 경우 금속 금형의 두 절반을 분리하여 재사용할 준비를 합니다.

후처리: 주조 금속 부품은 금형 잔여물 제거 등을 위해 세척이 필요하거나, 사용 준비가 되기 전에 다른 후처리 단계가 필요할 수 있습니다.

단조나 CNC 가공 같은 다른 금속 가공 옵션보다 금속 주조를 선택해야 할 많은 이유가 있습니다. 금속 주조의 주요 이점은 다음과 같습니다:

금속 주조의 한계로는 불가피한 결함, 제한적인 치수 정확도, 노동 집약적, 일반적으로 높은 최소 주문 수량 등이 있습니다.

이 공정의 다이 캐스팅 금형은 복잡한 플라스틱 금형 몰드를 제조하는 데 사용되는 가장 중요한 주조 유형 중 하나로, 재사용 가능한 공구강 금형 툴 두 개를 사용합니다. 공동(cavity)을 통해 엔지니어는 미세한 디테일을 가진 부품을 제조할 수 있습니다.

맞춤 금형 제작 비용이 높아 이 공정은 대량 생산에 더 일반적입니다. 그러나 한번 제작되면 이 금형은 여러 번 재사용할 수 있습니다. 다이 캐스팅 부품은 종종 우수한 표면 마감을 가집니다.

알루미늄 다이 캐스팅과 마그네슘 다이 캐스팅 모두 고품질 부품에 널리 사용됩니다.

다이 캐스팅처럼 중력 주조도 재사용 가능한 금속 금형을 사용하는 금속 주조 방법입니다. 그러나 중력 주조는 압력이 아닌 중력을 이용해 액체 금속을 금형 상단에서 하단으로 이동시킵니다. 첫 주조 전 금형을 예열해야 하며, 일반적으로 열 피로도가 낮은 주철로 만듭니다.

정밀 주조는 로스트 왁스 캐스팅(lost wax casting)이라고도 하며, 저렴한 패턴과 금형을 사용하는 금속 주조 방식입니다: 두 항목 모두 주조 공정 중 파괴됩니다(녹은 왁스는 종종 재사용 가능).

중력 주조처럼 정밀 주조도 수천 년의 역사를 가집니다. 로스트 왁스 캐스팅 공정에서 왁스나 동등한 재료로 패턴을 만듭니다(때로는 수작업, 때로는 레진 3D 프린터 사용). 그런 다음 내화 물질을 패턴에 부어 금형을 만듭니다.

인베스트먼트(investment)는 모델 주위에 세라믹 층을 적용하는 것으로, 이는 용융 금속의 금형으로 사용됩니다. 이 세라믹 층은 '탈피(peeling)'라 불리는 공정에서 제거됩니다.

사형 주조는 대체 기술보다 저렴한 간단하고 수세기 된 금속 주조 방법입니다. 점토 같은 결합 재료와 혼합된 모래를 금형 재료로 사용하며, 금형은 고온을 견딜 수 있습니다.

사형 주조 공정에서 모델은 플라스크(flask)라 불리는 특수 상자의 모래에 담겨집니다. 모델 주위에 모래를 다져 금형을 만들고, 용융 금속을 부어 넣습니다.

금속 주조 공정에 사용되는 모래는 그린 샌드(습윤 점토) 또는 에어 세트 샌드(접착제가 있는 건조 모래)일 수 있습니다.

제조업에는 로엠 몰딩(loam molding)과 셸 몰딩(shell molding) 같은 소모성 금형 공정, 원심 주조와 연속 주조 같은 영구 금형 공정 등 수십 가지 더 많은 금속 주조 공정이 사용됩니다.

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