구상흑연 주철(덕타일 아이언) 샌드 주조: 공정 개요, 장점 및 제약

탄소강은 높은 융점 때문에 샌드 주조가 어렵습니다. 구상흑연 주철은 대안입니다. 낮은 융점으로 강철과 유사한 금속학적 물성을 샌드 주조 부품에 구현할 수 있습니다. 강철에서 구상흑연 주철 주조로 전환하면 가공 공정 단축과 단가 절감 효과를 기대할 수 있습니다.

구상흑연 주철 소개와 샌드 주조 공정에서 수반되는 사항을 설명합니다.

두 가지 주철 유형

주조업계는 수세기 동안 회주철을 다뤄왔습니다. 용융·주조가 용이하고 가공성이 좋지만 인장 강도와 연성이 낮습니다.

낮은 강도의 원인은 금속 기지 내 분포한 플레이크 형태 흑연입니다. 이들은 균열 개시점이 되어 약화를 초래합니다.

20세기 중반 개발된 구상흑연 주철은 이 문제를 해결했습니다. 양질의 고탄소 선철에 엄선된 미량 원소를 첨가해 플레이크 대신 페라이트와 펄라이트(Fe3C) 기지 내 미세 구형 흑연을 생성합니다. 이 때문에 구상흑연 주철 또는 노듈러 주철이라 불립니다.

구상흑연 주철은 강철보다 약간 밀도가 낮습니다(0.256 lb/in³ / 7.1 g/cm³ vs 0.284 lb/in³ / 7.8 g/cm³). 따라서 더 가볍지만 인장 강도는 매우 유사합니다. 적당한 연성, 우수한 내마모성, 충격 하중 흡수 능력을 가집니다.

샌드 주조 공정

샌드 주조는 주조 부품을 복제한 패턴으로 시작합니다. 이를 상자(플라스크)에 넣고 모래로 다집니다. 패턴을 꺼내 금속이 채워질 공동을 만듭니다.

플라스크는 상부 '코프(cope)'와 하부 '드래그(drag)' 두 절반으로 구성됩니다. 코프에 금속 유입 통로(러너)와 충진 후 여분 금속이 상승할 통로(라이저)를 형성합니다.

금속 응고 후 모래를 털어내고, 러너·라이저 제거 후 가공 공정으로 넘어갑니다.

구상흑연 주철과 모래

모래는 주조 공정에서 핵심 역할을 합니다. 약간의 투기성으로 가스 배출을 허용하면서 용융 금속을 외부에서 내부로 급랭·응고시킵니다. 다짐 밀도와 모래 조성은 금속 수축 일관성과 부품 품질 확보를 위해 세심히 관리되어야 합니다.

구상흑연 주철은 보통 약 5% 석탄 분진(sea coal)을 함유한 그린 샌드에 주조됩니다. '그린'은 색이 아닌 수분 함량을 의미합니다. 그린 샌드는 건조 공정을 거치지 않은 모래입니다.

모래 자체 외에도 벤토나이트 점토가 바인더로 들어있어 플라스크 내 모래를 결합시킵니다.

석탄 분진(씨 콜)은 구상흑연 주조용 모래의 중요 성분입니다. 뜨거운 철이 모래와 접촉할 때 방출되는 산소를 흡수하는 환원 분위기를 조성합니다. 팽창을 늦춰 번 모래(burnt-on sand)가 적고 더 깨끗하고 매끄러운 주조 표면을 만듭니다. 석탄 분진 함유 주조 모래는 회색 또는 거의 검은색으로 식별됩니다.

주철 접종 처리

강철과 경쟁 가능한 주철 부품 제작에 핵심적인 두 공정은 접종(inoculation)과 마그네슘 처리입니다. 최고 품질 구상흑연 주철을 위해 주입 직전에 수행됩니다.

접종은 탄소가 흑연 플레이크로 석출하려는 성향을 다룹니다. 탄소가 핵생성·결정화할 지점을 제공하는 특수 합금을 미량 첨가해, 강도와 연성을 해치는 플레이크 형성을 방지합니다.

비슷한 원리로 마그네슘을 첨가해 철 내 황을 '제거'합니다. 접종과 마찬가지로 결과 금속의 기계적 물성을 개선합니다.

역량과 한계

구상흑연 샌드 주조는 강철과 경쟁 가능한 주철 부품 생산에 이상적입니다. 품질 부품을 위해 수축 여유와 드래프트 앵글이 필요하며, 홀·마운팅 면 등 정밀 피처 추가를 위해 2차 가공이 거의 항상 필요합니다. 또한 얇은 단면은 비현실적입니다. 다만 석탄 분진 사용으로 양호한 표면 마감은 달성 가능합니다.

샌드 주조는 주조 가능 부품 크기에 큰 제약이 없습니다. 1파운드(0.5kg) 미만 소형 부품부터 수백 파운드, 피트 단위 대형 부품까지 주조 가능합니다.