사출 주조 열처리 공법: 강도와 내구성 향상

사출 주조(샌드 캐스팅)는 3차원 모래 패턴으로 몰드를 만들고 용융 금속을 공동에 부어 응고시키는 금속 성형 공정입니다. 공정의 일환으로 주조품은 고객이 정한 경도, 금속 조직, 기계적 사양을 만족시키기 위해 일련의 가열 및 냉각 공정을 거칠 수 있습니다.

사출 주조 대표 제품으로는 엔진 블록, 실린더 헤드, 피스톤, 프레임, 브래킷, 고출력 엔진 매니폴드, 임펠러, 하우징, 건설/농업 장비용 변속기 기어박스 부품 등이 있습니다. 열처리는 주조품의 기계적, 물리적 물성을 개선해 인장 강도를 높이고 연성(신율)을 낮춥니다. 본 글에서는 사출 주조용 열처리 유형을 다룹니다.

사출 주조 열처리의 단계

열처리는 사출 주조품을 제어된 방식으로 가열 및 냉각하는 공정입니다. 고온을 이용해 물질의 미세 조직을 변화시켜 원하는 기계적 물성 변화를 이끌어냅니다. 세 가지 주요 단계는 다음과 같습니다.

• 가열(Heating): 금속을 천천히 특정 온도까지 올려 형상 균열 없이 형태를 유지시킵니다. 이 단계에서 금속이 균일하게 가열되도록 하는 것이 균열이나 변형 방지에 필수적입니다. 가열 속도는 소재 종류, 열전도율, 주조품 크기에 따라 결정됩니다.
• 유지(Soaking/Holding): 목표 온도에서 정해진 시간 동안 유지합니다. 재료 내부에서 필요한 조직 변화가 완료될 때까지 온도를 유지하는 것이 목적입니다. 유지 시간은 소재 종류, 공작물 크기 및 복잡도에 따라 달라집니다. 표면만 조직 변화를 주면 되는 경우도 있고, 전체에 걸쳐 균일한 물성을 확보해야 하는 경우도 있습니다.
• 냉각(Cooling): 주조품을 제어된 방식으로 실온까지 냉각해 원하는 기계적 물성을 얻습니다. 냉각 방식은 소재 종류에 따라 공랭, 냉각 매체 사용, 급랭(퀜칭) 등으로 달라집니다.

사출 주조 열처리 유형

가열, 유지, 냉각 단계는 동일하나, 가열 온도, 유지 시간, 냉각 속도 등의 변형에 따라 결과가 달라집니다. 주요 열처리 유형은 다음과 같습니다.

• 어닐링(Annealing): 재료를 상임계 온도 이상으로 가열한 후 천천히 냉각합니다. 금속 물성을 개선해 내구성과 가공성을 높이고, 후속 공정에 영향을 줄 수 있는 잔류 응력을 제거합니다. 파손 위험을 낮춰 주조 공정의 유연성을 제공하며, 추가 가공 용이성을 높입니다.
• 노말라이징(Normalizing): 공작물의 경도를 높입니다. 어닐링 범위 이상의 온도에서 결정 구조를 변화시킨 후 상온 공기 중 냉각합니다. 응력이 적고 가공성이 우수한 주조품을 얻습니다.
• 경화(Hardening): 금속을 더 강하게 만들지만, 취성이 증가할 수 있습니다. 이후 템퍼링으로 취성을 낮추기도 합니다. 느린 냉각 대신 물, 염수, 오일 등에 급랭(퀜칭)합니다. 표면만 경화하는 경우도 있습니다.
• 템퍼링(Tempering): 경화점 미만의 온도로 가열, 유지 후 공랭합니다. 취성을 낮추나 연화가 동반될 수 있습니다.

적절한 열처리 공법 선택은 소재 종류와 원하는 최종 물성에 따라 달라집니다.

사출 주조 열처리의 이점

소재 종류, 주조품 용도, 고객 사양에 따라 다양한 이점을 얻을 수 있습니다.

• 소재의 원하는 연도 또는 경도 달성
• 전기 및 열전도율 영향
• 자기적 특성 변화
• 이전 공정의 잔류 응력 제거
• 바람직한 화학적 특성 부여

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