금속 주조(casting)는 금속 재료를 제조하는 공정입니다. 뜨거운 액체 금속을 성형하는 성형 공정으로, 니어 넷 쉐이프(near net shape) 제품으로 가는 가장 단순하고 직접적이며 종종 가장 저렴한 경로입니다. 액체 금속을 원하는 형상의 중공 캐비티를 가진 금형(mould)에 붓고 냉각·응고시키는 공정입니다. 응고된 부품을 주물(casting)이라 하며, 금형에서 빼내면 공정 완료. 주조는 다른 방법으로 만들기 어렵거나 비경제적인 복잡 형상 제작에 자주 쓰입니다.
금속 주조 공정(그림 1)은 두 대분류로 나뉩니다: (1) 비소모성 금형 주조(non-expendable mould casting), (2) 소모성 금형 주조(expendable mould casting). 금형 재료(모래, 금속 등)와 주입 방식(중력, 진공, 저압 등)에 따라 세분화됩니다.
비소모성 금형 주조는 생산 사이클마다 금형을 재제작할 필요 없는 주조 공정. 최소 4가지 개별 주조 공정 포함: (1) 연속 주조, (2) 원심 주조, (3) 다이캐스팅, (4) 영구 금형 주조. 이 방식은 부품 재현성 향상, 니어 넷 쉐이프 주조 구현.
연속 주조(continuous casting)는 일정 단면 금속 형상을 대량 연속 생산하기 위한 정련된 주조 공정. 공정 중 용융 금속을 수냉 개방형 구리 금형에 주입. '아직 액체인' 중심부 위에 고체 금속 피막 형성. 용융 금속이 외부에서 중심으로 점차 응고. 초기 응고 후 스트랜드(strand)라 불리는 주조물이 금형에서 연속 인출. 기계식 전단기나 이동식 산소-연료 토치로 정해진 길이 절단 후 후속 성형 공정 또는 중간 저장소로 이송. 주조 크기: 슬래브, 신슬래브(thin slab), 스트립, 블룸, 빌릿. 연속 주조는 표준 제품 연속 생산·최종 제품 품질 향상 필요 시 통상 사용. 비용 효율성으로 널리 활용. 연속 주조 금속: 강철, 알루미늄, 구리, 납.
원심 주조(centrifugal casting)는 1852년 알프레드 크루프(Alfred Krupp)가 발명, 철도 차륜용 주강 타이어 제조에 활용. 액체 금속을 금형에 붓고 금형 회전 중 응고. 금속을 금형 회전축 중심에 주입. 원심력으로 액체 금속이 주변부로 던져짐.
원심 주조는 고속 회전(300~3000 rpm)하는 영구 금형 사용. 원심력으로 금속이 금형 내벽 쪽으로 던져져 냉각 후 응고. 이 공정 주조품은 금형 표면 칠링 효과로 외경 쪽 미세 결정립 미세조직 → 대기 부식 저항성 → 파이프 제조에 활용. 금속이 불순물보다 무거워 대부분 불순물·개재물 내경 쪽 모여 가공 제거 가능. 내경 면 조도는 외면보다 훨씬 나쁨.
원심 주조기: 수평축/수직축. 수평축 장치: 길고 얇은 실린더 선호, 수직축: 링 선호. 원심 주조는 외부부터 우선 응고 → 방향성 응고 유도 → 유용한 야금적 특성 부여. 때로 내외층 제거, 중간 기둥상 조직 부분만 사용.
다이캐스팅(die casting)은 고압으로 액체 금형을 금형 캐비티에 강제 주입하는 금속 주조 공정. 금형 캐비티는 공구강 경화 다이 2개로 생성. 다이 가공 형상화, 공정 중 사출 금형처럼 작동. 다이캐스팅 다수는 아연, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 납, 피우터(주석·구리·안티모니 합금), 주석계 합금으로 제작. 철계 금속 다이캐스팅도 가능.
주조 금속/합금 종류에 따라 핫 챔버(hot chamber) 또는 콜드 챔버(cold chamber) 기계 사용.
주조 설비·금형 다이로 거대 자본 비용 → 대량 생산 한정. 다이캐스팅 부품 제조 상대적 단순(4대 주요 단계) → 단위당 증분 비용 낮음. 소형~중형 주물 대량 생산에 특히 적합. 이 이유로 다이캐스팅이 타 주조 공정보다 더 많은 주물 생산.
다이캐스팅 두 변형: (1) 포어 프리 다이캐스팅(pore free die casting): 가스 기공 결함 제거용, (2) 다이렉트 인젝션 다이캐스팅(direct injection die casting): 아연 주조에 스크랩 감소·수율 증대용.
다이캐스팅은 정밀 부품 필요 시 사용. 양호한 디테일, 미세 표면 품질, 치수 일관성 필요 소형~중형 부품 대량 생산에 특히 적합.
반고체 금속(SSM) 주조는 변형 다이캐스팅 공정으로 일반 다이캐스팅 잔류 기공 감소/제거. 액체 금속 대신 반고체·반액체 고점도 공급재료 사용. 변형 다이캐스팅 기계로 반고체 슬러리 재사용 경화 강철 다이에 주입. 반고체 금속 고점도 + 제어된 다이 충전 조건 → 비난류 충전 → 유해 기공 본질적 제거. SSM 주조 상업적 주적용: 알루미늄·마그네슘 합금. 열처리 T4, T5, T6 템퍼 가능. 열처리, 빠른 냉각(무코팅 강철 다이), 최소 기공 조합 → 우수한 강도·연성 조합. 기타 장점: 복잡 형상 부품 생산, 넷 쉐이프, 기밀성, 엄밀 치수 공차, 얇은 벽 주조 가능.
영구 금형 주조(permanent mould casting)는 재사용 가능 금형(영구 금형, 통상 금속제) 사용하는 금속 주조 공정. 가장 일반적인 공정은 중력 충전. 가스 압력이나 진공도 사용. 통상 중력 주조 변형인 슬러시 주조(slush casting)로 중공 주물 생산. 주조 금속: 알루미늄, 마그네슘, 구리 합금. 기타: 주석, 아연, 납 합금. 철강도 흑연 금형 주조 가능. 영구 금형은 1회 초과 주조 가능하나 수명 한계 존재.
금형 양분은 금속제(통상 회주철, 강철, 내화 합금). 캐비티(러너·게이팅 시스템 포함) 금형 절반에 가공. 중공 부품: 영구 코어(금속제) 또는 사형 코어 사용(주조 후 손상 없이 코어 추출 가능 여부 따라 결정). 금형 표면 점토 등 내화물 코팅으로 금형 수명 연장. 주조 전 흑연/실리카 스프레이 윤활제로 피복: (1) 용융 금속 유동 개선, (2) 주물 금형서 용이 이탈. 자동화 가능 → 고처리량. 양호한 공차·표면 조도 생산.
주조 금형 2분할. 회주철이 열피로 저항 최상으로 주조 금형 주소재, 타: 강철, 청동, 흑연. 침식·열피로 저항 위해 선택. 수축 보상 위해 금형 붕괴성 없음 → 주조 응고 즉시 금형 개방 → 열균열 방지. 코어 사용 가능, 통상 모래/금속제. 최초 주조 사이클 전 금형 예열, 이후 연속 사용으로 사이클 간 균일 온도 유지 → 열피로 감소, 금속 유동 원활, 주조 금속 냉각 속도 제어. 벤팅 통상 양 금형 미세 틈새로, 부족 시 미세 벤트 홀(공기만 배출, 용융 금속 차단). 라이저(riser)로 수축 보상 → 수율 통상 60% 미만. 코팅 부족 시 기계식 이젝터 핀 사용(금형 곳곳 배치, 주물에 소형 원형 자국 남김).
영구 금형 주조 4주 유형: (1) 중력, (2) 슬러시, (3) 저압, (4) 진공.
소모성 금형 주조(expendable mould casting)는 모래, 플라스틱, 셸, 석고, 인베스트먼트(로스트 왁스) 금형 주조 포함 일반 분류. 임시·비재사용 금형 사용.
사형 주조(sand casting) = 사형 주조 공정. 가장 대중적·단순 주조 유형. 금형 재료로 모래 사용. 수세기 사용. 영구 금형 주조 대비 소량 배치 가능, 저비용. 모래 종류 따라 대부분 금속 주조 가능. 사형 주물은 주물사(주조 전문 공장)에서 생산. 전체 금속 주물 70% 이상 사형 주조로 생산.
주조용 모래 상대적 저렴, 강철 주조에도 충분히 내화. 모래 외 적합 결합제(통상 점토) 혼합/동반. 혼합물 수분 공급(통상 물, 타 물질도 가능) → 점토 강도·가소성 발현, 성형 적합 골재화. 모래 통상 프레임/몰드 박스 시스템 내 수용. 패턴(모래에 직접 조각) 주위 모래 다짐으로 금형 캐비티·게이트 시스템 생성.
사형 주조 리드타임 수일~수주(고생산율 1~20개/hr·금형). 대형 부품 생산에 타의 추종 불허. 그린(습윤) 모래 부품 중량 제한 거의 없음, 건조 모래 실용 부품 질량 한계 2,300~2,700kg. 최소 부품 중량 0.075~0.1kg. 모래 결합: 점토, 화학적 바인더, 중합유(모터오일 등). 모래 다수 조업 재사용 가능, 유지보수 최소.
사형 주조: 천연/합성 모래(호수 모래) 사용, 주내화물 실리카(SiO₂). 모래 입자: 치밀 다짐 가능할 만큼 작고, 금속 주입 중 생성 가스 기공 탈출 가능할 만큼 큼. 대형 금형: 그린 샌드(모래+점토+물). 모래 재사용, 초과 주입 금속 컷오프·재사용. 전형적 사형 금형 2분할: 상부 코프(cope), 하부 드래그(drag). 액체 금속 양분 사이 갭(금형 캐비티) 유입. 캐비티 형상: 목재 패턴(pattern) 사용, 패턴 형상 ≈ 주조품 형상. 깔때기 형상 캐비티: 상부 주입컵(pouring cup), 관목 스프루(sprue). 러너(runner): 스프루 하부~캐비티 연결 수평 중공 채널. 러너-캐비티 합류부: 게이트(gate). 금형 상면 연결 여분 캐비티: 라이저(riser) = 저수조 역할. 캐비티 내 금속 응고·수축 시 라이저 여분 금속 유입→구멍 방지. 벤트(vent): 캐비티-대기 연결 좁은 구멍, 가스·공기 배출. 코어(core): 주조품 내부 면 생성용(중공 부품, 금형 양분 직접 접근 불가 내부 캐비티). 코어: 바인더 혼합 모래 구워 형상 유지. 금형 조립: 드래그 캐비티 코어 배치 → 코프 덮기 → 금형 잠금. 주조 완료 후 모래 털어내고 코어 분리·파쇄.
석고 금형 주조(plaster mould casting)는 사형 주조 유사하나 금형 재료로 모래 대신 파리 석고(석고석, CaSO₄) 사용. 순수 파리 석고 아닌 첨가제(녹강도, 건조강도, 투기성, 주조성 개선) 첨가. 예: 탈크/산화마그네슘(균열 방지, 세팅 타임 단축), 석회/시멘트(베이킹 중 팽창 제한), 유리섬유(강도 증대). 모래 필러로 사용 가능. 성분비: 석고 70~80%, 첨가제 20~30%.
파리 석고: 백색 미분말, 물 혼합 시 점토 상태 → 패턴 주위 성형 가능. 석고 주물: 우수한 표면 조도·치수 정밀도 마감 가능. 단, 1200°C 이상서 연약·강도 부족 → 비철금속(아연, 구리, 알루미늄, 마그네슘) 주물 주용.
공정: (1) 석고 혼합, 패턴 이형제 박막 분사(석고 부착 방지), (2) 패턴 위 석고 주입, 진동으로 미세 특징 충전, (3) ~15분 석고 경화, 패턴 제거, (4) 금형 120~260°C 베이킹(여분 수분 제거), (5) 건조 금형 조립·예열·금속 주입, (6) 금속 응고 후 주물서 석고 파쇄. 사용 석고 재사용 불가.
석고 열전도도 낮아 주물 느린 냉각 → 균일 결정립 구조(휨·잔류 응력 적음).
금형 준비 1주 미만, 이후 1~10개/hr·금형 생산률, 45kg~30g 범위, 우수 표면 조도·밀착 공차. 석고 금형 주조: 저렴한 석고·니어 넷 쉐이프 능력으로 복잡 부품 타 금형 공정 대비 저렴 대안.
셸 몰딩(shell moulding) = 셸 몰드 주조. 수지 코팅 모래로 금형 형성 소모성 금형 주조. 사형 주조 유사하나 금형 캐비티가 플라스크 충전 모래 아닌 경화된 모래 '셸'로 형성. 사용 모래: 사형 주조보다 미세, 패턴 가열로 경화돼 패턴 주위 셸 형성되게 수지 혼합. 수지+미세 모래로 훨씬 미세 표면 조도 구현. 공정 용이 자동화, 사형 주조보다 정밀. 소형~중형 고정밀 복잡 품목에 이상적. 사형 주조 대비: 치수 정밀도 우위, 생산성 높음, 인력 소요 적음.
셸 몰딩: 사형 주조처럼 소모성 금형에 액체 금속 주입. 금형: 패턴 주위 모래-수지 혼합물 도포로 생성 얇은 벽 셸. 패턴(목표 부품 형상 금속 조각) 재사용해 다중 셸 금형 생성. 재사용 패턴 → 고생산률, 일회용 금형 → 복잡 형상 주조 가능. 필요: 금속 패턴, 오븐, 모래-수지 혼합물, 덤프 박스, 용융 금속.
셸 몰딩: 주철, 탄소강, 합금강, 스테인리스, 알루미늄 합금, 구리 합금 등 철/비철 모두 사용. 대표 부품: 기어 하우징, 실린더 헤드, 커넥팅 로드, 레버 암 등 소형~중형 고정밀 품목.
셸 몰딩 공정: (1) 금속(알루미늄/강철) 2분할 패턴 제작 → 175~370°C 가열 → 윤활제(실리콘 스프레이 등) 코팅, (2) 가열 반패턴 각각 모래+열경화 수지/에폭시 바인더 혼합물 피복 → 바인더가 모래층 패턴에 접착 → 셸 형성, (3) 반복으로 셸 두께 조절, (4) 조립체 베이킹 경화, (5) 패턴 제거, 양반 셸 결합 → 금형 완성, (6) 금속 주입, (7) 금속 응고 후 셸 파쇄해 부품 취출.
인베스트먼트 주조(investment casting) = 로스트 왁스 주조(lost-wax casting). 수천 년 전부터 시행, 로스트 왁스 공정은 가장 오래된 금속 성형 기법 중 하나. 5000년 전 밀랍 패턴 → 오늘날 하이테크 왁스, 내화물, 특수 합금으로 고품질 부품 생산(정확성, 재현성, 다용도성, 무결성 핵심 이점).
인베스트먼트 주조명 유래: 패턴이 내화물로 투자(invested, 둘러싸임). 왁스 패턴 취약(금형 제작 중 힘 견딤 못함) → 극심한 주의 필요. 장점: 왁스 재사용 가능.
인베스트먼트 주조 단계: (1) 왁스 패턴 사출 성형 제작, (2) 다중 패턴 중심 왁스 스프루에 조립, (3) 조립체 액체 세라믹 슬러리 침지 → 극미세 모래층 침지, 수회 층 필요, (4) 세라믹 건조, 왁스 용출, 세라믹 소성(왁스 완전 연소), (5) 중력 주입으로 셸에 용융 금속 충전. 응고 후 부품·게이트·스프루·주입컵 일체화 단일 주물. 중공 주조: 응고 전 여분 금속 배출, (6) 금속 응고 후 진동/워터 블라스팅으로 세라믹 셸 제거, (7) 고속 마찰톱으로 스프루서 부품 절단, 최종 부품 미세 마감.
다양한 금속·고성능 합금 넷 쉐이프 부품 반복 생산 적합. 통상 소형 주물용이나 항공기 도어 프레임 완전체 생산 사례도 있음(강 주물 300kg, 알루미늄 주물 30kg까지). 다이캐스팅/사형 주조 대비 고가이나, 인베스트먼트 주조로 생산 가능 부품은 복잡 윤곽 포함, 대부분 니어 넷 쉐이프 → 주조 후 재가공 거의 불필요.
진공 주조(vacuum casting) = 카운터 그래비티 주조(counter-gravity casting). 공기 포집 문제, 복잡 디테일/언더컷, 소재가 섬유/와이어 보강 시 사용. 기본 공정은 인베스트먼트 주조와 동일하나 금형 충전 단계(위 5번) 다름. 진공 펌프로 소재 위쪽 흡입해 금형 충전. 금형은 통상 주조 대비 역위치, 플라스크 내 액체 금속 속으로 낮춰짐. 장점: 금형 충전 후 잠시 압력 해제 시 미응고 금속 플라스크 귀환 → 중공 주조 생성 가능. 열 대부분 금형-금속 계면서 전도 → 금형 표면 최근접 금속 부분 우선 응고. 응고 전선 캐비티 안쪽 진행. 충전 직후 극단시간 배액 시 매우 얇은 벽 중공 물체 가능.
증발 패턴 주조(evaporative pattern casting)은 액체 금속 금형 캐비티 주입 시 증발하는 소재 패턴 사용 주조 공정. 패턴 소재 금형서 사전 제거 불필요. 가장 흔한 증발 패턴 소재: 폴리스티렌 폼. 2대 공정: 로스트 폼 주조, 풀 몰드 주조.
주차이: 로스트 폼 = 비결합 모래, 풀 몰드 = 결합 모래(그린 샌드). 차이 미미해 용어 중첩 다수. 비독점 용어 다수: 캐비티리스 주조, 증발 폼 주조, 폼 기화 주조, 로스트 패턴 주조, 캐스트랄 공정, 발포 폴리스티렌 몰딩. 독점 용어: 스타이로캐스트(Styro-cast), 폼캐스트(Foam cast), 레플리카스트(Replicast), 폴리캐스트(Policast).
제조공정
표면 처리를 언급하면 많은 분들이 금속 표면 처리만 생각합니다. 사실 플라스틱도 표면 처리가 가능합니다. 플라스틱 표면 처리는 물리적 또는 화학적 방법으로 소재 표면에 하나 이상의 특수 특성을 가진 표면층을 형성하는 것입니다. 제품 외관, 질감, 기능 등 성능 측면을 개선할 수 있습니다. 외관: 색상, 패턴, 로고, 광택 라인 (3D, 2D) 질감: 촉감, 거칠기, 수명(품질), 유선형 등 기능: 경화, 지문 방지, 스크래치 방지 1. 인몰드 데코레이션 기술 (IMD) 인몰드 데코레이션-IMD: 인쇄된 필름을 금형에 넣
어떤 정밀 제작이든 작업이 시작되기 전에 최종 프로젝트를 구성할 재료를 아는 것은 계획과 비용 산정에 중요합니다. 정밀 가공도 예외는 아닙니다. 어떤 재료와 금속을 사용할지 알면 잠재 고객에게 더 정확한 견적과 가격을 제시할 수 있습니다. 오늘은 가공에 사용하는 금속 종류에 대해 이야기하고자 합니다. 실제로 프로젝트 작업 시 사용할 수 있는 금속은 다섯 가지 유형이 있습니다. 각 금속은 서로 다른 특성을 가지며, 따라서 각각 장단점이 있습니다. 이에 대해 알아보겠습니다: 1. 철계 금속 (Ferrous Metals) 철계 금속은
