주조 공정에서 코어 제작 마스터하기: 정밀함과 복잡성의 샌드 캐스팅

코어는 샌드 캐스팅의 복잡성을 지원합니다

금속 주조에서 코어란 무엇인가?

코어는 주 패턴으로 형상을 만들 수 없는 주물 부분을 형성하기 위해 사용하는 모래 또는 금속 인서트입니다. 패턴을 모래에 눌러 빼내면 오목한 인상이 남고, 여기에 용융 금속을 부어 식히면 주물이 됩니다. 코어는 설계에 더 많은 복잡성을 부여하기 위해 만들어집니다. 잘 제작된 코어는 주물 내에 구멍이나 챔버를 만듭니다. 자동차 엔진 금형에는 연소 엔진 작동에 필요한 챔버를 만들기 위해 최대 5개의 코어가 사용될 수 있습니다.

코어는 패턴으로는 불가능한 각도를 만드는 데도 도움이 됩니다. 빈 공간 위에 돌출된 부분이 있으면 패턴을 빼낼 때 돌출부가 부러집니다. 이런 경우 코어를 사용합니다.

내부 코어를 사용하는 주물은 보통 금형 외피에 구멍이 있어 주조 후 코어를 빼낼 수 있습니다. 이 구멍은 후처리 과정에서 기계적으로 막을 수도 있습니다.

모래로 만든 코어는 분해되도록 설계되어 있습니다. 내부 코어는 공정 마지막에 흔들어 빼내는 '셰이크아웃' 과정을 거칩니다. 셰이크아웃 구멍은 코어 배치에도 도움이 됩니다. 코어가 금형에 닿는 부분에는 용융 금속이 흐를 수 없으므로, 일정한 금속 두께를 얻으려면 코어가 측면과 닿지 않고 공간을 '브리지'해야 합니다. 이를 위해 코어는 주물보다 길게 만들어 주조 패턴 바깥쪽 모래의 홈에 고정합니다.

챕릿을 이용한 코어 지지

코어가 매우 길거나 한쪽 끝만 금형 밖으로 나와 있을 때는 챕릿(chaplets)을 사용해 코어를 고정합니다. 챕릿은 주물과 같은 금속으로 만드는 경우가 많습니다. 챕릿의 일부 금속이 주물에 융합되기 때문입니다. 주물과 견고하게 결합하려면 챕릿 표면이 녹아야 하지만, 먼저 코어를 지탱하는 역할을 해야 합니다. 따라서 챕릿 설계는 까다로운 야금 공정으로, 가능하면 피하는 것이 좋습니다. 챕릿 사용 시 약점이나 주조 결함이 생길 수 있기 때문입니다.

그러나 챕릿은 주물 내 특정 구조를 만들 때 유일한 방법이 되기도 합니다. 모래 코어는 용융 금속 위에 뜨기 쉬워, 떠오르다 부러질 수 있습니다. 위아래에 챕릿을 설치하면 코어를 올바른 위치에 유지할 수 있습니다. 위쪽 챕릿이 더 강해야 금형 내 금속과 가스의 상향 압력을 견딜 수 있습니다.

강도 높은 모래 만들기

코어가 뜨는 경향은 코어 모래의 기계적 강도를 정확히 이해해야 하는 이유 중 하나입니다. 코어 모래의 전단 강도와 인장 강도 시험은 파운드리 모래 문서에서 다룬 시험과 유사합니다. 모래의 전단 강도가 금형 충전 시 용융 금속 압력보다 낮으면 코어가 갈라져 주물 본체에 왜곡이 생길 수 있습니다.

바인더는 코어 모래 제조의 핵심입니다. 그린 샌드 코어는 표준 습식 성형 모래 혼합물에 덱스트린 같은 바인더를 섞어 만듭니다. 이 유형은 매우 연약해 취급을 쉽게 하려고 아버(arbor)나 내부 와이어를 넣기도 합니다. 드라이 샌드 코어는 물을 포함하지 않으며, 실리카 모래와 표면을 경화시키는 바인더로 만듭니다.

1980년대부터 코어 바인더 기술에 전환이 일어났습니다. 수백 년 동안 코어 오일이 전통적 바인더였고, 지금도 일부 사용됩니다. 아마씨유에 소량의 수지와 고급 등유 같은 희석제를 섞어 건조 주조 모래에 첨가하면 코어 모래가 됩니다. 옥수수 가루, 덱스트린, 제지 부산물, 단백질 바인더 같은 첨가제로 코어를 강화하기도 합니다. 이들은 주입 고열에서 타버려 코어가 무너져 쉽게 셰이크아웃됩니다. 다른 전통 바인더로는 석탄 타르 피치와 석유 피치가 있으며, 대형 코어에 특히 안정적입니다. 목재와 검 로진도 코어 붕괴성을 높이려 전통적으로 쓰였으나, 열과 습기에서 덩어리지는 경향이 있습니다. 이들 전통 화합물 다수는 바람직한 특성은 유지하면서 문제점을 없앤 합성 옵션으로 대체되었습니다.

현대 파운드리는 더 깨끗한 코어 제조 공정으로 대기 질을 개선하고 현장 적용을 쉽게 했습니다. 이러한 합성 '케미컬 세트' 코어는 저온 베이킹, 셰이크아웃 시 쉬운 붕괴, 코어 제조 중 가스 발생 감소 등 여러 이점이 있습니다.

오늘날 가장 흔한 코어 바인더는 요소 및 페놀-포름알데히드 계열 플라스틱과 푸란 수지입니다. 수지 바인더 공정은 콜드 세팅, 콜드 박스/가스 경화, 핫 큐어링 세 가지로 나뉩니다.

콜드 세팅 공정은 마지막 첨가제를 모래에 저으면 시멘트처럼 경화되기 시작합니다. 화학적 자가 경화 공정으로, 푸란 수지와 산 촉매 페놀-포름알데히드 수지가 대표적입니다. 설폰산을 저으면 경화가 시작됩니다. 타이밍이 중요해 너무 느리면 생산에 지장, 너무 빠르면 반응 관리가 어렵습니다.

콜드 박스, 또는 가스 경화 공정은 코어 박스에 가스를 주입해 바인더와 화학 반응으로 경화시킵니다. 예를 들어 푸란 수지나 에폭시로 강화한 모래는 SO₂로 경화할 수 있습니다. 규산나트륨(워터 글라스)은 CO₂ 공정으로 경화합니다.

핫 큐어링 공정은 열로 코어 모래를 경화시킵니다. 전통 바인더인 아마씨 코어 오일은 핫 큐어링으로 굳힙니다. 셸 공정에서는 파운드리가 화학 처리를 할 필요 없이, 미리 혼합되거나 코팅된 모래를 사용해 베이킹 시 단단한 셸을 만듭니다. 보통 완전히 경화할 필요는 없습니다. 핫 박스와 웜 박스 공정은 푸란이나 페놀 수지와 촉매 산염을 써서 코어 박스를 가열하면 경화됩니다. (수지 종류와 경화 온도만 다릅니다.)

코어 제작 방법

코어는 샌드 금형과 같은 여러 방법으로 만듭니다. 여기에 코어 블로워와 스크류 피드 머신도 사용합니다.

코어 블로워는 약 100 lb/in² 압축 공기로 모래를 코어 박스에 밀어 넣습니다. 소형 및 중형 코어 제작에 모두 적합하며, 매우 균일한 코어를 고속 생산할 수 있습니다.

스크류 피드 머신은 보통 원통형 플레인 코어를 압출합니다. 코어 모래를 다이를 통해 코어 플레이트로 밀어냅니다. 이 머신은 긴 압출 실린더를 구운 후 원하는 길이로 잘라 쓰는 스톡 코어 생산에 한정됩니다.

코어 드라이어는 케이크 팬처럼 코어가 코어 오븐에서 구워지는 동안 모양을 지탱합니다. 보통 가벼운 철제나 알루미늄 골조 상자로, 내부 모양이 코어의 코프 부분과 거의 일치합니다. 평판에 놓으면 부서지거나 부품이 떨어질 코어는 코어 드라이어에 넣어 오븐을 통과시킵니다.

코어 배치

코어가 경화되면 보통 손으로 마무리합니다. 코어 박스 분할선에 '핀'이 생겨 다듬어야 할 수 있습니다. 필요한 모양이 현장 코어 박스와 오븐보다 크면 여러 부품으로 만들기도 합니다. 분할 코어는 경화 후 조립합니다. 코어가 매끄럽게 결합되면 랙에 올려 금형 사용을 기다립니다.

코어는 기계가 아닌 파운드리 작업자가 조심스럽게 배치합니다. 챕릿이 있으면 드래그에 먼저 넣고 코어를 올립니다. 작업자는 코어가 금형에 정확히 앉았고 결함이 없는지 확인합니다. 필요한 챕릿을 코프에 놓고 모든 게 좋으면 코프를 드래그 위에 덮고 클램프로 고정합니다.

코어는 샌드 캐스팅에 유연성을 부여합니다

모래 코어를 만들고 배치하는 능력은 주조 공정의 필수 요소입니다.

어떤 경우 코어는 최종 부품 기능에 필수적입니다. 튜브, 엔진 등 기계 장치는 작동을 위해 중공이어야 합니다. 장식품에서도 코어는 총 금속 비용을 줄여줍니다. 특히 주철 주조 시 코어로 최종 제품 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 단단한 강철의 기계적 강도가 필요하면 부적절하지만, 다른 상황에서는 제품 기능에 필수적이지 않아도 코어가 좋은 설계 고려사항이 됩니다.