금속 주조소의 6가지 핵심 주조 공정 알아보기

이 글에서는 금속 가공 주조소에서 흔히 적용되는 6가지 주조 공정 유형을 나열하고 설명합니다. 각 주조 기술의 유형, 장단점, 적용 분야를 확인해 보세요.

주조는 주조소에서 금속을 녹여 금형에 붓고 응고시키는 금속 가공 공정으로, 기계 공학, 자동차 부품, 항공우주 부품부터 일상 생활용품까지 다양한 산업에 쓰이는 주조 부품을 제조합니다.

주조 공정은 금속을 녹이고, 금형에 붓고, 응고를 기다리는 방식으로 작동합니다. 수거된 조주품은 그대로 사용하거나 추가 가공 단계를 거쳐야 할 수도 있습니다.

금속 주조는 금속의 경도와 관계없이 복잡한 형상의 부품을 제작할 수 있는 매우 유연한 공정으로, 오직 금속의 용융 온도에만 의존합니다. 녹일 수 있는 모든 금속은 주조할 수 있다고 할 수 있습니다.

금속 가공에는 다양한 기술이 있으며, 각 주조소는 특정 주조 공정에 투자하고 전문화합니다. 이 글에서는 금속 주조소에서 흔히 사용되는 6가지 주조 공정 유형을 소개합니다. 다양한 금속 주조 방법으로 주조 부품이 어떻게 가공되는지, 각 기술의 장단점은 무엇인지 알아보세요.

1. 녹사 주조 (Green Sand Casting)

녹사 주조란 무엇인가?

녹사 기법은 주조 산업에서 오랜 전통을 가지고 있지만, 그 효과 덕분에 오늘날에도 널리 사용됩니다. 녹사 주조는 주조소에서 가장 전통적이고 선호되는 주조 유형 중 하나입니다.

이 주조 공정에서는 사형이 대량 생산됩니다. 각 사형은 한 번 사용 후 조주품을 수거하기 위해 파쇄됩니다.

수지 사형 주조와 달리 녹사는 수분을 함유한 것이 특징입니다. "녹사(green)"라는 용어는 색깔이 아니라 모래의 수분 질감을 의미하며, 점토 결합제 덕분에 자연적으로 결합하는 능력을 가집니다.

녹사 금형 구성

녹사 금형을 만들기 위해 금속 주조소는 다음 구성 요소를 배합합니다:

• 모래: 실리카 모래(SiO2), 크로마이트 모래(FeCr2O4), 또는 지르콘 모래(ZrSiO4) (약 75~85%)
• 벤토나이트 점토: (5~11%)
• 물 (2~4%)
• 기타 (3~5%)

녹사 주조 공정

녹사 주조는 다음 단계를 거쳐 처리됩니다.

• 1단계: 정해진 비율로 모래를 혼합합니다. 이는 모래 혼합물의 결합력을 결정하는 매우 중요한 단계입니다. 각 금속 주조소는 위 비율을 따르지만, 다른 첨가제를 더해 비밀 배합 공식을 가지기도 합니다.
• 2단계: 몰드 메이커에 모래를 넣고 패턴을 눌러 금형 공동을 만듭니다. 오늘날 주조소는 코프와 드래그 장치를 사용해 사형을 만듭니다.
• 3단계: 패턴을 제거하면, 의도한 주조품과 유사한 형태의 금형 공동이 생성됩니다.
• 4단계: 금형 표면에 코팅층을 도포해 표면 광택과 내열성을 높입니다.
• 5단계: 용융 금속을 금형 공동에 붓고 냉각합니다. 조주품을 수거하고 필요시 추가 가공 단계를 진행합니다.
• 6단계: 대량 생산을 위해 충분한 금형이 만들어질 때까지 이 단계를 반복합니다.

녹사 주조 특징

장점:

• 경제적이고 저렴한 생산 방식, 특히 소량 생산에 적합
• 공장 설비에 매우 높은 기술 투자가 필요하지 않음
• 중량 및 대량 주조 주문에도 적용 가능
• 모든 합금을 금형에 부을 수 있음 (철계 및 비철계 재료 모두). 거의 모든 패턴과 디자인에 사용 가능
• 주조품 수거 후 모래를 재사용할 수 있어 주조소의 원자재 비용 절감

한계

• 주조 크기 제한. 1~500파운드 무게 범위의 주조품 제작 가능. 더 큰 것은 다른 주조 공법 고려 필요
• 복잡한 주조 디테일 주조에 부적합
• 큰 공차로 인해 추가 가공 처리 필요
• 블로우홀, 기공 등 주조 결함 우려 있으나 주조소의 기술적 노하우로 제어 가능

녹사 주조 적용 분야

녹사 주조는 다양한 용도로 매우 인기가 높습니다. 미국에서는 주조 부품의 42%가 녹사 공정으로 제작되며, 비교 대상인 노베이크 주조는 40%로 두 번째로 인기 있는 주조 방법입니다.

가로등, 벤치, 쓰레기통 같은 실외 장식품부터 엔지니어링 부품, 자동차 부품, 항공우주, 펌프 하우징, 해양 부이 추 등 녹사 주조 부품을 찾아볼 수 있습니다.

녹사 주조에 대해 더 읽어보기.

2. 퓨란 수지 사형 주조 (Furan Resin Sand Casting)

퓨란 수지 사형 주조란 무엇인가?

금속 주조소의 또 다른 일반적인 주조 공정 유형은 퓨란 수지 사형 주조입니다. 녹사가 자연 결합을 제공하는 것과 달리, 퓨란 수지 사형 주조는 촉매와 결합제에 의존해 모래를 결합합니다. 이 주조법에서는 모래, 퓨란 수지, 촉매를 혼합하고 화학 반응으로 모래 혼합물이 자가 경화됩니다.

수거된 조주품은 타 주조법에 비해 우수한 표면 조도와 높은 정밀도를 자랑합니다.

퓨란 수지 사형 금형 구성

퓨란 수지 사형 주조에서 금형은 다음 배합으로 만들어집니다:

• 모래: 실리카 모래(SiO2) (40~60%)
• 퓨란 수지: 주조 중량에 따라 0.7~1.3%. 주조 요구사항과 부품 구조에 따라 질소가 적게 필요하거나 불필요함.

퓨란 수지는 이 주조법에서 중요한 역할을 합니다. 75% 푸르푸릴알코올 + 11% 포름알데히드 + 9% 우레아 + 5% 물로 이루어진 고분자 화합물입니다. 포름알데히드와 우레아의 비율은 수지 혼합물의 경화 시간과 강도에 영향을 주며, 푸르푸릴알코올(FA)은 혼합물의 내열 특성에 영향을 줍니다.

• 촉매: 경화제 및 부착제 (30~50%)

퓨란 수지 사형 주조 공정

퓨란 수지 사형 주조 공정은 다음 차트로 설명됩니다:

퓨란 수지 사형 주조 특징

장점

• 엄격한 공차와 높은 정밀도
• 타 주조법 대비 매우 우수한 매끄러운 주조 표면 마감 제공
• 모래 구멍, 기공, 수축 등 주조 결함 최소화
• 주조 크기 유연성. 수십 킬로그램에서 수 톤 무게의 대형 제품 제작 가능

한계

• 타 주조 공정보다 비용이 더 많이 듬
• 원자재에 대한 엄격한 요구사항
• 환경 오염 우려 발생

퓨란 수지 사형 주조 적용 분야

뛰어난 장점 덕분에 퓨란 수지 사형 주조는 높은 정밀도와 엄격한 공차가 요구되는 복잡하고 세밀한 부품 주조에 선호됩니다. 자동차 부품, 농기계 부품, 항공우주 부품, 선박 엔진 등이 대표적입니다.

퓨란 수지 사형 주조에 대해 더 읽어보기.

3. 로스트 폼 주조 (Lost Foam Casting)

로스트 폼 주조란 무엇인가?

로스트 폼 주조는 인베스트먼트 주조와 유사한 소실 패턴 공정의 일종입니다. 왁스 대신 폼으로 패턴을 만듭니다.

사형 주조에서는 패턴을 제거해 재사용할 수 있지만, 로스트 폼에서는 패턴을 한 번만 사용하고 용융 금속을 부을 때 증발해 주조품을 형성합니다.

사형 주조만큼 대중적이지는 않지만, 로스트 폼 주조는 소형 및 중형 디테일 주조 부품의 대량 생산에 적합한 꽤 훌륭한 특징을 가진 주조 공정 유형 중 하나입니다.

로스트 폼 주조 공정

로스트 폼 주조 공정은 다음 단계를 따릅니다:

• 1단계: 패턴 제작. 로스트 폼 패턴은 절단기 또는 폴리스티렌 비드 사출 성형법으로 제작할 수 있습니다. 패턴은 완성된 패턴(단순 디자인)일 수도 있고, 여러 섹션을 접착해 의도한 주조품의 복제품을 만들 수도 있습니다.
• 2단계: 금형 표면의 내구성을 높이고 침식과 파손을 방지하기 위한 단열 도료 코팅
• 3단계: 폼 패턴을 플라스크에 넣고 비결합 모래로 둘러싼 뒤 다짐
• 4단계: 용융 금속 주입, 폼 패턴 증발, 조주품 형성
• 5단계: 잔여 모래 세척 및 필요시 추가 가공

로스트 폼 주조 특징

장점

• 유연한 디자인
• 타 주조 공정에서는 상상하기 어려운 복잡한 형상 주조 가능
• 높은 정밀도와 엄격한 공차
• 코어 결함 없음, 금형 변위 없음, 우수한 표면 조도
• 가공 시간 단축
• 생산 및 투자 비용 절감

한계

• 타 방법보다 비용이 더 많이 듦
• 설치나 소량 주문 시 비용이 매우 많이 듦

로스트 폼 주조 적용 분야

로스트 폼 주조는 어떤 디자인과 합금 유형에도 제한되지 않습니다. 다른 공법으로 불가능한 복잡한 주조 부품 주조에 주로 선택됩니다. 예: 자동차 세부 부품, 고정밀 기계 요소, 복잡한 코어 제품 등.

로스트 폼 주조에 대해 더 읽어보기.

4. 인베스트먼트 주조 (Investment Casting)

인베스트먼트 주조란 무엇인가?

인베스트먼트 주조 또는 로스트 왁스 주조는 복잡하고 얇은 벽 두께의 형상을 주조하는 데 사용되는 고급 주조법입니다. 이 공정은 로스트 폼 주조와 유사하지만, 폼 패턴 대신 사출법으로 일회용 왁스 패턴을 만들고 내화물로 여러 층 코팅합니다.

왁스 패턴을 녹여 금형 공동을 만들고 용융 금속을 부을 준비를 합니다. 패턴은 한 번만 사용되며, 각 주조품마다 패턴이 필요합니다.

이 방법은 높은 정밀도로 디테일을 주조하는 특징이 있어, 기계 제조 산업용 제품, 특히 소형 디테일, 고정밀, 가공 불필요 또는 가공 불가능한 제품 생산에 선호됩니다.

인베스트먼트 주조 공정

• 1단계: 마스터 패턴 및 금형 제작
• 2단계: 금형에 왁스 주입해 왁스 패턴 제작
• 3단계: 패턴 섹션 조립
• 4단계: 쉘 제작
• 5단계: 열로 탈왁스
• 6단계: 용융 금속 주입
• 7단계: 쉘 파쇄
• 8단계: 게이트 절단
• 9단계: 완제품 주조품

인베스트먼트 주조 특징

장점

인베스트먼트 주조는 많은 장점을 가진 현대적인 주조 접근법입니다.

• 사형 주조 대비 더 나은 복잡한 디테일, 얇은 벽, 높은 표면 품질 구현 가능하며 가공 작업을 크게 줄임. 많은 완제품 주조품을 즉시 사용 가능
• 몇 그램에서 1톤까지 다양한 무게의 제품 제작 가능
• 스테인리스강, 얇은 강철 등 난용 합금 주조 가능
• 주조 표면이 고정밀이고 광택 있음
• 주조품의 균열이나 변형 가능성이 낮음

한계

• 높은 노동 강도
• 긴 생산 주기
• 금형 제조 비용이 높음

인베스트먼트 주조 적용 분야

복잡한 주조품, 또는 대량 생산으로 기어, 자전거 트렁크, 모터사이클 디스크, 블라스팅 머신 예비 부품 등을 제작. 주조 중량 0.02~100kg, 두께 0.3mm, 구멍 직경 2mm까지 가능.

5. 다이 캐스팅 (Die Casting)

다이 캐스팅이란 무엇인가?

다이 캐스팅은 고압 하에서 금형 재료를 성형하는 공법으로, 비철 금속 및 합금 주조에 적용됩니다.

완전 자동화 라인 적용 덕분에 높은 생산성과 단순화된 공정이 장점이라, 대량 주문용 부품 주조에 사용됩니다. 수거된 조주품은 엄격한 공차, 높은 정밀도, 우수한 광택 표면 마감을 가집니다.

다이 캐스팅 공정

• 1단계: 금속을 용융해 유동 상태로 만듦
• 2단계: 용융 금속을 챔버에 주입
• 3단계: 고압 피스톤 사출 시스템이 유체를 금형으로 밀어 넣음
• 4단계: 주조품이 응고될 때까지 대기 후 코어 제거
• 5단계: 래치가 물체를 배출
• 5단계: 스크랩 제거 후 다음 세그먼트 계속

다이 캐스팅 공정 전체는 주조품의 내구성을 보장하기 위해 고압 피스톤과 타이트한 프레스를 사용합니다. 자동 라인 공정으로 주조 품질은 용융 금속 성분, 기계 시스템, 주조 압력 등 여러 요인에 좌우됩니다.

다이 캐스팅 특징

장점

• 엄격한 공차와 높은 정밀도
• 1mm 두께의 얇은 벽 주조 가능
• 높은 광택의 주조 표면
• 치수 일관성과 균일한 디자인
• 가공 작업 감소
• 대량 생산 효율성 높고 벌크 주문에 적합
• 완전 자동화 라인으로 인건비 절감

한계

• 비싼 툴링 비용
• 고급 기계 설비 투자 필요
• 금형 디자인에 제약

다이 캐스팅 적용 분야

다이 캐스팅은 피스톤, 크랭크축, 기어박스 등 소형 부품, 대량 주문에 주로 사용됩니다. 보통 5kg까지 주조품 생산 가능하지만, 50kg까지 주조 사례도 있으나 가격이 매우 높습니다.

다이 캐스팅용 합금은 균일해야 하며, 용융 시 좋은 유동성을 갖고 성분이 안정되어 금형에 들러붙지 않아야 하며, 고온에서 소성 강도를 가져야 합니다. 구리, 알루미늄, 스테인리스강이 이 주조 기술에 주로 쓰입니다.

다이 캐스팅에서 알루미늄 합금이 다른 모든 합금보다 가장 많이 사용됩니다. 미국만 해도 알루미늄 다이 캐스팅 시장 규모가 연간 25억 달러에 달합니다. 특히 알루미늄 다이 캐스팅은 다른 모든 공법을 합친 것보다 2배 많습니다.

6. 영구 금형 주조 (Permanent Mold Casting)

영구 금형 주조란 무엇인가?

영구 금형 주조는 금속 금형 주조라고도 하며, 다이 캐스팅처럼 금속으로 금형을 만드는 주조 공정입니다. 단일 재사용 금형을 사용해 대량의 주조품을 생산합니다. 금형을 여러 번 재사용할 수 있어 '영구 금형 공법'이라 부릅니다.

영구 금형 주조는 다이 캐스팅보다 큰 주조품에 적합하며, 약 10kg, 물론 더 높게 20kg, 심지어 50kg까지 가능하지만 비용이 더 듭니다.

영구 금형 주조 공정

영구 금형 주조 공정은 간단히 다음 단계로 구성됩니다:

• 1단계: 용융 금속을 금형에 주입
• 2단계: 냉각 및 응고 대기
• 3단계: 금형 개방 및 주조품 수거
• 4단계: 필요한 만큼 위 공정 반복

특히 이 공정의 금형은 주철 같은 고온 금속 재료로 만들어져, 대량 생산 시 반복되는 가열과 냉각을 견딜 수 있습니다.

영구 금형 주조 특징

장점

• 높은 정밀도와 엄격한 공차의 주조 결과
• 사형 주조보다 결함이 적고 우수한 표면 마감
• 주조품의 높은 강도, 인성, 연성
• 금형 내구성이 높음
• 금형 제작 시간 절약으로 높은 생산성, 생산 비용 절감

한계

• 너무 복잡하거나 벽이 두껍고 무거운 물체 주조 어려움
• 금형 제조 비용이 높음
• 주조품을 금형에서 밀어내는 기구가 필요해 주조품에 덴트가 생길 수 있음

영구 금형 주조 적용 분야

이 영구 주조 금형은 용융점이 낮은 알루미늄, 마그네슘, 구리 합금, 회주철 주조에 가장 흔히 사용됩니다. 25kg 이하의 단순하고 소형 또는 중형 주조품의 대량 생산에 적합합니다. 예: 피스톤, 기어 빌릿, 주방용품, 공작 기계 부품, 항공기 휠, 펌프 부품 등. 복잡한 내부 형상의 물체는 사형 코어 사용 권장.

요약

위 내용은 금속 주조소 제조사에서 흔히 사용되는 6가지 주조 공정 유형을 나열하고 분석했습니다. 전반적으로 각 주조 기술은 저마다 강점과 한계를 가집니다. 주조 요구사항과 프로젝트 수요에 따라 주조소는 용도에 맞는 주조 공정을 고려하게 됩니다.

세계 시장에 도매하는 선도적인 주조 기업 중 하나인 VIC은 녹사 주조, 퓨란 수지 주조, 로스트 폼 주조라는 세 가지 주요 주조 기술을 보유한 사형 주조소입니다. 이 세 가지 주조 유형으로 소형, 중형, 대형부터 단순, 복잡한 형상 디자인까지 모든 주조 부품을 제조할 수 있습니다. OEM 주조 부품 프로젝트는 VIC 주조소로 이메일 ADMIN@MFGROBOTS.COM 문의 바랍니다.