10장 소모주형주조공정 (Expendable-Mold Casting Processes)

10.1 개요 ● 소모주형: 한 번 쓰고 버리는 주형 (모래, 석고, 세라믹, 내화물질 등) + 결합제 ● 재사용주형: 금속 주형재료

10.2 사형주조 (Sand Casting) ● 주물사에 점토와 물을 약간 혼합 (성형성 향상, 결합강도 증가) ● 주형을 깨뜨리고 주물 제거 ⇒ 주조 시마다 새 주형을 만들어야 함

10.2 사형주조 (Sand Casting) 10.2 사형주조 (Sand Casting)

10.2 사형주조 (Sand Casting) 10.2 사형주조 (Sand Casting)

모형재료 ● 목형 (나무) ▶ 쉽게 제작, 적은 수의 주물에 사용 ▶ 습도변화에 따라 변형, 팽창, 닳아 치수 불안정 ● 금형 (금속) 비싸나 치수가 정밀하고 긴 수명 ● 발포된 폴리스티렌 (스티로폴): ● 왁스모형

모형의 종류 ● 단체모형(one-piece pattern) - 소량생산용 모양이 단순

모형의 종류 모형의 종류 ● 분할모형(split pattern) - 중간 정도 양의 주물에 사용 분리면을 따라 두 조각  

모형의 종류 모형의 종류 ● 판조합모형(match-plate pattern) - 분할모형의 상하부는 판조합에 영구 고정 - 조형기와 함께 사용하여 주물을 대량생산

모형의 종류 모형의 종류

모형의 종류 모형의 종류 ● 분리형 조각모형(loose-piece pattern) - 모형을 빼내기 어려운 경우 사용 - 조형 후 모형을 빼냄 ⇒ 만들어진 구멍에서 나머지 부분을 움직여 추출 - 고가, 조형공정이 느림, 비용 증가 ⇒ 쓰지 않는 것이 바람직

주물사가 갖추어야 할 조건 ● 내화성: ※ 용융점 > 2000°C ● 점착성 (결합성, 성형성): 결합제 사용 ● 통기성: 가스 배출 능력 ● 붕괴성: 응고 후 수축 허용

생사(green sand) 혼합물 ● 구성 - 88% 실리카 모래 - 9% 점토 - 3% 물

주물사 시험 ● 입자크기 건조사를 11개의 줄어드는 표준 체에 둠 ⇒ 흔든 후 각 체에 남아 있는 양의 무게 측정 ⇒ AFS 입자크기 숫자로 변환   ● 습기량 - 두 개의 뾰족한 부분사이에 압축된 모래샘플의 전기전도율을 측정 - 50g의 샘플에서 물 제거 ⇒ 무게의 손실 ● 점토량 50그램의 주물사로부터 점토를 씻어냄 ⇒ 건조시켜 무게차로 결정

통기성과 강도시험 ※ 표준시편: 모래를 2” 직경의 강튜브에 두고 14 lb 무게를 2“ 높이에서 세 번 떨어뜨려 ⇒ 시편의 최종높이 2”   ● 통기성 표준시편을 포함한 샘플튜브에 10 g/cm2의 공기압력 가함 ⇒ 유동속도나 오리피스와 모래사이의 압력을 측정 ⇒ AFS 통기성번호 결정

통기성과 강도시험 통기성과 강도시험

모래관련 결함 ● 고온의 금속 주입 ⇒ 주형공동에 인접한 모래는 고온이 되고 팽창, 나머지 부분은 낮은 온도이어서 팽창하지 않으며 큰 기계적 구속을 줌 ⇒ 주형표면에 있는 모래는 좌굴되거나 주름 발생   ● 기포 발생 낮은 통기성, 높은 습기나 지나친 휘발첨가제에 의해 생긴 가스에 기인 ⇒ 배출통로를 마련 (주형제작비 상승)

모래관련 결함 모래관련 결함 ● 용입(penetration): 주물 표면에 모래가 파묻힘 - 높은 주입온도(지나친 유동성), 높은 용융압력 - 거칠고 균일한 입자로 구성된 고통기성 모래를 사용한 결과  세립재료를 첨가하여 공극을 채움 (통기성을 줄임)

모래관련 결함 모래관련 결함 ● 고온균열 - 큰 응결영역을 가진 합금 주물에 형성 - 주형 붕괴성 부족이 원인 - 응고 중 금속은 수축하려 하나 강한 주형이나 코어에 의해 구속 - 인장응력은 금속이 부분 액체인 동안 발생하고, 지나치게 크면 주물에 균열 발생

사형의 제작 ● 소량 - 수작업 ● 대량 - 조형기(molding machine), 판조합 모형 사용

생사조형 ● 상당히 저가 ● 거친 표면조도, 낮은 치수정확도, 추가가공 필요 ● 주형재료의 낮은 강도와 결합제에 포함된 습기로 인해 발생

생사조형으로 만든 알루미늄 제품

건조사주형 ● 습기 제거될 때까지 구움 ⇒ 주형을 강하게, 발생 가스량을 줄임 ● 건조에 긴 시간이 필요하고 비용이 커짐 ※ 대안: 주형공동에 인접한 모래만을 건조시켜 표면건조주형 ⇒ 토치 사용하여 표면건조

셸몰딩 (Shell Molding) ● 우수한 표면조도, 우수한 치수정확도, 적은 노동 요구로, 생산성이 높음

셸몰딩 (Shell Molding) 셸몰딩 (Shell Molding) ● 모래와 열가소성 플라스틱 결합제를 섞은 것을 300-45°F(150-23°C)로 가열된 금형 위에 넣음 ● 모형과 모래혼합물을 뒤집음 ● 모형과 부분 경화된 셸은 오븐 내에 몇 분간 경화 ● 경화된 셸을 모형으로부터 벗겨냄 ● 두 개 이상의 셸은 체결하거나 접착제로 붙임 ● 결합된 셸은 주입자켓 내에 두고 금속쇼트나 모래로 둘러싸서 주입 중에 셸을 추가로 지지

셸몰딩 (Shell Molding) 셸몰딩 (Shell Molding) ● 우수한 치수정확도 ● 매끄러운 주물표면 ⇒ 세척, 가공, 다듬질비용↓ ● 탕도계를 주형제작 후 만들 수 없으므로 설계에 포함되어야 함 ● 얇은 셸이므로 주입 중에 생기는 가스가 쉽게 배출 ● 일부 수지는 타서 우수한 붕괴성

셸몰딩 (Shell Molding) 셸몰딩 (Shell Molding)

10.3 코어와 코어 제작 내부공동이나 오목한 부분을 비교적 쉽게 포함 ● 생사 코어 - 비교적 낮은 강도   ● 생사 코어 - 비교적 낮은 강도 - 가늘고 긴 코어 ⇒ 깨뜨리지 않고 모형분리 어렵거나 강하지 못함, 드래프트 제거시 가공 필요 - 복잡한 형상은 모형을 빼내기 불가능하고 생사코어를 사용할 수 없음

10.3 코어와 코어 제작 10.3 코어와 코어 제작 ● 건조사코어(dry-sand core) - 모래를 결합제와 섞어서 원하는 형상의 공동을 포함한 코어박스에서 다짐 - 굽거나 경화 - 코어부는 결합제를 사용하여 결합 - 분리선을 따라 거친 부분 제거 - 흑연, 실리카, 혹은 운모를 얇게 코팅  

10.3 코어와 코어 제작 10.3 코어와 코어 제작

10.3 코어와 코어 제작 10.3 코어와 코어 제작

코어가 가져야 할 특성 ● 충분한 경도와 강도(굽거나 경화 후) 경화전의 조건에서 취급하기에 충분한 강도 ● 충분한 통기성 코어는 용융금속에 의해 둘러싸이므로 극히 우수한 통기성 ● 붕괴성 - 응고하는 주물이 냉각될 때 수축을 허용하기에 충분할 만큼 약해야 ⇒ 균열 방지 - 흔들어 최종제품의 내부로부터 모래를 쉽게 제거할 수 있어야 함 ● 충분한 내화성 코어는 고온금속에 둘러싸여 있음

세라믹 주형주조 (Ceramic Mold Casting) ● 세라믹 슬러리를 주형재료로 사용하여 빼낼 수 있는 모형 주위에 성형 (고융점 금속에 견딤, 고가) ● 얇은 부분, 세밀한 부분과 매끄러운 표면, 다듬질가공을 상당량 줄일 수 있음

세라믹 주형주조

쇼(Shaw)공정 ● 가장 많이 사용되는 세라믹 공정 ● 재사용가능한 모형을 주형상자 내에 두고 내화재, 가수분해된 에틸실리케이트, 알코올과 겔시약을 슬러리처럼 섞어 위에 붓는다. ● 혼합물은 고무같은 상태로 두어 모형과 주형상자를 제거할 수 있게 하고 주형표면은 토치로 가열 ⇒ 휘발물질은 제거, 3차원 미소균열(microcrazing)의 3차원망이 형성 ● 균열의 간극은 금속 용입을 막을 정도로 적고 공기와 가스를 배출할 만큼 충분히 크며 주입시와 응고금속의 수축동안 세라믹 입자의 열팽창 수용 (붕괴성 제공)

인베스트먼트 주조 (Investment Casting) ● 매우 오래된 공정, 치과의사와 귀금속 세공사에 의해서 오랫동안 수행 ● 2차 세계대전이후에 산업적으로 중요 로켓부품과 제트엔진 터빈날개 등 개발 고융점 금속으로 고정밀 복잡한 형태 제작 ● 왁스 모형 사용  모양의 복잡성과 주조할 재료의 종류에 거의 제한이 없음

인베스트먼트 주조의 예

인베스트먼트주조 과정

인베스트먼트주조 과정

인베스트먼트주조 과정 ● 마스터모형 제작 ● 마스터모형에서 마스터 다이를 만든다. - 저융점 금속 금형은 마스터 모형으로부터 직접 주조 강철 다이는 직접 가공하여 마스터모형 제작 과정을 생략 ● 왁스모형 제작

인베스트먼트주조 과정 ● 왁스모형을 공통 왁스 탕구에 조립 ⇒ 모형클러스터 혹은 트리 ● 클러스터를 인베스트먼트 재료로 얇게 코팅 ● 미세한 내화재의 슬러리에 담금 ⇒ 제품에 매끄러운 표면, 우수한 세부형상 ● 코팅된 클러스터 주위에 마지막 인베스트먼트를 만든다. ● 클러스터를 다시 담그고 이번에는 젖은 세라믹을 모래층으로 코팅(원하는 두께가 될 때까지) ● 단일 층으로 코팅된 클러스터를 뒤집어 주형상자에 두고 주위에 액체 인베스트먼트 재료를 붓는다.

인베스트먼트주조 과정 ● 주형상자를 진동시켜 갇힌 공기를 제거하고 클러스터 주위에 인베스트먼트 재료가 정착되게 한다. ⇒ 인베스트먼트 재료를 클러스터 주위에 부을 때 한다. ● 인베스트먼트 재료를 경화 ● 왁스모형을 녹여서 주형에서 제거 주형을 오븐 안에서 뒤집어서 왁스를 제거 ⇒ 왁스는 녹고 흘러나오며 나머지는 증발 ⇒ 단체주형으로부터 복잡한 모형을 제거할 수 있음. 오목부가 있는 극히 복잡한 형상도 즉시 주조

인베스트먼트주조 과정 ※ 오븐 내 용융된 왁스는 다공질의 인베스트먼트에 흡수 ⇒ 로스트왁스법이라고도 불리움 ● 주입을 위한 준비로 주형을 예열 주형과 금속이 냉각 시 같이 수축하므로 우수한 치수관리가 가능 ● 용융금속을 주입 특히 복잡하고 얇은 부분이 있는 경우, 가압하거나, 주형으로부터 공기를 제거하거나 원심력 ● 주형으로부터 주물을 제거 (주형을 부숨)

인베스트먼트주조 특징 ● 복잡한 공정이고 비싼 편 ● 극히 복잡한 형상도 하나로 주조 가능 ● 우수한 치수공차, 매끄러운 표면 ● 기계가공도 때로는 완전히 필요 없거나 상당히 줄일 수 있다. ● 난삭재 금속인 경우 특히 유리

풀몰드주조와 로스트폼주조 (Full Mold Casting and Lost-Foam Casting) ● (모형 설계, 제작, 분리문제 해결) ● 모형은 폴리스티렌을 발포 ● 주입시 폴리스티렌은 녹고 타서 금속은 모형에 의해 차지되었던 공간을 채움 ● 금형은 매우 복잡해도 문제가 없고 ● 크고 복잡한 모형은 작은 조각을 나누어 만들고 나중에 접착 거품폴리스티렌·스티로폼(styrofoam)·발포스티렌·스티로폴 등 여러 이름으로 불리며, 영문 머리글자를 따서 EPS로 약칭하기도 한다. 스티로폴은 독일의 종합화학회사인 바스프(BASF AG)의 상표명이고, 스티로폼은 미국 다우케미컬사(社)의 단열재 상표명으로, 한국에서는 스티로폴로 널리 알려져 있다. 폴리스티렌은 널리 사용되는 플라스틱으로, 스티렌의 중합체(重合體)이다. 무색투명한 열가소성 물질로, 100℃ 이상에서 부드러워지고 185℃ 정도가 되면 점성의 액체가 되며, 산·알칼리·기름·알코올 등에 강한 성질을 가지고 있다. 발포폴리스티렌은 이 폴리스티렌 수지에 펜탄이나 부탄 등 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 부풀린 발포제품으로, 체적의 98%가 공기이고, 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다. 제조 공정은 스티렌에 펜탄·부탄가스 등의 발포제를 주입해 물로 중합한 뒤, 소정의 분자량이 될 때까지 가열한다. 이어 얻어진 발포폴리스티렌의 구상 입자인 비드(bead)를 세척 건조시키고 폐수를 처리한 후 선별하면 완제품이 된다. 희고 가벼우며, 내수성(耐水性)·단열성·방음성·완충성 등이 우수하기 때문에 주로 컵이나 그릇, 접시, 조개 모양의 용기, 육류 포장용기, 달걀 포장용기, 전자제품이나 기타 부서지기 쉬운 물품의 운송용 포장재, 나뭇결 무늬를 넣은 건축재료, 장식용 가구, 농수산물 상자 등으로 널리 사용된다. 이 밖에 식육 냉동창고의 벽재, 냉동 파이프의 외장(外裝), 조립식 주택의 벽이나 천장 재료, 텔레비전의 무대장치나 인공눈[人工雪] 등으로도 사용된다. 발포제로 쓰이는 펜탄 가스는 그대로 내버려 둘 경우 약간의 스모그를 발생시킬 수 있다. 그러나 오존층을 파괴하는 염소 원자를 함유하지 않고, 또 낮은 고도에서 급속히 분해되기 때문에 상공의 오존층에는 전혀 영향을 미치지 않는다. 제조업체들은 펜탄으로 인한 스모그 발생을 없애기 위해 첨단 기술을 이용하여 배출되는 펜탄 가스를 처리하고 있다. 발포폴리스티렌은 오존층 파괴의 주범인 프레온가스를 사용하지 않고, 단열 포장재로서 지구 온난화, 온실효과, 산성비의 원인이 되는 가스 방출을 줄여주며, 합성목재나 경량 콘크리트 등으로 재활용이 가능하다. 또 땅에 묻어도 메탄가스가 발생하지 않아 지하수를 오염시키지 않고, 불에 태워도 물과 이산화탄소만 배출하기 때문에 유해가스가 발생하지 않는다는 장점이 있다.

풀몰드주조

풀몰드주조

로스트폼주조 (Lost-Foam Casting)

로스트폼주조 (Lost-Foam Casting) ● 폴리스티렌 조립체를 물을 섞은 세라믹에 담그고 표면을 적시어 코팅 ※ 코팅은 강하여 주입시 주형이 붕괴되지 않고, 얇고 다공질이어서 가스가 배출 ● 코팅된 모형은 주형상자에 놓고 거친 결합되지 않은 모래를 채우고 진동

로스트폼주조 (Lost-Foam Casting) ● 모형을 빼낼 필요가 없으므로 설계에 드래프트가 필요 없고, 보통 코어, 분리형 조각 모형이나 많은 다듬질가공을 필요로 하는 복잡한 형상에 유리 ● 정밀하고 표면 거칠기는 우수 ⇒ 기계가공과 다듬질가공이 줄거나 제거 ● 코어와 분리선은 필요 없고 수율은 높으며 백업 모래는 때때로 재사용가능 ● 금속이 폼의 용융과 휘발로 열을 잃음 ⇒ 탕구로부터 먼 재료는 가장 온도가 낮고, 주입구쪽으로 방향성 응고 (라이저 불필요)