주조 공정의 장점과 한계에 대하여 (사형주조, 셀주조, 다이캐스트)

이번 게시물에서는 기계공학의 기본적인 내용인 주조 공정입니다. 주조 공정에는 여러 종류가 있습니다. 오늘은 사형주조, 셀주조, 다이캐스트의 장점과 단점에 대해 알아보겠습니다.

 

사형주조

금속을 주조하는 전통적인 방법은 모래주형을 이용하는 것으로, 이는 아주 오래 전부터 이용되었다. 사형주조작업은 아래와 같은 순서로 이루어진다.

 

사형주조작업 순서

1. 주물의 모양을 갖는 모형을 설치
2. 탕구계를 포함하는 주형을 만듦.
3. 용탕을 주입하여 채우고
4. 금속이 냉각되어 응고하면
5. 모래주형을 깨트리고,
6. 주물을 꺼내서 마무리하는 작업으로 구성.

 

주조의 종류

 

생사형

용탕주입 시에 아직 수분을 함유하고 있다는 의미이며, 이는 모래, 점토 그리고 물의 혼합물이다. 조형법 중 가장 저렴.

 

건조사형

주형면을 공기나 화염으로 건조시키거나 오븐에서 건조시킨 것으로, 강도가 높으므로 대형 주물에 이용된다. 생사형보다 강하고 치수정확도와 표면정도가 좋지만, 주형의 뒤틀림이 크고 붕괴성이 좋지 않으므로 주물에 고온찢어짐이 발생할 위험이 있으며, 건조시간이 필요하므로 생산성이 떨어진다.

 

노베이크 조형법

액체합성수지를 모래와 혼합하여 상온에서 경화시키는 방법이다. 조형의 결합 시 가열하지 않으므로 콜드세팅공정이라고도 한다. 콜드박스 조형법에서는 각종 유기 혹은 무기 결합제를 혼합하여 열을 가하지 않고 화학적으로 모래입자를 결합시켜 주형강도를 높인다. 이 주형은 생사형의 경우보다 정확하지만 비용이 많이 든다.

 

ex) 엔진블록, 실린더헤드, 공작기계 받침대, 펌프 및 모터 몸체 등이 사형주조로 만들어진다.

 

셸주조

적은비용으로 좋은 표면정도와 공차를 가진 다양한 제품을 생산할 수 있기 때문에 점차 많이 쓰인다. 우선, 판에 고정된 철강 혹은 알루미늄제 모형을 175~370도로 가열하고, 실리콘 같은 이형제로 코팅한다.

 

모형판을 2.5~4% 정도의 열경화성수지 결합제를 섞은 미세주물사 상자 위에 덮은 후, 상자를 뒤집어서 가열된 모형 위로 주물사 혼합물이 균일층을 이루도록 한다. 주형을 가열로에서 짧게 가열하여 수지를 완전히 경화시키고, 경화된 셸에서 모형을 꺼낸 뒤, 두 개의 반쪽 셸을 서로 접합하거나 체결하여 셸주형으로 조립한다.

 

셸주형은 보통 5~10mm 두께로 가볍고 얇으므로 열적 특성이 다른 두꺼운 주형과 다르며, 용탕이 응고하는 동안 가스는 얇은 셸을 통해 배출된다. 주형은 보통 강구를 담은 통에 수직으로 세워서 지지한다. 주형벽은 비교적 매끈하고, 용탕의 유동저항이 작으며, 생사주형보다 예리한 코너, 얇은 면을 갖는 주물을 만들 수 있다.

 

한 개의 주형에 탕구계를 여러 개 설치하면, 한번에 다수의 주물을 만들 수 있다. 셸주조 방식은 기어하우징, 실린더헤드, 커넥팅로드 같은 고정밀도 소형기계부품을 생산하는데 이용되며, 높은 정밀도가 요구되는 주형코어를 생산하는 데도 널리 이용된다. 셸주조는 다양한 생산요인, 특히 에너지비용을 감안하면 다른 주조공정보다 경제적일 수 있다.

 

금속모형의 비용이 비교적 높지만, 생산량이 증가하면 그 비중이 작아진다. 주물 품질이 좋으므로, 주조 후 청정작업, 기계가공과 기타 마무리공정 비용을 감소 시킬수 있고, 적은 인력으로도 복잡한 형상을 만들며, 공정도 쉽게 자동화 된다.

 

셸주조는 다양한 생산요인, 특히 에너지 비용을 감안하면 다른 주조공정보다 경제적일 수 있다. 금속모형의 비용이 비교적 높지만, 생산량이 증가하면 그 비중이 작아진다. 주물 품질이 좋으므로, 주조 후 청정작업, 기계가공과 기타 마무리 공정비용을 감소시킬 수 있고, 적은 인력으로도 복잡한 형상을 만들며, 공정도 쉽게 자동화된다.

 

나트륨 실리케이트공정

이 공정에 사용되는 주형재료에는 모래에 1~6%의 나트륨 실리케이트(물유리)를 결합제로 한 혼합물을 사용한다. 이 혼합물을 모형 주위에 다지고 이산화탄소를 불어 넣어서 경화시킨다. 이 공정은 이산화탄소법이라고도 하며, 코어를 조형하는 데도 적용된다. 이 방법으로 제조된 코어는 고온에서 유연성을 보이므로 주물이 열응력으로 찢어지거나 파단될 가능성을 줄여준다.

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램드 그래파이트 주형

모래 대신에 다진 흑연(rammed graphite)으로 주형을 만드는 방법으로 티타늄이나 지르코늄 같은 반응성 금속의 주조에 사용된다. 이들 금속은 모래속의 실리카와 격렬하게 반응하므로, 주형재료로 모래를 사용할 수 없다. 따라서 모래로 조형하듯이 조형하여 175도에서 건조시킨 후, 870도에서 구워서 습도와 온도가 조절된 상태에서 보관한다. 주조방법은 사형주조와 유사하다.

 

 

다이캐스팅

영구주형 주조가 발전된 형태로, 용탕을 0,7~700MPa의 압력으로 금형공동부 속으로 주입하는 주조법이다. 다이캐스팅 주물로는 트랜스미션 하우징, 밸브 몸체, 사무기기 및 가전제품 부품, 수공구, 장난감 등이 있으며, 제품의 무게는 대부분 90g~25Kg이다.

- 알루미늄 제품에 대해서 적용

- 자동차 부품, 전자기기, 광학기기, 차량, 방직기, 건축, 계측기 부품 등

​- 금속 용탕을 고속, 고압으로 금형내부로 주입시켜 주조하는 공정

​- 두께가 얇고 형상이 복잡한 제품을 정밀하게 성형

- 제품의 표면이 미려하고 깨끗

​- 실형상에 가까운 제품 성형

​- 기계가공량이 매우 적고 환경친화적

​- 제품의 생산성이 높음

​- 응고속도가 높아 결정립이 미세하여 제품의 기계적 성질이 우수

 

​장점

1) 정도가 높고 주물표면이 깨끗하여 다듬질 작업을 줄일 수 있다.

2) 조직이 치밀하여 강도가 크다

3) 얇은 주물의 주조가 가능하여 제품을 경량화할 수 있다.

4) 주조가 빠르기 때문에 다량 생산으로써 단가를 줄일 수 있다.

 

단점

1) 장비와 die 제작비가 고가이기 때문에 소량 생산에 부적합

2) die의 내열강도 때문에 용융점이 낮은 비철금속에 제한된다.

3) 소형제품에 국한된다.

 

주조공정 종류별 장점과 한계

공정	장점	한계
사형주조	대부분의 금속 주조가능. 크기, 모양, 무게에 제한없음. 공구비용 저렴.	부분적으로 마무리공정 필요. 표면정도. 공차가 거친 편.
셀주조	치수정확도 및 표면정도 양호. 생산속도 높음.	제품크기에 제한. 모형 및 소요장비가 고가임.
소실모형	크기에 제한없이 거의 모든 금속 주조가능. 복잡한 형상가능.	모형의 강도가 낮음. 소량생산일 경우 고가임.
석고주형	복잡한 형상에 적용. 치수정확도 및 표면정도양호. 기공발생 적음.	비철금속에 국한. 크기와 생산량에 제한. 주형제작시간이 긴 편.
세라믹주형	복잡한 형상에 적용. 공차가 작은 제품. 표면정도 양호.	크기에 제한.
인베스트먼트	복잡한 형상에 적용. 치수정확도 및 표면정도 우수. 거의 모든 금속에 적용가능.	제품크기에 제한. 모형, 주형, 인건비가 고가임.
영구주형	치수정확도 및 표면정도 양호. 기공발생 적음. 생산속도 높음.	주형비용 고가. 형상 및 복잡성에 제한. 고용융점 금속의 부적절.
다이캐스팅	치수정확도 및 표면정도 우수. 생산속도 높음.	금형비용 고가. 비철금속에만 적용. 생산개시기간이 긴 편.
원심주조	대형 원심형 제품을 양호한 품질로 주조. 생산속도 높음.	장비가 고가임. 제품형상에 제한.