주형요소

2. 주조 및 주조공정

참고도서 : 생산제조공학 SciTech 미디어

2.1 분류

2.2 주조의 개요

● 고체재료를 녹이고 적정온도로 가열

● 녹은 금속재료를 원하는 형상을 갖고 있는 주형에 주입

주형에 주입

● 응고 후 주형으로부터 분리

2.3 주조 용어

● 주형상자: 주형재료를 담는 박스.

● 상형(cope): 모형, 주형상자(flask), 주형 혹은 코 어(core)의 상반부

● 하형(drag): 하반부

● 코어: 구멍같은 주물의 내부형상을 만들기 위해

● 코어: 구멍같은 주물의 내부형상을 만들기 위해 주형에 삽입하는 모래형상

● 코어프린트(core print): 코어를 고정하고 지지하 기 위해 모형, 코어 혹은 주형에 추가된 부분

● 라이저(riser): 용융물질의 추가 저장고

응고과정에서 수축으로 인한 용탕 부족을 보상 ⇒ 수축에 의한 기포는 라이저에 위치

주형요소

2.4 응고과정

● 응고: 핵생성(nucleation)과 핵성장(growth)

● 핵생성: 용융액체 내에서 고체의 입자 만들어짐

● 과냉(supercool): 용융점과 핵생성 온도 간의 차이

순수금속의 냉각곡선

합금의 냉각곡선

과냉과 재휘

주조금속막대의 단면구조

응고시간 예측: 크보리노프 법칙

● 주물을 응고시키기 위해 제거해야 할 열량 ⇒ 과 열정도, 주물부피에 비례

● 주물로부터 열을 제거하는 능력은 노출면적과 용융금속을 둘러싼 외부환경에 관계

용융금속을 둘러싼 외부환경에 관계

레이들

수소의 최대용해도

전형적인 탕도계

라이저와 라이저설계

● 라이저: 응고하는 주물에 수축을 보상하기 위해 금속 공급 추가 저장고

● 최후에 응고하여야 함(주형의 끝부분에서 라이 저로 방향성 응고)

● 방향성 응고가 불가능하면 ⇒ 여러 개의 라이저 를 사용하여 주물의 응고가 각기 해당 라이저로 진 행되도록 함

● 금속을 절약하도록 설계

● 긴 응고시간 (단위부피 당 적은 단면적)을 갖도 록 ⇒ 구 (모형을 제거하기 어려움) ⇒ 가장 많이 쓰 는 형태는 원통형

사형의 개략도

2.5 모형 (Pattern)

● 소모주형공정은 재사용 가능한 영구모형 사용

● 모형에 수축여유(shrinkage allowance) 포함시켜 야 (주물은 냉각되면서 계속 수축) ⇒ 모형은 주물보 다 약간 커야 함

※ 주물자: 수축여유만큼 표준자보다 크게 제작된 기구, 모형 제작에 사용

주형 (분리선과 드래프트)

2.6 주조 시 고려사항

● 분리면의 위치 ⇒ 분할 혹은 분리형 주형을 사용 하는 모든 공정에서 중요.

● 주물의 부분이 교차하면 두 가지 문제 발생 (fillet)

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천천히 냉각되고 국소적인 비정상 수축부, 기포나 수축공동과 같은 결함

여유

분리면 위치변경으로 코어제거

설계변경으로 건조사 코어 제거

3가지 설계방안

분리면과 드래프트

주물에서 단면변화 지침

열점

교차로 인한 열점

라이저에서의 수축공동

크랙방지를 위한 리브배치

2.7 소모주형 주조공정

● 소모주형: 한 번 쓰고 버리는 주형 모래, 석고, 세라믹, 내화물질 + 결합제

● 재사용주형:

주형재료는 대개 금속

2.8 사형주조

● 주물사에 점토와 물을 약간 혼합(성형성을 향상, 결합강도를 증가 위해)

● 주형을 깨뜨리고 주물 제거 ⇒ 주조 시마다 새 주형을 만들어야 함

사형주물

제작단계

단체모형 (피니언기어)

바닥판 사용

분할모형

판조합모형

상하모형

분리형 조각모형

주물사 시험

● 입자크기

건조사를 11개의 줄어드는 표준 체에 둠 ⇒ 흔든 후 각 체에 남아 있는 양의 무게 측정 ⇒ AFS 입자 크기 숫자로 변환

● 습기량

● 습기량

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●

50그램의 주물사로부터 점토를 씻어냄 ⇒ 건조시 켜 무게차로 결정

연속형식과 배치형식

통기성 시험기

캠래치 스냅 주형상자

졸팅과 압착

평면압착과 다이아프램 압착

주형상자 없는 조형

사형주조 알루미늄 제품

셸몰딩 공정

셸몰딩 공정

진공조형

2.9 코어(Core)와 코어 제작

내부공동이나 오목한 부분을 비교적 쉽게 포함

● 생사 코어

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코어가 가져야 할 특성

● 충분한 경도와 강도(굽거나 경화 후)

경화전의 조건에서 취급하기에 충분한 강도

● 충분한 통기성

코어는 용융금속에 의해 둘러싸이므로 극히 우수 한 통기성

한 통기성

● 붕괴성

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● 충분한 내화성

코어는 고온금속에 둘러싸여 있음

엔진블럭과 건조사코어

풀리에 구멍을 만드는 방법

코어박스

코어프린트를 포함한 주형공동

코어받침

3개의 주형상자

오목부 조형

세라믹주형주조로 만든 절삭공구

세라믹주형주조

인베스트먼트(investment) 주조

● 매우 오래된 공정, 치과의사와 귀금속 세공사에 의해서 오랫동안 수행

● 2차 세계대전이후에 산업적으로 중요

-로켓부품과 제트엔진 터빈날개와 같은 부품의 개 -로켓부품과 제트엔진 터빈날개와 같은 부품의 개 발

-고융점 금속으로 고정밀 복잡한 형태 제작

● 왁스 모형 사용
모양의 복잡성과 주조할 재료 의 종류에 거의 제한이 없음

인베스트먼트 주조

인베스트먼트 주조

인베스트먼트 주조 제품의 예

풀몰드 공정

로스트폼 주조 공정

풀몰드주조

11.3 다이캐스팅

용융금속을 수천 psi(수백 기압)의 압력으로 주형 내로 주입하고 응고 중에 압력을 유지

● 주로 비철금속과 합금, 철 제품도 현재 생산

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● 높은 압력 사용 ⇒ 세밀한 부분 가능

● 다이는 경화된 공구강

● 주물을 제거하기 위해 다이는 열려서 두 조각으 로 분리되어야 함

다이캐스팅 설계

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다이캐스팅 기계

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다이캐스팅 제품

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원심주조

● 회전관성력을 용융금속에 작용하여 주형공동에 분포하게 함

● 용융금속이 주형의 표면에 달라 붙어 속이 빈 제 품

● 외부형상은 주로 원형이나 육각형 등의 대칭형

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● 외부형상은 주로 원형이나 육각형 등의 대칭형 상도 가능

● 내부를 만드는데 코어나 주형 불필요

내부는 용융금속이 원심력에 의해 균일하게 분포 하므로 항상 원형 형상

● 벽두께는 유입 금속량을 변화시켜 조절

수평 원심주조기계

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수직 원심주조

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원심주조된 전기제품

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반원심주조

● 원심력은 중앙 저장고로부터 회전대칭주형의 끝부분까지 금속의 유동을 도움

● 회전속도는 원심주조보다 적고, 여러 개의 주형 이 차례로 적층되어 공동 탕류에 의해 공급하기도 함

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함

● 중앙저장고는 라이저 역할을 하고 마지막에 응 고되도록 충분히 커야 함

● 가벼운 불순물은 내면에 모이므로 공정은 중공 인 주물에 적합

● 코어를 사용하면 더 복잡한 제품을 만들 수 있 다.

센트리퓨징

● 원심작용을 이용하여 중앙주입저장고부터 회전 축으로부터 벗어난 분리된 주형공동에 공급

● 비교적 작은 회전속도로 얇은 벽과 복잡한 형상 을 가진 주물 제작

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을 가진 주물 제작

● 인베스트먼트 주조트리에 금속 공급

반원심주조와 센트리퓨징

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연속주조

● 압연과 단조 등에서의 소재와 같은 기본형태를 만드는데 사용

● 특수주형을 만들어 복잡한 단면의 긴 제품을 만 드는데 사용

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드는데 사용

● 제품은 연속된 스트랜드(strand)를 단순히 잘라 서 만들 수 있으므로 많은 수를 만들 수 있음

● 용융과 주입시 오염으로부터 보호되므로 품질 매우 우수

연속주조로 만든 기어

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용융과 주입

● 용융금속 공급장치는 원하는 온도에 충분한 양 의 용융금속을 원하는 화학조성을 갖고 되도록 오 염되지 않은 상태로 공급할 수 있어야 함

● 품질이 저하되지 않고 오랜 시간동안 재료를 저

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● 품질이 저하되지 않고 오랜 시간동안 재료를 저 장할 수 있어야 하고 경제적으로 작업하고 환경오 염을 주지 않고 작업할 수 있어야 함

직접연소로

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3상 전기아크로

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전기아크로

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코어 없는 유도로

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채널형식 유도로

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주입작업

주입장치

● 소규모 주조공장: 수동 생크 형태의 래이들

● 대규모 주조공장: 밑에서부터 주입하거나 차주

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● 대규모 주조공장: 밑에서부터 주입하거나 차주 전자 형태의 래이들