캐스팅(주조)이란?- 정의, 프로세스 및 유형

캐스팅이란?

주조는 일반적으로 원하는 모양의 공동이 들어 있는 주형에 액체 재료를 부은 다음 응고시키는 제조 공정입니다. 응고된 부분은 주조라고도 하며, 공정을 완료하기 위해 금형에서 배출되거나 부서집니다.

주조 재료는 일반적으로 두 가지 이상의 구성 요소를 함께 혼합한 후 경화되는 금속 또는 다양한 시간 설정 재료입니다. 예로는 에폭시, 콘크리트, 파리 석고 및 점토가 있습니다.

금속 주조는 제조와 미술 모두에서 사용되는 7,000년 된 공정입니다. 가장 먼저 알려진 주조물은 현재의 이라크에서 발견된 기원전 3200년으로 거슬러 올라가는 구리 개구리입니다. 금속 주조 중에 용융 금속은 도가니에서 주형으로 옮겨져 포지티브 금속 주조 물체를 만듭니다. 금속과 금형을 냉각하고 금속 물체를 제거하고 마무리합니다.

전통적인 금속 주조 기술에는 로스트 왁스 주조, 석고 주형 주조, 다이 주조, 모래 주조 등이 있습니다. 이러한 금속 주조 공정은 주조 공장이나 보석 스튜디오에서 완료될 수 있습니다.

금속 주조 공정은 수천 년 동안 알려져 왔으며 조각품, 보석류, 운송 수단, 무기 및 도구를 만드는 데 널리 사용되었습니다.

주조는 다른 방법을 사용하여 만들기가 어렵거나 비경제적인 복잡한 모양을 만드는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 공작 기계 베드, 선박 프로펠러 등과 같은 중장비는 여러 개의 작은 조각을 결합하는 대신 필요한 크기로 쉽게 주조할 수 있습니다.

 

 

캐스팅 과정이란?

금속 주조는 재사용 가능한 주형을 사용하는 공정과 소모성 주형을 사용하는 공정의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 두 공정 모두에서 캐스터는 도가니에 있는 금속 재료를 녹이고 주형에 부은 다음 금속이 냉각되고 응고되면 주형 재료 또는 주물을 제거합니다.

기본 금속 주조 공정은 패턴과 금형을 만든 다음 용융 금속을 금형에 붓는 것입니다. 그런 다음 단단한 금속 주조물을 추출하고 조각을 완성합니다. 이 프로세스는 모양, 크기 등과 함께 다양한 유형의 금속 주조에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다.

 

1단계: 패턴 생성
금형을 만들기 전에 금형의 모양을 결정하는 패턴을 만들어야 합니다. 패턴은 최종 캐스트의 3차원 모델이 될 수 있습니다. 그것은 왁스, 모래, 플라스틱 또는 나무로 모양을 만들 수 있습니다.
일부 캐스터는 용융 금속 캐스트를 견딜 수 없지만 캐스터가 소모성 몰드 주조에 사용할 왁스 배수를 대량으로 생성할 수 있는 재료인 석고 또는 실리콘으로 만든 주형을 사용합니다.
패턴을 형성할 때 금속이 냉각될 때 예상되는 수축을 고려해야 합니다. 패턴은 또한 용융 금속이 주형으로 흐르도록 하기 위해 스프루로 게이트될 수 있습니다.

2단계: 금형 만들기
패턴을 만든 후에는 금형을 만들 차례입니다. 위에서 언급했듯이 일반적으로 금속으로 만드는 재사용 가능한 주형이나 모래, 석고 또는 세라믹 껍질로 만들 수 있는 일회용 주형을 만들 수 있습니다.
이러한 각각의 금형 제작 방법은 다양한 주조 금속과 다양한 수준의 패턴 복잡성에 최적화되어 있습니다. 왁스나 플라스틱 패턴으로 작업하는 경우 가마 내부의 패턴을 태울 수 있습니다.

3단계: 금속 합금 선택
모든 금속 주물은 철 또는 비철 합금으로 생산됩니다. 합금은 최종 캐스트 사용을 위한 최고의 기계적 특성을 제공하는 요소의 혼합물입니다. 철 합금에는 강철, 가단성 철 및 회주철이 포함됩니다.
주조에 가장 일반적으로 사용되는 비철 합금은 알루미늄, 청동 및 구리입니다. 보석 스튜디오에서 귀금속으로 작업하는 경우 은, 구리, 금 및 백금으로 작업할 수 있습니다.

4단계: 합금 녹이기
합금마다 용융 온도가 다르기 때문에 용융 공정은 합금마다 다릅니다. 기본적으로 용융은 고체 합금을 도가니에 넣고 화염 또는 용광로 내부에서 가열하는 것으로 구성됩니다.

5단계: 금형에 붓기
용융 금속을 금형 캐비티에 붓습니다. 작은 주물인 경우 금속을 가열한 도가니에서 직접 주형으로 붓기만 하면 됩니다. 더 큰 주물은 용광로 내부의 금속 가열을 지원하기 위해 작은 팀이 필요할 수 있으며 금속을 금형에 붓기 전에 더 큰 도가니 또는 국자로 옮기는 것을 지원할 수 있습니다.
용융 금속을 부을 때 권장되는 모든 안전 지침을 따르십시오. 천연 섬유 의류, 긴 바지와 소매, 절연 장갑, 보안경을 포함한 보호복을 반드시 착용하십시오.
위험한 연기로 인한 위험을 피하기 위해 환기가 잘 되는 공간에서 작업하십시오. 근처에 화학 소화기가 있는지 확인하고 용광로와 금형 사이의 통로를 깨끗하게 유지하십시오. 다음 단계로 넘어가기 전에 금형이 굳을 때까지 기다립니다.

6단계: 금형에서 주물을 제거합니다.
금속이 냉각되고 응고되면 금형에서 제거할 수 있습니다. 일회용 주형에 주조하면 주형에서 주형을 떼어낼 수 있습니다. 석고 매몰을 사용한 경우 금속이 응고된 후 석고를 물에 담그고 싶을 것입니다. 물은 곰팡이를 없애는 데 도움이 됩니다. 재사용 가능한 금형의 경우 이젝터 핀을 사용하여 주물을 추출할 수 있습니다.

7단계: 마무리
단단한 금속 캐스트를 다듬고 연마하십시오! 여기에는 물에 있는 과도한 금형 재료를 문지르거나, 작은 물체를 위한 클리퍼로 주조 게이트를 부수거나, 큰 조각을 위한 앵글 그라인더와 같이 주조 금속 물체를 청소하는 것이 포함될 수 있습니다.

 

주조 유형

1. 모래 주조
모래 주조는 가장 인기 있고 가장 쉬운 주조 유형 중 하나이며 수세기 동안 사용되었습니다. 모래 주조는 영구 주형 주조보다 작은 배치를 매우 합리적인 비용으로 가능하게 합니다. 제조업체는 이 방법을 사용하여 저렴한 비용으로 제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 모래 주조는 매우 작은 작업과 같은 다른 이점도 제공합니다.
이 프로세스를 통해 손바닥에 들어갈 만큼 작은 주물을 주물에 사용하거나 기차 침대와 같이 충분히 큰 주물을 만들 수 있습니다. 모래 주조는 또한 주형을 만드는 데 사용되는 모래의 유형에 따라 대부분의 금속을 주조할 수 있습니다.
모래 주조는 일반적으로 합성 또는 자연적으로 결합된 모래와 같은 실리카 기반 재료를 기반으로 합니다. 주물 모래는 일반적으로 매끄러운 주형 표면을 형성하기 위해 함께 단단히 포장될 수 있는 미세하게 분쇄된 구형 입자로 구성됩니다.
주물은 공정의 냉각 단계에서 적당한 양의 유연성과 수축을 허용하여 균열, 찢어짐 또는 기타 결함의 위험을 줄이도록 설계되었습니다. 모래는 또한 점토를 추가하여 강화할 수 있으며, 이는 입자를 더 밀접하게 결합시킵니다. 엔진 블록과 같은 자동차 제품은 모래 주조로 만들어집니다.

2. 투자 주조
인베스트먼트 주조는 로스트 왁스 주조라고도 하며 각 주조 부품에 일회용 왁스 패턴을 사용합니다. 이 방법은 왁스를 금형에 직접 주입하고 제거한 다음 일반적으로 여러 단계에 걸쳐 내화물과 결합제로 코팅하여 두꺼운 쉘을 만듭니다.
여러 샘플을 모아 공통 스프루를 형성합니다. 껍질이 굳으면 패턴을 뒤집고 오븐에서 가열하여 왁스를 제거합니다. 이러한 패턴은 금형 제작과 관련된 힘을 견딜 만큼 충분히 강하지 않기 때문에 각별한 주의가 필요합니다. 매몰 주조의 한 가지 장점은 왁스를 재사용할 수 있다는 것입니다.
정밀 주조는 터빈 블레이드와 같은 자동차, 발전 및 항공 우주 산업의 부품을 만드는 데 널리 사용됩니다. 이러한 주물을 통해 정확성, 반복성, 다양성 및 무결성이라는 주요 이점이 있는 고품질 구성 요소가 만들어집니다.

3. 다이캐스팅
다이캐스팅은 용융 금속을 고압으로 금형 캐비티에 밀어 넣어 재료를 성형하는 방법입니다. 대부분의 다이캐스팅은 비철금속, 특히 아연, 구리 및 알루미늄 기반 합금으로 만들어집니다. 그러나 철 금속 다이캐스트 부품은 가능합니다.
다이캐스팅 공정은 특히 좋은 세부 사항, 미세한 표면 품질 및 치수 정확도를 가진 많은 중소형 부품이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

4. 저압 주조
저압 주조에서 다이는 가압 용광로의 금속으로 채워지며 압력은 일반적으로 약 0.7bar입니다. 고정로는 수직형 다이캐스팅 기계의 하부에 위치하며 용탕이 금형 바닥으로 똑바로 주입됩니다. 압력은 금속이 응고될 때까지 금형을 유지합니다.
이 공정의 주요 장점 중 하나는 다이 캐비티 충전을 정밀하게 제어할 수 있다는 것입니다. 용융 금속은 공급 라인을 통해 빠르고 원활하게 흘러 산화물 형성을 줄이고 다공성을 방지합니다.
이 공정은 자동차 바퀴와 같은 축 대칭 부품의 생산을 위해 개발되었습니다. 그러나 다이에 샌드 코어를 사용함으로써 속이 빈 프로파일과 복잡한 형상을 가진 부품 생산에도 매우 적합합니다.

5. 원심주조
원심 주조는 스피닝 몰드에서 개발된 G-포스에 의존하여 주철 파이프와 같은 긴 원통형 부품을 만드는 데 사용됩니다. 주형에 주입된 용융 금속은 주형 내부 표면에 부딪혀 보이드가 없는 캐스트를 생성합니다.
원래 수냉식 금형을 이용한 드라보 공법으로 발명된 이 공법은 토관, 대형 포신 등 대칭 부품에 적용되며, 라이저의 수를 최소화하여 부품을 제작할 수 있는 장점이 있습니다.
자체 축을 중심으로 회전할 수 없는 비대칭 부품의 경우 압력 주조라고 하는 원심 주조의 변형은 공통 스프루 주위에 여러 부품을 배열하고 이 축을 중심으로 금형을 회전합니다.
유사한 아이디어가 매우 큰 기어 링 등을 주조하는 데 사용됩니다. 주조되는 재료에 따라 금속 또는 모래 주형을 사용할 수 있습니다.

 

6. 중력 다이 캐스팅
Gravity Die Casting은 용융 금속을 용기나 국자에서 주형으로 붓는 영구 주형 주조 공정입니다. 금형 캐비티는 중력 이외의 힘으로 채우지 않고 다이를 기울여 채우는 것을 제어할 수 있습니다.
언더컷과 캐비티는 모래 코어를 사용하여 구성 요소 모양으로 가공할 수 있습니다. 이 공정은 빠른 응고로 인해 모래 주조보다 더 나은 표면 품질과 기계적 특성을 제공합니다.
또한 이 공정은 알루미늄 사주물보다 주조율이 높지만 주형은 모래보다 고가이다. 이 공정의 장점은 낮은 가스 다공성과 미세한 입자 크기의 가능성을 포함합니다.
이 공정은 모래 주조에 비해 후처리 및 세척이 덜 필요하고 중력 다이캐스팅은 더 높은 품질의 제품을 만드는 경향이 있습니다. 중력 다이 캐스팅 제조 공정은 일반적으로 모래 주조에 비해 툴링을 만드는 데 비용 효율성이 떨어집니다.

7. 진공 다이캐스팅
진공 보조 다이 캐스팅은 Kennedy Die Casting의 중요한 공정 기능입니다. 다이 캐비티의 진공 배기는 금속 주입 중 가스 포획을 감소시키고 주조의 다공성을 감소시킵니다. 그 결과 더 높은 품질의 다이캐스팅이 만들어집니다.
진공 시스템은 보충에 불과합니다. 다이 캐비티, 러너, 게이트 및 오버플로 엔지니어링에서 우수한 다이 캐스팅 설계 방식을 대체하지 않습니다.

8. 스퀴징 다이캐스팅
액체 단조라고도 하는 스퀴즈 주조는 특정 양의 용융 금속 합금을 예열되고 윤활된 다이에 붓고 압력을 가해 단조 및 응고시키는 단일 단계에서 영구 주형 주조와 다이 단조를 결합하는 하이브리드 금속 성형 공정입니다.

9. 분실된 폼 캐스팅
LFC(Lost-foam casting)는 패턴에 왁스 대신 폼을 사용한다는 점을 제외하고는 매몰 주조와 유사한 일종의 증발 패턴 주조 공정입니다. 이 공정은 폴리머 폼의 낮은 끓는점을 이용하여 몰드에서 왁스를 녹일 필요를 제거함으로써 매몰 주조 공정을 단순화합니다.

10. 연속 주조
연속 주조는 일정한 단면을 가진 금속 프로파일의 연속 대량 생산을 위한 주조 공정의 개선입니다. 용융 금속을 수냉식 개방형 몰드에 붓고 고체 금속의 "외피"가 여전히 액체 상태의 중심 위에 형성되도록 하여 금속을 외부에서 내부로 점차적으로 응고시킵니다.
응고 후, 스트랜드는 때때로 소위 말하는 몰드에서 계속해서 빼냅니다. 스트랜드의 미리 정해진 길이는 기계적 가위나 이동식 옥시아세틸렌 토치로 절단할 수 있으며 추가 성형 공정이나 비축 장소로 옮길 수 있습니다.
주조 크기는 스트립(두께 약 5m, 두께 몇 밀리미터)에서 빌렛(정사각형 90~160mm), 슬래브(폭 1.25m, 두께 230mm)까지 다양합니다. 때로는 스트랜드가 절단되기 전에 초기 열간 압연 공정을 거칠 수 있습니다.
연속 주조는 표준 제품의 연속 생산과 관련된 비용이 낮고 최종 제품의 품질이 향상되기 때문에 사용됩니다. 강철, 구리, 알루미늄 및 납과 같은 금속은 연속적으로 주조되며 강철은 이 방법을 사용하여 주조되는 가장 많은 톤수를 가진 금속입니다.

 

주조 공정의 장점 및 단점

 

장점

▷ 복잡한 모양은 내부 또는 외부가 될 수 있습니다.
▷ 모든 재료를 캐스팅하는 것이 실질적으로 가능합니다.
▷ 주조 공정에 필요한 도구는 일반적으로 저렴합니다.
▷ 주물의 냉각은 일반적으로 모든 방향에서 균일하므로 일반적으로 방향 특성이 없습니다.
▷ 많은 재료는 야금학적 고려 사항 때문에 주조 공정으로만 처리할 수 있습니다.
▷ 최대 200톤까지 모든 크기의 주조가 실제로 가능합니다.

 

단점

▷ 표면 조도가 좋지 않으며 대부분 표면 조도 작업이 필요합니다.
▷ 이 과정에는 주조 결함이 포함됩니다.
▷ 단조품에 비해 피로강도가 낮습니다.
▷ 대량 생산에 경제적이지 않습니다.