모래 주조 – 공정, 모래 속성, 장단점

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이 글에서는 현대의 모래 주조 공정에 대해 자세히 알아보고, 모래 주조 공정이 어떻게 작동하며, 처음 시작된 지 수천 년이 지난 지금도 가장 널리 사용되는 금속 주조 기술 중 하나로 남아 있는 이유를 살펴봅니다.

샌드 캐스팅이란?

모래 주조 또는 모래 주조는 다음과 같은 금속 제조 공정입니다. 모래로 만든 금형을 사용하는 를 사용하여 금속 제품을 만듭니다. 모래는 일반적인 물체로 쉽게 성형할 수 있습니다. 원하는 모양을 만든 후 뜨거운 용융 금속을 금형에 붓습니다. 금속이 식으면서 굳어지면서 금형의 모양을 갖추게 됩니다. 그런 다음 최종 금속 제품을 모래 주형에서 추출하여 마무리 작업을 거친 후 사용하게 됩니다.

모래 주조 기술을 사용하면 모든 크기와 복잡한 수준의 제품을 제조할 수 있습니다. 다음 품목을 주조하는 데 사용할 수 있습니다. 핀처럼 작거나 철도 기관차처럼 큰 제품[주조가능. 또한 다음과 호환됩니다. 다양한 금속주철, 연철, 강철, 니켈 합금, 구리 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등 다양한 금속을 포함합니다.

모래 주조는 그 다양성으로 인해 전 세계에서 가장 널리 사용되는 주조 공정으로, 전체 주조 금속 제품의 60% 이상이 이 방법을 사용하여 만들어집니다.

몰딩 모래의 특성

선택할 수 있는 모래의 종류는 다양하지만, 모든 모래가 주조 공정에 적합한 것은 아닙니다. 각각의 모래는 프로젝트 요구 사항에 부합할 수도 있고 부합하지 않을 수도 있는 특정 특성을 나타냅니다.

주조 공정과 금속에 따라 몰딩 모래의 특성을 적절히 조합해야 합니다. 응집력을 높이기 위해, 특수 첨가제 및 바인더를 추가할 수 있습니다. 를 기본 모래, 점토, 물 혼합물에 추가할 수 있습니다.

이러한 바인더는 유기 또는 무기일 수 있으며 곡물, 분쇄 피치, 바다 석탄, 길소나이트, 연료유, 목분, 실리카 가루, 산화철, 펄라이트 등이 포함됩니다. 이러한 바인더 중 일부는 상반된 효과를 가지고 있습니다. 트레이드오프가 필요한 경우가 많습니다. 특정 캐스팅 애플리케이션의 프로퍼티 균형을 맞추기 위해 트레이드오프가 필요한 경우가 많습니다.

The 가장 일반적인 네 가지 유형의 모래 주조에 사용되는 모래는 녹색 모래, 마른 모래, 규산나트륨, 레진 모래입니다:

1. 녹색 모래 는 본질적으로 물과 섞인 원시 모래이기 때문에 그렇게 불립니다. 점토와 같은 일관성을 나타냅니다. 녹색 모래는 재사용성이 좋은 저렴한 주물용 모래 옵션이며 높은 생산 속도와 호환됩니다. 하지만 가단성이 낮기 때문에 특정 상황에서 주형이 무너질 수 있습니다. 또한 표면 결함이 발생하는 경향이 있습니다.
2. 마른 모래는 점토를 사용하는 성형용 모래로, 결합제 역할을 하는 수분이 거의 포함되어 있지 않습니다. 일단 제자리에 박으면 모양이 잘 유지됩니다. 마른 모래의 장점은 충전 단계에서 수증기가 거의 발생하지 않는다는 것인데, 습기가 많은 모래의 경우 방치하면 곰팡이가 생길 수 있습니다.
3. 규산나트륨는 물 유리라고도 불리는 특수 모래로, 규산나트륨 바인더를 사용하여 모래를 통합합니다. 규산나트륨은 녹색 및 마른 모래보다 더 복잡하거나 복잡한 모양을 만들 수 있습니다.
4. 레진 모래일명 후란 모래는 모래 주조에 사용되는 또 다른 인기 모래로, 푸르푸릴 알코올 수지를 사용하여 모래를 일관된 덩어리로 만듭니다. 견고하고 안정성이 높은 이 화합물은 분해되는 경향이 거의 없으며 치수 정확도와 표면 마감이 뛰어납니다. 하지만 모든 모래 중에서 가장 비쌉니다. 또한 리드 타임도 더 깁니다.

주조 엔지니어는 금속, 제품 형상 및 공차 한계에 따라 모래의 종류를 선택합니다. 그러나 사양에 관계없이 항상 다음 속성에 대해 모래 유형을 선별합니다:

내화도

내화성은 고온에 노출되었을 때 열충격과 연소를 견딜 수 있는 재료의 특성입니다. 모래는 용융 금속의 내화 재료 역할을 하므로 녹는점이 높아야 합니다. 주조용 모래의 선택은 공정 온도에 크게 영향을 받습니다. 내화도가 충분하지 않으면 모래가 녹아 주물에 용융됩니다.

알루미늄과 같은 많은 금속의 경우 모래는 섭씨 700도의 온도만 견디면 됩니다. 그러나 강철 주물용 모래는 녹는점이 더 높기 때문에 최소 섭씨 1,500도를 견뎌야 합니다.

투과성

모래는 주조 과정에서 발생하는 증기와 기타 가스를 배출해야 합니다. 주형에 물을 넣을 때마다 1,600 단위의 증기가 발생합니다.

가스와 증기가 갇히면 최종 제품에 블로우홀이나 가스 구멍과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 이를 제거하는 것은 좋은 품질의 마감을 얻기 위해 매우 중요합니다. 따라서 투과성은 고품질의 완제품을 얻기 위한 모래의 중요한 특성입니다.

몰딩 모래의 특성은 입자 크기와 분포에 영향을 받습니다. 입자가 작으면 몰드 강도는 증가하지만 투과성은 감소하고, 입자가 크면 투과성이 향상됩니다. 입자가 미세하면 주물의 표면 마감은 매끄럽지만 투과성이 낮고, 입자가 굵으면 투과성은 높지만 마감은 거칠어집니다.

높은 열전도율

열전도율은 열이 통과할 수 있는 재료의 특성입니다. 효율적인 열 흐름은 용융 금속의 빠른 냉각으로 이어집니다. 용융 금속에서 대기로 열을 전달하려면 열전도율이 높은 모래가 필요합니다.

낮은 열 팽창

열팽창은 열을 가하거나 제거할 때 재료의 부피가 각각 증가하거나 감소하는 것을 말합니다. 모래 주조 공정의 경우 열팽창이 매우 낮은 모래가 필요합니다. 이러한 유형의 모래는 액체 금속을 붓고 이후 냉각하는 등 주조 공정의 여러 단계 동안 모양을 유지합니다.

유동성

모래가 패턴의 구멍, 함몰부, 깊은 수로 등 작은 영역으로 흘러 들어가는 능력에 따라 복잡한 모양을 주조하는 데 모래를 사용할 수 있는지 여부가 결정됩니다. 유동성이 높은 모래는 외부 압력 없이도 패턴의 모든 특징을 채울 수 있습니다.

맨홀 뚜껑과 같은 단순한 모양에는 유동성이 높은 모래가 필요하지 않지만, 조형물처럼 복잡한 모양에는 유동성이 높은 모래가 필요할 수 있습니다. 따라서 필요한 유동성 수준은 사례별로 결정될 수 있습니다.

비용

비용 또한 모래에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어 실리카 모래는 가용성이 높지만 치수 불안정성, 열 충격을 받으면 타거나 폭발하여 미크론 이하의 입자를 형성하는 경향과 같은 문제도 있습니다. 규폐증 는 작업자가 장기간 실리카에 노출될 경우 매우 우려되는 문제입니다. 반면 감람석과 크로마이트 모래는 더 비싸고 공급량이 적지만 위에서 언급한 문제가 없습니다.

주조 공정은 간단한 제품의 경우 간단합니다. 원하는 모양의 캐비티를 만들고 수직 채널을 통해 용융 금속을 그 안에 부어 넣습니다. 금속이 굳으면 주변의 금형 모래를 제거하여 추출합니다.

그러나 복잡한 형상의 경우 금형을 채우는 방법, 여분의 금속 제거, 고품질 표면 마감, 균일한 충전을 위한 용융 금속의 최적 온도 및 속도 보장 등의 측면을 신중하게 고려해야 합니다.

일반적인 모래 주조 공정을 더 자세히 살펴보겠습니다:

1. 금형 제작

원하는 제품의 복제본인 패턴을 사용하여 금형을 만듭니다. 패턴은 기계 가공이나 적층 가공과 같은 다른 재료나 공정으로 만들어질 수 있지만 최종 제품과 모양과 치수는 동일합니다. 하나의 패턴을 사용하여 여러 개의 몰드를 만들 수 있습니다.

패턴은 모양의 중심선을 따라 두 부분으로 분리됩니다. 그런 다음 각 절반을 별도의 모래 상자에 넣고 모래 혼합물을 주위에 채워 모래에 패턴의 인상을 만듭니다.

모래에서 패턴이 제거되면 두 개의 샌드박스를 서로 위에 올려 고정하여 완전한 몰드를 만듭니다. 위쪽 절반과 아래쪽 절반을 각각 코프와 드래그라고 합니다. 이렇게 생성된 금형 캐비티는 제품의 음수 모양을 갖습니다. 예를 들어, 최종 제품의 돌출부는 금형의 함몰로 나타납니다.

2. 게이팅 시스템 생성

게이팅 시스템은 용융 금속이 캐비티로 유입되는 경로를 제공합니다. 잘 설계된 시스템은 제품의 품질에 결정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 효과적인 게이팅 시스템은 간단하고 효율적이며 난류를 최소화합니다. 또한 용융 금속에 존재하는 가스나 슬래그를 가두어 줍니다.

신중한 설계가 필요한 게이팅 시스템의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 주입통 및 스프 루 – 주입 통은 용융 금속이 유입되는 깔때기 모양의 입구 역할을 합니다. 금속은 주입 대야에서 스프 루로 흘러 들어가 중력을 따라 캐비티를 향해 이동합니다.
• 러너 – 러너는 용융 금속이 스프 루에서 다이 캐비티에 도달하기 위한 수평 채널입니다.
• Gates – 게이트는 다이 캐비티의 진입 지점으로, 용융 금속이 다이 캐비티로 원활하게 흐르도록 하고 압력을 유지하며 플래싱을 방지합니다. 또한 슬래그가 다이 캐비티로 유입되는 것을 제한하는 데 도움이 됩니다.
• 라이저 – 금속이 냉각될 때 수축을 방지하기 위해 라이저는 게이팅 시스템에서 여분의 용융 금속을 저장하는 저장소 역할을 합니다. 금속이 수축하기 시작하면 라이저가 캐비티에 추가 재료를 공급하여 금속 부족을 방지합니다.
• Cores – 제품에 속이 빈 부분이나 캐비티가 필요한 경우 코어라고 하는 단단한 모래 삽입물을 다이 내부에 배치하여 의도한 캐비티를 형성합니다. 용융 금속이 코어 주위를 채우면서 최종 주조에서 캐비티가 만들어집니다. 채플렛은 주조 중에 코어를 제자리에 고정합니다.

3. 용융 금속 붓기

용융 금속을 위에서부터 캐비티 안으로 붓습니다. 사용되는 금속의 양은 제품의 양을 약간 초과하여 라이저에 약간의 여분의 재료가 저장되도록 합니다.

4. 주조로 응고

다이 캐비티가 채워지면 주물을 식힙니다. 금속과 공정에 따라 자연 냉각 또는 강제 냉각이 적용될 수 있습니다. 적절한 냉각은 원하는 특성을 달성하고 최종 제품의 치수 정확도를 유지하는 데 필수적입니다.

5. 쉐이크아웃 및 모래 복구

쉐이크아웃은 주형에서 모래 주물을 제거하는 과정입니다. 모래를 흔들고 이동시켜 고형화된 주물을 분리한 다음 최종 마무리 작업을 위해 보내면 모래 회수가 시작됩니다.

모든 모래를 회수할 수 없기 때문에 오래된 모래 중 일부는 향후 모래 주조 공정을 위해 새로운 모래로 교체됩니다. 재사용을 위해 모래의 특성을 복원하기 위해 기계적, 화학적, 열처리와 함께 손실된 수분과 첨가제를 보충하여 모래의 조성을 조정할 수 있습니다.

샌드 캐스팅의 장점

최근 수십 년 동안 많은 첨단 기술이 개발되었음에도 불구하고 모래 주조는 여전히 가장 인기 있는 금속 제조 공정 중 하나입니다. 고유한 장점으로 인해 현대 제조 환경에서 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 오늘날, 모래 주조는 종종 자동화됩니다.를 통해 현대 프로덕션 환경의 요구 사항을 충족할 수 있도록 적응성과 효율성을 향상시킵니다. 다음은 샌드 캐스팅을 가치 있는 공정으로 만드는 몇 가지 주요 이점입니다.

모든 유형의 프로덕션에 적합

샌드캐스팅은 다양한 생산 설정과 호환이 가능하여 단품, 배치 또는 대량 생산이 가능합니다. 이 방법은 자동차, 방위, 농업, 광업, 건설, 의료 및 재생 에너지와 같은 산업에서 광범위하게 사용됩니다.

자동차 산업에서는 프로토타입, 엔진 블록, 실린더 헤드 및 다양한 IC 엔진 부품을 개발하는 데 샌드캐스팅이 사용됩니다. 또한 샌드캐스팅은 구조 부품, 모터 하우징, 배터리 케이스 등을 생산하는 데 사용되는 전기차 제조 분야로 그 적용 범위가 확대되고 있습니다.

있습니다 크기 제한이 거의 없음 도 가능합니다. 몇 그램에서 몇 톤에 이르는 제품도 수학적 정밀도로 주조할 수 있습니다.

비용 효율적

다양한 분야에서 모래 주조 기술을 채택하는 주요 요인 중 하나는 비용입니다. 모래 주조는 다른 주조 공정에 비해 훨씬 더 비용 효율적입니다. 모래는 최소한의 가공으로 향후 주조에 재사용할 수 있습니다.

The 대량 생산 자동화 는 일관되고 신뢰할 수 있는 품질을 보장하면서 개당 비용을 절감합니다. 모래 주조는 또한 낮은 툴링 비용 다른 주조 방식에 비해 저렴합니다.

모든 금속에 적합

모래 주조는 거의 모든 철 또는 비철 금속 합금에 사용할 수 있습니다. 예를 들면 금, 철, 납, 티타늄 등이 있습니다. 유일한 요구 사항은 녹아서 액체 금속으로 금형에 흘러 들어가야 한다는 것입니다. 이러한 유연성 덕분에 파운드리는 공정이나 장비를 크게 수정할 필요 없이 다양한 금속으로 작업할 수 있습니다.

빠른 프로세스

원심 주조와 같은 공정이 특정 형상에 더 효율적일 수 있지만, 모래 주조는 프로토타입 제작과 대규모 응용 분야 모두에서 빠른 처리 시간을 제공합니다.

샌드 캐스팅의 한계

모든 제조 공정에는 장단점이 존재합니다. 그러나 샌드캐스팅의 경우 이러한 단점은 장점에 비해 미미합니다. 몇 가지 제한 사항을 살펴보겠습니다:

표면 마감 불량

모래의 품질이 좋지 않거나 공정 편차가 있으면 모래 주물의 표면 마감이 좋지 않을 수 있습니다. 모래 주형에 고장이 발생하면 표면이 거칠어질 수 있습니다. 광범위한 후처리 없이 고품질 표면 마감이 필요한 제품의 경우 다이캐스팅과 인베스트먼트 주조가 선호되는 경우가 많지만 모래 주조도 적절한 모래와 공정을 통해 세련된 마감 처리를 할 수 있습니다.

고품질의 고운 모래를 사용하면 표면 마감은 훨씬 더 좋아지지만 공정 비용이 증가합니다. 모래 입자를 적절히 두드리거나 포장하는 것도 표면 마감을 개선하는 데 도움이 됩니다. 지나치게 거친 마감과 같은 표면 결함을 수정하기 위해 모래 주물은 일반적으로 선삭, 연삭 및 쇼트 블라스팅과 같은 기계 가공 작업을 거칩니다.

냉각 속도의 느슨한 제어

많은 금속 제조 공정에서 냉각 속도를 보다 효과적으로 제어할 수 있지만, 모래 주조에서는 그렇지 않습니다. 절연체 역할을 하는 모래는 냉각 단계와 관련된 문제를 더욱 악화시킵니다. 모래 주조에서는 냉각 단계가 상당히 길어져 리드 타임과 생산 속도에 영향을 미칩니다.

냉각 속도에 따라 미세 구조 이방성에 약간의 변화가 발생할 수 있습니다. 이방성은 재료의 입자 방향의 변화로 인해 발생하는 기계적 특성의 변화를 말합니다.

내부 캐비티 형성이 어려울 수 있습니다.

모래 주조 방식은 내부 캐비티를 형성하기 위해 금형 캐비티에 코어를 배치해야 합니다. 예를 들어 엔진 블록을 제조할 때는 주조 공정 중에 엔진 실린더를 위한 빈 공간을 만들어야 합니다.

금형 캐비티 내에 내부 챔버, 구멍 또는 공간을 만드는 것은 주조 공정을 견딜 수 있도록 올바르게 배치하고 적절하게 지지해야 하므로 까다로운 작업입니다. 이러한 캐비티가 복잡해질수록 더 많은 문제를 극복해야 합니다.

공정이 자동화되지 않은 경우 숙련된 노동력 필요

자동화된 프로세스는 비용이 많이 들 수 있습니다. 그러나 자동화가 없는 공정에서는 숙련된 모래 주조 전문가가 패턴과 금형을 제작하고 공정을 감독하여 고품질의 제품을 생산할 수 있습니다. 숙련된 인력이 없으면 결과물이 허용 기준에 크게 미치지 못해 평판과 물질적 손실을 초래할 수 있습니다.

모래 처리는 어려운 문제일 수 있습니다.

주조 공장에서는 성형 모래를 최대한 재활용하지만, 특정 횟수가 지나면 더 이상 재사용할 수 없게 됩니다. 그러나 파운드리에서 발생하는 폐모래는 환경 문제를 일으킬 수 있는 유해한 오염 물질입니다.

건설업은 현재 폐주물공장 모래를 처리하기 위해 전용되고 있는 분야 중 하나입니다. 콘크리트의 미세 골재(모래)를 대체하는 용도로 사용되고 있습니다. 이 방법은 모래 처리 문제를 해결할 뿐만 아니라 콘크리트 생산과 관련된 비용과 탄소 배출량도 낮출 수 있습니다.

하지만 이와는 별개로 대부분의 폐주조 모래는 매립지에 버려지는데, 이는 분명 이상적인 방법은 아닙니다. 주조 모래를 재활용할 수 있는 옵션은 제한적입니다.

결론

전통적인 모래 주조는 오래된 공정임에도 불구하고 괄목할 만한 개선을 거쳐 오늘날의 제조 환경에서 매우 유용하고 관련성이 높은 공정이 되었습니다. 그 인기는 부분적으로는 다양한 금속 유형과 제품 크기에 대한 다목적성, 그리고 부분적으로는 다른 주조 공정에 비해 비용 효율성에 기인합니다.

재료 과학과 공정 자동화의 지속적인 혁신으로 자동차에서 건설에 이르는 다양한 산업에서 모래 주조의 중요성이 더욱 확대되고 있습니다. 산업이 진화함에 따라 모래 주조는 금속 가공 기술의 전통과 혁신을 결합하여 산업 지형을 형성하는 데 지속적으로 기여할 것입니다.

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