해양산업

알루미늄 주물.금형 중력(gravity) 주조법

1. 금형주조의 특징
알루미늄합금의 주탕온도가 700℃전후로 낮아 금형에 의한 중력주조는 사형주조 대신 널리 쓰이고 있는데 일반적으로 금형주조라고 불리는 것은 중력금형주조를 가리킨다.금형주조는 용탕 자체의 중력을 이용해 금속으로 만든 주형 속으로 쏟아부어 주형 내에서의 응고수축을 중력에 의해 보완하는 방식이다.금형주물은 사형주조에 비해 용탕의 냉각온도가 빠르고 결정립이 미세하게 됨과 동시에 함유가스의 고용량이 증가하고 핀홀이 생기기 어렵기 때문에 기계적 성질이 우수하다.
그러나 주물의 형상, 주조방안에 따라서는 그 자체로서는 지향성 응고를 하는 것이 곤란한 경우가 많아 금형을 공랭 또는 수랭을 이용해서 온도콘트롤을 하거나 도형재의 재질이나 막두께를 바꿈으로써 냉각속도를 조정한다.
경우에 따라서는 단열재에 의해 금형의 보온 등을 조합시켜 압탕부분이 마지막에 응고하도록 연구해야 한다.
특히 냉각속도에 있어서는 형온 보다 도형의 재질, 두께가 큰 영향을 미친다.
그 특징을 요약하면 다음과 같다.

①사형에 비해 냉각속도가 빠르고 조직이 치밀한 주물을 만들수 있다.
②동일금형에서 반복해 주조할 수 있고 다량생산에 이용된다.
③모래중자를 사용할 수 있으므로 복잡한 형상의 주물을 만들 수 있다.
④주형이 금속이므로 사형에 비해 치수의 정도가 좋은 주물을 만들 수 있다.

2. 금형
금형은 열충격과 용탕에 의한 침식을 반복해서 받으므로 그것에 견딜 수 있는 재료가 필요한데 일반적으로 그 금형에서 주조되는 제품의 수량, 금형의 재료비, 기계가공비 등이 기준이 되어 선정된다.
기본적으로는 생산량이 적은 것은 주철, 대부분은 주강이나 다이스강이 사용된다. 특히 수랭을 필요로 하는 금형에는 주강이나 다이스강을 사용한다.
금형의 수명은 재질에 따라 다르지만 형조직, 제품형상, 요구되는 주물표면의 베벨, 주조조건 등이 크게 영향을 미친다.

3. 금형의가스빼기
금형주물에서는 주탕에 의한 가스발생은 적어 캐비티 내의 공기를 빼내면 좋다.
간단한 형상일 경우에는 가스빼기를 하지 않아도 금형의 맞춤면, 중자프린드등에서 자연스럽게 빠진다.
그러나 모서리각부분이나 복잡한 형상이라 가스가 들어차 있는 부분 혹은 용탕에 배압이 가해져 탕흐름에 지장을 받을 때는 가스빼기를 해야 한다.
가스빼기는 건전한 주물을 만드는 데 있어서 매우 중요하다.
가스빼기를 하는 방법은 분할면에 홈을 넣거나, 가스가 고이기 쉬운 부분에 구멍을 내거나 플러그를 삽입하거나 한다.
또 주조 핀이 있는 부분에서는 끝에서 가늘게 형을 분할하는 방법도 있다.

4. 주조방안
기본적으로는 사형방안과 같지만 주형이 금속이기 때문에 사형보다 자유도 면에서 제약이 따른다. 즉 탕구, 탕도, 압탕 등의 위치가 모두 분할면이나 빼기가능한 형상으로 제약을 받기 때문이다. 기본적으로
①사형과 달리 열전도가 높아 용탕의 온도저하가 급속하여 용탕의 점성, 표면장력이 상승, 캐비티의 충전성이 저하되기 쉽다.
②형의 강성이 높아 용탕 응고시 발생하는 변형에 유연성이 없다.
③제품두께의 차가 심할수록 금형의 냉각효과의 차에 의한 결함이 발생하기 쉽다.등의 문제가 있다.
①에 대해 도형을 충분히 하거나, 용탕이 충전하기 어려운 캐비티의 일부 혹은 전면에서 진공펌프로 연결한 흡인관을 설치해 배기하는 방법이 효과적이다.
②에 대해서는 빼기구배를 크게 하거나, 모서리 부분의 구멍을 크게 하거나 리브를 붙이는 경우도 있다.
③에 대해서는 금형의 두께를 변화시키고 금형의 보온, 냉각을 실시한다

5. 도형
도형의 목적은 금형의 급랭효과를 완화하고 금형과 용탕의 직접접촉을 피하고 열적·화학적으로도 안정되게 하며 제품 각부에서 균일한 주물표면을 얻을 수 있다.
일반적으로 시판품으로써 목적별로 주물재 제조업체에서 판매되고 있는 것을 사용하고 있다.
주물표면은 미분일수록 깔끔하게 되지만 탈가스는 반대로 거칠수록 효과가 크게 된다.
도형제 도포에는 숙련을 요하며 도포할 때의 금형온도·도포방법이 도형의 두께에 영향을 미치므로 주의를 기울여야 한다.
도포의 두께는 금형의 냉각능을 변화시키므로 그때 그때마다 일정하게 해야 한다.

6. 중자
중자에는 금속제중자 및 모래중자를 사용한다.
중자는 치수정도면에서 가능한 한 금속제중자로 하고 고정하는 쪽이 유리하다.
모래중자에는 탄산가스형, 셸형, 콜드박스형이 널리 사용되고 있다.모래중자를 사용할 때에는
①주물의 온도구배상 서랭해야 되는 부분
②두께의 불균일이 현저할 경우 두꺼운 부분에 금속제중자, 얇은 부분에 모래중자를 사용한다.
③제품 내 언더커트(under cut)부 등이지만 가스빼기홀은 여러 개를 만들어 바깥공기와 통하게 하는 것이 중요하다.
또 모래중자를 사용할 경우는 금형과 모래중자와의 냉각효과 차에서 모래중자면에 수축홀이나 다른 결점이 쉽게 발생하므로 경우에 따라서는 모래중자에는 냉심을 사용하거나 알루미늄분말을 도포하기도 한다.

7. 금형 주조기
금형주조기는 다이캐스팅 등과는 달리 특정의 형식이 대량생산되는 경우는 드물다.
거의 대부분이 주조업체에서 독자적인 사양으로 자체제작하는 경우가 많다.
때문에 그 사양은 매우 다양하다. 기계적으로 최근에는 유압실린더를 사용해 가동형을 고정형측에 개폐시키는 것이 대부분이다.
게다가 환경대책이나 생인화를 위해 자동주탕장치나 제품취출장치를 조합하는 경우도 많아 무인화 방향으로 가고 있다.
또 주탕시 탕의 난류에 의한 산화물의 발생을 막기 위해 주조기 전체를 기울이는 가경식주조기의 사용도 증가하고 있는 이것은 특히 내압부품, 매니홀더류나 알루미늄휠의 제주에 많이 쓰인다.
어느 것이나 용탕온도, 금형온도의 제어나 취출에 있어서는 컴퓨터를 이용한 자동화로 나아가고 있다.