모래 주조는 어떻게 작동합니까? 프로세스 및 부품 설명

모래 주조는 원하는 부품의 패턴 주위에 모래 혼합물을 채우고, 패턴을 제거하여 구멍을 남기고, 용융 금속을 해당 구멍에 붓고, 금속이 응고되면 모래 주형을 깨뜨리는 방식으로 작동합니다. 이는 세계에서 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 금속 주조 공정으로, 중량 기준 전 세계적으로 생산되는 모든 금속 주조의 약 70%를 차지합니다. 사형 주조는 다른 주조 방법에 비해 최소한의 툴링 비용으로 거의 모든 금속에서 몇 그램부터 100톤이 넘는 부품을 생산할 수 있습니다. 트레이드오프는 치수 공차와 표면 마감입니다. 사형 주조 부품은 일반적으로 인치당 ±0.03~±0.06인치의 공차와 250~500Ra(μin)의 표면 거칠기 값을 달성합니다. 이는 다이 캐스팅이나 인베스트먼트 주조보다 거칠지만 광범위한 구조 및 기계 응용 분야에 완전히 적합합니다.

모래 주조 공정: 단계별

샌드 캐스팅은 원시 모래와 용융 금속을 완성된 부품으로 변환하는 반복 가능한 일련의 단계를 따릅니다. 각 단계에는 최종 주조의 품질을 결정하는 특정 기술 요구 사항이 있습니다.

1. 패턴 만들기: 패턴(일반적으로 금속에 따라 1~2.5%의 수축 허용 오차로 특대형)을 원하는 부품의 정확한 복제품으로 목재, 플라스틱, 알루미늄 또는 우레탄 폼으로 제작합니다. 패턴에는 금형 캐비티 벽을 방해하지 않고 모래에서 깨끗하게 제거할 수 있도록 구배 각도(보통 측면당 1~3도)가 포함되어 있습니다.
2. 금형 준비: 패턴은 플라스크라고 불리는 두 부분으로 구성된 상자에 배치됩니다(커버는 상단에, 드래그는 하단에 있음). 모래는 각 절반의 패턴 주위에 단단히 채워져 있습니다. 가장 일반적인 방법인 생사 주조의 경우 모래 혼합물은 규사 85~95%, 결합제인 벤토나이트 점토 4~10%, 물 2~5%입니다. 점토와 물은 패턴을 철회할 때 틀의 형태를 유지하는 가소성을 생성합니다.
3. 패턴 제거: 플라스크 반쪽을 조심스럽게 분리하고 패턴을 그려 모래에 부품 형상의 정확한 부정적인 인상을 남깁니다. 래밍 전에 패턴에 도포된 이형 화합물은 제거 중 모래 접착을 방지합니다.
4. 핵심 설정(필요한 경우): 속이 빈 튜브, 엔진 포트 또는 코어 구멍과 같은 내부 공동이 있는 부품의 경우 미리 형성된 샌드 코어가 닫히기 전에 금형 공동에 배치됩니다. 코어는 화학적으로 결합된 모래(비 베이킹, 쉘 또는 콜드 박스 공정)와 별도로 만들어지며 코어 인쇄(코어 끝이 놓이는 금형 벽에 오목한 부분을 만드는 패턴의 돌출부)로 지지됩니다.
5. 게이팅 시스템 생성: 모래에 절단되거나 형성된 채널(게이팅 시스템이라고 함)은 주입 컵의 용융 금속을 스프루(수직 채널)를 통해 러너(수평 채널)를 따라 주입구를 통해 금형 캐비티로 안내합니다. 라이저(여분의 금속 저장소)도 두꺼운 부분에 위치하여 응고 중에 수축되는 용융 금속을 부품에 공급하여 수축 다공성을 방지합니다.
6. 금형 조립 및 주입: 코프와 드래그는 붓는 동안 용융 금속의 정수압으로 인해 코프가 떨어지는 것을 방지하기 위해 재조립되고 고정되거나 무게가 가해집니다. 금속은 정확한 온도에서 부어집니다. 일반적으로 주철의 경우 1,250~1,500°C, 알루미늄 합금의 경우 650~750°C - 가스를 가두거나 금형 벽을 침식할 수 있는 난류를 방지하기 위해 원활하고 지속적으로 수행합니다.
7. 냉각 및 응고: 금속이 냉각되는 동안 채워진 주형은 그대로 유지됩니다. 냉각 시간은 작은 알루미늄 부품의 경우 몇 분부터 대형 철 또는 강철 주조의 경우 몇 시간까지 다양합니다. 조기 교란으로 인해 뜨거운 찢어짐, 뒤틀림 또는 불완전한 응고가 발생합니다.
8. 셰이크아웃: 충분히 냉각되면 모래 주형이 분리되어 쉐이크아웃 스크린에서 기계적으로 진동되어 주물이 분리됩니다. 모래를 수집하고 신선한 점토와 물을 첨가하여 재생한 후 다시 생산에 재활용합니다. 대량 주조 공장에서는 생사의 90~95%가 재생되고 재사용됩니다.
9. 청소 및 마무리: 원시 주물은 쇼트 블라스팅이나 텀블링으로 청소하여 부착된 모래를 제거한 다음 게이트 시스템(스프루, 러너, 라이저)을 절단하고 바닥에 플러시합니다. 최종 단계에는 용도에 따라 열처리, 공차에 따른 가공, 표면 처리가 포함될 수 있습니다.

주요 모래 주조 부품 및 기능

사형 주조 설정의 개별 구성 요소를 이해하면 공정에서 금속 흐름, 열 분포 및 최종 부품 품질을 제어하는 방법이 명확해집니다. 각 모래 주조 부품은 특정 엔지니어링 목적으로 사용됩니다.

사형 주조 공정의 유형

"사형 주조"라는 용어는 각기 다른 생산량, 부품 복잡성 및 정확도 요구 사항에 적합한 여러 가지 고유한 프로세스 변형을 포함합니다. 올바른 공정 유형을 선택하는 것은 주조 설계 자체만큼 중요합니다.

녹색 모래 주조

가장 일반적이고 저렴한 모래 주조 방법입니다. "녹색"은 색상이 아니라 모래의 수분 함량을 의미합니다. 일반적으로 2~5%의 물이 벤토나이트 점토 바인더를 활성화합니다. 생사 주조는 대량의 회주철 및 연성주철 생산을 위한 기본 공정입니다. , 많은 자동차 주조소에서는 하루에 수천 개의 주물을 생산하는 완전 자동화된 그린 샌드 라인을 운영하고 있습니다. 모래는 쉐이크아웃 후 즉시 재활용 가능합니다. 한계에는 화학 결합 공정보다 치수 정확도가 낮고, 금형 수분이 제어되지 않을 경우 수분 관련 가스 결함이 발생할 가능성이 포함됩니다.

굽지 않는(에어셋) 샌드 캐스팅

모래는 열이나 습기가 아닌 화학 반응을 통해 실온에서 경화되는 두 부분으로 구성된 화학 결합제(예: 푸란 수지 또는 페놀성 우레탄)와 혼합됩니다. 굽지 않는 주형은 생사형 주형보다 단단하고 치수 안정성이 뛰어나므로 생사보다 약 25~50% 더 엄격한 공차 . 이 공정은 치수 정확도로 인해 더 높은 바인더 비용과 더 긴 금형 준비 시간이 정당화되는 산업용 펌프 하우징, 대형 밸브 본체 및 공작 기계 구성 요소와 같은 크고 복잡한 부품에 선호됩니다.

쉘 몰딩(크로닝 공정)

열경화성 페놀 수지로 코팅된 고운 규사를 가열된 금속 패턴(175~370°C) 위에 떨어뜨리거나 불어서 10~30초 안에 경화되는 10~20mm 두께의 얇은 껍질을 형성합니다. 두 개의 껍질 반쪽이 접착제로 결합되어 완전한 주형을 형성합니다. 쉘 성형은 125-250Ra(μin)의 표면 마감과 ±0.010인치의 치수 공차를 생성합니다. 이는 생사보다 훨씬 더 좋습니다. 일반적으로 자동차 캠샤프트, 크랭크샤프트, 커넥팅 로드 및 기타 중용량 정밀 부품에 사용됩니다.

로스트폼 캐스팅 (풀몰드 공정)

최종 부품과 동일한 EPS(팽창 폴리스티렌) 폼 패턴이 느슨하고 접착되지 않은 마른 모래에 묻혀 있습니다. 용융된 금속을 부으면 폼이 기화되어 정확한 모양을 갖게 됩니다. 금형 제거가 필요하지 않으며 기존 사형 주조에서 여러 코어가 필요한 내부 기능을 갖춘 복잡한 형상을 단일 폼 패턴으로 생산할 수 있습니다. 로스트 폼 캐스팅은 알루미늄 실린더 헤드, 흡기 매니폴드, 복잡한 철제 엔진 블록에 광범위하게 사용됩니다. — General Motors는 이 공정을 사용하여 1,500만 개가 넘는 실린더 헤드를 생산했습니다.

진공(V-공정) 주조

건조하고 접착되지 않은 모래는 화학적 결합제가 아닌 진공 압력에 의해 패턴 위에 드리워진 얇은 플라스틱 필름에 대해 제 위치에 고정됩니다. 붓고 굳힌 후 진공이 해제되고 모래가 자유롭게 흘러나갑니다. 흔들림이 필요하지 않습니다. V-공정 주조는 150~300Ra의 표면 마감과 우수한 치수 반복성을 달성하며, 주입 시 폐가스를 거의 발생시키지 않는다는 장점이 있어 환경적으로 가장 깨끗한 모래 주조 방법 중 하나입니다.

모래주물이 가능한 재료

경쟁 공정에 비해 모래 주조의 가장 중요한 장점 중 하나는 재료의 다양성입니다. 모래 주조는 주조 가능한 거의 모든 금속 및 합금과 호환됩니다. , 영구 금속 주형을 파괴할 수 있는 융점이 높은 것을 포함합니다.

일반적인 모래 주조 결함 및 예방 방법

사형 주조 결함은 잘 운영되는 주조 공장에서는 생산량의 약 5~10%를 차지하고, 제대로 관리되지 않는 작업에서는 최대 20~30%를 차지합니다. 불량률을 최소화하는 프로세스 제어를 설계하려면 결함 원인을 이해하는 것이 필수적입니다.

다공성(가스 및 수축)

다공성은 가장 흔한 사형 주조 결함입니다. , 응고된 금속 내에 공극으로 나타납니다. 가스 다공성은 응고되기 전에 수소나 수분으로 생성된 증기가 용융물에 갇혀 있을 때 형성됩니다. 수축 다공성은 용융 금속이 응고되면서 수축할 때 형성되며, 그 틈을 메울 수 있는 액체 금속이 부족합니다. 예방 조치에는 모래 수분 함량을 4% 미만으로 제어하고, 질소 또는 아르곤 퍼지로 용융물의 가스를 제거하고, 라이저 크기 및 위치를 올바르게 지정하는 것이 포함됩니다.

모래 함유물 및 콜드 셧

모래 함유물은 주형이나 코어 표면에서 침식된 느슨한 모래가 난류 금속 흐름에 의해 주물로 운반될 때 발생합니다. 콜드 셧은 두 개의 금속 흐름이 금형에서 만나 적절하게 융합되지 않을 때 형성됩니다. 이는 일반적으로 캐비티를 채우기 전에 금속이 너무 많이 냉각되었거나 흐름이 제대로 분할되지 않는 게이팅 시스템으로 인해 발생합니다. 충전 속도가 제어된 적절한 게이팅 설계(철 주입구에서 0.5m/s 미만), 알루미늄에 대한 적절한 금형 예열 및 잘 압축된 모래는 모두 이러한 결함을 줄입니다.

뜨거운 눈물과 왜곡

뜨거운 찢김은 주형이나 코어에 의해 열 수축이 제한될 때 응고 중에 주물에 형성되는 균열입니다. 이는 두꺼운 부분에 인접한 얇은 부분과 알루미늄 청동과 같이 응고 범위가 넓은 금속에서 가장 일반적입니다. 설계 솔루션에는 단면 전환 시 필렛 추가(최소 3~5mm 반경), 코어 붕괴성 증가, 냉각 또는 라이저 배치를 통한 응고 순서 조정이 포함됩니다.

사형 주조 공차, 표면 마감 및 치수 기능

사형 주조를 시작하기 전에 현실적인 치수 기대치를 설정하면 비용이 많이 드는 재설계를 방지할 수 있습니다. 프로세스에는 프로세스 유형, 금속 및 부품 크기에 따라 달라지는 잘 정립된 기능 한계가 있습니다.

참고로, 매몰 주조는 일반적으로 인치당 ±0.005인치 및 63-125Ra를 달성합니다. , 고압 다이캐스팅은 인치당 ±0.002~0.005인치에 도달하며, 둘 다 상당히 높은 툴링 비용을 제공합니다. 모래 주조 공차는 어쨌든 중요한 인터페이스의 가공이 필요한 대부분의 구조 부품, 하우징 및 브래킷에 완전히 적합합니다.

모래 주조와 기타 주조 공정: 모래를 선택하는 경우

샌드 캐스팅이 항상 최적의 공정 선택은 아닙니다. 대안에 비해 어느 부분이 뛰어나고 어디가 부족한지 이해하면 비용이 많이 드는 프로세스 선택 실수를 방지할 수 있습니다.

모래 주조의 장점

• 모든 주조 공정 중 가장 낮은 툴링 비용: 생사 주조를 위한 간단한 나무 또는 플라스틱 패턴을 $500~$5,000에 만들 수 있습니다. 비슷한 다이캐스팅 다이의 가격은 $20,000~$200,000입니다. 이로 인해 샌드 캐스팅은 프로토타입 수량, 단기 실행(500개 부품 미만) 및 다이 툴링이 실용적이지 않은 초대형 부품에 대한 유일한 경제적인 옵션이 됩니다.
• 실제 크기 제한 없음: 사형 주조는 모든 공정에서 만들어진 가장 큰 금속 주조물을 생산합니다. 수력 발전 터빈, 선박 프로펠러 및 프레스 프레임용 대형 프레임 등 가장 큰 단일 모래 주조물은 무게가 100톤이 넘으며 다른 방법으로는 생산할 수 없습니다.
• 모든 주조 가능한 합금과 호환 가능: 한 번의 샷으로 알루미늄 또는 아연 다이캐스팅 툴링을 침식하거나 파괴할 수 있는 고융점 철 합금(강, 스테인리스강, 고크롬 철)을 포함합니다.
• 코어를 통한 복잡한 내부 형상: 샌드 코어는 영구 금형에서 추출할 수 없는 내부 통로, 공동 및 기능을 허용합니다. 이는 엔진 블록, 밸브 본체 및 유압 매니폴드에 중요합니다.

다른 프로세스를 선택해야 하는 경우

• 고용량의 견고한 공차 얇은 벽 → 다이캐스팅: 벽 두께가 2mm 미만이고 공차가 ±0.010인치보다 작은 수량 10,000~50,000개 이상의 알루미늄 또는 아연 부품의 경우, 고압 다이캐스팅은 높은 툴링 투자에도 불구하고 부품당 비용이 더 낮습니다.
• 복잡한 형상의 미세한 표면 마감 → 인베스트먼트 주조: 얇은 벽, 미세한 세부 사항 및 거의 정형에 가까운 요구 사항(대부분의 기계 가공 제거)이 있는 부품은 부품당 비용이 높음에도 불구하고 인베스트먼트 주조를 통해 더 나은 서비스를 제공합니다.
• 단순회전부품 → 원심주조 : 파이프, 튜브, 링 및 원통형 부싱은 모래 주조보다 원심 주조를 통해 더 경제적으로 더 나은 기계적 특성(원심 분리로 인해)으로 생산됩니다.

사형 주조에 의존하는 산업 및 제품

사형 주조는 여러 주요 산업의 제조 공급망에 깊숙이 포함되어 있습니다. 완제품에 매일 등장하는 많은 구성 요소는 모래 주조에서 시작되었습니다.

자동차 산업

자동차 산업은 전 세계적으로 사형 주조의 가장 큰 소비자입니다. , 중량 기준으로 전체 파운드리 생산량의 약 35~40%를 차지합니다. 단일 내연 기관에는 엔진 블록, 실린더 헤드, 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 크랭크샤프트(다양한 설계에서), 차동 하우징, 변속기 케이스, 브레이크 캘리퍼 및 휠 허브 등 수십 개의 모래 주조 구성 요소가 포함되어 있습니다. 일반적인 승용차에는 150~250lbs의 철 및 알루미늄 모래 주물이 들어 있습니다.

산업용 기계 및 펌프

공작 기계 베이스, 펌프 케이싱, 압축기 하우징, 밸브 본체, 임펠러 및 유압 매니폴드는 주철, 강철 및 청동으로 광범위하게 모래 주조됩니다. 복잡한 내부 형상(펌프 볼류트, 밸브 챔버), 큰 크기 및 중소 생산량의 조합으로 인해 샌드 캐스팅은 대부분의 산업용 유체 처리 장비에 최적의 공정입니다.

항공우주 및 국방

항공우주 정밀 부품은 인베스트먼트 주조 또는 기계 단조품을 사용하는 경우가 많지만, 모래 주조는 알루미늄 및 마그네슘 합금으로 된 많은 기체 구조 부품, 기어박스 하우징, 나셀 구조 및 지상 지원 장비 부품을 생산합니다. 모래 주조는 부품 크기와 합금 요구 사항이 매몰 주조 능력을 초과하는 대형 포병 부품, 차량 장갑 브래킷 및 해군 하드웨어의 기본 공정이기도 합니다.

건설, 광업 및 에너지

크러셔 조, 압연기 라이너, 굴삭기 톱니, 파이프라인 피팅, 맨홀 덮개 및 풍력 터빈 허브는 이러한 산업에서 사용되는 내마모성, 고강도 모래 주조 부품 중 하나입니다. 일반적으로 연성철로 주조되는 단일 풍력 터빈 허브의 무게는 15~30톤에 이릅니다. 잘 설계된 비소성 모래 주조 공정만이 이 규모에서 안정적으로 제공할 수 있는 치수 안정성과 내부 건전성이 필요합니다.