모래 주조 공정이란 무엇입니까? 작동 방식 및 부품 제작

사형 주조는 원하는 부품의 패턴 주위에 모래를 압축하여 형성된 금형 공동에 용융 금속을 붓는 금속 주조 공정입니다. 금속이 굳으면 모래 주형을 깨뜨려 완성된 주조물을 드러냅니다. 전 세계적으로 생산되는 금속주물의 70% 이상을 차지하는 세계에서 가장 널리 사용되는 주조법입니다. , 몇 그램에서 수만 킬로그램에 이르는 부품을 생산할 수 있습니다. 이 제품의 지배력은 낮은 툴링 비용, 폭넓은 재료 호환성, 솔리드 스톡에서 가공하기 어렵거나 불가능한 매우 복잡한 형상을 주조할 수 있는 능력에서 비롯됩니다.

모래 주조 공정: 단계별

사형 주조는 정의된 작업 순서를 따릅니다. 각 단계는 완성된 사형 주조 부품의 치수 정확도, 표면 품질 및 구조적 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다.

패턴 만들기: 원하는 부품의 복제물인 패턴이 목재, 플라스틱, 알루미늄 또는 에폭시로 생성됩니다. 패턴은 응고 중 금속 수축을 설명하기 위해 약간 과대합니다(일반적으로 철의 경우 1~2%, 알루미늄의 경우 최대 2.5%). 1~3도의 구배 각도가 수직 표면에 추가되어 패턴이 모래에서 깨끗하게 제거될 수 있습니다.
금형 준비: 패턴은 플라스크라고 불리는 두 부분으로 구성된 금속 또는 나무 프레임에 배치됩니다. 위쪽 절반은 "코프"이고 아래쪽 절반은 "드래그"입니다. 특별히 제조된 주물사(보통 점토와 물(생사) 또는 화학적 결합제로 결합된 규사)가 양쪽 절반의 패턴 주위에 단단히 채워져 있습니다. 모래는 모양을 유지할 수 있을 만큼 콤팩트해야 하지만, 붓는 동안 갇힌 가스가 빠져나갈 수 있을 만큼 충분히 투과성이 있어야 합니다.
코어 배치(필요한 경우): 엔진 블록, 펌프 하우징 또는 중공 브래킷과 같이 내부 공동 또는 언더컷이 있는 부품의 경우 두 부분이 조립되기 전에 샌드 코어가 금형 공동 내부에 배치됩니다. 코어는 모래와 별도로 수지 바인더로 접착되어 구워져 경화됩니다.
금형 조립: 패턴은 양쪽 절반에서 제거되어 모래에 부품의 부정적인 인상을 남깁니다. 대처와 드래그는 조립되고 고정되거나 가중치가 부여되어 닫힙니다. 게이트 시스템(스프루, 러너, 게이트)은 용융 금속을 캐비티 안으로 보내는 반면, 라이저는 주조물이 응고됨에 따라 수축을 보상하기 위해 액체 금속 저장소를 제공합니다.
녹이고 붓는 것: 금속(철, 강철, 알루미늄, 청동, 황동 또는 기타 합금)을 용광로에서 녹여 정확한 붓는 온도로 만듭니다. 알루미늄은 일반적으로 680~760°C(1,256~1,400°F) ; 회색 철 1,370~1,480°C(2,500~2,700°F) . 난류, 산화 및 가스 포착을 최소화하기 위해 용융 금속을 스프루에 꾸준히 붓습니다.
응고 및 냉각: 금속이 구멍을 채우고 응고되기 시작합니다. 냉각 시간은 작은 알루미늄 부품의 경우 몇 분에서 대형 철 주조의 경우 몇 시간까지 다양합니다. 냉각 속도는 입자 구조와 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 냉각을 제어하면 더 미세하고 강한 입자가 생성됩니다.
셰이크아웃: 일단 응고되면 진동 쉐이크아웃 기계나 수동으로 금형을 분해합니다. 모래는 주물에서 분리되고 생사 시스템에서는 다음과 같이 재처리 및 재활용되어 재사용됩니다. 일반적인 모래 재생률 85~95% .
청소 및 마무리: 게이트, 라이저 및 플래시(분할선에 있는 얇은 금속 핀)는 절단, 연삭 또는 톱질을 통해 제거됩니다. 주조 표면을 쇼트 블라스팅이나 텀블링으로 청소하여 부착된 모래를 제거합니다. 부품 사양에서 요구하는 대로 열처리, 가공, 표면 코팅 등을 적용합니다.

모래 주조에 사용되는 모래 및 주형 시스템의 유형

모든 모래 주조가 동일한 유형의 모래 또는 바인더 시스템을 사용하는 것은 아닙니다. 성형 재료의 선택은 주조 정확도, 표면 마감 및 생산 속도에 직접적인 영향을 미칩니다.

표 1: 바인더 유형, 표면 마감 및 일반적인 용도별로 비교한 사형 주조 금형 시스템
모래 종류	바인더	표면 마감(Ra)	최고의 대상
녹색 모래	점토수	12~25μm	대량 생산, 철, 알루미늄
굽지 않는(푸란/페놀)	화학수지촉매	6~12μm	크고 복잡한 정밀 주조
조개 모래(크로닝)	페놀수지(열경화)	3~6μm	고정도, 얇은 벽, 자동차 부품
CO₂ 모래	규산나트륨 CO2 가스	10~20μm	중간 정도의 복잡성, 강철 주물
로스트 폼(EPC)	접착되지 않은 마른 모래	5~10μm	복잡한 거의 그물 형태의 부품, 코어가 필요하지 않음

녹색 모래는 가장 경제적인 시스템입니다. 대량 파운드리 생산을 장악하고 있습니다. 굽지 않는 및 쉘 샌드 시스템은 금형당 더 많은 비용이 들지만 더 엄격한 공차와 더 나은 표면 마감을 제공하므로 정밀도를 위해 선호되는 선택입니다. 모래 주조 부품 항공우주, 자동차, 유압 응용 분야에 사용됩니다.

샌드 캐스팅으로 어떤 부품을 만들 수 있나요?

샌드 캐스팅은 거의 모든 산업 분야에서 광범위한 부품을 생산합니다. 거의 모든 크기의 거의 모든 금속을 주조할 수 있는 능력 덕분에 다른 제조 공정에 비해 다용도성이 뛰어납니다.

자동차 및 운송

엔진 블록 및 실린더 헤드(회주철, 알루미늄)
변속기 하우징 및 차동 케이스
브레이크 캘리퍼, 너클 및 서스펜션 브래킷
흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드

산업용 기계 및 장비

펌프 하우징, 임펠러 및 밸브 본체
기어박스 케이싱 및 베어링 하우징
공작 기계 베이스, 베드 및 기둥(종종 진동 감쇠를 위한 회주철)
압축기 및 유압 실린더 본체

항공우주 및 국방

알루미늄 및 마그네슘 합금의 구조용 브래킷 및 하우징
랜딩 기어 구성 요소 및 액추에이터 하우징
레이더 및 안테나 장착 프레임

건설 및 인프라

맨홀뚜껑 및 배수그레이트(연성철)
파이프 피팅, 플랜지 및 밸브 본체
건축 하드웨어 및 장식용 철제품

에너지 및 해양

풍력 터빈 허브 및 나셀 프레임(일부 20,000kg 초과)
청동 또는 스테인리스강으로 제작된 선박 프로펠러 및 방향타 부품
증기 및 가스 터빈 케이싱

사형 주조와 호환되는 재료

경쟁 공정에 비해 모래 주조의 가장 큰 장점 중 하나는 거의 보편적인 재료 호환성입니다. 주로 비철 합금으로 제한되는 다이 캐스팅과 달리 사형 주조는 주조 가능한 거의 모든 금속을 가공할 수 있습니다.

표 2: 주입 온도와 대표적인 부품에 따라 일반적으로 사형 주조로 가공되는 금속
금속/합금	붓는 온도(°C)	일반적인 모래 주조 부품
회색 철	1,370~1,480	엔진 블록, 기계 베이스, 브레이크 드럼
연성이 있는 철	1,370~1,450	크랭크샤프트, 기어, 맨홀 뚜껑
탄소/합금강	1,540~1,650	중장비 프레임, 광산 장비
알루미늄 합금	680~760	변속기 케이스, 항공기 브래킷, 펌프
청동/황동	950–1,100	해양 프로펠러, 베어링, 밸브 바디
마그네슘 합금	680~750	항공우주 하우징, 경량 구조 부품
니켈 기반 초합금	1,400~1,500	고온 터빈 및 용광로 부품

샌드 캐스팅의 장점과 한계

주요 장점

낮은 툴링 비용: 모래 주형을 위한 간단한 나무 패턴의 가격은 다이캐스팅 도구의 경우 $50,000~$200,000인 반면, $500~$2,000 정도입니다. 따라서 프로토타입, 소량 및 대형 부품의 경우 샌드 캐스팅이 매우 비용 효율적입니다.
크기 제한 없음: 사형 주조는 가장 작은 휴대용 브래킷과 가장 큰 산업용 부품을 생산할 수 있습니다. 무게가 20톤이 넘는 풍력 터빈 허브는 일반적으로 모래 주조로 만들어집니다.
복잡한 내부 형상: 샌드 코어를 사용하면 대부분의 다른 주조 방법으로는 달성할 수 없는 복잡한 내부 통로, 언더컷 및 중공 단면을 생성할 수 있습니다.
범용 금속 호환성: 모래 주형은 영구 금속 다이를 파괴할 수 있는 강철과 철의 높은 주입 온도를 견디므로 모래 주조가 많은 철 합금에 대한 유일한 실용적인 옵션이 됩니다.
빠른 설계 반복: 패턴 수정은 하드 툴링 변경에 비해 저렴하고 빠르므로 제품 개발 중에 샌드 캐스팅이 이상적입니다.

주요 제한사항

표면 마무리: 생사 주조는 일반적으로 다이 캐스팅(Ra 1–2 µm) 또는 인베스트먼트 주조(Ra 1.6–3.2 µm)보다 상당히 거친 Ra 12–25 µm의 표면 거칠기를 달성합니다. 씰링 표면, 베어링 보어 및 기타 기능 영역에는 2차 가공이 필요합니다.
치수 공차: 표준 사형 주조는 대부분의 치수에서 ±0.5~1.5mm의 공차를 달성합니다. 공차가 더 엄격하려면 주조 후 쉘 성형 또는 가공이 필요합니다.
다공성 위험: 가스 다공성과 수축 다공성은 사형 주조에 내재된 위험입니다. 적절한 게이팅 설계, 가스 제거 처리(알루미늄의 경우) 및 제어된 응고를 최소화할 수는 있지만 제거할 수는 없습니다.
다이 캐스팅보다 낮은 생산 속도: 모래 주형은 각 타설 후에 파괴되며 다음 주조를 위해 다시 만들어야 합니다. 자동화된 그린 샌드 라인은 대량 생산이 가능하지만 동일한 부품 크기의 경우 다이캐스팅보다 사이클 시간이 더 깁니다.

사형 주조와 기타 주조 공정 비교: 사형 주조를 선택하는 경우

표 3: 비용, 마감 및 적용 범위별로 다이 캐스팅, 인베스트먼트 주조 및 영구 주형 주조와 모래 주조를 비교함
프로세스	툴링 비용	표면 마감	최고의 볼륨 범위	금속 호환성
모래 주조	낮음($500~$5,000)	보통(Ra 6~25μm)	부품 1~100,000개	철/강철을 포함한 모든 금속
다이 캐스팅	매우 높음($50,000~$250,000)	우수(Ra 1–2 µm)	부품 50,000개	비철금속만 해당(Al, Zn, Mg)
투자 주조	보통($2,000~$20,000)	매우 좋음(Ra 1.6–3.2 µm)	부품 100~50,000개	대부분의 금속; 제한된 부품 크기
영구 금형	중간($5,000~$50,000)	좋음(Ra 3~6μm)	부품 1,000~100,000개	비철, 일부 철

다음과 같은 경우 모래 주조를 선택하십시오. 부품이 크거나 무겁거나, 합금이 철(철 또는 강철)이거나, 생산량이 높은 툴링 투자를 정당화하지 못하거나, 형상에 복잡한 내부 기능이 포함되거나, 설계가 여전히 반복되고 있습니다. 매우 큰 볼륨, 엄격한 공차, 비철 부품의 경우 다이 캐스팅 또는 영구 주형 주조가 궁극적으로 부품당 비용을 낮춰줍니다.

사형 주조 부품의 품질 표준 및 검사

구조적, 압력 함유 또는 안전이 중요한 응용 분야용 모래 주조 부품은 정의된 품질 표준을 충족해야 합니다. 일반적인 검사 및 승인 기준은 다음과 같습니다.

치수 검사: CMM(3차원 측정기) 또는 수동 측정을 통해 주물이 일반적으로 유지되는 드로잉 공차를 충족하는지 확인합니다. ASTM A802 또는 ISO 8062-3 주조 공차 등급(CT 등급).
육안 및 표면 검사: ASTM E125 또는 이와 동등한 시각적 참조 표준에 따라 주물에 콜드 셧, 잘못된 작동, 수축 공동 및 모래 함유물을 포함한 표면 결함이 있는지 검사합니다.
방사선 사진 테스트(RT): X선 또는 감마선 검사를 통해 내부 다공성과 수축 결함을 감지합니다. 압력 용기 본체 및 항공우주 부품과 같은 중요한 주조품은 정기적으로 방사선 촬영을 통해 ASTM E94 또는 ASME 섹션 V 표준.
초음파 테스트(UT): 방사선 촬영이 불가능한 두꺼운 부분의 주조품에서 표면 아래 결함을 탐지하는 데 사용됩니다.
기계적 테스트: 생산 부품과 함께 주조된 테스트 바를 기계 가공하고 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 경도를 테스트하여 합금 및 열처리가 사양 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.