알루미늄 주물제조/석고주조법

[우영메탈]

2.7.3 석고주조법(plaster mold process)

석고주조법은 알파형 반수석고를 주성분으로 하고 이에 내화물필러 외의 첨가물을 배합한 주형용 석고로 조형한다.
석고의 수화응결을 이용한 조형품으로 오래 전부터 치과나 장신구 분야에서는 수g에서 수십g까지의 금·은합금의 인베스트먼트주조용 왁스형이 매몰재로 이용되어 왔는데 수백g에서 수백kg에 이르는 공업제품의 정밀주조로서의 역사는 아직 50년까지는 미치지 못했다.
석고주조법은 아연합금, 알루미늄합금, 마그네슘합금, 일부 동합금 등의 비철금속의 공업제품주조에 사용되며 특히 알루미늄합금의 정밀주조가 그 주류를 이루고 있다.
주물표면과 치수의 정도가 좋고 주형의 열전도가 낮기 때문에 얇은 제품을 주조할수 있으며 또 주조 후의 탈사가 용이하다.
표면이 복잡한 고무 및 플라스틱의 성형용금형, 산업용 기계, 자동차용 흡기축 임펠러·전기기기의 부품, 다이캐스팅의 시험제작품의 주조 등에 이용되고 있다.
철계합금은 석고가 고온에서는 열분해를 일으키므로 주조는 불가능하다.
석고주조법에 사용하는 주형용 석고에는

1.      비발포석고(강도는 높지만 통기성은 거의 없다),

2.      발포석고(통기성은 있지만 강도는 그다지 높지 않다)

3.      매몰용석고(인베스트먼트주조용)

등 세종류가 있다.
내화물필러, 첨가물 등 모두 배합이 완료된 것이 주형용 석고로 석고 제조업체에서 시판되고 있으며 상사가 해외에서 수입·판매하고 있다.

(1) 비발포 석고주형의 작업공정
기본적인 금형용석고의 취급법은 발포석고, 매몰용석고와 공통점이 많다.

(i) 모형제작

도면을 토대로 파팅라인에서 분할된 목형, 금형이 사용되는데 모형까지의 공정은 원형에서 자형-웅형의 전사가 용이하므로 다소역구배 제품에서도 코어 없이 조형할 수 있는 고무형(실리콘고무, 다황화고무)의 주형을 상정한 것이다.
고무형은 주형분리가 양호하고 석고주조법에서는 빈번하게 사용되어 중요한 형재라 할수있다.
(ⅱ) 주형용 석고조형

모형에 이형제를 도포한다. 용기에 소정량의 물(석고중량의 40~50%, 수온293k(20℃)전후의 상수)를 넣고, 칭량한 주형용 석고를 산포투입해서 정치하고, 교반해서 크림상태의 슬러리로 만든다. 시간은 일반적인 소요시간으로 수화응결반응은 산포 및 투입부터 시작해 산포투입시점에서의 시간관리가 필요하다.
혼수량, 교반시간 등은 제조업체의 지시에 따른다. 교반봉을 이용한 수동교반, 300`500rpm인 2~3장의 날개를 이용한 기계교반에의한다.
또 필요에 따라 진공교반 또는 진공탈포처리도 한다.
(ⅲ) 슬러리의 주입에서 이형까지

슬러리는 5~8min이내에 충분한 유동성을 유지하고 모형의 세부나틀의 모서리부에 유입한다.
보조적인 수필을 사용하거나 진동이 효과적이며 모형표면만 스프레이총으로 슬러리를 블로몰드하는 방법도 있다.
중요한 것은 모형에 접하는 석고주형 표면의 기포발생을 최대한 방지하는 것이다.
주입한 슬러리는 유동성을 상실하고 응결개시(점성증가)와 함께 온도가 상승하고 최고(303~323k(30~50℃))가 되는 점이 응결의 종결점이며 이형이 가능해진다.
석고의 산포투입 개시부터 30~60min이다. 이형시 석고주형과 모형, 거푸집의 극간에 압축공기(493~588kPa(5~6kgf/㎠))를 블로주조에 의해 용이하게 이형할 수 있다.
(iv) 건조

석고주조법의 전공정 중에서 가장 많은 시간을 요하며 이형을 용이하게 할 수 있다.
석고주형의 최종 건조온도는 통상 493~503k(220~230℃)이며 석고를 무수상태로 해서 주조시의 날림이나 용탕흐름 불량을 방지한다.
일반적으로 열풍 강제순환배풍식 전기로가 많이 사용되고 있다.
석고주형은 ①잉여수의 증발 ②수화응결한 2수석고에서 반수석고로 ③반수석고에서 무수석고로 탈수해 가는 과정 모두 흡열반응이므로 주형중심부의 온도를 측정하여 건조로의 설정온도와 일치한 시점에서 흡열반응이 종료되고 무수가 되었다고 판단할 수 있다. 소요시간은 20~40hr이다.
(v) 주조

석고금형은 노내에서 353~473k(80~200℃)까지 온도를 내리고 나서 빼고 조립한 즉시 주조한다.
실온에 방치해 두면 석고주형의 재흡습이 일어나므로 피한다.
비발포석고는 통기도가 거의 없는데 탕구부에서의 가압주조나 감압주조를 이용하면 효과적이다.
석고주형은 보온성이 좋고 가압·감압을 이용해서 1.0~1.5mm의 얇은 주조도 가능한데 응고시간이 길고, 핀홀 발생, 결정립 조대화, 응고결함, 치수정도저하 등의 원인이 되므로 될수 있는 한 주형온도와 용탕주입온도 모두 저하시키는 것이 중요하다.
(vi) 후처리

인베스트먼트주조법과는 달리 타사는 뉴매틱헤머나 저압 워터제트에서 용이하며 제품을 흠없이 빼낼수 있다는 것이 석고주조법의 큰 특징이다.
응고속도가 늦기 때문에 주조변형은 매우 적지만 빼낸 후 탕구나 압탕 절단시 변형하지 않도록 주의해야 한다.
표면이 매끄럽고 주물상태 그대로 사용되는 경우도 많은데 요구에 따라 샌드블래스트, 글라스 비즈블래스트로 배껍질처럼 되는 경우도 있다.

(2) 발포석고주형

발포석고는 비발포석고에 비해 혼수량이 많고 활성제를 포함하므로 고무제 원판을 고속회전시켜 교반함으로써 공기가 혼입되어 발포증량한 슬러리를 만들고 용탕주입, 응결경화, 건조를 거쳐 통기성 있는 주형이 완성된다.
원판취급법은 미세한 기포가 균일하게 분포한 슬러리가 이상적이다.
모형에 접한 면은 치밀한 표면을 얻을 수 있는데 각부, 요철부 등의 구석구석까지 슬러리를 충전하기 위한 수필사용이나 주입시의 진동도 효과적이다.
스프레이총은 사용할 수 없다.
통기성이 있는 주형이므로 특수한 주조법은 필요없다. 교반장치와 건조로가 있으면 채용할 수 있는 간편한 정밀주조법이다.
다량의 기포를 함유하므로 주형의 보온성이 높고 비발포석고보다더 많은 응고 시간이 걸리며 수축결함이 발생하기 쉽다.
주조방안, 주형온도, 용탕처리, 주입온도에 대해 고려해야 한다.

(3) 매몰용 석고주형

앞에 이어서 주형용 석고에서는 코팅할 수 없으므로 인베스트먼트주조법이라 해도 솔리드몰드법에 한정된다.
왁스모형의 제작에는 수량, 형상, 정도 등에 따라 금형, 수지형이 사용된다.
이 왁스형을 탕구, 탕도와 조립해서 스테인레스 강제의 거푸집(원통형의 경우 플라스크라 한다)내에 세트한다.
매몰용석고의 혼수량은 30~45%이며 3~4min수동교반 또는 기계교반후 진공탈포하고 슬러리를 거푸집 내에 주입하고 다시 진공탈포로 석고슬러리를 거푸집과 왁스모형 사이의 기포를 제거한다.
지금까지의 작업에서는 석고슬러리의 유동성을 유지시켜야 하므로 매몰용 석고의 수화응결시간이 길어지도록 조절하고 응결의 종결점은 석고투입 후 60~90min이다.
매몰 후 2hr이상 경과한 뒤 100~150℃에서 몇시간 유지하다가 탈왁스하고 서서히 승온해 700~800℃의 소성온도에서 12hr 전후 유지하고 잔존왁스를 완전히 연소시킨다.
소성 후 주형을 노내에서 300~500℃까지 서랭하고 감압(흡인), 가압, 원심 등의 방법에 의해 주조한다.