2.7 정밀주조법
2.7.1 정밀주조법의 개요
정밀주조법은 다른 주조법보다 치수정도가 높고 주물표면이 매끄럽고 또 기계가공과 비교해서 복잡한 형상의 것이 일체로 용이하게 제작할 수 있으며 사용목적에 훨씬 가까운 니어넷형상의 소형재를 제공할 수 있는 주조법이다.
정밀주조법에는 다음과 같이 세 종류가 있다.
(1) 인베스트먼트주조법(로스트왁스법)
정밀주조법의 대표적인 방법이며 전체 정밀주조품 생산량의 80%이상, 생산금액의 90%이상을 차지하고 있다.
특수내열합금에서 알루미늄합금까지 모든 재료에 적용할 수 있다. 수g에서 수십kg까지로 항공기, 원자로, 기계, 자동차 등의 복잡한 형상제품에 적합하고 대량생산 및 자동화에 의한 원가절감을 조건으로 한다.
(2) 세라믹몰드법(쇼프로세서, 유니캐스트 등이 있다)
주철, 강철, 동합금 등에 의한 금형 및 기계부품 등 수kg부터 수톤까지 비교적 대형의 소량생산 정밀주조품 생산에 적합하다.
일부 알루미늄합금의 주조에도 이용되고 있다.
(3) 석고주조법(plaster mold법이라고도 한다)
알루미늄합금, 아연합금, 마그네슘합금, 일부 동합금 등 용탕주입온도 1473k(1200℃)이하의 합금으로 한정된다.
수백g부터 수십kg까지의 금형이나 항공기, 자동차, 산업기계 부품 등 복잡한 형상, 얇은 제품의 비철합금, 비양산 정밀주조품의생산에 적합하다.
이상을 종합하면 알루미늄합금의 정밀주조에 적합한 주조법으로는 인베스트먼트주조법과 석고주조법 두 가지를 들 수 있으며 본항에서는 이 두 방법에 관해 그 내용을 소개하고자 한다.
이 외에도 알루미늄합금의 주조에 사용되는 다이캐스팅, 금형주조, 셸몰드 등의 주조법이 있어 사형주물과 비교해서 치수정도가높은 주물을 얻을 수 있으나 엄밀한 의미에서의 정밀주조법의 범주에는 포함되지 않는다.
2.7.2 인베스트먼트 주조법
인베스트먼트주조법에서는 왁스모형(왁스패턴)의 사출성형시 분할목형 혹은 복수조합 금형을 사용하는데 조형시에는 모형을 풀고 형빼기를 하거나 형빼기를 한 후 금형맞추기를 하는 것이 아니므로 치수정도면에서 우수하다는 것이 특징이다.
인베스트먼트 주조법에는 왁스모형의 주위를 내화물 슬러리를 반복코팅해서 조형하는 세라믹셸몰드법과, 왁스모형을 내화물 슬러리로 매몰해서 조형하는 솔리드몰드법(블록몰드법)이 있는데 공업제품의 주조는 거의 세라믹셸몰드법에서 행해지고 있다.
단 알루미늄합금에 관해서는 솔리드몰드법에 있어서 내화물 슬러리 대신 주형용 석고를 사용해서 매몰하는 방법도 많이 이용되고있으며 이에 관해서는 석고주조법에서 설명하겠다.
(1) 왁스모형 제작
알루미늄합금제 금형에 파라핀 수지 등과 필러혼합왁스를 327~353k(50~80℃), 압력0.98~4.9MPa(10~50kgf/㎠)에서 분사기로사출성형한다. 중공이나 형상이 복잡한 제품에 있어서 통상적인 인베스트먼트에서는 세라믹중자를 사용한다.
그러나 알루미늄합금의 경우는 주조 후 굳어버린 세라믹중자를 제거하는 것은 매우곤란하므로 중자에 상당하는 부분에 별도 성형의 에틸렌그리콜을주성분으로 하는 수용성 중자를 금형으로 세트해서 왁스를 사출성형하고 성형·냉각 후 수중에 수시간 담궈 용해분리시키고 왁스모형에 중공부나 복잡한 오목부분을 만든다.
이와 같이 성형한 모형을 1~수십개의 용탕용 왁스모형에 붙이고 클러스터를 조립한다.
(2) 세라믹셸몰드의 조형작업
코팅작업은 매우 번거로운 공정인데 로봇에 의한 자동화가 제법 진행되어 있다.
아교질규토 또는 에틸규산염 가수분해액에 지르콘, 전융알루미나, 용융실리카 등의 내화물미분을 가한 슬러리에조립한 클러스터를 침지하고 지르콘샌드나 소성지르콘, 전융알루미나립, 용융규토립 등을 뿌려 샌딩한다.
건조 후 다시 침지와 샌딩을 하고 이것을 6~7회 이상 반복 코팅하고 마지막층은 침지만 한다.
코팅간격(건조시간)은 온도 294~296k(21~23℃), 습도50~65%인 실내에서 아교질 규토 슬러리에서는 2.0~2.5hr, 에틸규산염 슬러리에서는 1.0~1.5hr이 보편적이다.세라믹셸의 두께는 5~15mm이며 코팅에 필요한 작업시간은 10~20hr이다.
이 시간을 단축하기 위해 래피드셸법(강제통풍, 암모니아젤화,산성과 염기성 양 바인더의 교호작용에 의한 젤화 등)도 행해지고있다.
세라믹셸몰드에 의한 알루미늄합금의 정밀주조에서는 특히 탈사할 때 주조품의 변형이나 표면에 흠이 발생하는 것을 방지하기 위해 주형의 붕괴성을 잘 해두어야 한다.
때문에 소성강도가 그다지 높지 않은 내화물(용융규토)을 사용하거나 또 가능한 한 강도가 낮은 바인더를 사용하는 방안도 연구되고 있으며 워터제트(물분사)로 특히 중자부분의 탈사도 가능하게 되었다.
(3) 탈왁스
오토클레이브탈왁스, 588kPa(6kgf/㎠), 10min)가 일반화되어 왔다.
열충격, 비등수에 의한 방법도 있다. 세라믹셸에 적절한 강도가 있고 왁스모형 전체가 가열팽창하기 전에 표면이 용융유출하면 세라믹셸이 변형하거나 균열이 발생하는 일 없이 치수정도가 유지된다.
(4) 소성
탈왁스를 종료한 세라믹셸은 973~1273k(700~1000℃)의 가열로에 넣어 20~60min 소성하고 내화물 골재나 바인더의 열처리, 잔류왁스의 연소제거가 행해진다.철계 합금에서는 소성온도 그대로 주조되는 경우가 많은데 알루미늄합금에서는 소성 후 473~773k(200~500℃)까지 냉각해서 주조한다.
(5) 주조
대기용해-대기주조, 진공용해-진공주조, 반전가압, CLA법, CLV법 등 재질의 특성 요구에 따른 주조방법을 취할 수 있다.
후술할 석고주조법과 마찬가지로 주형 내에서의 용탕 응고속도가 지연되므로 알루미늄합금에서는 특히 함유가스량을 낮추는 용탕처리가 중요하다.
용탕 중의 가스량은 0.15cc/100g(0.134ppm)이하로 하는 것이 바람직하다.
(6) 후처리 및 검사
탈사는 뉴매틱헤머, 쇼트블라스트, 샌드블라스트 등에 의한 건식법과 4.9~19.6MPa(50~200kgf/㎠)의 고압 워터제트에 의한 습식법이 있다.
철계 정밀주조품과 같이 773k(500℃)의 용융가성소다염에서의 탈사는 불가능하다.
탈사가 전혀 불가능한 형상의 제품일 때는 석고주조법을 채용하도록 한다.
주조품은 육안검사 후 필요에 따라 열처리를 하고 침투탐상검사, 형광탐상검사, X선투과검사, 치수검사 등을 받고 출하된다.
검사는 일반 주물보다 엄격하다.