금속을 가열하여 액체상태로 녹이고, 이를 미리 만든 형틀에 부어 응고시켜 일정한 형태를 만들어내는 기법이다. 캐스팅, 주금, 주물이라고도 한다. 기원전 3000년 경부터 인류가 사용하기 시작한 금속조형의 가장 근본적인 기법 중 하나라고 할 수 있다.
주조는 같은 형태를 여려개 복제 생산하기 위한 방법으로 이용되었으며, 조형적인 측면에서는 앞에서 살펴본 여러 가지 판금기법으로 표현하기 어려운 세밀하고 사실적인 묘사, 다양한 질감의 표현등을 가능케하는 이점을 가지고 있다. 현대에서도 장신구에서부터 거대한 기계까지 금속형태의 성형을 위해 매우 폭넓게 응용된다. 주조는 금속 외에도 석고, 흙, 왁스, 합성수지 등의 재료로도 가능하다.
쇳물을 붓는 형을 형틀이라고 하는데, 이는 외형틀, 주형, 주형틀, 모올드(mould), 가다 등의 여러 용어로 통용된다. 순 우리말로 거푸집이라고도 한다.
주조로 만들어진 기물은, 망치에 의해 성형되는 단조품에 비해 외부의 힘에 대한 저항력이 약하다. 이는 쇳물이 식으면서 응고될 때 냉각속도가 부분적으로 다르므로 결정체의 크기나 모양이 불규칙하게 되기 때문이다. 예를 들어, 주조된 금속형태를 망치질하면 얇아지거나 늘어나는 대신 부서지게 된다.
금속공예에서 현재 많이 사용되고 있는 주조방식은 모래주조, 탈납주조가 있으며 탈납주조는 원심주조, 압박주조, 진공주조 등의 방법에 의해 구분된다.
1. 오징어뼈 주조(cuttlefish casting)
오징어의 뼈를 이용한 이 주조는 고대부터 행해져온 아주 간단한 주조방법이다. 초보자가 쉽게 해 볼 수 있으며 주조의 기본적인 개념을 이해하는데 도움이 되므로 주조의 첫과정으로서 권해 볼 만하다.
① 작업과정
오징어뼈를 준비한다. 우리 나라에서는 '갑오징어'의 뼈를 어렵지 않게 시장에서 구할 수 있다. 이 뼈는 길이가 약 15㎝ 내외로 서양의 오징어뼈 보다는 작지만 반지크기의 작은 형태를 주물하기에 적 합하다.
* 오징어 뼈를 완전히 세척하고 말린 후 가장자리의 얇고 뾰족한 부분을 잘라버린다.
* 톱질로서 두 부분으로 자른 후 부드러운 면(한쪽 면은 단단한 각질임)을 서로 마주보게 하여 문질러 평평하게 갈아낸다.
* 주물 하고자 하는 형태를 디자인에 따라 한쪽 면 혹은 양쪽 면에 음각의 공간으로서 파낸다. 디자 인은 가능한 한 단순해야 하며 정교한 구조나 각이 예리한 것은 오징어뼈 주조에 적합하지 않다. 파내는 형태는 뼈의 외곽으로부터 5㎜이상 떨어져야 한다.
* 오징어뼈 주조의 묘미는 나무결과 간은 오징어뼈 특유의 무늬를 살리는 것이다. 이것을 특히 강조 하고자 할 때는 형태를 파낸 후 붓으로 문질러 주면 무늬가 좀 더 뚜렷해진다.
* 윗쪽의 입구에 쇳물을 붓기 위한 깔때기 모양의 주입구를 파준다. 형태를 한쪽 면에만 성형하는 경우에도 가능한 한 주입구는 양면 모두에 파주어 두 면을 접합하면 주입구가 원형이 되도록 한 다.
* 부조와 같이 한쪽 면만을 파주는 경우 다른 한 면은 오징어뼈 대신 숯덩이로써 받쳐줄 수 있다.
* 형태와 주입구를 파낸 후에는 약간의 공기통로(air vent)를 파주면 주조에 도움이 된다. 이것의 역 할은 쇳물을 부을 때 속에 있던 공기와 뼈가 타면서 생기는 가스가 쉽게 빠져나가도록 해주는 것 이다. 공기통로는 형태의 바깥쪽 45도 상향으로 가는 선을 6∼10개 정도 긁어내주면 된다. 이 골은 외과까지 완전히 나오지 않아도 된다.
* 형태가 완성되면 두 개의 형틀을 정확히 일치시키기 위해 요철(고정핀)을 만들어 주기도 한다. 두 면이 접촉하는 면의 외곽에 3개 정도의 지점을 선택하여 길이 약 5㎜의 성냥개비 토막을 준비하여 꽂은 후 이 길이의 반은 상대면에 꽂히도록 눌러서 고정시켜 준다. 이것은 후에 두 형틀을 묶을 때나 쇳물을 부을 때 움직이지 않도록 하는 역할을 한다. 형틀의 양쪽면을 모두 파내는 경우는 이 요철을 먼저 만들고 양면을 서로 대조하면서 파주는 것이 좋다.
* 두 개의 형틀을 묶음철사나 마스킹 테이프로 묶어준다.
* 금속을 도가니에서 용해한 후 형틀에 붓는다.
쇳물은 한 번에 부어야 하며, 세워놓은 형틀이 움직이거나 쓰러지지 않도록 특별히 유의 해야 한 다. 쇳물을 주입할 때는 유기물이 타는 냄새가 많이 나게 되므로 환풍을 잘해야 한다.
* 이상과 같은 오징어뼈 주조는 숯덩이로도 똑같이 시도해 볼 수 있다.
② 기성의 모델을 이용하는 방법
* 앞에서와 같은 방법으로 한 벌의 형틀을 위한 오징어뼈를 준비한다.
* 요철(고정핀)을 세 개의 구석에 위치를 정하여 한쪽면의 형틀에 심어준다. 형틀에 누를 모델을 준 비한다. 이 모델은 그림과 같이 '언더컷'이 없어야 한다.
* 모델을 한쪽의 평평한 면에 올려놓은 후 다른 쪽의 면을 덮어 서서히 누른다. 구명이 거의 붙을 때 세 개의 고정핀도 상대면 속으로 수직으로 파고드는 지를 확인하다. 힘을 고르게 주기 위해서는 양손으로 누루는 것도 좋은 방법이 다.
* 완전히 밀착하면 천천히 형틀을 분리하고 모델을 제거한다. 이 때도 오징어뼈의 무늬를 강조하려면 붓으로 문질러 준다.
* 주입구를 파 준 후 요철을 잘 확인하여 두 형틀을 맞추어 묶는다.
* 쇳물을 부어준다.
* 나머지 과정은 위와 동일하다.
2. 모래주조(sand casting)
모래주조는 모래로 형틀을 만들어 주조하는 방법이다. 물을 섞어 적당한 굳기를 갖춘 모래에 모델을 묻었다가 빼낸 후 그 빼낸 자리 즉, 빈 공간 속에다 쇳물을 부어 형태를 만드는 방법이다. 이 모래주조는 다른 주조방식에 비해 단순한 설비와 제작 과정에 의해 이루어지는 장점이 있다. 그러나 언더컷(undercut)이 없는 비교적 단순한 모델의 주조에 적당하며 세부가 많거나 정교한 형태의 주조는 바람직하지 않다. 모래주조는 마감을 할 때 표면을 다소 깎아내게 되므로 정교한 디자인을 할 때는 여유분을 감안하여야 한다.
① 모형 제작
* 모형의 재료로는 가벼운 나무, 플라스틱 등이 적당하다. 나무로 마티카, 마호가니, 체리 등이 좋 다. 그러나 모텔을 묻을 때 모래로 다져 누르게 되므로 이때 찌그러지거나 손상이 될 수 있는 약 한 모델은 안 된다. 모델을 만든 후 표면에 초(wax)또는 니스를 바르면 모래로부터 나무를 뺄 때 형틀을 다치지 않고 부드럽게 빼내는데 도움이 되며 또한 나무가 젖은 모래로부터 수분을 흡수하 는 것을 막아준다.
* 모델의 형태에는 언더컷(undercut)이 없어야 한다. 이 어더컷이란 모래속에 묻히게 되는 밑면의 윗면보다 넓은 경우를 말하는데 형틀에서부터 모델을 빼낼 수 없기 때문이다.
* 가장 완전히 모델을 형틀로부터 분리하기 위해서는 그림과 같이 '빼내기경사'를 주는 것이 좋다.
② 형틀만들기
주조를 위한 모래형틀은 쇠(알미늄, 무쇠, 연철등을 사용)로 만들어진 외곽틀(drag, casting frame, mould flask)안에 모래를 다져넣어 만든다. 이 외곽틀은 위 아랫면이 없는 원형 혹은 사각형으로 용도에 따라 다양한 형태가 있다. 또한 이 틀에는 상하의 틀을 정확히 맞추기 위한 물림쇠가 외 곽 혹은 안쪽에 있다.
* 두 개의 형틀 중 하형의 형틀을 뒤집어 유리와 같이 완전히 평평한 밑판(stand board)위에 놓는다.
* 이 형틀의 중앙에 모델을 놓는다. 이 형틀은 후에 뒤집게 되므로 모텔의 넓은 면이 아래로 되도록 놓는다.
* 주물사를 준비한다. 주물사로는 보통의 모래도 사용할 수 있지만 좀 더 정확한 주조를 위해서는 고운 모래에 점토, 석영 등을 섞어 사용한다.
* 주물사에 물을 섞어 적당한 굳기로 만든다. 반죽된 모래는 손으로 쥐었다 놓았을 때 그 형태가 유 지되는 정도의 굳기를 가지도록 차져야 주조되는 형태의 세부가 표현된다. 모래가 너무 건조하면 형틀이 약해져 용해된 쇳물이 흘러들어올 때 부서지기 쉬우며, 너무 습하면 쇳물이 들어올 때 열 에 의해 수증기가 발생하여, 불필요한 압력과 가공이 생기게 된다.
* 바닥에 주물사를 뿌리기 전에 분리재를 뿌린다. 분리용 가루붕사(talc chalk, dust graphite), 하천 의 모래, 파우더(baby power)등을 이용도로 사용한다.
* 주물사를 채로 치면서 모델 위에 뿌려준다. 틀의 1/3쯤을 채운 후 방망이 등으로 외곽부터 다진다. 이 과정을 주물사가 틀에 찰 때까지 3∼4회 반복한다. 주무사를 형틀의 높이와 정확히 맞추어 평 면을 이루도록 해준다.
* 평평한 판을 위에 덮고 형틀을 뒤집는다. 바닥에 놓였던 모델의 편이 표면으로 올라온다.
* 상형틀을 위에 놓은 후 가루붕사를 다시 뿌려준다.
* 모델이 그림과 같이 하형에서 끝나는 경우, 바로 모델 위에(혹은 옆에) 물줄기를 고정시킨다. 물줄 기(sprue,탕구봉)는 녹은 쇳물을 흘러들어오는 길로서, 원추형의 막대를 붙이게 되는데 정확하게 수 직으로 세우는 것이 중요하다. 또한 모델의 형태가 큰 경우는 물줄기와 함께 공기통로(air vent)를 붙여준다. 이는 물줄기보다 가는 막대를 사용하면 된다. 또는 형태의 외곽 끝에 두 세 개의 물줄 기를 함께 붙여 공기구멍의 용도를 대신할 수 있 다. 주물사를 하영과 같은 요령으로 뿌려준다.
* 모델이 상하형으로 분리된 경우는 상형의 모델을 먼저 하형의 모델윗면에 맞추어 놓은 후 물줄기를 붙여준다. 이 경우도 필요에 따라 공기통로용 막대를 고정시켜 준다. 주물사를 뿌려준다.
* 경우에 따라서는 공기통로를 주물사를 다 채운 후 만들기도 하는데 여러 방법이 가능하다. 상하형 을 분리하여 모델을 빼낸 후 하형의 표면에 모델이 차지한 공간에서부터 바깥쪽으로 가는 골을 파 주는 방식이 있으며, 상형의 모래를 다진 후 모델을 빼내기 전에 여러 개의 가는 대바늘이나 철봉 등으로 표면에서부터 모델이 닿도록 찔러 넣은 후 후에 모델을 제거할 때 함께 빼내면 공기 구멍이 된다. 모델이 약간 큰 사이즈의 경우, 이 공기구멍의 지름은 5㎜정도로 7∼8개 뚫어준다.
* 상형과 하형을 분리하여 속으로부터 모델과 물줄기를 빼낸다.
이 때 모래형이 파손되지 않도록 주의해야 한다. 날카로운 핀셋을 사용하여 조심스레 꺼내야 하면 필요에 따라 모델의 표면에 미리 구멍을 뚫거나 나사(screw)자국을 내고 후에 나사를 꽂아 모델을 꺼내기도 한다.
* 형틀에 부를 쇳물을 준비한다. 전기로 속에 도가니를 예열시킨 후 융점보다 50∼80℃ 높게 온도를 맞추어 금속을 녹인다. 예를 들어, 알미늄과 같은 경우 670℃의 융점보다 높여 750℃정도로 녹여 준비한다.
* 쇳물을 붓기 전에 물줄기의 끝을 부드럽게 만들어주어 쇳물을 부을 때 끝부분이 떨어져 쇳물과 함 께 속으로 들어가지 않도록 한다.
* 쇳물을 붓는다. 쇳물은 약간 빨리 한번에 부어야 한다.
* 5∼10분 후 주물사와 틀을 제거하고 주물을 식혀 표면가공을 한다.
한번 사용한 모래형틀은 금속을 꺼낸 후에 형태가 완전히 보존되었다 하더라도 쇳물을 다시 부을 수 없다. 그러나 모래는 다시 재생하여 사용할 수 있다. 형틀에서 빼낸 모래는 굵은 체를 통해 걸 러 덩어리와 이물질 등을 제거하여 부순 후 다시 가는 망을 사용해 곱게 고르고 새로운 모래와 혼 합하여 다시 사용할 수 있다.
이상과 간은 오징어뼈 주조와 모래주조는 쇳물을 단순히 그 자체의 무게 즉 중력을 이용해 붓는 방 법으로 이를 중력에 의한 주조(gravity pourign casting)라 한다. 이 방법은 오랜 세월동안 사용된 주조방식으로 최소한의 설비와 작업과정만을 필요로 해, 현대에도 주조형태가 비교적 단순하거나 또는 형태가 큰 경우 많이 이용한다.
다음에 언급할 몇 가지 주조방식은 쇳물을 그 자체의 무게뿐만 아니라 다른 힘에 위해 형틀 속으로 빨아들이는 방법들이다.
3. 탈납주조(lost wax casting)
탈납주조(脫蠟鑄造)는 말 그대로 왁스(납, 蠟)로 모델을 제작했다가 이를 빼내고 이 자리에 쇳물을 붓는 주조방법이다. 왁스로 만든 모델을 형틀 속에 묻고, 형틀이 굳은 다음 그것을 가열하여 왁스만을 태워 버림으로써 그 왁스의 형태를 얻게 되는 것이다. 그러므로 모델을 형틀로부터 꺼낼 필요가 없는 탈납주조는 모래주조의 한계를 넘어 자유롭게 모델형태를 다룰 수 있게 되는 것이다.
탈납주조의 모델 재료는 왁스 외에도 기본적으로 열에 의해 타 없어질 수 있는 재료는 모두 이용될 수 있다. 특히 플라스틱으로 만든 기성제품이나 장난감 등이 이용될 수 있으며 곤충이나 나뭇잎 등의 가연성 자연물도 모두 가능하다.
금속공예에 있어 탈납주조는 큰 형태를 다룰 수 없는 단점이 있지만, 정밀하고 복잡한 입체형태를 만드는데 적합하여 장신구, 공업용 부품, 의료용 정밀기구 등을 만드는데 이용된다. 또한 고무주형에 의해 복제 생산될 수 있어 산업적으로 매우 널리 활용된다.
이 주조는 쇳물을 주입하는 방식에 따라 원심주조, 압박주조, 진공주조 등의 세 가지로 구분된다. 여기서는 우선 이들 주조 방식의 공통부분이라 할 수 있는 왁스 모델 만들기와 플라스크에 심기, 매몰과정 등에 대해 알아본다.
왁스모델 만들기
1) 왁스
탈납주조를 위해 주로 사용하는 왁스는 밀납(蜜蠟, 벌꿀이 만드는 천연왁스)과 인공의 왁스 파라핀을 혼합하여 만든 왁스이다. 융점은 약 60℃로서 알콜램프와 스파츌라(spatula, 왁스성형도구)에 의해 쉽게 녹일 수 있고 가공할 수 있으므로 성형이 용이하다.
기성의 왁스 제품은 선왁스(wire wax), 판왁스(sheet wax), 그리고 블록형왁스(block wax)등이 있다. 선왁스는 그 용도에 따라 단면이 환봉, 각봉, 그리고 반달형(반지의 단면) 등이 있으며 굵기별로 시판된다.
또한 이들은 굳기에 따라 스프트왁스(soft wax)와 하드왁스(hard wax)로 구분된다. 주로 판형인 소프트왁스는 가열에 의해 쉽게 붙거나 성형되는 장점이 있으며 뜨거운 물에 담갔다가 꺼내면 쉽게 성형되기도 한다. 그러나 무르기 때문에 정교하거나 기하학적인 형태를 다루기 어렵다. 이때는 하드왁스(hard wax, carving wax 라고도 한다)를 사용하는데 열에 의한 가공보다는 주로 톱질, 줄질, 모터툴(핸드피이스)로 깎아나가며 작업하게 된다.
2) 스파츌라(spatula)
왁스로 형태를 만들 때 사용하는 금속도구로서 가열하여 왁스를 자르거나 덧살을 올리거나 굵어내는 등 여러 용도로 사용한다. 용도에 따라 다양한 형태의 날이 있으며, 열전도를 막기위해 날과 손잡이 사이의 허리부분은 가늘게 되어있다.
3) 두께조정
주조한 금속의 최종무게는 왁스모델 무게의 약 10배 정도 된다. 신체에 착용하게 되는 장신구의 경우 무게는 대단히 중요하므로 왁스로 모델을 만드는 동안 무게를 함께 고려해야 한다. 또한 모델이 완성된 후에는 불필요하게 두꺼운 부분이 없는가를 살펴 살을 깍아 내도록 한다. 왁스모델을 불빛에 비쳐보면 두께를 식별할 수 있다.
4) 모델의 표면마감
왁스모델의 성형이 끝나면 표면을 깨끗이 마감해 주어야 한다. 모델의 표면이 깨끗할수록 주조되는 금속의 표면이 깨끗하기 때문이다. 또한 표면이 거친 경우 결과적으로 석고형틀의 표면이 거칠게 되므로 쇳물이 쉽게 주입되지 않고 거친 표면의 석고가 떨어져나와 쇳물 속에 섞이게 될 확율이 높아진다.
왁스의 표면가공은 스파츌라, 사포, 고운줄 등으로 하게 되며, 필요에 따라 벤젠을 솜에 묻혀 표면을 약간씩 녹일 수도 있다. 하드왁스의 표면 연마는 거의 금속연마와 같은 방법으로 광택까지 얻을 수 있다. 완성된 모델은 물줄기를 붙여 주어 주형접시에 심어 매물하게 되는데 전체의 탈납주조 과정을 그림으로 보면 다음과 같다.
* 물줄기 붙이기
물줄기(sqrue, 탕도)는 주조시 쇳물이 들어오는 통로다. 이는 완성된 모델에 왁스봉을 붙여서 만들게 되며 이 모델과 물줄기는 주조를 위해 플라스크의 밑받침 즉, 주형접시에 고정된다.
--- 물줄기의 용도는 정확하게 본다면 다음과 같다. ---
* 주형접시에 모델을 고정, 지지하는 봉의 역할.
* 석고로 모델을 매몰한 후 왁스를 가열하여 태워낼 때 그 가스가 빠져나가는 통로의 역할.
* 용해된 쇳물이 모델에 이르는 통로의 역할
물줄기는 봉의 형태로 시판되는 왁스를 직접 이용하는 경우가 많다. 그 굵기는 모델의 크기에 비례하는데 반지의 경우 지름 1.5∼2㎚정도이다. 물줄기의 개수와 붙이는 위치 등은 매우 중요하며 경험을 요한다. 중요한 것은 주조시 쇳물이 흘러가는 방향을 잘 고려하여 쇳물이 형태의 모든 부분에 잘 미치도록 하는 점이다.
--- 다음은 모델을 주형접시에 붙일 때의 유의사항이다. ---
* 물줄기는 주형접시보다 모델에 먼저 붙여준다. 이 물줄기와 모델의 무게를 함께 저울에 달아 기록 해 두어야 하기 때문이다. 이 무게는 후에 주조에 투입되는 금속의 양을 결정한다.
* 모델과 물줄기를 붙일 때는 예각이 생기지 않도록 유의한다. 예각이 생기는 경우 후에 쇳물이 주 입될 때 석고가 부서져 쇳물에 섞이게 되기 때문이다.
* 물줄기는 가능한 한 후에 줄질이 쉽도록 디자인이 단순한 곳에 붙이는 것이 좋다.
* 모델의 너무 좁은 부분에 물줄기가 붙게 되면 후에 쇳물이 용이하게 주입되기 어려우므로 이를 피한다.
* 쇳물이 쉽게 흐르기 위해서는 모델의 형태는 수평을 이루는 것보다 일정한 각도(45도가 이상적)를 이루는 것이 좋다. 또한 후에 매몰을 할 때 기포가 모이지 않도록 우묵한 부분이 위를 향해야 한다.
* 모델의 형태가 얇은 판일 경우는 쇳물이 퍼져나가기 어려우므로 여러 군데 물줄기를 붙여 주는 것이 좋다.
* 모델이 작은 형태인 경우는 한 개의 물줄기에 두 개 이상 붙일 수 있다.
* 물줄기의 방향은 수직으로 모아지는 것이 좋다.
모델이 용적을 많이 차지하는 경우는 공기통로(air vent)를 만들어 주는데, 이는 쇳물이 빈 공간으로 투입될 때 안쪽의 공기가 쉽게 빠져나가도록 하는 것이다. 공기통로는 물줄기보다 굵지 않은 선왁스로서 모델로부터 주형접시의 주입구가 아닌 바닥면에 연결시켜주면 된다.
* 안쪽이 빈 공간으로서 거의 막힌 형태의 모델인 경우, 석고를 부으면 형태 안쪽의 석고주형과 바깥쪽의 석고주형이 거의 분리되므로, 왁스를 태워낸 후 안쪽의 주형의 따로 움직일 수 있다. 이를 막기 위해서 미리 동이나 철제의 핀을 모델의 중심부분에 관통시키며 꽂은 후 매몰한다.
* 최종적으로 고정된 모델은 플라스크이 벽면에서부터 0.5∼1㎝정도, 윗면으로 부터는 1㎝이상 떨어져야 한다.
- 석고매몰
모델이 앉혀진 플라스크에 물에 갠 석고를 부어넣는 과정을 매몰(埋沒,investment)라 한다. 이 석고는 굳은 후에 왁스모델을 제거하면 결과적으로 쇳물을 부어넣는 형틀이 되는 것이다.
1) 석고와 물의 양
석고의 양은 거의 규격화되어 있는 플라스크의 크기에 따라 정해지게 되며 플라스크의 지름과 높이에 비례하게 된다.
매몰석고와 물의 비율은 5:2가 이상적이다. 예를 들어 석고의 양이 200g이면 200×5/5=80g의 물이 섞이면 되는 것이다. 물은 찬물이어야 한다.
석고와 물이 각각 정확한 양으로 준비되면 매몰과정을 잘 계획해야 한다. 왜냐하면 석고가 일단 물에 섞여 굳을 때까지의 시간은 약 10∼11분으로 한정되어 있기 때문이다. 이 사이에 마쳐야 할 일은 석고를 물에 풀어 개기, 석고에서 기포제거, 석고를 모델에 바르기, 석고 매몰 등이다.
시간을 초과하는 경우, 석고를 붓는 도중에 굳기 시작하므로 모델의 세밀한 부분까지 매몰되지 않게 되며, 너무 빨리 진행한 경우는 붓고난 석고가 굳는 동안에 물과 석고의 성분이 유리되며 층을 만들고 이는 석고 소성시 형틀에 금이 가게할 수 있기 때문이다.
2) 매몰과정
* 석고를 물에 섞기 전에 비눗물과 붓을 사용하여 왁스모델의 표면에서 기름때와 이물질을 닦아준다.
* 세척 후 물기를 완전히 제거하고 기포제거용액(debubblizer)을 다시 바른다. 이는 매몰시 석고로부터 기포가 떠오르며 모델과 접촉 할 때 표면에 붙지 않고 미끄러지며 수면 위로 올라가도록 하는 용액이다. 이 용액은 기성제품으로 판매도 되지만 없는 경우는 알코올 용액, 혹은 비눗물과 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반반 섞은 용액을 사용할 수 있다. 칠을 할 때는 부드러운 붓을 사용한다.
* 고무그릇, 석고용액을 젓는 나무봉, 붓, 기포제거용 진동기(vibrator), 시계를 준비하고 석고를 물에 섞는다.
* 정해진 양의 찬물을 고무그릇에 준비하여 석고가루를 조금씩 부으면서 계속 젓는다. 이 젓는 동작 을 5∼6분 계속한다.
* 약 1분 정도 진동기 위에 올리고 기포를 제거한다. 진동기가 없을 때는 고무그릇의 밑부분을 가 볍게 치면서 최대한 기포를 수면 위로 떠오르도록 한다.
* 모델이 정교하거나 움푹 파인 곳이 많은 경우, 붓으로 석고 용액을 묻혀 왁스모델에 먼저 칠한다. 혹은 모델을 석고용액에 거꾸로 담갔다 꺼낸다. 모델이 단순한 경우는 이 과정을 생략할 수 있다.
* 플라스크를 주형접시에 다시 고정시킨다.
* 석고를 붓는다. 부을 때 기포나 기공이 생기지 않도록 플라스크를 약간 기울여 벽면을 타고 흐르 도록 붓는다. 기포제거를 위해 석고를 부을 때도 플라스크를 가동하는 진동기 위에 놓고 부을 수 있다. 이때는 모델을 다치지 않도록 진동을 약하게 해야한다.
* 석고를 부은 후 약 20∼30분이 경과한 후, 석고가 완전히 굳기전에 윗면을 플라스크 벽면에 맞춰 정 확한 평면으로 갈아준다.
* 후에 혼동하지 않도록 모델형태, 왁스의 무게 등을 내용물에 관한 사항과 제작자 명을 석고면에 분명 하게 새겨둔다.
왁스의 소성(bum out)
가마 속에서 진행되는 소성과정은 기본적으로 세 가지의 목적을 가지고 있다.
석고형틀을 가열하여 단단하게 만들며, 형틀의 속에 있는 왁스를 녹이고 태워서 제거하며, 이 소성이 끝난 후에는 형틀을 일정한 온도를 유지시킴으로써 쇳물을 받아들이기 위한 최적의 상태(온도)가 되도록 준비하는 것이다.
1) 소성과정과 온도
석고를 부은 후 한 시간이 경과되면 주형접시를 제거한 후 가마에 넣는다. 이때의 석고 상태는 굳기를 했지만 수분을 많이 포함하고 있는 상태이다. 만일 시일이 많이 경과되어 석고가 완전히 마른 플라스크를 주조할 때는 미지근한 물에 15분 가량 적신 후 가마에 넣어야 한다. 수분이 없는 상태로 가열이 시작되면 터지게된다.
* 가마의 온도는 실온에서부터 시작한다. 물줄기의 입구가 아래를 향하도록 하고 가마의 밑바닥에 밀착되지 않도록 한 쪽을 괴거나 벽돌로 받친다.
* 소성 시간은 6시간 동안 진행하는데 가열순서는 다음과 같다.
첫시간 : 실온∼200℃(392°F)
둘째시간 : 200∼400℃(752°F)
셋째시간 : 400∼600℃(1112°F)
넷째시간 : 600∼700℃(1292°F)
나머지 두시간 : 700 유지
6시간이 지난 후에는 주조대기 온도에 맞추어 놓고 주조를 준비한다. 이 주조대기 온도는 금속에 따라 다르다. 정은의 경우는 426℃에 맞추어 대기시켜놓는다.
* 700℃가 넘게 가열되면 석고가 상하게 되므로 유의한다.
* 왁스소성용 가마는 배기구가 가마와 함께 붙어 있어 왁스를 태울 때의 가스를 따로 배출 하도록 되어 있다.
* 가스배출구가 있는 왁스소성용 가마가 아닌 일반가마(칠보로)인 경우는, 가마의 온도가 400℃에 오를 때까지 빠져나가는 가스를 위해 가마의 문을 1㎝이상 열어 놓아야 한다. 이는 건조시에 생기는 수분과 왁스의 가스가 빠져나가야 하기 때문이다. 이때 발생하는 가스는 인체에 유해하므로(플라스틱모델을 사용할 때는 가스가 더 유독하다)환기를 완전하게 해야한다.
2) 금속의 준비
주조의 투입될 금속의 양은 왁스의 무게에 비례하는데 금속의 비중에 따라 다르다. 은(순은)의 경우 비중은 10.5이므로 왁스모델(물줄기 포함)의 무게에 10.5를 곱하게 된다. 또한 이 전체 무게의 1/3에 행당되는 무게를 추가로 더해주는데 이는 금속이 투입되는 힘을 좋게 하기 위해 무게를 더해주는 것으로 주조후에 물줄기 주입구 쪽에 단추(button)모양으로 남게 되어 이를 보턴이라고도 한다.
주조시 투입되는 금속의 양:
왁스모델의 무게(물줄기 포함)×금속의 비중+전체무게의 1/3
4. 원심주조(centrifugal casting)
원심주조기의 원리는 다음과 같다. 시계 태엽처럼 미리 감아 놓은 주조기의 팔(arm)위로, 한 끝에 석고형틀과 쇳물이 든 도가니를 붙여놓고 다른 한끝에는 이에 상응하는 무게의 추를 얹어 놓어, 태엽을 풀면 이 팔이 빠른 속도로 돌면서 원심력에 의해 쇳물이 바깥쪽의 형틀 속으로 주입되는 것이다.
① 원심주조과정
* 주조기의 태엽을 미리 감는다. 보통 두세 바퀴 감도록 되어있으며 감은 후에는 고정핀에 의해 잠기게 된다
* 주조기의 한쪽 도가니를 준비한다. 도가니는 편안하게 잘 고정되야 하며 도가니의 주둥이는 후에 주 조시 플라스크이 주입구에 정확히 맞아야 한다.
* 용해할 금속을 정확히 잰 후 도가니에 넣고 큰 불꽃으로 서서히 가열한다. 이때 가능한 산소와 가루 붕사를 덜 쓰는 것이 좋다. 산소 불꽃은 금속 속에 기포를 만들며 금속을 끊게 하며 과다한 붕사는 주조할 때 금속과 함께 석고모형 속으로 흘러들어 주조를 그르칠 수 있다.
* 금속이 완전히 녹으면 대기시켰던 플라스크를 가마에서 꺼내 도가니 옆에 놓는다.
* 다시 금속을 가열하여 완전히 녹인다. 녹인 후 도가니와 플라스크의 주둥이가 정확히 일치했는가를 확인한다.
* 고정핀을 푼다. 주조기 위에 뚜껑이 있는 경우는 핀을 풀면서 동시에 뚜껑을 덮는다. 이 과정은 매우 정확하고 신속하게 이루어져야 하므로 가능한 한 두사람이 함께 작업하는 것이 좋다. 특히, 도가니가 안정되고 정확하게 플라스크와 연결되지 않은 경우 주조기가 회전하면서 쇳물이 튈수 있으므로 매우 조심해야 한다.
* 주조된 플라스크를 준비해 놓은 찬물에 담근다. 이때 주의할 것은 플라스크의 옆면이나, 주입구의 반 대쪽을 먼저 담근다. 석고주형의 가마 속에 잘 소성되었을수록 찬 물에 넣을 때 석고가 잘 부서진다.
* 플라스크를 먼저 깨끗이 세척한다. 주조된 금속을 꺼내어 닦은 후 물줄기를 떼내고 마감 한다.
5. 압박주조(pressure casting, steam casting)
압박주조의 원리는 용해된 금속이 위쪽에서의 수증기 혹은 공기의 압력에 의해 밑으로 밀리면서 주형틀 속에 메우는 것이다.
소성이 끝난 주형틀(플라스크)을 주입구가 윗쪽으로 향하게 놓고 그 주입구에 금속을 넣고 녹인후, 물기있는 헝겊 등을 위에 덮으면서 압착해주면 쇳물로부터의 열이 헝겊의 물기를 수증기로 만들고 이 수증기가 팽창하면서 생기는 압력으로 인해 주입구의 쇳물이 아래쪽으로 밀려 주조가 되는 것이다.
압박주조에는 두 가지 방식이 있다.
덮개를 손으로 쥐고 플라스크 위에서 직접 누르는 수동식 압박주조와, 기계로 압력을 조정하면서 압박하는 기계식 압박주조가 있다.
압박주조기계(Tri- caster for pressure casting)는 상부의 압박기가 압력을 가하면서 형틀을 덮어주고 발생한 압력은 형틀 밑으로 빠져나가도록 고안되었다.
이 압박주조 기계는 매우 정교한 주조를 가능케 하나 개인 공예가들이 사용하기에는 고가이다.
최근에는 덮개를 수동으로 누르며 수증기압 대신 공기펌프에 의한 공기압을 사용하는 펌프식 압박주조도 개발되어 쓰인다. 압박주조는 원심주조에 비해 매우 간편하게 작업할 수 있는 이점이 있으나 주조용량이 원심주조의 반 정도(약 20~30g)밖에는 않되는 단점이 있다.
--- 수동식 압박주조의 과정 ---
* 왁스모델의 제작과 소성과정은 원심주조의 경우와 같다. 다른 점은 물줄기의 크기인데 원심주조시보다 가는 1.3mm내외의 봉 혹은 같은 두께의 판 왁스를 오려 사용한다.
물줄기가 가는 이유는 원심주조와 달리 주입구 위에서 직접 금속을 녹이게 되므로 용해된 금속이 압박되기 전에 부분적으로 주형 속으로 흘러 떨어질 수 있기 때문이다.
* 수동식 압박 주조기를 준비한다. 이는 손잡이와 덮개로 이루어지며 덮개는 지름이 플라스크보다 커야 한다. 덮개에는 석면(가루) 혹은 헝겊을 부착한다.
* 이 압박면에 물을 묻힌다. 수분의 양은 주조용량과 비례하는데 너무 수분이 많아도 과다한 수증기의 압력이 발생하여 석고주형이 터질 수 있다.
* 금속의 용해를 석고형틀의 주입구에서 하게되므로 주입구의 공간(깔대기 형태로 들어간 공간)이 충분 해야 한다.
왁스 매몰 후 주형접시를 제거하고 이 깔대기 형태가 작은 경우 가장자리를 더 깍아낸 다음 가마에 넣어 소성하도록 한다. 깍아낼때는 형틀의 석고가 가루안으로 흘러들어가지 않도록 매우 조심해야 한 다.
* 소성이 끝나면 주조온도에 맞춰진 플라스크를 꺼내 밑면이 평평한 내화벽돌위에 주입구가 위로 향하 도록 놓는다.
* 주입구에 금속을 놓고 약간의 붕사를 뿌리며 토치 불로서 가능하면 신속하게 금속을 용해 한다.
* 금속이 완전히 용해되면 토치를 제거함과 동시에 수분이 함유된 압박기를 플라스크에 덮어 압박한다. 적어도 30초 정도 압착한 후에 압박기를 제거한다.
* 주조된 금속을 꺼내고 마감하는 방법은 원심 주조시와 같다.
6. 진공주조(vacuum casting)
석고형틀 밑으로 부터의 압력에 의해, 형틀 속의 공기와 가스를 흡입하면서 결과적으로 이 진공의 힘으로 쇳물을 위로부터 빨아들여 주조를 하는 방식이다.
이 진공주조는 비교적 단순하며 효과가 양호하고 원심주조보다 큰 주조를 할 수 있는 장점이 있다. 주조기의 가격 또한 비교적 저렴하여 널리 사용한다.
진공 주조기는 주로 테이블 식으로 제작되는데 기포제거와 진공주조를 위한 진공펌프가 장착되어 있다.
두 개의 기능이 분리된 모델과 함께 있는 모델이 있다. 분리된 경우는 한쪽에 유리종과 바닥에 사방 25cm정도의 고무패드가 있으며 이 패드 한쪽에는 진공펌프의 흡입구가 있다.
주조를 위한 장치로는 중앙에 공기 흡입구가 있는 고무판(silicon rubber pad), 혹은 석면판이 있으며 중앙에 구멍이 있어 이를 통해 형틀의 공기를 흡입하게 된다.
-- 진공주조과정 --
* 왁스모델의 제작과 매몰과정 그리고 소성과정은 기본적으로 원심주조와 같으나 아래의 사항들은 다르 다.
* 진공주조를 위한 왁스모델에서는 가능한 너무얇은 붑ㄴ이 없도록 유의한다.
0.7mm보다 얇지 않도록 한다.
* 물줄기는 원심 주조보다 굵게 붙이며 개수를 많이 한다. 물줄기는 가능한 짧게 하며 수직에 가깝도록 해야 주입될 때 압력의 힘을 잘 받는다.
* 기포를 제거하는 장치를 사용하기 전에 다음과 같이 시험해 볼 수 있다.
물이 반쯤 담긴 유리컵을 올려놓고 유리종을 덮은후 스위치를 올려 40초 내에 물에서 물방울이 올라오면 성느에 문제가 없는 것이다. 이때 유리종은 고무바닥과 접촉을 좋게 하기 위해 접촉면에 묻혀 올려 놓는다.
* 매몰석고 용액을 준비한다. 진공주조에서는 공기압에 의해 쇳물이 주입되므로 석고형틀에 금이 발생하지 않도록 매몰시 석고를 잘 섞어 주는 것이 매우 중요하다.
석고를 물과 섞어 계속 저어준후 고무 그릇을 기포제거기의 고무판 위에 놓고 유리종을 덮은후 약 1분 동안 물을 끓이는 것과 같은 상태로 기포를 제거한다.
* 플라스크 윗쪽에 빳빳한 종이나 테이프 등으로 약 2.5cm정도의 담을 만들어 플라스크의 높이를 연장 한다. 이는 기포 제거시 석고가 끊을 때 밖으로 튀는 것을 막기 위해서다.
* 플라스크를 기울에 석고를 붓는다. 속고가 거의 모델을 덮으면 다시 기포제거기를 가동시켜 그 위에 놓고 유리종을 덮은 후 기포를 제거한다.
* 플라스크를 다시 꺼내어 석고를 가득 채운다.
* 석고가 거의 굳은 후에는 테이프를 제거하고 주형접시도 제거한다.
* 주형접시의 반대쪽을 정확한 평면이 되도록 다듬는다. 혹은 컵의 밑면과 같이 안으로 약간 움푹하게 판다. 이는 좀더 효과적으로 고무바닥에 밀착될 수 있도록 하기 위함이다. 이 경우, 유의할 점은 석고 형틀의 두께가 왁스모델의 끝으로부터 1㎝가량 확보되야 하는데 이보다 얇은 경우는 석고벽이 압력에 위해 부서질 수 있으며 반대로 너무 두꺼운 경우 압력이 미치지 못해 주조가 안되는 경우가 있다.
* 용해할 금속을 준비한다. 원심주조시와 같은 방법으로 금속의 양을 계산하는데 진공주조시에는 물줄기 가 많아 같은 모델인 경우, 원심주조시보다 약 20%정도의 금속을 더 필요로 한다.
* 도가니에 금속을 놓고 녹인다. 금속이 완전히 녹았을 때 쯤 플라스크를 가마에서 꺼내서 고무판에 주 입구가 위로 가도록 놓는다.
* 플라스크를 놓은 후 바로 압력스위치를 올려 플라스크가 완전히 붙었는가를 시험해 본다. 스위치를 올린 후 머지않아 압력눈금이 20∼25(inches of mercurry)의 눈금이 오르지 않으면 플라스크가 고무판 과 밀착되지 않은 것이다. 이때는 집게로 플라스크를 고무판에 눌러보면 알 수 있다.
* 완전히 밀착되었는데도 눈금이 오르지 않는다면 플라스크의 끝단면이 고르지 않거나 석고 형틀에 금 이 가서 그 금을 통해 공기가 들어오는 경우이다. 이런 경우는 진공주조에 의해 쇳물을 투입할 수 없다.
* 금속이 완전히 녹았을 때 진공펌프의 모터를 가동시키고 밸브를 막아(밸브를 주조, cadting에 맞춤)압 력을 증가시킨다. 눈금이 진공압력의 정확한 눈금(보통 주조의 경우 12∼20사이)을 가르킬 때 도가니 에 들어 쇳물을 붓는다. 붓고 난 후에도 토치의 불을 주 입구의 금속에 수초동안 계속 가열해 준 다.
* 토치의 불을 끈 후 밸브를 열어(밸브를vacuum release에 맞춤)진공상태를 없애고 펌프 모터를 끈다.
* 주입구의 금속의 색이 검게 변한 후 주조 용량에 따라 5∼10분 가량 식힌 후 프라스크를 꺼내 물에 담가 석고를 제거한다.
산업적으로 많이 쓰이는 진공주조방식은 벽면에 구멍이 뚫어진 플라스크를 사용하여 진공압력을 밑에서 뿐 아니라 옆의 벽면을 통해서도 가함으로서 훨씬 더 효율적인 주조를 한다. 이 구멍뚫인 플라스크는 이에 맞게 고안된 진공 주조기에만 사용할 수 있다. 또한 이를 사용할 때는 석고 매몰시 테이프를 사용하여 겉(구멍)을 막은 후 석고를 붓게 되며 이 테이프는 소성시 타서 없어진다.
7. 고무주형 만들기 (Rubbermould)
고부주형은 최소의 모델(혹은 모델로부터 주조된 금속형태)을 고무(열경화성 고무)에 qedj 외형들을 만들고, 형태가 굳어진 고무형틀로부터 모델을 빼낸 후 이 빈 공간에 액체상태의 왁스를 주입하여 굳힘으로써 같은 형태의 왁스모델을 단시간 내에 다량으로 복제해내는 것을 말한다.
① 형틀 제작
1) 고무
고무주형은 고무의 열가소성(thermoplasticity)을 이용한 것으로, 부드럽고 유동적인 생고무(uncured rubber)를 일정한 온도와 압력으로 일정시간 동안 유지하면서 경화시키는 성질을 이용한다. 고무의 특 성중 탄성을 이용하여 일정형태를 유지하는 장점도 있다.
경화된 고무의 질감은 고무줄과 같은 질감이며, 생고무는 판이나 두루마리 상태로 표면의 청결을 위 해 종이나 헝겁테이프등이 붙어있다.
2) 형틀을 위한 사각틀 (mould frame)
모델과 생고무를 채워 넣고 가열하게 되는 틀로서 고무주형의 외부형태를 결정하며, 철이나 알류미늄 으로 제작하여 열이나 압력에 견딜 수 있게 한다.
고무주형을 만드는 틀은 한 개의 틀로 된 것과 상하형의 두 개의 틀로 된 것이 있고 물줄기를 위한 봉이 형틀에 붙어 잇는 경우와 그렇지 않은 경우가 있다.
3) 분리재 (seperator)
생고무에 모델을 묻고 경화할 때 한 개의 덩어리로 경화시킨 후 칼로 자르는 이등분법과 미리 두 부 분으로 나누어 제작사는 방법이 있는데 이때 나뉘어지는 곳에 분리재를 넣는다.
분리재는 활석가루(talc powder)를 뿌리거나 얇은 금속박이나 헝겁 등을 덮어서 사용한다.
※ 금속박인 경우 - 0.09㎜이하의 알루미늄·적동·황동박등
4) 제작과정
- 모델을 준비한다. (고온의 온도와 압력에 견뎌야 하므로 금속이 이상적이다.)
왁스모델에 의해 금속주물을 하는 경우, 우선 왁스 모델로 한 개의 금속주물을 만든 다음 이 금속형 태를 모델로 하여 고무주형을 만든다.
- 열 경화성 생고무를 형틀의 안쪽공간의 형태에 맞추어 잘라놓는다. (고무의 같에 붙은 보호용 테이프 등은 그대로 붙여둔 채 잘랐다가 넣을 때 제거)
- 아래쪽 틀을 평면의 바닥에 놓는다. (틀에 물줄기용 홈이 있는 경우 위로 가게 한다.)
- 아래부터 고무를 눌러 채운다. (한개로 된 틀을 사용하는 경우는 아래로부터 반 정도를 채운다.)
- 준비된 모델에 물줄기용 봉을 붙여 고무판의 중간에 놓는다. (모델을 고무에 놓기 전에 활석가루등을 뿌려주면 후에 주형으로부터 제가하기 쉽다.)
- 모델은 가능한 수평으로 눕히는 것이 좋다. (모델이 큰 경우 고무를 파주고 넣는다.)
- 모델에 붙여주는 물줄기용 봉은 보통 지금 3㎜정도의 황동봉을 많이 쓰며 끝부분(주입구)는 깔대기 형태로 벌어져야 한다. 이 금속봉은 모델이 금속일 경우 강땜을 해주는 것이 좋으며, 물줄기용 봉을 붙이지 않고 모델만 묻었다가 경화한 후에 물줄기 부분을 고무틀에서 칼이나 모터툴로 파낼 수도 있다.
- 모델이 비금속일 경우는 물줄기용 봉을 강력접착제로 붙인다. (모델의 단순한 부분, 가늘지 않은 부분에 붙이는 것이 좋다.)
- 고무의 사방 귀퉁이를 약간씩 파주어 여철을 만들어 주면 상하의 고무주형을 후에 정확히 일치시키는데 도움이 된다.
- 상형틀을 하형틀에 얹고 다시 분리재를 뿌려준다. 나머지 반을 채운다.
- 생고무는 열에 의해 압착 수축되기 때문에 언제나 생각보다 많이 요구되며, 틀을 모두 채운 후에는 압착하기 전에 마지막으로 두장의 고무를 더 잘라 형틀의 위아래에 덧붙여준후 경화한다.
- 형틀의 위아래에 알루미늄판을 덮고 벌커나이저(vulcanizer), 경화기에 넣고 경화한다.
경화를 시작한 후 약 10분 후에 핸들을 조여 압착하고 25분 경과 후 다시 반복한다.
- 경화가 끝나면 고무주형을 꺼내 두 부분으로 분리하고 모델을 꺼낸다.
- 고무주형을 한 덩어리로 경화한 경우에는 칼로 잘라야 하는데, 자를 때는 고무주형의 한 쪽을 바이스나 집게 등을 이용하여 한쪽에 고정시키고 왼손으로 벌리면서 오른 손으로는 날카로운 절개용 칼을 이용하여 자른다.
- 상하의 고무주형이 만나는 선이 모델의 어느 부분으로 지나가느냐가 중요한데 이 분리선은 가능하면 단순한 면을 지나도록 한다.
- 형틀이 두 개로 분리되면 모델을 제거하고 부분적으로 수정을 한다.
- 수정이 끝나면 모델의 공간에 활석가루를 뿌려준다.
- 사출을 할 때는 구무 형틀의 위아래 면적과 같은 크기로 나무나 금속판을 준비해 상하를 덮어 손으로 쥐도록 한다.
② 왁스 사출
- 왁스사출기(wax injector)는 왁스를 담아 녹이는 용기형의 기계로, 녹은 왁스를 고무주형 속으로 쏘아낼 수 있는 사출꼭지가 붙어 있다.
- 고체의 왓스를 탱크에 모아 젛고 온도를 약 100℃로 맞추어 녹인다.
- 고무주형을 상하의 보호판과 함께 쥐고 주입구를 사출꼭지에 내고 누르면 왁스가 자동적으로 사출되어 모형속으로 흘러들어 간다.
- 충문히 식혀 왁스가 굳은 후 고무주형을 열고 꺼낸다. 이 과정을 반복할 때는 활석가루를 다시 발라준다.
- 이런 과정으로 복제된 왁스모델은 한 개의 주형접시에 다량으로 심어져 한꺼번에 배볼되어 앞에서 살펴본 기법들에 의해 주조된다.
주조는 같은 형태를 여려개 복제 생산하기 위한 방법으로 이용되었으며, 조형적인 측면에서는 앞에서 살펴본 여러 가지 판금기법으로 표현하기 어려운 세밀하고 사실적인 묘사, 다양한 질감의 표현등을 가능케하는 이점을 가지고 있다. 현대에서도 장신구에서부터 거대한 기계까지 금속형태의 성형을 위해 매우 폭넓게 응용된다. 주조는 금속 외에도 석고, 흙, 왁스, 합성수지 등의 재료로도 가능하다.
쇳물을 붓는 형을 형틀이라고 하는데, 이는 외형틀, 주형, 주형틀, 모올드(mould), 가다 등의 여러 용어로 통용된다. 순 우리말로 거푸집이라고도 한다.
주조로 만들어진 기물은, 망치에 의해 성형되는 단조품에 비해 외부의 힘에 대한 저항력이 약하다. 이는 쇳물이 식으면서 응고될 때 냉각속도가 부분적으로 다르므로 결정체의 크기나 모양이 불규칙하게 되기 때문이다. 예를 들어, 주조된 금속형태를 망치질하면 얇아지거나 늘어나는 대신 부서지게 된다.
금속공예에서 현재 많이 사용되고 있는 주조방식은 모래주조, 탈납주조가 있으며 탈납주조는 원심주조, 압박주조, 진공주조 등의 방법에 의해 구분된다.
1. 오징어뼈 주조(cuttlefish casting)
오징어의 뼈를 이용한 이 주조는 고대부터 행해져온 아주 간단한 주조방법이다. 초보자가 쉽게 해 볼 수 있으며 주조의 기본적인 개념을 이해하는데 도움이 되므로 주조의 첫과정으로서 권해 볼 만하다.
① 작업과정
오징어뼈를 준비한다. 우리 나라에서는 '갑오징어'의 뼈를 어렵지 않게 시장에서 구할 수 있다. 이 뼈는 길이가 약 15㎝ 내외로 서양의 오징어뼈 보다는 작지만 반지크기의 작은 형태를 주물하기에 적 합하다.
* 오징어 뼈를 완전히 세척하고 말린 후 가장자리의 얇고 뾰족한 부분을 잘라버린다.
* 톱질로서 두 부분으로 자른 후 부드러운 면(한쪽 면은 단단한 각질임)을 서로 마주보게 하여 문질러 평평하게 갈아낸다.
* 주물 하고자 하는 형태를 디자인에 따라 한쪽 면 혹은 양쪽 면에 음각의 공간으로서 파낸다. 디자 인은 가능한 한 단순해야 하며 정교한 구조나 각이 예리한 것은 오징어뼈 주조에 적합하지 않다. 파내는 형태는 뼈의 외곽으로부터 5㎜이상 떨어져야 한다.
* 오징어뼈 주조의 묘미는 나무결과 간은 오징어뼈 특유의 무늬를 살리는 것이다. 이것을 특히 강조 하고자 할 때는 형태를 파낸 후 붓으로 문질러 주면 무늬가 좀 더 뚜렷해진다.
* 윗쪽의 입구에 쇳물을 붓기 위한 깔때기 모양의 주입구를 파준다. 형태를 한쪽 면에만 성형하는 경우에도 가능한 한 주입구는 양면 모두에 파주어 두 면을 접합하면 주입구가 원형이 되도록 한 다.
* 부조와 같이 한쪽 면만을 파주는 경우 다른 한 면은 오징어뼈 대신 숯덩이로써 받쳐줄 수 있다.
* 형태와 주입구를 파낸 후에는 약간의 공기통로(air vent)를 파주면 주조에 도움이 된다. 이것의 역 할은 쇳물을 부을 때 속에 있던 공기와 뼈가 타면서 생기는 가스가 쉽게 빠져나가도록 해주는 것 이다. 공기통로는 형태의 바깥쪽 45도 상향으로 가는 선을 6∼10개 정도 긁어내주면 된다. 이 골은 외과까지 완전히 나오지 않아도 된다.
* 형태가 완성되면 두 개의 형틀을 정확히 일치시키기 위해 요철(고정핀)을 만들어 주기도 한다. 두 면이 접촉하는 면의 외곽에 3개 정도의 지점을 선택하여 길이 약 5㎜의 성냥개비 토막을 준비하여 꽂은 후 이 길이의 반은 상대면에 꽂히도록 눌러서 고정시켜 준다. 이것은 후에 두 형틀을 묶을 때나 쇳물을 부을 때 움직이지 않도록 하는 역할을 한다. 형틀의 양쪽면을 모두 파내는 경우는 이 요철을 먼저 만들고 양면을 서로 대조하면서 파주는 것이 좋다.
* 두 개의 형틀을 묶음철사나 마스킹 테이프로 묶어준다.
* 금속을 도가니에서 용해한 후 형틀에 붓는다.
쇳물은 한 번에 부어야 하며, 세워놓은 형틀이 움직이거나 쓰러지지 않도록 특별히 유의 해야 한 다. 쇳물을 주입할 때는 유기물이 타는 냄새가 많이 나게 되므로 환풍을 잘해야 한다.
* 이상과 같은 오징어뼈 주조는 숯덩이로도 똑같이 시도해 볼 수 있다.
② 기성의 모델을 이용하는 방법
* 앞에서와 같은 방법으로 한 벌의 형틀을 위한 오징어뼈를 준비한다.
* 요철(고정핀)을 세 개의 구석에 위치를 정하여 한쪽면의 형틀에 심어준다. 형틀에 누를 모델을 준 비한다. 이 모델은 그림과 같이 '언더컷'이 없어야 한다.
* 모델을 한쪽의 평평한 면에 올려놓은 후 다른 쪽의 면을 덮어 서서히 누른다. 구명이 거의 붙을 때 세 개의 고정핀도 상대면 속으로 수직으로 파고드는 지를 확인하다. 힘을 고르게 주기 위해서는 양손으로 누루는 것도 좋은 방법이 다.
* 완전히 밀착하면 천천히 형틀을 분리하고 모델을 제거한다. 이 때도 오징어뼈의 무늬를 강조하려면 붓으로 문질러 준다.
* 주입구를 파 준 후 요철을 잘 확인하여 두 형틀을 맞추어 묶는다.
* 쇳물을 부어준다.
* 나머지 과정은 위와 동일하다.
2. 모래주조(sand casting)
모래주조는 모래로 형틀을 만들어 주조하는 방법이다. 물을 섞어 적당한 굳기를 갖춘 모래에 모델을 묻었다가 빼낸 후 그 빼낸 자리 즉, 빈 공간 속에다 쇳물을 부어 형태를 만드는 방법이다. 이 모래주조는 다른 주조방식에 비해 단순한 설비와 제작 과정에 의해 이루어지는 장점이 있다. 그러나 언더컷(undercut)이 없는 비교적 단순한 모델의 주조에 적당하며 세부가 많거나 정교한 형태의 주조는 바람직하지 않다. 모래주조는 마감을 할 때 표면을 다소 깎아내게 되므로 정교한 디자인을 할 때는 여유분을 감안하여야 한다.
① 모형 제작
* 모형의 재료로는 가벼운 나무, 플라스틱 등이 적당하다. 나무로 마티카, 마호가니, 체리 등이 좋 다. 그러나 모텔을 묻을 때 모래로 다져 누르게 되므로 이때 찌그러지거나 손상이 될 수 있는 약 한 모델은 안 된다. 모델을 만든 후 표면에 초(wax)또는 니스를 바르면 모래로부터 나무를 뺄 때 형틀을 다치지 않고 부드럽게 빼내는데 도움이 되며 또한 나무가 젖은 모래로부터 수분을 흡수하 는 것을 막아준다.
* 모델의 형태에는 언더컷(undercut)이 없어야 한다. 이 어더컷이란 모래속에 묻히게 되는 밑면의 윗면보다 넓은 경우를 말하는데 형틀에서부터 모델을 빼낼 수 없기 때문이다.
* 가장 완전히 모델을 형틀로부터 분리하기 위해서는 그림과 같이 '빼내기경사'를 주는 것이 좋다.
② 형틀만들기
주조를 위한 모래형틀은 쇠(알미늄, 무쇠, 연철등을 사용)로 만들어진 외곽틀(drag, casting frame, mould flask)안에 모래를 다져넣어 만든다. 이 외곽틀은 위 아랫면이 없는 원형 혹은 사각형으로 용도에 따라 다양한 형태가 있다. 또한 이 틀에는 상하의 틀을 정확히 맞추기 위한 물림쇠가 외 곽 혹은 안쪽에 있다.
* 두 개의 형틀 중 하형의 형틀을 뒤집어 유리와 같이 완전히 평평한 밑판(stand board)위에 놓는다.
* 이 형틀의 중앙에 모델을 놓는다. 이 형틀은 후에 뒤집게 되므로 모텔의 넓은 면이 아래로 되도록 놓는다.
* 주물사를 준비한다. 주물사로는 보통의 모래도 사용할 수 있지만 좀 더 정확한 주조를 위해서는 고운 모래에 점토, 석영 등을 섞어 사용한다.
* 주물사에 물을 섞어 적당한 굳기로 만든다. 반죽된 모래는 손으로 쥐었다 놓았을 때 그 형태가 유 지되는 정도의 굳기를 가지도록 차져야 주조되는 형태의 세부가 표현된다. 모래가 너무 건조하면 형틀이 약해져 용해된 쇳물이 흘러들어올 때 부서지기 쉬우며, 너무 습하면 쇳물이 들어올 때 열 에 의해 수증기가 발생하여, 불필요한 압력과 가공이 생기게 된다.
* 바닥에 주물사를 뿌리기 전에 분리재를 뿌린다. 분리용 가루붕사(talc chalk, dust graphite), 하천 의 모래, 파우더(baby power)등을 이용도로 사용한다.
* 주물사를 채로 치면서 모델 위에 뿌려준다. 틀의 1/3쯤을 채운 후 방망이 등으로 외곽부터 다진다. 이 과정을 주물사가 틀에 찰 때까지 3∼4회 반복한다. 주무사를 형틀의 높이와 정확히 맞추어 평 면을 이루도록 해준다.
* 평평한 판을 위에 덮고 형틀을 뒤집는다. 바닥에 놓였던 모델의 편이 표면으로 올라온다.
* 상형틀을 위에 놓은 후 가루붕사를 다시 뿌려준다.
* 모델이 그림과 같이 하형에서 끝나는 경우, 바로 모델 위에(혹은 옆에) 물줄기를 고정시킨다. 물줄 기(sprue,탕구봉)는 녹은 쇳물을 흘러들어오는 길로서, 원추형의 막대를 붙이게 되는데 정확하게 수 직으로 세우는 것이 중요하다. 또한 모델의 형태가 큰 경우는 물줄기와 함께 공기통로(air vent)를 붙여준다. 이는 물줄기보다 가는 막대를 사용하면 된다. 또는 형태의 외곽 끝에 두 세 개의 물줄 기를 함께 붙여 공기구멍의 용도를 대신할 수 있 다. 주물사를 하영과 같은 요령으로 뿌려준다.
* 모델이 상하형으로 분리된 경우는 상형의 모델을 먼저 하형의 모델윗면에 맞추어 놓은 후 물줄기를 붙여준다. 이 경우도 필요에 따라 공기통로용 막대를 고정시켜 준다. 주물사를 뿌려준다.
* 경우에 따라서는 공기통로를 주물사를 다 채운 후 만들기도 하는데 여러 방법이 가능하다. 상하형 을 분리하여 모델을 빼낸 후 하형의 표면에 모델이 차지한 공간에서부터 바깥쪽으로 가는 골을 파 주는 방식이 있으며, 상형의 모래를 다진 후 모델을 빼내기 전에 여러 개의 가는 대바늘이나 철봉 등으로 표면에서부터 모델이 닿도록 찔러 넣은 후 후에 모델을 제거할 때 함께 빼내면 공기 구멍이 된다. 모델이 약간 큰 사이즈의 경우, 이 공기구멍의 지름은 5㎜정도로 7∼8개 뚫어준다.
* 상형과 하형을 분리하여 속으로부터 모델과 물줄기를 빼낸다.
이 때 모래형이 파손되지 않도록 주의해야 한다. 날카로운 핀셋을 사용하여 조심스레 꺼내야 하면 필요에 따라 모델의 표면에 미리 구멍을 뚫거나 나사(screw)자국을 내고 후에 나사를 꽂아 모델을 꺼내기도 한다.
* 형틀에 부를 쇳물을 준비한다. 전기로 속에 도가니를 예열시킨 후 융점보다 50∼80℃ 높게 온도를 맞추어 금속을 녹인다. 예를 들어, 알미늄과 같은 경우 670℃의 융점보다 높여 750℃정도로 녹여 준비한다.
* 쇳물을 붓기 전에 물줄기의 끝을 부드럽게 만들어주어 쇳물을 부을 때 끝부분이 떨어져 쇳물과 함 께 속으로 들어가지 않도록 한다.
* 쇳물을 붓는다. 쇳물은 약간 빨리 한번에 부어야 한다.
* 5∼10분 후 주물사와 틀을 제거하고 주물을 식혀 표면가공을 한다.
한번 사용한 모래형틀은 금속을 꺼낸 후에 형태가 완전히 보존되었다 하더라도 쇳물을 다시 부을 수 없다. 그러나 모래는 다시 재생하여 사용할 수 있다. 형틀에서 빼낸 모래는 굵은 체를 통해 걸 러 덩어리와 이물질 등을 제거하여 부순 후 다시 가는 망을 사용해 곱게 고르고 새로운 모래와 혼 합하여 다시 사용할 수 있다.
이상과 간은 오징어뼈 주조와 모래주조는 쇳물을 단순히 그 자체의 무게 즉 중력을 이용해 붓는 방 법으로 이를 중력에 의한 주조(gravity pourign casting)라 한다. 이 방법은 오랜 세월동안 사용된 주조방식으로 최소한의 설비와 작업과정만을 필요로 해, 현대에도 주조형태가 비교적 단순하거나 또는 형태가 큰 경우 많이 이용한다.
다음에 언급할 몇 가지 주조방식은 쇳물을 그 자체의 무게뿐만 아니라 다른 힘에 위해 형틀 속으로 빨아들이는 방법들이다.
3. 탈납주조(lost wax casting)
탈납주조(脫蠟鑄造)는 말 그대로 왁스(납, 蠟)로 모델을 제작했다가 이를 빼내고 이 자리에 쇳물을 붓는 주조방법이다. 왁스로 만든 모델을 형틀 속에 묻고, 형틀이 굳은 다음 그것을 가열하여 왁스만을 태워 버림으로써 그 왁스의 형태를 얻게 되는 것이다. 그러므로 모델을 형틀로부터 꺼낼 필요가 없는 탈납주조는 모래주조의 한계를 넘어 자유롭게 모델형태를 다룰 수 있게 되는 것이다.
탈납주조의 모델 재료는 왁스 외에도 기본적으로 열에 의해 타 없어질 수 있는 재료는 모두 이용될 수 있다. 특히 플라스틱으로 만든 기성제품이나 장난감 등이 이용될 수 있으며 곤충이나 나뭇잎 등의 가연성 자연물도 모두 가능하다.
금속공예에 있어 탈납주조는 큰 형태를 다룰 수 없는 단점이 있지만, 정밀하고 복잡한 입체형태를 만드는데 적합하여 장신구, 공업용 부품, 의료용 정밀기구 등을 만드는데 이용된다. 또한 고무주형에 의해 복제 생산될 수 있어 산업적으로 매우 널리 활용된다.
이 주조는 쇳물을 주입하는 방식에 따라 원심주조, 압박주조, 진공주조 등의 세 가지로 구분된다. 여기서는 우선 이들 주조 방식의 공통부분이라 할 수 있는 왁스 모델 만들기와 플라스크에 심기, 매몰과정 등에 대해 알아본다.
왁스모델 만들기
1) 왁스
탈납주조를 위해 주로 사용하는 왁스는 밀납(蜜蠟, 벌꿀이 만드는 천연왁스)과 인공의 왁스 파라핀을 혼합하여 만든 왁스이다. 융점은 약 60℃로서 알콜램프와 스파츌라(spatula, 왁스성형도구)에 의해 쉽게 녹일 수 있고 가공할 수 있으므로 성형이 용이하다.
기성의 왁스 제품은 선왁스(wire wax), 판왁스(sheet wax), 그리고 블록형왁스(block wax)등이 있다. 선왁스는 그 용도에 따라 단면이 환봉, 각봉, 그리고 반달형(반지의 단면) 등이 있으며 굵기별로 시판된다.
또한 이들은 굳기에 따라 스프트왁스(soft wax)와 하드왁스(hard wax)로 구분된다. 주로 판형인 소프트왁스는 가열에 의해 쉽게 붙거나 성형되는 장점이 있으며 뜨거운 물에 담갔다가 꺼내면 쉽게 성형되기도 한다. 그러나 무르기 때문에 정교하거나 기하학적인 형태를 다루기 어렵다. 이때는 하드왁스(hard wax, carving wax 라고도 한다)를 사용하는데 열에 의한 가공보다는 주로 톱질, 줄질, 모터툴(핸드피이스)로 깎아나가며 작업하게 된다.
2) 스파츌라(spatula)
왁스로 형태를 만들 때 사용하는 금속도구로서 가열하여 왁스를 자르거나 덧살을 올리거나 굵어내는 등 여러 용도로 사용한다. 용도에 따라 다양한 형태의 날이 있으며, 열전도를 막기위해 날과 손잡이 사이의 허리부분은 가늘게 되어있다.
3) 두께조정
주조한 금속의 최종무게는 왁스모델 무게의 약 10배 정도 된다. 신체에 착용하게 되는 장신구의 경우 무게는 대단히 중요하므로 왁스로 모델을 만드는 동안 무게를 함께 고려해야 한다. 또한 모델이 완성된 후에는 불필요하게 두꺼운 부분이 없는가를 살펴 살을 깍아 내도록 한다. 왁스모델을 불빛에 비쳐보면 두께를 식별할 수 있다.
4) 모델의 표면마감
왁스모델의 성형이 끝나면 표면을 깨끗이 마감해 주어야 한다. 모델의 표면이 깨끗할수록 주조되는 금속의 표면이 깨끗하기 때문이다. 또한 표면이 거친 경우 결과적으로 석고형틀의 표면이 거칠게 되므로 쇳물이 쉽게 주입되지 않고 거친 표면의 석고가 떨어져나와 쇳물 속에 섞이게 될 확율이 높아진다.
왁스의 표면가공은 스파츌라, 사포, 고운줄 등으로 하게 되며, 필요에 따라 벤젠을 솜에 묻혀 표면을 약간씩 녹일 수도 있다. 하드왁스의 표면 연마는 거의 금속연마와 같은 방법으로 광택까지 얻을 수 있다. 완성된 모델은 물줄기를 붙여 주어 주형접시에 심어 매물하게 되는데 전체의 탈납주조 과정을 그림으로 보면 다음과 같다.
* 물줄기 붙이기
물줄기(sqrue, 탕도)는 주조시 쇳물이 들어오는 통로다. 이는 완성된 모델에 왁스봉을 붙여서 만들게 되며 이 모델과 물줄기는 주조를 위해 플라스크의 밑받침 즉, 주형접시에 고정된다.
--- 물줄기의 용도는 정확하게 본다면 다음과 같다. ---
* 주형접시에 모델을 고정, 지지하는 봉의 역할.
* 석고로 모델을 매몰한 후 왁스를 가열하여 태워낼 때 그 가스가 빠져나가는 통로의 역할.
* 용해된 쇳물이 모델에 이르는 통로의 역할
물줄기는 봉의 형태로 시판되는 왁스를 직접 이용하는 경우가 많다. 그 굵기는 모델의 크기에 비례하는데 반지의 경우 지름 1.5∼2㎚정도이다. 물줄기의 개수와 붙이는 위치 등은 매우 중요하며 경험을 요한다. 중요한 것은 주조시 쇳물이 흘러가는 방향을 잘 고려하여 쇳물이 형태의 모든 부분에 잘 미치도록 하는 점이다.
--- 다음은 모델을 주형접시에 붙일 때의 유의사항이다. ---
* 물줄기는 주형접시보다 모델에 먼저 붙여준다. 이 물줄기와 모델의 무게를 함께 저울에 달아 기록 해 두어야 하기 때문이다. 이 무게는 후에 주조에 투입되는 금속의 양을 결정한다.
* 모델과 물줄기를 붙일 때는 예각이 생기지 않도록 유의한다. 예각이 생기는 경우 후에 쇳물이 주 입될 때 석고가 부서져 쇳물에 섞이게 되기 때문이다.
* 물줄기는 가능한 한 후에 줄질이 쉽도록 디자인이 단순한 곳에 붙이는 것이 좋다.
* 모델의 너무 좁은 부분에 물줄기가 붙게 되면 후에 쇳물이 용이하게 주입되기 어려우므로 이를 피한다.
* 쇳물이 쉽게 흐르기 위해서는 모델의 형태는 수평을 이루는 것보다 일정한 각도(45도가 이상적)를 이루는 것이 좋다. 또한 후에 매몰을 할 때 기포가 모이지 않도록 우묵한 부분이 위를 향해야 한다.
* 모델의 형태가 얇은 판일 경우는 쇳물이 퍼져나가기 어려우므로 여러 군데 물줄기를 붙여 주는 것이 좋다.
* 모델이 작은 형태인 경우는 한 개의 물줄기에 두 개 이상 붙일 수 있다.
* 물줄기의 방향은 수직으로 모아지는 것이 좋다.
모델이 용적을 많이 차지하는 경우는 공기통로(air vent)를 만들어 주는데, 이는 쇳물이 빈 공간으로 투입될 때 안쪽의 공기가 쉽게 빠져나가도록 하는 것이다. 공기통로는 물줄기보다 굵지 않은 선왁스로서 모델로부터 주형접시의 주입구가 아닌 바닥면에 연결시켜주면 된다.
* 안쪽이 빈 공간으로서 거의 막힌 형태의 모델인 경우, 석고를 부으면 형태 안쪽의 석고주형과 바깥쪽의 석고주형이 거의 분리되므로, 왁스를 태워낸 후 안쪽의 주형의 따로 움직일 수 있다. 이를 막기 위해서 미리 동이나 철제의 핀을 모델의 중심부분에 관통시키며 꽂은 후 매몰한다.
* 최종적으로 고정된 모델은 플라스크이 벽면에서부터 0.5∼1㎝정도, 윗면으로 부터는 1㎝이상 떨어져야 한다.
- 석고매몰
모델이 앉혀진 플라스크에 물에 갠 석고를 부어넣는 과정을 매몰(埋沒,investment)라 한다. 이 석고는 굳은 후에 왁스모델을 제거하면 결과적으로 쇳물을 부어넣는 형틀이 되는 것이다.
1) 석고와 물의 양
석고의 양은 거의 규격화되어 있는 플라스크의 크기에 따라 정해지게 되며 플라스크의 지름과 높이에 비례하게 된다.
매몰석고와 물의 비율은 5:2가 이상적이다. 예를 들어 석고의 양이 200g이면 200×5/5=80g의 물이 섞이면 되는 것이다. 물은 찬물이어야 한다.
석고와 물이 각각 정확한 양으로 준비되면 매몰과정을 잘 계획해야 한다. 왜냐하면 석고가 일단 물에 섞여 굳을 때까지의 시간은 약 10∼11분으로 한정되어 있기 때문이다. 이 사이에 마쳐야 할 일은 석고를 물에 풀어 개기, 석고에서 기포제거, 석고를 모델에 바르기, 석고 매몰 등이다.
시간을 초과하는 경우, 석고를 붓는 도중에 굳기 시작하므로 모델의 세밀한 부분까지 매몰되지 않게 되며, 너무 빨리 진행한 경우는 붓고난 석고가 굳는 동안에 물과 석고의 성분이 유리되며 층을 만들고 이는 석고 소성시 형틀에 금이 가게할 수 있기 때문이다.
2) 매몰과정
* 석고를 물에 섞기 전에 비눗물과 붓을 사용하여 왁스모델의 표면에서 기름때와 이물질을 닦아준다.
* 세척 후 물기를 완전히 제거하고 기포제거용액(debubblizer)을 다시 바른다. 이는 매몰시 석고로부터 기포가 떠오르며 모델과 접촉 할 때 표면에 붙지 않고 미끄러지며 수면 위로 올라가도록 하는 용액이다. 이 용액은 기성제품으로 판매도 되지만 없는 경우는 알코올 용액, 혹은 비눗물과 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반반 섞은 용액을 사용할 수 있다. 칠을 할 때는 부드러운 붓을 사용한다.
* 고무그릇, 석고용액을 젓는 나무봉, 붓, 기포제거용 진동기(vibrator), 시계를 준비하고 석고를 물에 섞는다.
* 정해진 양의 찬물을 고무그릇에 준비하여 석고가루를 조금씩 부으면서 계속 젓는다. 이 젓는 동작 을 5∼6분 계속한다.
* 약 1분 정도 진동기 위에 올리고 기포를 제거한다. 진동기가 없을 때는 고무그릇의 밑부분을 가 볍게 치면서 최대한 기포를 수면 위로 떠오르도록 한다.
* 모델이 정교하거나 움푹 파인 곳이 많은 경우, 붓으로 석고 용액을 묻혀 왁스모델에 먼저 칠한다. 혹은 모델을 석고용액에 거꾸로 담갔다 꺼낸다. 모델이 단순한 경우는 이 과정을 생략할 수 있다.
* 플라스크를 주형접시에 다시 고정시킨다.
* 석고를 붓는다. 부을 때 기포나 기공이 생기지 않도록 플라스크를 약간 기울여 벽면을 타고 흐르 도록 붓는다. 기포제거를 위해 석고를 부을 때도 플라스크를 가동하는 진동기 위에 놓고 부을 수 있다. 이때는 모델을 다치지 않도록 진동을 약하게 해야한다.
* 석고를 부은 후 약 20∼30분이 경과한 후, 석고가 완전히 굳기전에 윗면을 플라스크 벽면에 맞춰 정 확한 평면으로 갈아준다.
* 후에 혼동하지 않도록 모델형태, 왁스의 무게 등을 내용물에 관한 사항과 제작자 명을 석고면에 분명 하게 새겨둔다.
왁스의 소성(bum out)
가마 속에서 진행되는 소성과정은 기본적으로 세 가지의 목적을 가지고 있다.
석고형틀을 가열하여 단단하게 만들며, 형틀의 속에 있는 왁스를 녹이고 태워서 제거하며, 이 소성이 끝난 후에는 형틀을 일정한 온도를 유지시킴으로써 쇳물을 받아들이기 위한 최적의 상태(온도)가 되도록 준비하는 것이다.
1) 소성과정과 온도
석고를 부은 후 한 시간이 경과되면 주형접시를 제거한 후 가마에 넣는다. 이때의 석고 상태는 굳기를 했지만 수분을 많이 포함하고 있는 상태이다. 만일 시일이 많이 경과되어 석고가 완전히 마른 플라스크를 주조할 때는 미지근한 물에 15분 가량 적신 후 가마에 넣어야 한다. 수분이 없는 상태로 가열이 시작되면 터지게된다.
* 가마의 온도는 실온에서부터 시작한다. 물줄기의 입구가 아래를 향하도록 하고 가마의 밑바닥에 밀착되지 않도록 한 쪽을 괴거나 벽돌로 받친다.
* 소성 시간은 6시간 동안 진행하는데 가열순서는 다음과 같다.
첫시간 : 실온∼200℃(392°F)
둘째시간 : 200∼400℃(752°F)
셋째시간 : 400∼600℃(1112°F)
넷째시간 : 600∼700℃(1292°F)
나머지 두시간 : 700 유지
6시간이 지난 후에는 주조대기 온도에 맞추어 놓고 주조를 준비한다. 이 주조대기 온도는 금속에 따라 다르다. 정은의 경우는 426℃에 맞추어 대기시켜놓는다.
* 700℃가 넘게 가열되면 석고가 상하게 되므로 유의한다.
* 왁스소성용 가마는 배기구가 가마와 함께 붙어 있어 왁스를 태울 때의 가스를 따로 배출 하도록 되어 있다.
* 가스배출구가 있는 왁스소성용 가마가 아닌 일반가마(칠보로)인 경우는, 가마의 온도가 400℃에 오를 때까지 빠져나가는 가스를 위해 가마의 문을 1㎝이상 열어 놓아야 한다. 이는 건조시에 생기는 수분과 왁스의 가스가 빠져나가야 하기 때문이다. 이때 발생하는 가스는 인체에 유해하므로(플라스틱모델을 사용할 때는 가스가 더 유독하다)환기를 완전하게 해야한다.
2) 금속의 준비
주조의 투입될 금속의 양은 왁스의 무게에 비례하는데 금속의 비중에 따라 다르다. 은(순은)의 경우 비중은 10.5이므로 왁스모델(물줄기 포함)의 무게에 10.5를 곱하게 된다. 또한 이 전체 무게의 1/3에 행당되는 무게를 추가로 더해주는데 이는 금속이 투입되는 힘을 좋게 하기 위해 무게를 더해주는 것으로 주조후에 물줄기 주입구 쪽에 단추(button)모양으로 남게 되어 이를 보턴이라고도 한다.
주조시 투입되는 금속의 양:
왁스모델의 무게(물줄기 포함)×금속의 비중+전체무게의 1/3
4. 원심주조(centrifugal casting)
원심주조기의 원리는 다음과 같다. 시계 태엽처럼 미리 감아 놓은 주조기의 팔(arm)위로, 한 끝에 석고형틀과 쇳물이 든 도가니를 붙여놓고 다른 한끝에는 이에 상응하는 무게의 추를 얹어 놓어, 태엽을 풀면 이 팔이 빠른 속도로 돌면서 원심력에 의해 쇳물이 바깥쪽의 형틀 속으로 주입되는 것이다.
① 원심주조과정
* 주조기의 태엽을 미리 감는다. 보통 두세 바퀴 감도록 되어있으며 감은 후에는 고정핀에 의해 잠기게 된다
* 주조기의 한쪽 도가니를 준비한다. 도가니는 편안하게 잘 고정되야 하며 도가니의 주둥이는 후에 주 조시 플라스크이 주입구에 정확히 맞아야 한다.
* 용해할 금속을 정확히 잰 후 도가니에 넣고 큰 불꽃으로 서서히 가열한다. 이때 가능한 산소와 가루 붕사를 덜 쓰는 것이 좋다. 산소 불꽃은 금속 속에 기포를 만들며 금속을 끊게 하며 과다한 붕사는 주조할 때 금속과 함께 석고모형 속으로 흘러들어 주조를 그르칠 수 있다.
* 금속이 완전히 녹으면 대기시켰던 플라스크를 가마에서 꺼내 도가니 옆에 놓는다.
* 다시 금속을 가열하여 완전히 녹인다. 녹인 후 도가니와 플라스크의 주둥이가 정확히 일치했는가를 확인한다.
* 고정핀을 푼다. 주조기 위에 뚜껑이 있는 경우는 핀을 풀면서 동시에 뚜껑을 덮는다. 이 과정은 매우 정확하고 신속하게 이루어져야 하므로 가능한 한 두사람이 함께 작업하는 것이 좋다. 특히, 도가니가 안정되고 정확하게 플라스크와 연결되지 않은 경우 주조기가 회전하면서 쇳물이 튈수 있으므로 매우 조심해야 한다.
* 주조된 플라스크를 준비해 놓은 찬물에 담근다. 이때 주의할 것은 플라스크의 옆면이나, 주입구의 반 대쪽을 먼저 담근다. 석고주형의 가마 속에 잘 소성되었을수록 찬 물에 넣을 때 석고가 잘 부서진다.
* 플라스크를 먼저 깨끗이 세척한다. 주조된 금속을 꺼내어 닦은 후 물줄기를 떼내고 마감 한다.
5. 압박주조(pressure casting, steam casting)
압박주조의 원리는 용해된 금속이 위쪽에서의 수증기 혹은 공기의 압력에 의해 밑으로 밀리면서 주형틀 속에 메우는 것이다.
소성이 끝난 주형틀(플라스크)을 주입구가 윗쪽으로 향하게 놓고 그 주입구에 금속을 넣고 녹인후, 물기있는 헝겊 등을 위에 덮으면서 압착해주면 쇳물로부터의 열이 헝겊의 물기를 수증기로 만들고 이 수증기가 팽창하면서 생기는 압력으로 인해 주입구의 쇳물이 아래쪽으로 밀려 주조가 되는 것이다.
압박주조에는 두 가지 방식이 있다.
덮개를 손으로 쥐고 플라스크 위에서 직접 누르는 수동식 압박주조와, 기계로 압력을 조정하면서 압박하는 기계식 압박주조가 있다.
압박주조기계(Tri- caster for pressure casting)는 상부의 압박기가 압력을 가하면서 형틀을 덮어주고 발생한 압력은 형틀 밑으로 빠져나가도록 고안되었다.
이 압박주조 기계는 매우 정교한 주조를 가능케 하나 개인 공예가들이 사용하기에는 고가이다.
최근에는 덮개를 수동으로 누르며 수증기압 대신 공기펌프에 의한 공기압을 사용하는 펌프식 압박주조도 개발되어 쓰인다. 압박주조는 원심주조에 비해 매우 간편하게 작업할 수 있는 이점이 있으나 주조용량이 원심주조의 반 정도(약 20~30g)밖에는 않되는 단점이 있다.
--- 수동식 압박주조의 과정 ---
* 왁스모델의 제작과 소성과정은 원심주조의 경우와 같다. 다른 점은 물줄기의 크기인데 원심주조시보다 가는 1.3mm내외의 봉 혹은 같은 두께의 판 왁스를 오려 사용한다.
물줄기가 가는 이유는 원심주조와 달리 주입구 위에서 직접 금속을 녹이게 되므로 용해된 금속이 압박되기 전에 부분적으로 주형 속으로 흘러 떨어질 수 있기 때문이다.
* 수동식 압박 주조기를 준비한다. 이는 손잡이와 덮개로 이루어지며 덮개는 지름이 플라스크보다 커야 한다. 덮개에는 석면(가루) 혹은 헝겊을 부착한다.
* 이 압박면에 물을 묻힌다. 수분의 양은 주조용량과 비례하는데 너무 수분이 많아도 과다한 수증기의 압력이 발생하여 석고주형이 터질 수 있다.
* 금속의 용해를 석고형틀의 주입구에서 하게되므로 주입구의 공간(깔대기 형태로 들어간 공간)이 충분 해야 한다.
왁스 매몰 후 주형접시를 제거하고 이 깔대기 형태가 작은 경우 가장자리를 더 깍아낸 다음 가마에 넣어 소성하도록 한다. 깍아낼때는 형틀의 석고가 가루안으로 흘러들어가지 않도록 매우 조심해야 한 다.
* 소성이 끝나면 주조온도에 맞춰진 플라스크를 꺼내 밑면이 평평한 내화벽돌위에 주입구가 위로 향하 도록 놓는다.
* 주입구에 금속을 놓고 약간의 붕사를 뿌리며 토치 불로서 가능하면 신속하게 금속을 용해 한다.
* 금속이 완전히 용해되면 토치를 제거함과 동시에 수분이 함유된 압박기를 플라스크에 덮어 압박한다. 적어도 30초 정도 압착한 후에 압박기를 제거한다.
* 주조된 금속을 꺼내고 마감하는 방법은 원심 주조시와 같다.
6. 진공주조(vacuum casting)
석고형틀 밑으로 부터의 압력에 의해, 형틀 속의 공기와 가스를 흡입하면서 결과적으로 이 진공의 힘으로 쇳물을 위로부터 빨아들여 주조를 하는 방식이다.
이 진공주조는 비교적 단순하며 효과가 양호하고 원심주조보다 큰 주조를 할 수 있는 장점이 있다. 주조기의 가격 또한 비교적 저렴하여 널리 사용한다.
진공 주조기는 주로 테이블 식으로 제작되는데 기포제거와 진공주조를 위한 진공펌프가 장착되어 있다.
두 개의 기능이 분리된 모델과 함께 있는 모델이 있다. 분리된 경우는 한쪽에 유리종과 바닥에 사방 25cm정도의 고무패드가 있으며 이 패드 한쪽에는 진공펌프의 흡입구가 있다.
주조를 위한 장치로는 중앙에 공기 흡입구가 있는 고무판(silicon rubber pad), 혹은 석면판이 있으며 중앙에 구멍이 있어 이를 통해 형틀의 공기를 흡입하게 된다.
-- 진공주조과정 --
* 왁스모델의 제작과 매몰과정 그리고 소성과정은 기본적으로 원심주조와 같으나 아래의 사항들은 다르 다.
* 진공주조를 위한 왁스모델에서는 가능한 너무얇은 붑ㄴ이 없도록 유의한다.
0.7mm보다 얇지 않도록 한다.
* 물줄기는 원심 주조보다 굵게 붙이며 개수를 많이 한다. 물줄기는 가능한 짧게 하며 수직에 가깝도록 해야 주입될 때 압력의 힘을 잘 받는다.
* 기포를 제거하는 장치를 사용하기 전에 다음과 같이 시험해 볼 수 있다.
물이 반쯤 담긴 유리컵을 올려놓고 유리종을 덮은후 스위치를 올려 40초 내에 물에서 물방울이 올라오면 성느에 문제가 없는 것이다. 이때 유리종은 고무바닥과 접촉을 좋게 하기 위해 접촉면에 묻혀 올려 놓는다.
* 매몰석고 용액을 준비한다. 진공주조에서는 공기압에 의해 쇳물이 주입되므로 석고형틀에 금이 발생하지 않도록 매몰시 석고를 잘 섞어 주는 것이 매우 중요하다.
석고를 물과 섞어 계속 저어준후 고무 그릇을 기포제거기의 고무판 위에 놓고 유리종을 덮은후 약 1분 동안 물을 끓이는 것과 같은 상태로 기포를 제거한다.
* 플라스크 윗쪽에 빳빳한 종이나 테이프 등으로 약 2.5cm정도의 담을 만들어 플라스크의 높이를 연장 한다. 이는 기포 제거시 석고가 끊을 때 밖으로 튀는 것을 막기 위해서다.
* 플라스크를 기울에 석고를 붓는다. 속고가 거의 모델을 덮으면 다시 기포제거기를 가동시켜 그 위에 놓고 유리종을 덮은 후 기포를 제거한다.
* 플라스크를 다시 꺼내어 석고를 가득 채운다.
* 석고가 거의 굳은 후에는 테이프를 제거하고 주형접시도 제거한다.
* 주형접시의 반대쪽을 정확한 평면이 되도록 다듬는다. 혹은 컵의 밑면과 같이 안으로 약간 움푹하게 판다. 이는 좀더 효과적으로 고무바닥에 밀착될 수 있도록 하기 위함이다. 이 경우, 유의할 점은 석고 형틀의 두께가 왁스모델의 끝으로부터 1㎝가량 확보되야 하는데 이보다 얇은 경우는 석고벽이 압력에 위해 부서질 수 있으며 반대로 너무 두꺼운 경우 압력이 미치지 못해 주조가 안되는 경우가 있다.
* 용해할 금속을 준비한다. 원심주조시와 같은 방법으로 금속의 양을 계산하는데 진공주조시에는 물줄기 가 많아 같은 모델인 경우, 원심주조시보다 약 20%정도의 금속을 더 필요로 한다.
* 도가니에 금속을 놓고 녹인다. 금속이 완전히 녹았을 때 쯤 플라스크를 가마에서 꺼내서 고무판에 주 입구가 위로 가도록 놓는다.
* 플라스크를 놓은 후 바로 압력스위치를 올려 플라스크가 완전히 붙었는가를 시험해 본다. 스위치를 올린 후 머지않아 압력눈금이 20∼25(inches of mercurry)의 눈금이 오르지 않으면 플라스크가 고무판 과 밀착되지 않은 것이다. 이때는 집게로 플라스크를 고무판에 눌러보면 알 수 있다.
* 완전히 밀착되었는데도 눈금이 오르지 않는다면 플라스크의 끝단면이 고르지 않거나 석고 형틀에 금 이 가서 그 금을 통해 공기가 들어오는 경우이다. 이런 경우는 진공주조에 의해 쇳물을 투입할 수 없다.
* 금속이 완전히 녹았을 때 진공펌프의 모터를 가동시키고 밸브를 막아(밸브를 주조, cadting에 맞춤)압 력을 증가시킨다. 눈금이 진공압력의 정확한 눈금(보통 주조의 경우 12∼20사이)을 가르킬 때 도가니 에 들어 쇳물을 붓는다. 붓고 난 후에도 토치의 불을 주 입구의 금속에 수초동안 계속 가열해 준 다.
* 토치의 불을 끈 후 밸브를 열어(밸브를vacuum release에 맞춤)진공상태를 없애고 펌프 모터를 끈다.
* 주입구의 금속의 색이 검게 변한 후 주조 용량에 따라 5∼10분 가량 식힌 후 프라스크를 꺼내 물에 담가 석고를 제거한다.
산업적으로 많이 쓰이는 진공주조방식은 벽면에 구멍이 뚫어진 플라스크를 사용하여 진공압력을 밑에서 뿐 아니라 옆의 벽면을 통해서도 가함으로서 훨씬 더 효율적인 주조를 한다. 이 구멍뚫인 플라스크는 이에 맞게 고안된 진공 주조기에만 사용할 수 있다. 또한 이를 사용할 때는 석고 매몰시 테이프를 사용하여 겉(구멍)을 막은 후 석고를 붓게 되며 이 테이프는 소성시 타서 없어진다.
7. 고무주형 만들기 (Rubbermould)
고부주형은 최소의 모델(혹은 모델로부터 주조된 금속형태)을 고무(열경화성 고무)에 qedj 외형들을 만들고, 형태가 굳어진 고무형틀로부터 모델을 빼낸 후 이 빈 공간에 액체상태의 왁스를 주입하여 굳힘으로써 같은 형태의 왁스모델을 단시간 내에 다량으로 복제해내는 것을 말한다.
① 형틀 제작
1) 고무
고무주형은 고무의 열가소성(thermoplasticity)을 이용한 것으로, 부드럽고 유동적인 생고무(uncured rubber)를 일정한 온도와 압력으로 일정시간 동안 유지하면서 경화시키는 성질을 이용한다. 고무의 특 성중 탄성을 이용하여 일정형태를 유지하는 장점도 있다.
경화된 고무의 질감은 고무줄과 같은 질감이며, 생고무는 판이나 두루마리 상태로 표면의 청결을 위 해 종이나 헝겁테이프등이 붙어있다.
2) 형틀을 위한 사각틀 (mould frame)
모델과 생고무를 채워 넣고 가열하게 되는 틀로서 고무주형의 외부형태를 결정하며, 철이나 알류미늄 으로 제작하여 열이나 압력에 견딜 수 있게 한다.
고무주형을 만드는 틀은 한 개의 틀로 된 것과 상하형의 두 개의 틀로 된 것이 있고 물줄기를 위한 봉이 형틀에 붙어 잇는 경우와 그렇지 않은 경우가 있다.
3) 분리재 (seperator)
생고무에 모델을 묻고 경화할 때 한 개의 덩어리로 경화시킨 후 칼로 자르는 이등분법과 미리 두 부 분으로 나누어 제작사는 방법이 있는데 이때 나뉘어지는 곳에 분리재를 넣는다.
분리재는 활석가루(talc powder)를 뿌리거나 얇은 금속박이나 헝겁 등을 덮어서 사용한다.
※ 금속박인 경우 - 0.09㎜이하의 알루미늄·적동·황동박등
4) 제작과정
- 모델을 준비한다. (고온의 온도와 압력에 견뎌야 하므로 금속이 이상적이다.)
왁스모델에 의해 금속주물을 하는 경우, 우선 왁스 모델로 한 개의 금속주물을 만든 다음 이 금속형 태를 모델로 하여 고무주형을 만든다.
- 열 경화성 생고무를 형틀의 안쪽공간의 형태에 맞추어 잘라놓는다. (고무의 같에 붙은 보호용 테이프 등은 그대로 붙여둔 채 잘랐다가 넣을 때 제거)
- 아래쪽 틀을 평면의 바닥에 놓는다. (틀에 물줄기용 홈이 있는 경우 위로 가게 한다.)
- 아래부터 고무를 눌러 채운다. (한개로 된 틀을 사용하는 경우는 아래로부터 반 정도를 채운다.)
- 준비된 모델에 물줄기용 봉을 붙여 고무판의 중간에 놓는다. (모델을 고무에 놓기 전에 활석가루등을 뿌려주면 후에 주형으로부터 제가하기 쉽다.)
- 모델은 가능한 수평으로 눕히는 것이 좋다. (모델이 큰 경우 고무를 파주고 넣는다.)
- 모델에 붙여주는 물줄기용 봉은 보통 지금 3㎜정도의 황동봉을 많이 쓰며 끝부분(주입구)는 깔대기 형태로 벌어져야 한다. 이 금속봉은 모델이 금속일 경우 강땜을 해주는 것이 좋으며, 물줄기용 봉을 붙이지 않고 모델만 묻었다가 경화한 후에 물줄기 부분을 고무틀에서 칼이나 모터툴로 파낼 수도 있다.
- 모델이 비금속일 경우는 물줄기용 봉을 강력접착제로 붙인다. (모델의 단순한 부분, 가늘지 않은 부분에 붙이는 것이 좋다.)
- 고무의 사방 귀퉁이를 약간씩 파주어 여철을 만들어 주면 상하의 고무주형을 후에 정확히 일치시키는데 도움이 된다.
- 상형틀을 하형틀에 얹고 다시 분리재를 뿌려준다. 나머지 반을 채운다.
- 생고무는 열에 의해 압착 수축되기 때문에 언제나 생각보다 많이 요구되며, 틀을 모두 채운 후에는 압착하기 전에 마지막으로 두장의 고무를 더 잘라 형틀의 위아래에 덧붙여준후 경화한다.
- 형틀의 위아래에 알루미늄판을 덮고 벌커나이저(vulcanizer), 경화기에 넣고 경화한다.
경화를 시작한 후 약 10분 후에 핸들을 조여 압착하고 25분 경과 후 다시 반복한다.
- 경화가 끝나면 고무주형을 꺼내 두 부분으로 분리하고 모델을 꺼낸다.
- 고무주형을 한 덩어리로 경화한 경우에는 칼로 잘라야 하는데, 자를 때는 고무주형의 한 쪽을 바이스나 집게 등을 이용하여 한쪽에 고정시키고 왼손으로 벌리면서 오른 손으로는 날카로운 절개용 칼을 이용하여 자른다.
- 상하의 고무주형이 만나는 선이 모델의 어느 부분으로 지나가느냐가 중요한데 이 분리선은 가능하면 단순한 면을 지나도록 한다.
- 형틀이 두 개로 분리되면 모델을 제거하고 부분적으로 수정을 한다.
- 수정이 끝나면 모델의 공간에 활석가루를 뿌려준다.
- 사출을 할 때는 구무 형틀의 위아래 면적과 같은 크기로 나무나 금속판을 준비해 상하를 덮어 손으로 쥐도록 한다.
② 왁스 사출
- 왁스사출기(wax injector)는 왁스를 담아 녹이는 용기형의 기계로, 녹은 왁스를 고무주형 속으로 쏘아낼 수 있는 사출꼭지가 붙어 있다.
- 고체의 왓스를 탱크에 모아 젛고 온도를 약 100℃로 맞추어 녹인다.
- 고무주형을 상하의 보호판과 함께 쥐고 주입구를 사출꼭지에 내고 누르면 왁스가 자동적으로 사출되어 모형속으로 흘러들어 간다.
- 충문히 식혀 왁스가 굳은 후 고무주형을 열고 꺼낸다. 이 과정을 반복할 때는 활석가루를 다시 발라준다.
- 이런 과정으로 복제된 왁스모델은 한 개의 주형접시에 다량으로 심어져 한꺼번에 배볼되어 앞에서 살펴본 기법들에 의해 주조된다.
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