주형 일반 개론1 (주물사, 점결제)

1. 주물사 : 주형재료는 특별한 경우에는 금속을 사용하나 일반적으로는 모래를 사용하며, 이와 같이 주형제작에 사용되는 모래를 주물사라 한다. 주물사는 주성분인 모래 외에 주형 제작 시의 요구조건을 충족시키기 위해 첨가제와 점결제 등을 혼합한다. 점결제는 주형이나 코어가 성형성 및 강도를 유지할 수 있도록 모래에 섞어주는 재료이다. 그리고 주물사의 고온성을 높이거나 붕괴성을 향상시키고 또 표면이 깨끗한 주물을 얻기 위해 점결제 이외에 첨가하는 물질을 첨가제라 한다.

 

2. 주물사의 점결제 (Binder) : 점결제를 사용할때, 점결제의 효과를 잃지 않을 정도까지 온도를 올렸다가 그대로 방치한다. 건조가 불충분하면 함유하는 수분이나 가스에 의해서 주물 불량을 일으킨다. 또한 급격하고 과도한 건조는 코어를 약하게 하고 주형에 균열을 일으키는 원인이 된다. 

   (1) 점결제의 종류

      ① 무기점결제

         ⓐ 내화점토 : 장석, 운모 등이 지압 및 염류 등의 작용을 받아 생성된 것 중 카올린이 본래 위치에 남아 있는 것은 1차점토라고 하고 수력에 의해 장소를 이동한 것을 2차 점토라고 한다. 점착력이 크고 내화도는 1,600~1,700'c 이다.

         ⓑ 벤토나이트 : 화산재의 풍화로 형성된 몬모릴로나이트족의 점토이다. 벤토나이트는 습태강도가 높고, 통기성도 양호할 뿐만 아니라 건태강도와 고온강도도 적당하여 붕괴성도 양호하다. 따라서 주물의 균열을 방지하므로 비철주물, 주철분야에 많이 사용한다. (수분을 가하면 점결성이 클 뿐 아니라 건조하면 강도가 크고 통기성, 내화도가 크기 때문에 최근에 널리 사용된다. 융해성은 크지 않다.)

         ⓒ 특수점토 : 백점토와 일라이트 등이 있다. 

      ② 유기점결제 : 열분해 온도가 낮기 때문에 200~300'c 정도에서 건조시켜도 큰 건조강도를 가지며 대기 중에서 흡습성이 적고 주입 후의 붕괴성도 좋으며 주물의 표면이 아름답다.

         ⓐ 유류점결제 : 아마인유, 콩기름 등의 식물성 기름과 광물성 기름, 동물성 기름 등을 사용하며 약 200~250'c 정도로 가열하면 주형 강도가 높아지며, 통기성도 좋아진다. 또 건조 후 오래 두어도 수분의 흡수가 거의 없고 쇳물을 주입하면 기름이 타서 강도를 잃게 되므로, 모래를 털어내는데도 좋다. 또 주물의 살결이 아름답다. 그러나 조형할 때의 습태강도가 매우 적어 생형에서는 취급이 곤란한 경우가 많으며 성형 취급상 습태강도를 높일 필요가 있으므로 여러 가지의 첨가제를 넣는다. 

         ⓑ 수지점결제 : 페놀수지, 요소수지 등 열경화성이 있는 합성수지를 액체 및 분말로 만들어 생사와 배합한다. 수지는 응고되면 습기를 흡수하지 않기 때문에, 주형을 보관하는데 편리하다. 

         ⓒ 곡류점결제 : 소맥분, 라이맥분, 옥수수분말, 전분분말 등이 사용되며 건태강도가 커서 사용하기 좋으나 수분흡수로 강도가 저하되며 코어용 점결제로 쓰인다. 한번 혼련한 주물사가 사용 전에 건조하여 바삭 바삭해지는 것을 방지하는 성질과 습태강도를 높이는 성질을 가지고 있다. 

      ③ 특수점결제

         ⓐ 규산소다, Cement 및 석고 등도 점결제의 역할을 하며 Gas 형법에 사용한다.

         ⓑ Potland Cement를 8~12% 첨가하고, 수분 4~6%로 배합하여 대형의 주형 혹은 Core 제조에 사용한다.

         ⓒ 강도 및 경도는 크고 1,200'c 정도까지는 연소하지 않으나 고온에서의 붕괴성이 불량하므로 주물에 균열이 발생하기 쉽다. 

         ⓓ 소석고가 점결제로 사용되나 통기도는 불량하고 정밀주조에 사용한다.

 

   (2) 점결제와 주물사의 구비조건

점결제의 구비조건	주물사의 구비조건
① 점결력이 클 것 ② 가스의 발생이 적고 통기성이 좋을 것 ③ 내화도가 클 것 ④ 주조 후 점결성을 잃고 부서지기 쉬울 것 ⑤ 장기간 보존하여도 수분 흡수가 적을 것 ⑥ 모래의 회수가 쉬울 것 ⑦ 불순물의 함유량이 적을 것	① 내화성이 크고, 화학적 변화가 없어야 한다 ② 성형성이 좋아야 한다. ③ 통기성이 좋아야 한다. ④ 적당한 강도를 지녀야 한다. ⑤ 주물표면에 이탈이 잘 되어야 한다. ⑥ 열전도성이 불량하고 보온성이 있어야 한다. ⑦ 쉽게 노화하지 않고 복용성이 있어야 한다. ⑧ 적당한 입도를 가져야하고 염가이어야 한다.

   

   (3) 주물사의 종류

      ① 규사 (Silica Sand) 

         ⓐ 천연규사 : 풍화된 암석이나 냇가, 바닷가에서 자연적으로 물에 씻기고 밀려 쌓인 모래로 모래입자의 모양이 둥글고 불순물이 섞여 순도와 내화도가 좋지 못하다.

         ⓑ 인조규사 : 규산암을 분쇄하여 입도, 순도에 따라 분류한 것으로 내화도가 양호하고 입자가 예리하다.

      ② 산사 : 산에서 채취한 모래로 수분만 첨가하면 그대로 사용할 수 있는 것

      ③ 특수사 

         ⓐ 지르콘사 : 지산지르코늄이 90% 함유되어 있고 내화도 2,200'c, 화강암이 풍화작용에 의해 붕괴되어 강하류나 해안에 퇴적된 것이며, 우수한 물리적 성질을 가지고 있어 강주물의 주형에 많이 사용된다.

         ⓑ 올리빈사 : MgFe(SiO4)가 주성분이고 내화도가 1,700'c, 열팽창률이 균일하고 입도가 작기 때문에 주물표면용으로 사용하고 고운 가루는 도형제로도 사용된다.

         ⓒ 샤모트사 : 내화점토를 1,300'c 가열하여 파쇄하여 만든 것

 

   (4) 각종 주물의 주물사

      ① 주철용 주물사

         ⓐ 신사 (Green Sand) : 산사에 점토(15%이하), 수분(7~10%), 및 석탄분말(5~20%)을 첨가하여 혼합한 것

         ⓑ 건조사 (Dry Sand) : 신사보다 수분과 점토분을 많이 첨가하여 통기성을 증가시키기 위해 톱밥, 코크스, 흑연, 하천모래를 혼합시킨 것

      ② 주강용 주물사 : 주철의 주입온도(1,280~1,350'c)보다 높으므로 주물사는 내화성이 크고 통기성이 좋아야 한다. 규사와 점결제(내화점토, 벤토나이트)를 배합하여 사용한다.

      ③ 비철합금용 주물사 : 황동, 청동류는 주철에 비하여 용융온도가 낮으며 가스 발생도 적어 성형성이 좋고 주물표면이 아름다운 주물사를 선택한다. 일반적으로 주물사에는 소량의 소금을 첨가하여 사용하며 대형주물에는 신사에 점토를 배합하여 사용한다.

 

   (5) 특수 주물사

      ① 합성사 : 내화도가 크고 둥근 입자의 가는 규사를 선택하고 점결제로 벤토나이트가 사용된다.

      ② 오일샌드 : 규사에 전분 또는 벤토나이트를 2~3% 첨가하고, 잘 혼합한 후에 아마인유와 어유를 3~5% 첨가한 것으로 주로 코어용에 사용한다.

      ③ Co2 프로세스용 주물사 : 탄산가스 주형법에 사용하며 고화시간이 짧고 주형을 건조할 필요가 없다. 특히 결합력이 크고 주물표면이 매끈하며 목형과의 분리가 잘 되도록 석탄분말, 톱밥을 첨가한다.

      ④ 레진샌드 (Resin Sand) : 규사를 열경화성수지로서 결합하여 만든 주물사

      ⑤ 시멘트샌드 (Cement Sand) : 시멘트를 주물사의 결합제로 사용하는 것으로 부분형을 연결하여 완성된 주형을 만드는데 사용. 주형 제작시간이 짧고 주형표면이 매끈하므로 기계가공이 빠르다. 숙련이 필요하지 않고 가격이 싸므로 Ingot Case의 주형제작에 널리 사용한다.

 

   (6) 기타 주물사 : 주물사는 주물의 종류, 주형의 종류, 용도에 따라 각각 다른 성분의 주물사가 사용되고 있으며, 일반 모래에 요구되는 특성을 고려한 첨가제와 점결제 등을 배합하여 사용한다. 

구분	주물사
주입금속	주철용, 주강용, 비철합금용
주형종류	생형사, 건조사, Core용사, Loam사
사용장소	바닥주물사, 표면사, 분리사

      ① 바닥 주물사 : 바닥 모래용으로, 산사에 오래된 모래를 혼합하여 사용. 신사를 절약하고 고사의 접착력 보완

      ② 생사 또는 생형사 : 일반주철물, 비철주물 제작용으로 산사에 8%의 수분을 넣은 것으로 표면용 모래를 사용. 바닥모래에 수분을 적당히 가하여 사용하는 경우가 많으며 재사용 시에는 불순물을 분리해내고 손실된 성분을 보충할 필요가 있다.

      ③ 표면사 : 주물 표면을 매끄럽게 할 때, 입자가 작고 내화성이 높은 석탄가루나 코크스 가루를 신사, 점결제와 배합하여 사용하며, 주형의 모래 중 주물과 접촉하는 부분의 주물사 (40~50mm 두께)

      ④ 코어용 사 : 코어 제작용으로 규사성분이 많은 산사(60%), 오래된 모래(40%), 점토, 식물유 등을 혼합하여 사용하며 통기성과 내화성이 좋고 쇳물의 압력에 견딜 수 있어야 한다.

      ⑤ 분리사 (Parting Sand) : 상하 주형 분리용으로 잘 분리할 수 있도록 경계면에 뿌리는 모래로서 점토가 섞이지 않은 하천를 주로 사용한다.

      ⑥ Loam 사 : 회전 목형에 의한 주형 제작용으로 건조사보다는 내화도가 낮으나 생형사보다는 형이 단단함.

      ⑦ Gas형 사 : 규사에 규산소다를 5% 정도 배합하여 이것에 Co2 Gas를 접촉시켜 경화시키는 주물사. 강도는 건조형보다 크나 주조 후 주형붕괴가 힘들고 주형 후 장시간 방치하면 표면의 모래가 쉽게 파손된다.

      ⑧ 건조사 : 주강용, 주철재 고급주물 제작용으로 수분, 접토분 및 내열재를 많이 사용하여 가열 건조하며 통기성과 내화성 증대를 위해 톱밥, 코크스 등을 첨가한다.

 

3. 첨가제 : 첨가제는 주물사의 성질을 향상시키고, 주형에 신축성을 돕는 이외 주물의 표면을 아름답게 하고, 주형강도의 보강, 붕괴성 향상, 고온성질의 개선 등을 위하여 첨가하는 일종의 보조제이다.

 

   1) 탄소계 : 주철 주물의 표면을 깨끗이 하기 위해 많이 사용되는 것으로서, 석탄, 피치, 코크스 및 흑연가루 등이 있다. 이것은 쇳물과의 연소 반응에 따라 생기는 휘발성 가스에 의하여 주형과 금속 표면과의 사이에 절연층을 만들게 된다. 즉 모래의 표면에 탄소의 피막을 만들게 되므로, 주물 표면이 매끄러워지며, 환원성 가스에 의한 쇳물의 산화와 모래의 소착을 막아준다. 

 

   2) 나무 및 곡식가루 : 주형에 쇳물을 주입하면 높은 온도 때문에 모래알이나 점토등이 팽창하거나 수축된다. 이것을 방지하기 위해 약 100mesh 정도로 나무를 분해한 것이나 곡분을 사용한다. 이것은 수분을 흡수하면 팽창하는 수가 많으므로 미리 물에 불리어 사용하는 것이 좋으며, 주강과 같이 고온 주입을 할때 많이 이용된다. 

 

   3) 당밀 : 당밀을 생형에 사용하면 주형 표면을 경화시켜주므로, 주입할 때 주형이 파손되거나 주물사가 쇳물에 혼입되는 것을 막아준다.

 

   4) 규석가루 : 규석가루는 실리카 플라우어라고도 하며, 알갱이가 매우 곱다. 따라서 이것이 모래알 사이를 메워주므로 쇳물이 스며드는 것을 막아주고 주물 표면을 곱게해준다. 그러나 너무 만힝 사용하면 주형의 수축은 막아 주지만, 팽창을 크게 하므로 주물 결함의 원인이 될 수도 있다.

 

   5) 산화철 : 코어 모래에 많이 사용하는 것으로 산화철을 첨가하면 1,250~1,350'c에서의 고온 강도가 2~3배 증가하며, 주형 표면의 쇳물 침입도 막을 수 있다. 이것은 산화철이 규사와 반응하여 생긴 유리와 같은 규산염이 모래알 사이를 메워주기 때문이며, 소착을 일으키는 장소에 부분적으로 사용할때가 있는데 이것의 적홍색 빛깔로서 명백히 그 사용 장소를 식별할 수가 있다. 

 

4. 도형제 : 주물사로 조형된 주형은 규사와 규사 알맹이 사이에 틈이 생기며, 점결제나 보조제 등의 첨가제에 따라 내화도가 떨어지는 수가 많다. 따라서 용탕의 물리적 침투나 화학반응이 일어나는 것을 막고 주물표면을 곱게 하기 위하여 주형 표면에 도장하는 재료를 도형제라 한다. 

 

   1) 도형제의 역할 : 주형이나 중자에 도형제를 사용하는 목적은, 양질의 주물을 만들기 위한 것이며 주입되는 용탕과 주형 표면과의 직접적인 접촉을 피하고 그 사이에 열적, 화학적으로 안정한 장벽을 형성하는 것이다. 따라서 도형제는 모래입도 간극에도 비교적 잘 침투하여 주형 표면을 매끈하게 하는 작용을 하는 동시에 주형 표면 위에 남은 도형과 주형의 결합도 충분해야 한다. 용도에 따라서 용탕의 물리적 침투나 화학반응이 일어나는 것을 방지하기 위하여 도형제를 사용한다. 

 

   2) 각종 도형제 : 주강용 도형제는 높은 내화도를 충족시키기 위해 주로 지르콘 계열의 도형제가 일반적이다. 고 망간강 도형제는 우수한 내마모성의 특성으로 기계재료에 사용된다. 

 주철용 도형제는 지르콘계, 흑연계, 실리카계의 다양한 도형제가 있다. 냉금용 도형제 주물의 일부를 다른 부분보다 빨리 응고시키기 위해 바르는 도형제로, 내화도가 좋고 바른 상태에서 그대로 건조된다. 

 

5. 이형제 : 주형 작업을 할 때, 상형과 하형 또는 원형과 주물사가 서로 붙는 것을 막기 위해 사용되는 것을 이형제라 한다. 모래형인 상형과 하형이 붙는 것을 막을 때는 고운 규사나 강모래와 같이 점토분이 없는 것을 건조시켜 사용하는데, 이 것을 특히 분리사라 한다. 원형과 주물사가 붙는 것을 방지하는 데에는 니스, 락커, 실리콘기름 등이 쓰인다.