정밀주조법 #2 (인베스트먼트 주조법)

2. 인베스트먼트 주조법 : 제작하려는 주물과 동일한 모형을 Wax 또는 Paraffin 등으로 만들어 주형제에 매몰하고 가열로에서 가열하여 주형을 경화시킴과 동시에 모형재인 Wax나 Paraffin을 유출시켜 주형을 완성하는 방법이다. Lost Wax법이라고도 한다. 재질이 강해서 기계 가공에 많은 공수를 필요로 하거나 기계 가공이 불가능한 제품 등을 만들 때 효과적이다. 

인베스트먼트 주조법은 일반적으로 솔리드 몰드법과 세라믹 셸 주형법으로 나뉜다. 단지 주형을 만드는 방법이 다를 뿐, 왁스 모형을 제작하여 조립하는 방법이나 형성된 주형 내부의 왁스를 녹여 내고 그 공간에 용탕을 주입하는 과정은 동일하다.

인베스트먼트 주조 공정

      ① 모형 제작용 금형(Master Die) 제작

      ② Wax 모형을 제작하기 위해서 금형에 용해 Wax를 압입 응고시킴

      ③ 내화재 피복

      ④ 모형에 모래(슬러리) 도포 및 실온 건조

      ⑤ 주형재를 진동 충전

      ⑥ Wax를 주형에서 가열 유출시킴 (200'c)

      ⑦ 2차 가열하여 주형을 경화시킴 (900'c)

      ⑧ 탕을 주입하여 제품을 완성

 

    1) 왁스 모형 제작용 원형

      ⓐ 주모형(원형) : 주모형은 가공하기 쉬운 알루미늄 합금, 구리 합금, 탄소강 등으로 제작하며 왁스 모형을 사출하기 위한 금형을 만드는데 이용된다. 

      ⓑ 금형 : 금형에는 왁스 모형의 양부가 직접 주조품의 양부에 반영되므로 금형 제작시 표면의 다듬질, 치수 정도, 형 맞춤면의 정도 등에 유의하여 성형 후에 왁스 모형을 수정할 필요가 없도록 해야한다.

      ⓒ 원형의 종류 : 왁스 원형 제작을 위한 형 재질에 따라 실리콘 고무 금형, 알루미늄 합금 금형, 저용융점 합금 금형, 강 금형 등이 있다. 일반적으로 정밀치수 제품에는 알루미늄 합금 금형을 사용한다.

 

   2) 왁스 모형의 특성 : 왁스 모형의 구비 조건으로는 유동성이 좋아야 하고, 표면이 매끈해야 하고, 응고 시 수축이 적고 연화 용융 온도까지의 팽창률이 적어야 하며, 응고 시간이 짧고, 작업 및 보관시 변형이 적어야 한다. 상온에서는 강하고 비결정질이어야 하고 소성 후 회분의 불순물 함유량이 적어야 한다. 또한 왁스는 온도 상승에 따라서 점도가 감소하여 팽창하기 때문에 온도의 변화는 왁스 모형의 치수나 변형에 영향을 미치게 된다. 따라서 왁스 모형의 성형은 치수 및 형상을 안정시키기 위해 금형의 온도, 왁스 주입 온도/압력, 이형 시간 등을 일정하게 해야 한다. 

 

      ⓐ 왁스의 종류 (응고 형식에 따른 분류) : 모형용 왁스와 탕도용 왁스로 분류되며, 탕도용 왁스는 탈 왁스 시 모형용 왁스보다 먼저 녹아 나와야 하므로 모형용 왁스보다 연화 온도가 5~10도 정도 낮아야 한다. 

      ⓑ 왁스 모형의 제작 : 모형 왁스의 사출 온도와 용융점, 연화점에 따라 사출기의 조건을 설정한다. 왁스 용해 탱크 내부를 깨끗이 청소한 후 왁스를 넣고, 왁스의 용융점에 맞춘 후 용해한다. 왁스 사출기로 사출하여 왁스 모형을 만든다.

      ⓒ 왁스 모형 조립 : 왁스 원형은 탕구, 탕도, 주입구와 함께 왁스트리로 조립된다. 왁스 트리의 제작은 탈 왁스가 잘되도록 왁스 원형을 접착시켜야 하며 코팅 및 후처리 공정이 용이하도록 원형과 원형의 간격을 적당히 유지한다. 왁스 트리 설계는 주입 금속의 재질, 주물의 크기나 형상, 주조 조건 등을 고려하여 올바른 지향성 응고가 이루어지도록 한다. 또한 왁스는 온도 상승에 따라 점도가 감소하여 팽창하므로 항상 일정 온도를 유지하고 왁스 원형의 변형이나 치수 변화를 일으킬 수 있는 급작스런 온도의 변화가 일어나지 않도록 한다. 

 

   3) 주형 제작 : 주형 제작은 내화물을 왁스트리에 피복하는 작업으로 바인더와 내화재를 혼합하여 슬러리를 배합한 후 왁스트리를 슬러리에 침적하고, 내화물을 피복하는 작업을 반복하여 주형을 형성하는 작업이다. 

     

      ⓐ 슬러리 배합 : 주형 제작에 사용되는 점결제는 왁스를 용해하거나 서로 반응하지 않고 잘 접촉되어야 하고, 상온에서 또는 주형의 소성온도 용탕 주입온도에서 내화물 입자를 서로 단단히 결합시켜야 한다. 내화물과 반응하여 저융점의 공정물질을 생서시켜서는 안되고, 주입금속과 반응을 일으켜서도 안된다. 

슬러리 배합용 내화물에는 지르콘분말, 샤모트 샌드가 있다. 지르콘분말은 팽창과 수축이 적고 열팽창계수가 적으며, 잘 처리된 지르콘은 해리온도가 1,760'c까지 되므로 직접 용탕이 접촉되는 1차용 슬러리 배합용으로 많이 사용한다. 샤모트 샌드는 점토를 한번 1,300~1,500'c의 고온으로 구워서 분쇄하여 놓은 가루를 말한다. 이렇게 점토를 구워 안정된 형으로 만든 것을 샤모트라 하며 주형 피복용으로 백업용으로 사용한다.

      ⓑ 내화물 피복 작업 : 왁스트리에 내화물을 피복하는 작업은 침적, 모래 끼얹기, 건조 작업의 순서로 진행된다. 침적은 슬러리 중에 왁스 원형을 침적하여 슬러리를 부착시키는 조작이다. 모래 끼얹기는 내화물을 비가 내리는 모양으로 낙하시키는 중에 슬러리가 부착된 왁스 트리를 움직여서 내화물이 균일하게 부착되도록 한다. 모래 끼얹기가 끝난 왁스 트리는 다음 코팅 때까지 항온 23'c, 항습 75~80%의 실내에서 건조하여 보관한다. 내화물 피복은 내화성 바인더와 내화물 미분말로 된 슬러리에 침지하는 작업과 내화물 입자의 끼얹기 작업을 통해 이루어진다. 코팅의 건조는 항온 항습의 실내에서 자연 건조 외에 터널식 건조 장치를 사용해서 온도, 습도를 조정한 공기를 강제 통풍하는 방법도 있다. 

      ⓒ 탈왁스 공정 : 열충격법, 오토클레이법, 열탕법, 저온가열법 등이 있다. 

 

   4) 주형 소성 및 용탕 주입 : 주형의 소성 시간은 일반적으로 필러 성분을 완전히 소성시키는데 800~1,100'c에서 2시간 정도 소요된다. 용탕 주입 시에는 주입 온도, 주형 온도 등의 주조조건에 주의할 필요가 있고 필요 이상으로 주입온도가 높으면 유동성은 좋아지지만 조직이 조대화하여 기계적 성질이 저하되고 또한 소착, 기공 등이 발생하며 주물 표면이 나빠진다. 주형 온도는 용탕 회전 불량(탕경, Cold Shut)이 생기지 않는 범위에서 가능한 낮은 편이 냉각 속도가 커서 기계적 성질이 좋아진다. 

용탕 주입이 완료된 후 주조품이 냉각되면 주형을 해체하는데 녹아웃 머신 및 진동 해머(에어 해머) 등을 사용하여 주형을 파괴시키거나 워터제트 방법으로 초고압 분사수를 노즐을 통해 분사하여 셸을 제거한다. 

 

   5) 인베스트먼트 주조품의 결함

      

      ⓐ 왁스 모형의 결함과 발생 원인

결함	현상	원인
면수축	평행부의 가운데 부분이 움푹 들어가는 현상으로서 특히 단면 두께가 두꺼운 곳에서 많이 발생한다.	- 사출 압력이 낮을 때 - 사출 후 가압 유지 시간이 불충분할 때 - 사출 온도가 너무 높거나 속도가 너무 느릴때 - 왁스 주입구의 위치 선정이 잘못되었거나 주입구 크기가 너무 작을때 - 체적 수축률이 큰 왁스를 사용했을 때
표면주름	표면 주름	- 와류가 발생하기 쉬운 위치에 왁스 주입구를 설치했을 때 - 왁스 주입구가 너무 작거나 주입 속도가 느릴때 - 왁스 주입 온도가 너무 낮거나 압력이 낮을때 - 왁스 주입 온도는 높으나 금형 온도가 상대적으로 낮을때 - 이형제를 과도하게 분무했을 때
기포	왁스 모형 표면 또는 직하에 발생하는 기포	- 왁스 주입구 위치가 잘못되어 사출되는 왁스가 금형 내벽에 부딪히치면서 비산할 때 - 사출 속도가 너무 빨라 캐비티 내에 있던 공기가 빠져나가지 못했을 때 - 왁스 내에 기포나 수분이 이미 함유되어 있는 것을 사용했을 때
왁스 성형 불량	왁스 모형이 완전히 성형되지 않았을 때	- 왁스 온도가 너무 낮을 때 - 사출 압력이 너무 낮을 때 - 금형 온도가 너무 낮을 때 - 왁스 주입구 위치가 잘못되었을 때 - 주입구가 너무 작을 때
플래시(Flash)	왁스 모형의 분할 선에 얇은 왁스 날개가 달려 있는 경우	- 금형 제작이 잘못되었거나 변형이 되었을 경우에 상하형이 완전히 밀착되지 않은 상태에서 왁스 모형을 사출했을 때 - 사출기에 금형이 정확히 안치되지 않았을 때 - 금형의 분할 면에 이물질이 끼어 상하형이 완전히 밀착되지 않은 상태로 왁스 모형을 사출했을 때 - 사출 압력보다 상하형 합형 압력이 상대적으로 낮을 때
칩(Chip)	금형에서 왁스 모형이 빠져나올 때 모형의 일부분이 떨어져나간 상태	- 금형에 언더컷의 역경사가 있을 때 - 모형 축출 핀의 배치가 불합리할 때 - 캐비티 내에 이물질이나 왁스 조각이 끼어 있는데 이를 제거하지 않고 계속 사출 했을 때 - 사출 후 금형에 빠져 나올 때까지는 이상이 없었으나 그 후 취급 부주의에 의하여 왁스 모형끼리 서로 충돌하여 발생하는 경우도 많다.

 

      ⓑ 수축공 결함의 원인과 대책

원인	대책
급탕거리가 미치지 못했을 때	급탕이 용이한 위치로 게이트를 옮겨 주어야 한다
최종 응고 위치에 게이트를 위치시키지 않았을 때	최종 응고 위치로 게이트를 옮겨 주어야 한다
게이트가 너무 작을 때	게이트의 단면적을 키워준다
러너의 단면적이 너무 작을 때	러너의 단면적을 키워준다.

 

      ⓒ 주형 균열의 결함 : 소성 완료 후 주입 직전에 주형의 결함이 발견되었을 때에는 내화재로 보수 후 소성로에 신속하게 재장입하여야만 온도의 급강하에 의한 주형 균열을 방지할 수 있다. 주형을 냉각시켜야 할 경우에도 소성로에서 서냉 시켜야만 역시 온도 급강하에 의한 주형 균열을 방지할 수 있다.