특수 주형법 #1 (CO2 주형, 자경성 주형, 다이칼 주형)

1. CO2 주형 : CO2 주형법이란 규사에 규산나트륨(Na2SiO3, 물유리, 규산소다)를 4~6% 첨가, 혼련하여 만든 주물사로 주형이나 코어를 만들어 CO2가스를 주입시켜 주형을 경화시켜 제작하는 주형법이다. 

 

   1) 주형 제작법의 장, 단점

장점	단점
- 주형 제작이 빨라 주탕 시간을 단축할 수 있다 - 변형이 적고 운반이 용이하다 - 조형하기가 쉽다 - 주형의 정밀도가 높다 - 용탕 주입시 가스발생이 적다 - 숙련이 필요치 않다	- 혼련사의 보관을 밀폐 용기에 보관해야 한다 - 모형의 구배를 많이 줘야 한다 - 주형의 가축성 붕괴성이 나쁘다 - 주형표면이 거칠고 모서리 부분이 소착되기 쉽다 - 흡수성이 빠르기 때문에 빠른 시간 내에 주입해야 한다

 

   2) CO2 주형용 규사 : 인조규사와 천연규사를 사용한다. 소착방지에는 지르콘사, 오리빈사, 크로마이트사 등을 사용한다. 규사의 관리는 입도, 입형, 점토분, 수분 등을 관리한다.

 

      ⓐ 규사의 입도관계 : 규사의 입도는 점결제의 사용량, CO2가스의 통기시간, 주형의 강도, 다짐성 등에 영향을 준다. 주물표면을 좋게 하기 위해서는 미립사를 사용한다. 규사는 SiO2(이산화규소) 함유량이 높을수록 내화도가 높고, 소착 방지에도 좋다. 또한 규사의 미립자는 주형의 강도는 증가하나 통기성에는 좋지 않다. 규사의 모양으로는 각형, 준각형, 원형 중 준각형이나 원형이 좋다.

      ⓑ 점토분 : 규사중에 점토분은 가사 시간 감소와 통기 후 점결력을 저하시키며, 점토분이 함유된 규사에 소량의 물유리를 첨가하면 가사 시간을 늘려주고 점결력을 개선할 수 있다. 또한 주형의 붕괴성을 향상시키고자 할 때는 점토분을 인위적 첨가하면 효과적이다. 

※ 가사시간 : 재료에 있어서 성분을 반죽한 다음 작업할 수 있는 점도를 유지하는 시간(Working Life)

      ⓒ 규사 중의 수분 : 규사중에 수분이 많으면 규산 소다가 묽어지며, CO2가스를 통기시킬 경우 실리카겔이 약해져 주형의 강도를 저하시킨다. 수분량이 많으면 가스결함도 많이 발생한다.

      ⓓ 규사의 온도 : 규사의 온도가 낮으면, 경화반응은 저하한다. 10'c 이하에서는 경화가 잘 일어나지 않는다. 규사의 온도는 20~30'c가 가장 좋으며, 40'c 이상이면 가사 시간이 짧고 주형이 취약해진다. 

 

   3) 규산나트륨(물유리) : 물유리의 주성분은 (SiO2, Na20, H2O)의 3화합물 용액이다. 물유리의 몰비(SiO2/Na2O)는 보통 2~3.3범위가 좋으며, 물유리의 점성은 수분과 몰비의 영향이 크다. 물유리의 점성이 높으면 경화반응이 높아지고, 물유리의 첨가량이 높으면 주형강도는 증가하나 주형의 붕괴성 저하와 물유리의 소비량 증가, CO2량 증가, 작업 속도 저하, 생산성 저하 등이 일어난다. 보통 CO2를 30초 통기하여 주형의 강도는 7kg/cm2가 이상적이다. 물유리 첨가량은 4~6% 첨가한다. 

 

   4) CO2 가스

 

      ⓐ CO2가스의 물성 : 상온과 상온 압력에서는 기체지만 취급 편의상 액상으로 공급한다. 액상으로 취급하기 위해서는 온도가 높으면 압력도 높아야 하며, 통기 시간을 길게 하면 강도는 증가하나 시간이 지나면서 강도는 저하한다. 효과적인 통기 방법으로는 주형이 조금 굳을 정도만 통기하는 것이 형발이 용이하고, 방치강도도 증가하며, CO2 소비량도 감소한다. CO2가스의 소모는 주물사 100kg에 대하여 1~2kg이 경제적이다. 

      ⓑ 통기방법 : 통기 침에 의한 방법(끝이 터진 파이프를 주형에 삽입시켜 놓고 가스를 주입), 후드에 의한 방법(주형에 덮개를 씌워 통기하는 방법), 통기실 이용 방법(통기실을 만들어 주형이나 중자를 넣고 통기실에 가스를 불어 넣어 경화시키는 방법)이 있다. 

 

   5) 혼련과 가사 시간

  

      ⓐ 혼련(혼사) : 혼련은 혼사기를 사용하며, 혼련시간이 불충분하면 강도가 저하되고 혼련시간이 길면 후기 강도가 저하한다. 

혼련의 조건	가사 시간
- 사립 표면에 물유리가 고르게 피복되어야 한다 - 혼사 과정 중 물유리의 수분 증발을 최소화한다 - 혼사 시 온도 상승을 최소로 줄인다 - 혼사 순서는 규사를 먼저 넣고 첨가제를 넣고 조금 혼련 후 물유리를 넣는다	- 규사의 온도가 높을 때 가사시간이 짧으며, 높은 몰비일 경우 가사 시간이 짧다. 가사시간을 늘리기 위한 대책으로는 저몰비의 물유리 사용 또는 적정 수분을 유지해야 한다. 혼련한 규사를 잘 보관(폴리에틸렌 뚜껑, 축축한 헝겊으로 덮기, 밀폐용기 보관)하여야 경화를 방지할 수 있다.

      

2. 자경성 주형 : 자경성 주형법이란 규사에 자경성 점결제 (물유리, 페놀릭 레진, 페놀수지)등을 첨가, 혼합하여 제조한 혼합주물사로 주형을 제작하여 대기중에 방치 또는 경화제를 첨가하여 경화시키는 방법이다. 경화방법에는 발열 경화법, 비발열 경화법, 자연 경화법, 경화제 첨가 경화법 등이 있다.

 

   1) 주형제작 공정 

 

      ⓐ 주형을 제작할 규사를 준비한다. 규사의 입도가 균일하고 점토분이 적은 구형 모래를 사용하며, 규사의 SiO2양이 많고 수분 함유량이 적은 것을 사용한다.

      ⓑ 푸란수지(열경화성 플라스틱)와 경화제를 준비한다. 

      ⓒ 규사(100%), 수지량 대비 경화제(30~40%), 규사량 대비 푸란수지(0.8~1.2%)를 배합하여 합성사를 만든다.

      ⓓ 규사와 경화제 혼련 30~60초간 혼련하여 배합사를 제조하고, 배합사와 푸란수지를 30~60초간 혼련하여 합성사(주물사)를 제조한다. 

 

2-1 후란 주형 : 후란 주형법(Furn-resin sand) 옥수수, 사탕수수, 목화 등에 있는 펜토스(pentose)를 탈수 압축하여 수증기처리 해서 제조한 푸르푸랄(furfural)를 푸란수지(furan resin)라 하는데 이 푸란 수지와 규사를 혼련하여 주물사를 만들고 그 주물사로 주형을 제작하는 방법을 후란 주형법이라 한다.

 

   1) 후란 주형법의 장점과 단점 

장점	단점
- 상온에서 자연 경화하여 시간과 건조비가 절감된다 - 치수 정밀도가 높다 - 조형의 숙련도가 요구되지 않는다 - 용융금속 주입 후 붕괴성이 우수하여 사용한 주물사의 90%를 회수하여 반복사용할 수 있다 - 점결제의 첨가량(1~2%이 비교적 적게 들어가고 경화제는 0.2~0.7% 첨가된다 - 내열성이 높고 가스발생이 적다	- 푸란수지 값이 비싸다 - 수지의 경화 수축이 커 주형의 균열이 발생할 수 있다 - 가사시간에 제약이 있다 - 수지와 경화제가 직접 섞이면 폭발의 위험이 있다 - 조형시 수지의 냄새가 난다 - 수지의 보관시 변질의 우려가 있다

 

   2) 후란계 수지의 종류

후란계 수지의 종류	일반적인 특징	적용
푸르푸릴 알콜, 포름알데히드계 수지	N2를 함유하지 않고 내열성이 우수한 수지이며 고가이다	주강, 주철, 기타
요소-포름알데히드, 푸르푸릴 알콜계수지	경화속도 조절이 용이하다 N2 함유량이 낮은 것은 내열성이 우수하나 고가이다 N2 함유량이 높은 것은 내열성이 나쁘나 저렴하다	주강, 주철, 기타
페놀 포름알데히드, 푸르푸릴 알콜계 수지	N2를 함유하지 않고, 내열성이 우수한 수지 포름알데히드계 수지보다 싸며 경화속도의 온도 의존성이 크다	주강, 주철,  알루미늄, 기타
요소-페놀-포름알데히드 푸르푸릴 알콜	푸르푸릴 알콜계수지의 경화성과 가격의 장점을 개량한 것으로 N2를 다소 함유	주강, 주철

 

   3) 경화제의 종류 : 경화제는 인산, 황산 수용액 등으로 제조한 것을 사용 한다

 

   4) 주물사 혼련 : 믹서기에 규사를 먼저 투입하고, 경화제를 수지량 대비 0.8~2.0% 넣고, 혼련하면서 다음으로 점결제인 후란수지를 규사량 대비 0.8~2% 투입하고 충분히 혼련한다. 혼련이 완료된 규사로 주형을 제작한다. 주형 제작방법은 일반 주형제작법과 같다. 주형 제작 완료 후 대기중에 방치해 두면 시간이 경과되면서 자연적으로 주형이 경화된다. 경화제와 점결제의 첨가량은 대형일 경우 양을 적게 하고, 간단한 주조품 조형에는 양을 많이 투입한다. 이는 조형시간과 관계가 있따. 또한 여름철에는 적게 투입하고 겨울철에는 양을 많이 투입한다. 

 

   5) 주형 제작 : 원형에 이형제를 도포하고 배합된 주물사를 이용하여 상하형을 제작한다. 주형속의 원형을 빼내고 주형파손 부분을 보수한다. 경화를 촉진하기 위해 공기에 열풍을 불어주고 주형에 도형제를 바른다. 건조 장비를 이용하여 주형을 건조한 후 완성된 상하 주형을 조립한다.

 

2-2 펩세트 주형 : 펩 세트 주형법이란 페놀릭 우레탄 성분의 3가지 점결제를 규사와 혼련하여 주물사를 제조하는 방법을 말한다. 

 

   1) 페놀릭 우레탄 점결제의 종류 : 페놀릭 레진, 아이소시아 네이트, 액체 경화제

   2) 펩 세트 주형법의 장점 : 부산물이 발생하지 않는다. 주형 전체에 걸쳐 균일하게 경화된다. 두꺼운 부분도 동시에 경화되므로 주형강도가 균일하다.

   3) 주물사 혼련 : 믹서기에 규사를 먼저 투입하고, 경화제를 수지량 대비 0.4~8%를 넣고, 혼련하면서 다음으로 점결제인 후란수지를 규사량 대비 0.8~2% 투입하고 충분히 혼련한다. 혼련이 완료된 규사로 주형을 만든다. 

 

3. 다이칼(C2S) 주형 : 다이칼 주형 제작법이란 규사와 규산나트륨과 혼련한 주물사로 주형을 제작한 다음 다이칼을 주입시켜 주형을 경화시키는 방법으로 규산나트륨의 몰비와 농도, 첨가량과 다이칼의 첨가량에 따라 주형의 성장이 달라진다.

 

   1) 다이칼 주형 제작법의 장점 : 조형작업이 용이하고, 주형의 건조가 불필요하며, 규사의 붕괴성이 우수하고, 규사의 흡수성이 적고 잔류 수분이 매우 적다.

   2) 다이칼 주형 제작법의 공정 : 규사와 다이칼, 벤토나이트, 카본샌드를 혼련기에 넣고 30초 혼련한다. 그다음 규산나트륨을 넣고 3분간 혼련하고, 주형 제작을 한다. 자연 경화 시간은 30~70분 정도 이다.