인베스트먼트 주조의 치수 안정성 및 정확도

주조 작업자의 주요 목표 중 하나는 주조물의 치수 정확도를 지속적으로 개선하고 치수 오차로 인한 낭비를 줄이는 것입니다.

1. 왁스몰드의 치수안정성 및 영향인자

그림 1은 펜실베이니아 대학교 로버트 C. 보이트 교수가 29가지 종류의 인베스트먼트 주조물을 추적 및 측정한 결과를 보여줍니다. 대부분의 경우 왁스 몰드의 크기 변동이 클 때 주조물 크기 변동의 크기도 크며, 예외는 거의 없음을 알 수 있습니다. 전반적으로 왁스 몰드의 크기 변동은 주조물 크기 변동의 10%에서 70%를 차지합니다.

그림 1 정밀주조와 왁스몰드의 크기변동 비교

참고: σ-표준편차

공정 변수는 왁스 몰드의 치수 안정성에 결정적인 영향을 미칩니다. 주요 요인은 다음과 같습니다.

1) 왁스 프레싱 온도

왁스 압착 온도의 영향은 금형마다 다릅니다(그림 2 참조). 그림 2에서 볼 수 있듯이, 왁스 기반 금형을 사용하는 경우, 왁스 압착 온도가 왁스 금형의 치수 안정성에 미치는 영향은 매우 민감하지만, 수지 기반 금형의 영향은 미미합니다.

2) 사출압력

그림 3에서 볼 수 있듯이, 압력이 낮을 때와 압력이 증가할 때 왁스 몰드의 수축률은 현저히 감소합니다. 그러나 압력이 일정 수준(>1.6MPa)으로 증가하면 압력은 왁스 몰드의 크기에 거의 영향을 미치지 않습니다.

왁스 압착 온도 /℃

그림 2 왁스 프레싱 온도와 왁스 몰드 수축률의 관계

사출 압력 /MPa

그림 3 사출압력과 왁스몰드 수축률의 관계

3)유속

금형의 유동 속도는 다음 두 가지 방법으로 변경할 수 있지만 왁스 금형 크기에 미치는 영향은 동일하지 않습니다. 왁스 프레스 설정의 유동 속도를 변경하면 이 방법은 왁스 금형의 수축률에 미치는 영향이 적습니다. 그러나 복잡하고 얇은 벽 부품이나 코어가 있는 왁스 금형의 충전 및 표면 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 왁스 주입구의 단면적을 변경하면 이 방법이 더 큰 영향을 미칩니다. 왁스 주입구의 단면적을 증가시키면 왁스 압착 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 왁스 주입구에서 금형 재료의 응고 시간을 연장하여 왁스 금형의 압축도를 높이고 수축률과 표면 수축을 줄일 수 있기 때문입니다.

4) 주입 시간

여기서 압력 주입 시간은 충전, 다짐, 유지의 세 단계로 구성됩니다. 충전 시간은 금형이 압축으로 채워지는 시간을 의미합니다.

압축은 최대 압력에서 왁스 노즐이 닫힐 때까지의 시간을 의미하고, 유지는 노즐이 닫힐 때부터 금형을 뽑을 때까지의 시간을 의미합니다.

사출 시간은 왁스 몰드의 수축률에 상당한 영향을 미칩니다(그림 4). 사출 시간을 늘리면 더 많은 몰드 재료가 캐비티에 압착되어 왁스 몰드가 더 많이 압축되어 수축률이 감소하기 때문입니다. 이는 압축 시간이 길어질수록 왁스 몰드의 무게가 증가하는 것으로 입증할 수 있습니다(그림 5 참조). 압축 시간은 적절해야 합니다. 압축 시간이 너무 길면 왁스 주입구의 몰드 재료가 완전히 고화되어 압축이 작동하지 않습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 사출 시간이 비교적 짧으면(15~25초) 왁스 프레싱 온도가 상승하고 수축률이 증가하지만 사출 시간을 25~35초로 늘리면(실제로는 충전 시간이 일정하다는 전제 하에 압축 시간을 늘림) 왁스 프레싱 온도의 영향이 작아집니다. 사출 시간을 35초 이상으로 늘리면 반대 상황이 발생합니다. 즉, 왁스 프레싱 온도가 상승함에 따라 왁스 몰드의 수축률은 감소합니다(그림 5 참조). 이러한 현상은 몰드 온도를 높이고 압축 시간을 늘리는 것이 왁스 몰드의 압축도를 높이는 것과 동일한 효과를 내기 때문에 설명할 수 있습니다.

5) 성형 온도 및 왁스 프레싱 장비

왁스 몰드는 천천히 냉각되고 수축률은 성형 온도가 높을수록 증가합니다. 이는 왁스 몰드가 금형을 인발하기 전에 프레스에 남아 수축이 제한되고, 금형이 자유 수축 상태로 전환된 후에 수축이 발생하기 때문입니다. 따라서 금형 온도가 높으면 최종 수축률이 크고, 반대로 온도가 낮으면 최종 수축률이 작습니다.

마찬가지로 왁스 프레스의 냉각 시스템은 왁스 몰드의 크기에 약 0.3%의 영향을 미칠 수 있습니다.

마지막으로, 왁스 베이스 성형 재료를 사용할 때 왁스 페이스트는 고체, 액체, 기체의 3상 공존 시스템이라는 점을 강조할 필요가 있습니다. 이 세 상 간의 부피비는 왁스 몰드의 크기에 큰 영향을 미칩니다. 실제 생산에서는 세 상 간의 비례 관계를 제어할 수 없으며, 이는 왁스 베이스 몰드로 프레스된 왁스 몰드의 치수 안정성이 저하되는 중요한 원인입니다.

그림 4 왁스몰드 수축에 대한 사출시간과 왁스온도의 종합적 효과

주입 시간 /초

그림 5 왁스 몰드의 압축도에 대한 압착 시간의 영향

2. 쉘 재질 및 쉘 제조 공정이 주조물의 치수 안정성에 미치는 영향

쉘이 주조물의 크기에 미치는 영향은 주로 열팽창, 열변형(고온에서의 크리프) 및 주조물의 냉각수축에 대한 쉘의 제약(방해)에 의해 발생합니다.

1) 쉘 열팽창

주로 쉘 재질에 따라 달라집니다. 내화재마다 팽창률이 다릅니다. 일반적으로 사용되는 내화재 중 용융 석영의 팽창률이 가장 작고, 그 다음으로 알루미늄 실리케이트이며, 실리카가 가장 크고 불균일합니다. 알루미늄 실리케이트 쉘을 실온에서 1000℃까지 가열하여 시험한 결과, 쉘은 약 0.25%의 팽창률을 보였으며, 주물 전체의 수축률에서 차지하는 비중은 크지 않았습니다. 따라서 이러한 내화재를 사용하면 쉘의 치수 안정성이 우수하며, 용융 석영을 사용하면 더욱 효과적일 것입니다. 그러나 실리카를 사용하면 쉘의 크기 변동이 큽니다.

2) 열 변형

예를 들어, 물유리를 결합제로 사용한 쉘의 크립 정도는 1000℃ 이상의 고온에서 실리카졸과 에틸실리케이트 쉘의 크립 정도보다 상당히 높습니다.

용융 코런덤 자체는 내화성이 높지만, 산화나트륨과 같은 불순물이 존재하기 때문에 껍질 로스팅 온도가 1000℃를 넘으면 크리프가 발생하여 치수 안정성이 떨어질 수 있습니다.

3) 쉘의 구속조건은 주조물의 수축에 영향을 미칩니다. 쉘의 화해와 붕괴성은 주로 쉘의 재료에 따라 달라집니다.
요약하자면, 쉘은 주물 치수 변동에 큰 영향을 미치는데, 내화재가 주요 역할을 하지만, 바인더의 역할도 무시할 수 없습니다. 반면, 쉘 제작 공정의 영향은 상대적으로 적습니다.

3.주물의 불균일한 냉각으로 인한 응력이 치수 안정성에 미치는 영향
주조품 각 부분(주조 시스템 포함)의 냉각 속도가 다르고, 열응력으로 인해 주조품의 변형이 발생하여 치수 안정성에 영향을 미칩니다. 이는 실제 생산 과정에서 자주 발생합니다. 주조품의 냉각 속도를 낮추고 스프루 조합을 개선하는 것이 효과적인 예방책입니다.