철계 금속은 주로 철, 강철, 주철 등을 포함하는 짙은 색상의 금속을 말합니다. 이러한 금속은 대부분 은백색이나 짙은 회색을 띠며, 전기 및 열 전도성과 연성이 뛰어나 제조 및 건설 분야에서 널리 사용됩니다. 비철금속은 철계 금속을 제외한 금속을 말하며, 구리, 알루미늄, 아연, 납, 니켈, 주석 등이 이에 해당합니다. 이러한 금속들은 일반적으로 다양한 색상을 띠며, 내식성과 전기 및 열 전도성이 뛰어나 산업, 전자, 화학 분야에서 널리 사용됩니다.
1. 철은 철계 금속의 핵심 요소입니다
철계 금속에는 철이 포함되어 있는 반면, 비철계 금속에는 철이 포함되어 있지 않습니다. 철이 함유되어 있기 때문에 이 금속은 전기 전도도가 더 높습니다. 또한 이 금속은 인장 강도가 우수하여 높은 응력을 받아도 파손되지 않습니다. 뛰어난 기계적 특성, 강도 및 내구성을 갖춘 철계 금속은 전기 기기 및 고응력 용도의 부품을 제조하는 데 사용될 수 있습니다.
많은 철계 금속은 철 성분이 포함되어 있어 부식에 취약하다는 점을 유의해야 합니다. 물, 수분, 용제, 오일 및 기타 부식성 물질이 다량으로 사용되는 환경에서는 부품이 마모되어 결국 고장이 발생할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 철계 금속의 제련 과정에서 크롬과 같은 첨가제를 첨가하여 내식성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 합금의 특성을 향상시킴으로써 제조업체는 정밀 주조품 이러한 가혹한 환경에 적합합니다.
철계 금속의 종류로는 강철, 주철, 스테인리스강, 탄소강 등이 있습니다. 일반적으로 철계 금속은 항공우주 부품 등 다양한 분야에서 널리 사용되기 때문에 비철금속보다 가격이 저렴합니다.
2. 비철금속의 일반적인 내식성
많은 비철금속은 철 성분이 포함되어 있지 않아 부식되거나 녹슬기 어렵습니다. 이러한 금속은 연성이 뛰어나고 가벼우나 인장 강도는 낮은 편입니다. 또한 자성을 띠거나 자성을 띠지 않을 수 있어, 용도에 따라 더 다양한 선택지를 제공합니다.
비철금속의 주요 장점은 열전도성과 전기전도성에 있습니다. 금속이 이러한 특성을 지니고 있으면, 저항을 최소화하면서 전류와 열이 쉽게 통과할 수 있습니다. 전기 또는 전자 시스템에 사용되는 주조품의 경우, 전도성 금속은 전류를 통과시키는 동시에 전류로 인해 발생하는 열을 흡수하고 발산합니다. 이러한 특성 덕분에 시스템의 과열을 방지하여 성능 저하와 오작동을 막을 수 있습니다.
3. 정밀 주조 공정의 주요 차이점
의 핵심 과정은 투자 캐스팅 “왁스 모형 제작 → 쉘 코팅 → 탈왁스 → 소성 → 주조 → 세정”입니다. 각 단계별 매개변수 선정 및 공정 요건은 철계 금속과 비철 금속 간에 다음과 같이 상당한 차이를 보입니다:
3.1. 왁스 모형 및 모듈 제작: 서로 다른 강도 요구 사항
왁스 모형은 바로 그 “시제품”입니다. 투자 캐스팅, 그리고 그 강도는 이후의 쉘 코팅 및 취급 요건에 부합해야 합니다. 주조 후 주물의 무게와 치수가 서로 다르기 때문에, 두 가지 금속 유형에 따라 왁스 모형에 대한 요구 사항도 다릅니다:
- 철계 금속: 정밀 주조품 일반적으로 두께가 더 두껍고(≥3mm) 무게도 더 무겁습니다(수 킬로그램에서 수십 킬로그램까지). 따라서 왁스 패턴은 더 높은 실온 강도와 고온 안정성(쉘 코팅 중 변형을 방지하기 위해)이 필요합니다. 종종 “파라핀-스테아르산” 복합 왁스(스테아르산 비율이 높아 경도가 더 높은)가 사용되거나, 폴리에틸렌과 같은 보강 성분이 첨가되기도 합니다.
- 비철금속: 인베스트먼트 주조품은 대부분 벽 두께가 얇은 부품(1mm 미만, 항공우주용 알루미늄 합금 부품 등)이며 경량입니다. 왁스 모형은 유동성과 성형 정밀도(정밀 기어나 장식 문양과 같은 복잡한 세부 사항을 재현하는 것)를 우선시합니다. 순수 파라핀 왁스나 스테아르산 함량이 낮은 복합 왁스가 주로 사용됩니다. 일부 정밀 부품의 경우 “저온 왁스”(융점 40~60℃, 탈왁스가 용이하고 표면 마감이 우수함)를 사용하기도 합니다.
3.2. 쉘 제작: 내화 재료 및 코팅층의 차이
껍질은 ~의 “틀”입니다. 투자 캐스팅, 또한 용융 금속의 고온 침식 및 화학적 부식을 견뎌내야 합니다. 따라서 내화 재료의 선정과 코팅 층의 수는 금속의 녹는점과 일치해야 합니다:
| 처리 단계:
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철계 금속 (스테인리스강을 예로 들면):
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비철금속 (알루미늄 합금을 예로 들면):
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| 내화 재료
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내층 (용융 금속과 직접 접촉하는 부분): 커런덤(Al₂O₃) 및 멀라이트(3Al₂O₃・2SiO₂)와 같은 고융점 재료 (1600℃ 이상의 온도와 용융 강철에 의한 부식에 내성을 지님); 외층: 저비용 실리카 모래 + 실리카 졸(구조적 강도 제공).
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내층: 석영 분말 및 지르콘 분말과 같은 저~중간 융점 소재(1000℃ 미만의 온도에 견디며, 비용이 저렴함); 외층: 석영 모래 + 워터글라스(유동성이 우수하고 코팅하기 쉬움). 티타늄 합금의 경우 특수한 점이 있습니다: 티타늄과 실리콘 간의 반응을 방지하기 위해 고순도 커런덤이 필요합니다. |
| 도장 층 수
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6~10층 (고온 및 용융 금속의 충격으로 인해 균열을 방지하기 위해 두꺼운 외피가 필요함)
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3~6층 (용융 금속 온도가 낮고, 벽이 얇은 부품의 경우 열 방출을 보장하고 수축 공극이 생기는 것을 방지하기 위해 얇은 외피가 필요하며, 투자 캐스팅)
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| 곰팡이 건조
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건조 시간이 길며(층당 8~12시간), 엄격한 습도 관리가 필요합니다(실리카 솔 쉘은 강도 저하를 방지하기 위해 습도에 민감하기 때문입니다).
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건조 시간이 짧고(한 층당 4~8시간), 워터글라스 쉘은 자연 건조가 가능하여 작업 효율이 높아집니다.
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3.3. 탈왁스 및 소성: 온도 제어의 차이점
탈왁스 공정은 왁스 모형을 제거하여 주형을 형성하는 반면, 소성 공정은 잔류 왁스를 추가로 제거하고 쉘의 강도를 향상시킵니다. 두 공정의 온도는 왁스 모형의 녹는점과 금속의 특성에 맞춰야 합니다.
탈왁스 방법:
- 철계 금속: 대부분 “증기 탈왁스” 공정을 사용하며(100~120℃의 포화 증기로 왁스 모형을 빠르게 녹여내므로 고강도 왁스 모형에 적합함), 일부 대형 부품의 경우 “온수 탈왁스” 공정을 사용하기도 한다(80~90℃, 비용이 저렴함).
- 비철금속: 저온 왁스는 온수(왁스 모형의 연화 및 변형을 방지하기 위해 60~80℃)를 사용하여 탈왁스하며, 고온 왁스(구리 합금용 왁스 등)는 여전히 증기를 사용하여 탈왁스한다.
소성 온도:
- 철계 금속: 800~1100℃ (잔류 왁스를 완전히 태워 없애고, 치밀한 소결 쉘을 형성하며 용강 침식에 대한 내성을 확보하기 위함), 소성 시간 2~4시간.
- 비철금속: 알루미늄 합금/마그네슘 합금: 400~600℃ (외피의 과소결을 방지하기 위함. 과소결 시 투과성이 저하되고 주물에 기공이 발생할 수 있음); 구리 합금: 600~800℃; 티타늄 합금: 1000~1200℃ (산화를 방지하기 위해 고진공 소성이 필요함).
3.4. 주조 공정: 온도, 분위기 및 유동성 제어
투자 캐스팅 이는 용융 금속을 금형에 주입하는 핵심 단계입니다. 녹는점과 산화 특성의 차이로 인해, 두 종류의 금속에 따라 정밀 주조 매개변수는 크게 다릅니다:
주조 온도:
- 철계 금속: 용융점보다 상당히 높은 온도(예: 탄소강 용융점 1450℃, 주조 온도 1550~1650℃). 두꺼운 벽을 가진 주물을 채우고 콜드 셧 현상을 방지하기 위해서는 유동성이 높아야 한다.
- 비철금속: 융점에 가까운 온도(예: 알루미늄 합금 융점 660℃, 주조 온도 700~750℃). 온도가 지나치게 높으면 주조품에 산화나 수축 공극이 쉽게 발생할 수 있습니다. 티타늄 합금은 특수한 경우로(융점 1668℃), 1800~1900℃의 고온 주조가 필요하며, 진공 또는 불활성 가스 보호가 필수적이다(티타늄은 고온에서 산소(O) 및 질소(N)와 쉽게 반응한다).
캐스팅 분위기:
- 철계 금속: 대기 중에서 주조할 수 있습니다(강철 및 주철의 산화층은 후속 세척 과정을 통해 제거할 수 있으며, 두꺼운 벽 두께를 가진 부품의 경우 산화층이 미치는 영향은 미미합니다).
- 비철금속: 알루미늄 및 마그네슘 합금은 탈가스 처리가 필요합니다(주조 전 용융 금속에서 수소를 제거하여 기공 발생을 방지하기 위해 아르곤이나 헥사클로로에탄을 사용합니다). 구리 합금은 대기 중에서 주조할 수 있지만, 산화를 방지하기 위해 플럭스로 덮어야 합니다. 티타늄 합금은 반드시 진공 주조 (절대 진공 < 10⁻³ Pa).
주조 방법:
- 철계 금속: 대형 부품의 경우 “하부 주조” 방식을 사용하며(용융 금속이 금형을 부드럽게 채워 금형 외피의 침식을 방지함), 소형 부품의 경우 “상부 주조” 방식을 사용합니다(충진 속도를 높이기 위함).
- 비철금속: 얇은 벽을 가진 부품의 경우 “압력 주조”(예: 저압 인베스트먼트 주조. 용융 금속을 금형 캐비티에 강제로 채워 결함을 줄이는 방식)를 사용하며, 정밀 부품의 경우 “진공 주조”(밀도를 높이기 위해)를 사용합니다.
3.5. 후처리: 세척과 열처리의 차이점
후처리는 정밀 주조품의 최종 성능과 외관을 결정합니다. 표면 특성과 성능 요구 사항의 차이로 인해, 두 가지 금속 유형에 대한 공정은 상당히 다릅니다:
표면 세척:
- 철계 금속: 금형 외피의 경도가 높기 때문에, 잔여 외피는 샌드블라스팅(코런덤 모래) 또는 샷 블라스팅(스틸 샷)을 통해 제거해야 하며, 산화 스케일은 산세척(염산 + 질산)을 통해 제거합니다.
- 비철금속: 금형 외피는 쉽게 분리되며, 샌드블라스팅(석영 모래를 사용하여 정밀 주조 표면의 손상을 방지) 또는 화학적 탈산 처리(예: 알루미늄 합금의 경우 NaOH 용액에 석영을 용해)를 통해 제거할 수 있습니다. 구리 합금의 경우 산세 처리(황산 + 과산화수소)를 할 수 있습니다.
열처리:
- 흑색 금속: 노멀라이징 및 템퍼링이 필요합니다(경도를 조절하고 내부 응력을 제거하기 위함). 스테인리스강은 용체 처리가 필요합니다(내식성을 향상시키기 위함).
- 비철금속: 알루미늄 합금은 노화 처리가 필요하며(강도 향상), 마그네슘 합금은 어닐링이 필요하며(내부 응력 제거 및 변형 방지), 구리 합금은 담금질 및 템퍼링이 필요합니다(인성 향상).
4. 발전 동향
철계 금속: 3D 프린팅 왁스 인베스트먼트 주조 기술과 결합된 저수축 합금(예: 고니켈강)의 개발.
비철금속: 마그네슘·티타늄 합금에 대한 진공 용해 공정의 광범위한 도입이 경량 항공우주 산업의 발전을 주도하고 있다.
적절한 소재 선정과 공정 최적화를 통해 정밀 주조는 초소형 보석류부터 대형 터빈 블레이드에 이르기까지 다양한 분야의 요구를 충족시킬 수 있습니다.
