정밀 주조 공정
정밀 주조 개요
정밀 주조(로스트 왁스 주조)는 금속 성형 공정의 일종입니다. 왁스 모형에 내열성 세라믹 재료를 코팅하여 세라믹 주형을 만듭니다. 그런 다음 이 세라믹 주형을 건조하고 가열하여 녹인 뒤, 왁스 모형을 제거해 껍질을 형성합니다. 그 후 용융 금속을 세라믹 쉘에 주입하고, 금속이 성형된 후 쉘을 제거하여 주물을 얻습니다. 일부 정밀 주조품은 주조 후 추가적인 기계 가공이 필요합니다. 정밀 주조는 일반적으로 복잡한 형상을 가지며 치수 정밀도와 표면 품질에 대한 요구 사항이 높은 부품을 생산하는 데 사용됩니다.
정밀 주조 공정
정밀 주조의 핵심 원리는 “왁스를 주형으로, 쉘을 모형으로 사용하여 로스트 왁스 주조법으로 금을 주조하는 것”입니다. 이 공정은 정밀성과 체계적인 접근 방식을 모두 요구하며, 주조 품질을 보장하기 위해 각 단계에서 공정 매개변수(온도, 습도, 코팅 두께 등)를 엄격하게 제어해야 합니다.
수이진 머시너리는 대규모 산업 생산을 위한 표준 공정 흐름을 제공하는 한편, 소량 주문 제작을 위한 최적화된 솔루션도 제시합니다.
1단계: 준비 단계: 도면 및 공정 설계
1. 부품 도면 분석 및 최적화
고객이 제공한 3D 모델(STEP/IGES 형식) 또는 2D 도면을 바탕으로, 부품 구조(벽 두께, 내부 캐비티, 필렛), 치수 공차(예: CT4-CT7 등급 요구 사항), 표면 품질 기준(Ra 1.6~6.3μm), 재료 요구 사항(예: 316L 스테인리스강, TC4 티타늄 합금)을 분석하고;
공정 최적화:
- 주입 불량을 방지하기 위해 얇은 벽면 부품(≤1mm)에 대한 공정 두께 보강을 추가하고;
- 복잡한 내부 공동에 “배기 통로”를 설계하여, 기포 결함을 유발할 수 있는 금형 외피 내의 가스 정체를 방지하고;
- 후속 검사 시 중점적으로 점검할 수 있도록 주요 부분(결합면, 밀봉면)을 표시하십시오.
2. 게이트 시스템 및 쉘 설계
- 주입 시스템: 용융 금속이 가스와 불순물을 배출하면서 금형 캐비티를 원활하게 채울 수 있도록 주입구, 라이저 및 러너를 설계한다(라이저는 주입을 원활히 하기 위해 주물의 가장 높은 지점이나 핫 스팟에 배치해야 한다);
- 주형 매개변수: 주조 중량(표준 부품의 경우 ≤50kg)과 재료의 녹는점(고온 합금의 경우 더 두꺼운 주형이 필요함)을 바탕으로 주형 층 수(3~7층), 각 코팅층의 두께(0.5~1.5mm), 및 내화 재료의 종류(예: 고정밀 표면에는 지르콘 모래, 고강도 요구 사항에는 커런덤 모래)를 결정합니다.
2단계: 왁스 모형 제작 및 조립
1. 왁스 준비
- 일반적인 왁스: 파라핀-스테아르산 합금(비율 7:3), 중온 왁스(융점 60~80℃), 고온 왁스(융점 100~130℃, 고온 합금 주조용);
- 공정 요건: 왁스를 용융 상태(융점보다 10~20℃ 높은 온도)로 가열한 후, 골고루 저어주고 기포를 제거해야 합니다(진공 탈기 방식을 사용할 수 있음).
2. 왁스 모형 주입
- 용융된 왁스를 주입 압력 0.3~0.8 MPa, 유지 시간 10~30초(왁스 모형의 크기에 따라 조정)로 금속 주형에 주입합니다.;
- 냉각 방법: 자연 냉각 또는 수냉식. 금형을 열기 전에 왁스 모형이 완전히 굳었는지 확인하십시오(변형을 방지하기 위해).
3. 왁스 모형 마무리 및 검사:
- 왁스 모형 표면의 거친 부분과 여분을 수작업으로 제거하고, 미세한 결함(핀홀이나 재료 결손 등)을 보수합니다.;
- 치수 검사: 좌표 측정기를 사용하여 주요 치수를 검사함으로써 왁스 모형의 공차가 요구 사항을 충족하는지 확인합니다(일반적으로 주조 공차에 비해 0.5~1.0mm의 수축 여유를 허용함);
- 표면 상태: 육안으로 확인하거나 확대경을 사용하여 흠집, 균열, 기포(표면 거칠기)가 없는지 확인하십시오.
4. 왁스 모형 조립:
- 개별 왁스 모형을 용입구 및 라이저에 용접(왁스 용접)하여 “왁스 모형 조립체”를 형성합니다(예: 부품 크기에 따라 조정하여, 하나의 용입구에 5~20개의 왁스 모형을 연결할 수 있음);
- 목적: 생산 효율을 높이고, 주조 과정에서 발생하는 금속 폐기물을 줄이며, 여러 주조품 전반에 걸쳐 온도 균일성을 확보하기 위함이다.
3단계: 껍질 준비 (핵심 단계)
쉘은 주조를 위한 “주형”으로, 높은 정밀도와 강도, 그리고 통기성이 요구됩니다. 이는 5단계의 하위 공정으로 구성됩니다:
1. 사전 도장 (첫 번째 도장층)
- 도장 조성물: 미세 입자 내화 재료(지르콘 분말, 입자 크기 10~20μm) + 결합제(실리카 졸, SiO₂ 함량 30%-35%) + 습윤제(도장 박리 방지용);
- 작업 방법: 왁스 몰드를 코팅액에 담근 후, 표면이 고르게 코팅되도록 천천히 회전시킨 다음, 몰드를 꺼내어 여분의 코팅액을 털어냅니다.;
- 주요 기능: 주물의 최종 표면을 형성하며, 주물의 표면 정밀도와 거칠기를 직접적으로 결정합니다. 코팅 두께(0.1~0.2mm)는 엄격하게 관리되어야 합니다.
2. 모래 도포 (첫 번째 층)
- 모래 재질: 미세 입자의 지르콘 모래(40-70 메쉬)로, 사전 도장된 내화 재료와 일치하는 것;
- 작업 방법: 코팅된 왁스 템플릿을 모래 도포 장비(레인식 또는 유동층식 모래 도포 방식)에 넣어 모래 입자가 도장 표면에 고르게 부착되도록 합니다.;
- 목적: 첫 번째 도장층의 강도를 높이고, 이후 도장 과정에서 균열이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
3. 건조 (첫 번째 층)
- 건조 조건: 온도 20~25℃, 습도 40%~60%, 건조 시간 4~8시간(자연 건조) 또는 1~2시간(강제 환기 건조);
- 품질 요건: 도막은 완전히 건조되어야 하며, 흘러내림이나 기포가 없어야 하고, 모래 입자가 도료에 단단히 접착되어 있어야 합니다.
4. 반복적인 도장 및 샌딩 (후속 도장층)
- 두 번째에서 마지막에서 두 번째 층: 입자가 굵은 내화 재료(커런덤 모래, 20-40 메쉬)와 실리카 졸을 사용합니다. 코팅 후, 해당 입자 크기의 커런덤 모래를 뿌립니다. 각 층은 6~12시간 동안 건조시켜야 합니다.
- 최종 층(커버 층): 모래를 뿌리지 말고 코팅재만 도포합니다. 이렇게 하면 금형의 밀봉성이 향상되어 주조 시 용융 금속이 스며드는 것을 방지할 수 있습니다.
- 총 레이어 수: 3~7층 (소형 부품의 경우 3~4층, 대형 부품의 경우 5~7층). 금형 총 두께: 3~10mm (주조 중량 및 재질에 따라 조정됨).
5. 금형 외피의 최종 건조 및 소성 전 검사
- 최종 건조: 온도 25~30℃, 습도 30%~50%, 건조 시간 12~24시간, 금형 외피의 수분 함량이 0.5% 이하가 되도록 해야 함(수분이 과다하면 주조 과정에서 금형 외피에 균열이 발생할 수 있음);
- 검사: 금형 외피 표면을 육안으로 점검하여 균열, 모래 결손 및 박리 현상이 있는지 확인합니다. 필요한 경우 비파괴 검사(침투 검사 등)를 실시합니다.
4단계: 탈왁스 (로스-왁스 공정)
1. 탈왁스 공정 선정
- 증기 탈왁스 공정 (일반): 금형 쉘을 고압 증기 오토클레이브에 넣고, 0.6~1.0 MPa의 포화 증기를 주입한 뒤, 온도를 160~180℃로 유지하며 10~30분간 기다립니다. 왁스 모형이 녹아 게이트를 통해 흘러나오며, 이를 회수하여 재사용할 수 있습니다(회수율 ≥80%).
- 고온 탈왁스 공정 (고온 왁스 또는 복잡한 금형 외피에 적합): 금형 외피를 소성로에 넣고, 온도를 400~600℃까지 서서히 올린 다음 2~4시간 동안 유지합니다. 왁스 모형이 완전히 연소 및 분해되어 잔류 왁스가 주조 품질에 영향을 미치는 것을 방지합니다.
2. 탈왁스 후 검사
- 금형 외피의 캐비티 내부에 왁스 잔여물이 없어야 하며(내시경을 통해 확인할 수 있음), 금형 외피에 균열이나 변형이 없어야 합니다.
- 왁스 잔여물이 발견될 경우, 탈왁스 시간을 연장하거나 온도를 높여야 합니다. 그렇지 않으면 주입 과정에서 왁스가 탄화되어 주물에 기공 및 내포물 결함이 발생하게 됩니다.
5단계: 포탄 발사
1. 소성 온도:
- 900~1100℃ (주조 재료에 따라 조정: 스테인리스강, 탄소강 900~950℃, 고온 합금, 티타늄 합금 1000~1100℃);
- 소성 시간: 2~4시간, 가열 속도 5~10℃/분 (열충격으로 인한 껍질 균열을 방지하기 위해);
2. 핵심 기능:
- 껍질에 남아 있는 왁스, 수분 및 유기물을 제거하고;
- 껍질의 강도(소성 후 실온에서 껍질 강도 ≥20MPa) 및 투과성을 향상시키고;
- 쉘 표면에 치밀한 구조를 형성하여 용융 금속과 쉘 간의 화학 반응을 줄입니다.
6단계: 금속 용해 및 주조
1. 금속 재료 준비
- 주조 요구 사항에 따라 순금속 또는 합금(예: 304 스테인리스강, 인코넬 718 고온 합금)을 선정하고, 재료 성분이 관련 표준(예: ASTM, EN 표준)을 충족하도록 해야 합니다.;
- 재료 전처리: 용융 금속에 불순물이 유입되는 것을 방지하기 위해 표면의 기름과 산화 피막을 제거합니다.
2. 용해
- 용해 설비: 중주파 유도 용해로(일반적으로 사용되며, 탄소강, 스테인리스강, 알루미늄 합금에 적합), 진공 유도 용해로(티타늄 합금 및 고온 합금과 같이 산화되기 쉬운 재료에 사용됨);
- 용융 온도: 금속의 융점보다 50~150℃ 높은 온도 (예: 304 스테인리스강의 융점은 1450℃이며, 용융 온도는 1500~1550℃임);
- 정제 공정: 탈산제(예: 실리콘-칼슘 합금, 알루미늄 와이어)를 첨가하여 용융 금속 내의 가스와 불순물을 제거함으로써 용융 금속의 순도를 확보한다.
8단계: 후처리 및 품질 검사
1. 게이트 시스템 제거
- 연마 휠 커터, 플라즈마 커터 또는 와이어 EDM(고정밀도가 요구되는 경우)을 사용하여 게이트와 라이저를 제거합니다.;
- 절단면을 매끄럽게 연마하여 주조 표면과 자연스럽게 이어지도록 하십시오.
2. 표면 세척
- 거친 부분과 여분을 제거하고, 주조 표면의 잔류 모래와 산화 피막을 연마하여 제거한다;
- 필요한 경우 표면 마감 품질을 향상시키기 위해 (강철 쇼트 또는 유리 쇼트를 사용한) 쇼트 블라스팅 처리를 실시한다(Ra를 1.6μm 미만으로 낮출 수 있음).
3. 열처리 (필요한 경우)
- 주조 성능 요건에 따라 어닐링, 정규화, 담금질 + 템퍼링, 용체 처리 등을 실시한다;
- 예: 내식성 향상을 위한 304 스테인리스강 주물의 용액 열처리(1050~1100℃에서 1~2시간 유지, 물냉각); 공구강 주물의 경도 및 내마모성 향상을 위한 담금질(850~900℃) + 템퍼링(200~300℃).
4. 품질 검사 및 포장 및 배송
수진 주조 원리
정밀 주조 공정 흐름 요약:
정밀 주조의 핵심 원칙은 “정밀 성형, 품질 관리, 효율과 비용의 균형”을 중심으로 합니다. 이러한 원칙들은 공정 설계, 파라미터 설정 및 품질 관리를 이끄는 근본적인 논리를 형성하며, 주조품의 정밀도, 성능, 수율 및 경제성을 직접적으로 결정합니다.