주조(鑄造), 오랜 역사를 지닌 제조의 ‘원조’
주조(casting, 鑄造)란 고온(高溫)으로 녹여 액체로 만든 철이나 알루미늄 같은 금속 재료(쇳물)를 형틀(주형)에 부어 모양을 만들어내는 방식의 제조 기법입니다. 인류가 문자를 발명하기 이전부터 주조 방식의 제조가 이뤄졌기 때문에 정확한 기원은 알 수 없지만, 대략 지금으로부터 5000~7000년 전부터 이와 같은 방식이 사용된 것으로 알려졌습니다. 기원전 약 3200년에 메소포타미아 지역에서 만들어진 것으로 보이는 ‘구리 개구리(copper frog)’가 현존하는 주조 방식으로 제작된 가장 오래된 유물로 추정되고 있습니다.
주조가 이루어지는 공정
주조의 기본적인 공정은 ①주형(형틀)을 만들고 ②액체 상태의 재료(쇳물)를 주형에 주입한 뒤 ③응고된 완성품(주물)을 꺼내는 방식으로 이뤄집니다. 쇳물을 주형에 주입해야 하기 때문에 주형을 만들 때는 쇳물이 흘러 들어가는 통로(gating system)를 확보해야 하는 것이 특징입니다.
주조를 통해 만들어지는 제품의 형태는 결국 쇳물이 굳어진 모양으로 나타나게 됩니다. 쇳물이 채우게 될 빈 공간의 모습은 보통 플라스틱이나 나무, 금속 등을 이용해 별도로 제작하는 ‘모형(패턴)’이 결정합니다.
주물에 빈 공간을 확보하기 위해 모래 등으로 만든 별도의 구조물을 만들어 주형 안에 배치시키기도 하는데, 이를 ‘코어’라고 합니다. 코어는 내화성(耐火性)이 좋기 때문에 쇳물을 붓더라도 그대로 형태가 남아있게 되고, 따라서 코어를 제외한 공간을 따라 주물의 모양이 생성됩니다.
주조 세부 가공방식 10가지
사형 주조
모래와 점결제를 이용하여 만든 주형에 용융 금속을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법입니다. 금속이나 합금 사용에 대한 제한이 적고 비용이 저렴해 가장 많이 사용하는 주조 공법입니다. 주물을 꺼내기 위해서는 응고된 주형을 반드시 부수어야 하기 때문에 제품을 만들 때마다 새로운 모래 주형이 필요한 것이 특징입니다. 주형용 모래로 주로 규사(실리카)를 쓰며, 지르콘사・올리빈사・알루미나사 등도 사용합니다.
쉘 주조
쉘 주조는 건조 규사와 100~200 mesh 크기의 수지 점결제를 배합한 합성사를 200~300℃로 가열 및 경화시켜 얇은 조개 껍질 형태의 주형을 제조해 제품을 만드는 기술입니다. 치수 정밀도가 높고 제품 표면 조도가 우수하며 통기성 또한 우수해 가스 기공에 따른 주조 결함이 적습니다. 다만, 최종 주물에서 수축・가공 여유를 감안하여 크게 만든 제품 모형보다 비싼 금속 모형을 사용하고, 소량의 제품 생산에 불리하다는 단점이 있습니다.
인베스트먼트 주조
주조하려는 제품과 같은 형상의 왁스로 만들어진 모형 둘레에 내화물을 코팅시킨 후 왁스 모형을 용출시키고 그 공간에 용탕(용융 상태의 금속 및 합금)을 주입하여 원하는 제품을 만드는 기술입니다. 주조 전에 왁스 모형이 없어지기에 로스트 왁스 공정(lost-wax process)라고 부르기도 합니다. 형상에 제한이 없으며 복잡하거나 중공을 지닌 제품을 정밀도 높은 치수로 주조할 수 있습니다.
다이캐스팅
정밀한 금형에 용탕을 고속으로 압력을 가해 주입한 후 급속히 냉각시켜 제품을 응고시키는 공법입니다. 치수 정밀도와 표면 정도가 양호하며 생산 속도가 높습니다. 다이캐스팅 공정에 사용되는 금형은 일반적으로 공구강, 금형강입니다. 대량 생산일수록 경제적이고 정밀한 공차가 가능합니다.
원심 주조
임의의 한 축을 중심으로 주형을 빠르게 회전시키면서 용융 금속을 주입하고, 이에 작용하는 원심력을 이용하는 주조법입니다. 용탕이 주형 내에 고속으로 유입돼 주형 외벽에 밀착하는 과정에서 주물 표면의 조도가 향상되는 원리입니다. 이러한 방식으로 파이프, 관, 링 등 관형 부품을 생산할 수 있습니다.
소실모형 주조
플라스틱, 왁스와 같은 소실 가능한 재료를 사용해 모형을 만들고 모형의 표면에 도형제를 도포해 주형을 만든 다음, 주형 내부에 금속 용탕을 쏟아부어 모형을 소실시켜 용탕과 치환하는 방식입니다. 주조할 때마다 모형이 소실되기 때문에 주형 생산을 위해 새로운 모형이 필요합니다.
세라믹주형 주조
세라믹주형 주조는 세라믹 소재로 만든 주형을 사용하여 금속을 주조하는 방식으로 주형 재료만 다를 뿐 사형 주조와 유사합니다. 세라믹은 고온에서 안정성이 높아 주철, 주강, 고온합금 등 다양한 금속의 주조에 사용됩니다. 다소 비싸나 양호한 치수 정확도 및 표면 정도를 얻을 수 있어 다양한 크기 및 복잡한 형상을 갖는 주조품에 적합합니다.
석고주형 주조
세라믹주형 주조와 마찬가지로 사형 주조와 유사한 방식의 석고주형 주조는 석고를 사용하여 주형을 만들고, 이를 가열하여 석고 주형 내의 금속을 녹여내어 주조하는 방식입니다. 단, 석고 주형은 모래나 세라믹 주형과 달리 고온에 취약하므로 알루미늄, 마그네슘 같은 저용융점 합금에 국한해 적용할 수 있습니다. 비교적 간단한 형태의 부품 생산에 주로 사용되며, 낮은 비용으로 생산이 가능합니다.
가압 주조
용융 금속이 기체 압력에 의해 위로 밀어올려져 주형 내로 주입되는 방식입니다. 이때 압력은 금속이 주형 내에서 완전히 응고될 때까지 가해집니다. 용융 금속은 진공에 의해 주입될 수 있는데 이를 통해 금속에 용해된 기체를 제거할 수 있고 낮은 투과성을 갖는 주조품을 생산할 수 있습니다.
진공 주조
진공 주조는 주형 내에 공기를 배출해 진공을 형성하고, 이후 용탕을 주입하여 주조하는 방식입니다. 진공 상태이기 때문에 기공과 관련된 결함이 적다는 장점이 있습니다. 균일한 성질을 갖는 얇은 벽 구조의 복잡한 형상 주조에 적절합니다.