주형의 역할 및 분류

1. 주형의 역할과 조건

가. 주형의 역할

주형속에 용탕을 주입하여 그 응고 금속에 소정의 형상을 부여하는 역할을 하는 것으로 그 역할을 보다 구체적으로 구분하면 다음과 같다.

(1) 용탕을 받아 들인다.

(2) 용탕이 공간부 안까지 흘러 들어가는 통로의 역할을 한다.

(3) 용탕에 소정의 형상을 부여하여, 그 모양을 유지하면서 응고하도록 한다.

(4) 응고된 주물의 표면상태를 결정한다.

(5) 주물에 해가 되는 가스를 쉽게 외부로 배출할 수 있어야 한다.

(6) 주물을 바람직한 분위기에 있도록 한다.

(7) 주물로 부터 적당한 속도로 열을 제거한다.

나. 주형(사형)의 필요조건

주형은 주물사를 재료로 하여 조형한 후 용탕이 주입되는 것으로 여러 가지의 기능을 완만히 수행하기 위해서는 다음과 같은 성질을 만족해야 한다. 

(1) 주형은 조형 후의 운반이나 용탕 주입시 파손되지 않도록 충분한 강도를 갖추어야 한다.

(2) 주형에는 고온의 용탕이 주입되므로 점결제, 첨가제, 수분 등의 열분해에 의해 상당량의 가스가 발생하고 용탕도 온도저하 및 응고시에 가스를 방출하는데 이러한 가스를 배출하기에 필요한 통기도를 유지하도록 한다.

(3) 주형에 용탕이 주입되는 동안 주형의 열간온도가 약한 경우에는 주형벽이 파손되어 여러 가지 결함을 유발한다. 또한 열간강도, 열간팽창, 열간변형량 등의 열간 성질이 부적당하거나 내열성이 부족하면 소착 등의 표면결함을 발생하게 된다.

(4) 주형은 용탕에 의해 가열되어 점결제 등이 소실되어 잔류강도가 증가되는 경우가 많다. 그러나 잔류강도가 지나치게 높으면 주물이 응고 후 주형 해체 작업이 어려워지므로 주형의 제작 즉 주물사의 배합, 주형의 설계, 조형시에는 이러한 점들을 고루 만족시킬 수 있도록 해야 한다. 

2. 주형의 분류

주형은 1회용 주형과 영구 및 반영구 주형으로 구분된다. 영구 및 반영구 주형은 금속이나 세라믹 또는 흑연 등을 사용한 것이며 1회용 주형은 모래를 주원료로 하여 여기에 점결제나 기타의 첨가제를 배합하여 만든 것을 말한다. 

가. 주형재료에 의한 분류

(1) 모래주형 : 주물사로 만들어진 가장 일반적인 주형이며 용탕 주입시 주형의 상태에 따라 분류한다.

 

①생형

수분을 5~10 % 함유하고 있는 주물사로 만든 주형으로 바로 용탕을 주입하게 된다. 값이 싸고 주물제작 시간이 단축되며 조형과 형 해체가 신속한 장점이 있으나, 수분이 많으면 가스 발생이 심하고 강도가 낮은 결점도 있어 비교적 간단한 주물제작에 이용되고 고급주물사로 만들어지며 제작에는 숙련된 기술이 필요하다.

②건조형

건조형은 생형을 건조해서 수분을 제거한 상태로 만들어 용탕을 주입하는 주형으로서 중량이 큰 코어와 많은 기계가공이 필요하고, 압력을 받는 중형 및 대형주물에 이용된다.

③표면건조형

표면사에 속경성 점결제를 배합하여 조형한 후 표면만을 버너, 토치램프 등으로 건조시킨 주형으로 중량 5톤 또는 그 이상의 주물제작에 이용된다. 수축공이 적으며 표면이 비교적 고운 주물을 얻을 수 있다. 건조형에 비하여 건조시간을 1/10 이상 단축시킬 수 있다.

④탄산가스형

규산나트륨을 점결제로 배합한 주물사로 만든 주형에 탄산가스를 취입 또는 투과시켜 화학적 반응을 일으키게 하여 신속히 경화시킨 주형이다.

 

(2) 금속주형 : 특수강 기타 합금으로 만든 주형이며 주물의 대량생산에 적합한 영구주형이기도 하다.

(3) 특수주형 : 조형방법 또는 주형재료의 배합 등 특수한 주형들을 말한다.

나. 조형법에 의한 분류

(1) 개방주형법

바닥에 주물사를 깔고 수평으로 만든 다음 다짐봉으로 적당히 다져서 여기에 원형을 수직으로 눌러서 만든 주형이다. 주형의 상부가 개방되어 있어 주입한 용탕의 표면이 직접 대기에 노출되므로 주물이 조잡해진다. 주형틀, 코어메탈 등 주물표면이 미려하지 않아도 되는 경우에 사용된다.

(2) 주형틀 주형법

보통 많이 사용되는 방법이며 소형, 중형주물을 제작하는데 적당하다. 주형틀 속에 원형을 넣고 주물사를 다져서 주형을 만든다. 상, 하형을 맞추어서 한개의 주형을 만들며 때에 따라서는 2개 이상의 주형틀을 쪼개서 만들 때도 있다.

(3) 토간 주형법

대형주물에 사용되며 하형 제작시 주형틀은 쓰지 않는 방법이다. 주형의 대부분은 바닥의 주물사 속에 만들고 상형틀을 그 위에 포개어 탕도계를 만든다. 대형주물은 거의 이 방법으로 만드는데 주입할 때 다량의 가스발생이 있으므로 가스빼기에 주의를 요한다.

3. 손 조형법

손 조형법은 장비 및 설비가 필요없으며, 수공구를 이용하여 간단히 조형할 수 있는 장점이 있으나 생산속도가 느리고, 다짐작업의 불균일에 의해 주형강도가 불균일하고 작업자에 따라 제품에 차이가 난다는 단점이 있다.

손 조형의 주요작업내용은 다음과 같다.

① 원형정반 위에 원형과 탕도계 요소를 배치한다.

② 표면사로 원형면을 균일하게 덮는다.

다음 표는 표면사층의 최소한의 두께이다

주 형 틀 조 형			모형을 사용한 벽돌 쌓기 조형	진흙형 조형
소형 주물용	중형 주물용	대형 주물용
10 ~ 15	20 ~ 25	40 ~ 60	15 ~ 20	20 ~ 25

③ 램머 또는 기계 다짐대를 이용하여 필요한 경도가 될 때까지 균일하게 다진다. 주형의 다짐정도는 주물사 경도계로 측정하고 주물의 치수 특히 그높이 등에 따라 다르다.

④ 통기도를 높이기 위해 주형의 배기는 기받침을 사용해서 주형내에 배기공을 뚫는다. 배기공의 깊이는 용탕의 침입, 원형의 손상등의 방지를 위해서 원형면으로부터 10 ~ 25 mm정도 떨어지도록 하며 구멍의 수는 1 dm2 당 7~10개면 통기가 잘된다.

⑤ 주형의 분할, 원형 빼내기, 주형의 다듬질은 기발침을 찌른 후에 하고 상형에 원형을 배치할 경우에는 주형틀에 원형을 고정시켜야 한다. 원형을 빼낼 때에는 먼저 원형 주위의 주물사를 물에 적시고 원형에 붙은 금속판을 해머로 두들기면 원형이 흔들리면서 빠져 나온다.

⑥ 모래 소착을 방지하기 위하여 도형제를 살포 또는 도포한다.

⑦ 상하형을 맞추고 주입컵, 배기공, 압탕을 붙이며 필요하면 클램프로 주형을 고정시키던가 또는 주형에 중추를 올려 놓는다. 주형틀에 의한 손주형법의 조형작업 종류는 단체형, 분할형, 부분형, 회전형, 긁기형 등이 있다.

4. 주형의 마무리 작업

가. 주형의 건조

주형의 건조는 주형의 강도와 통기도 및 습기에 의한 결함 방지를 목적으로 한다. 즉 조형시에 주형의 강도와 통기도를 높이기 위해 주물사에 목분과 같은 유기물질을 첨가한다. 이러한 물질은 건조시 수분의 증발과 함께 휘발성 물질이 제거되면서 주형내에 기공이 생겨 통기도가 높아진다.

나. 주형의 보수와 관리

주형의 건조작업이 끝나면 이것을 점검한다. 주형의 강도에 크게 영향을 미치지 않는 작은 균열은 도형제나 점토수를 도포하여 보수하거나, 주물사로 땜질을 한 후 손톱으로 긁어 보거나 가느다란 철사 바늘로 찔러 보아 건조도를 조사한다. 잘 건조된 주형은 맑은 음을 내며, 바늘이 주형에 들어가지 않고 바늘을 뺀 뒤 바늘표면에 모래입자가 붙어 있지 않다. 또 각 부위의 치수를 계측공구로 세밀하게 점검하고 복잡한 것은 나무로 만든 전용 케이지를 사용하면 편리하다.

코어 프린트에 번호를 붙여 주형내의 배치 순서를 표시하여 조립작업순서에 혼동이 없도록 하고, 코어 설치시에는 코어의 위치를 안정시키고 치수상의 변동이 없도록 주의해야 하며 코어 프린트에 바늘로 가스 구멍을 만들어 가스가 자유롭게 방출되도록 한다. 

조립 후 주입된 용탕의 압력으로 인하여 상형이 뜨는 것을 방지하기 위하여 상하형을 서로 고정해야 한다. 대형 주형에서는 클램프, 핀, 볼트, 너트 등으로 고정하며 때로는 중추를 올려 놓기도 한다. 이 때 사용되는 중추의 무게는 대략 계산된 압력의 3~4배 정도로 한다.