주물사의 정의와 구비조건

제 1절 주물사

주물사란 주형을 만드는데 사용되는 재료를 말하며 대부분의 주물사는 살립자를 주성분으로 하여 성형성과 강도를 부여하기 위해 점결제가 사용되고 있다. 주물사는 배합하여 만든 합성사 및 코어사 등이 있다.

1. 주물사의 구비조건

주물사는 주조의 양부를 좌우하는 중요한 요소이기 떄문에 주물사를 선택할 때에는 반드시 주형사로서의 필요한 다음의 조건을 구비해야 한다.
(1) 용탕의 온도에 견딜 만한 내화도
(2) 성형성이 있어 주형을 만들기 쉽고 용탕의 압력에 견딜 만한 고온 강도
(3) 용탕에서 나오는 가스를 외부로 배출시킬 만한 통기도
(4) 반복 사용하여도 노화하지 않을 것 등

또한 사립은 주형사의 85~99%를 함유할 떄 다음의 조건드들을 만족하는 것이 필요하다.
(1) 충분한 성형을 가질 것
(2) 사립은 알맞은 입도 분포를 가질 것
(3) 통기성이 좋을 것
(4) 가축성이 있을 것
(5) 보온성이 있을 것
(6) 반복사용이 가능할 것
(7) 값이 저렴할 것

2. 주물사의 성질

주물사는 앞에서 설명한 여러가지의 구비조건을 갖추어야 하는데 이러한 조건은 주조하고자 하는 제품의 재질이나 크기 및 모양에 따라 조금씩 달라질 수 있다. 이러한 조건들은 주물사의 4대 구성 요건인 모래, 점결제, 첨가제 및 수분의 적절한 배합에 의하여 얻어질 수 있다.

가. 구조적 성질

일반적으로 사립자의 형태, 크기 및 분포상태와 점토함유량 등을 구조적 성질이라 한다. 주물사 선정의 기준은 그 밖에 불순물의 종류와 양, 점결제의 성질 등이다. 사립자의 형상은 보통 환형, 준각형, 다각형, 첨각형, 첨편각형 등으로 구분되지만 구형에 가까울수록 입자의 충전성과 공극률 및 표면적 등의 문제에서 명백하다. 사립자의 입도 분포는 보통 3~6 스크린의 것이 좋으나 4스크린의 주물사가 가장 많이 사용되고 있다.

나. 습태성질

주물사에 물이 함유된 성질을 습태성질이라 하며 통기도를 비롯하여 압축강도, 경도, 변형량, 점결력, 전단강도 등 많은 성질이 있으나 이들은 모두 수분의 영향을 크게 받는다. 통기도에는 내부에서 연결하고 있는 공간의 크기로 결정되므로 입도 및 충전성 등과 관계되고 경도는 입자간의 점결강도의 함수, 항압력은 점결제의 함수라 할 수 있다. 수분은 또 노화된 모래에 대하여 허위의 점결성을 줌으로 이것을 사실상의 점결성으로 오인하지 않도록 주의한다.
물은 점결제 일종이라 생각되며 노화된 모래는 수분에 의하여 강도를 나타낸다. 이 수분은 주탕시 발생한 산소가스의 주요한 원인으로 용탕을 산화시킨다. 동시에 용탕을 접촉한 주형은 수분을 잃고 허위의 점성이기 때문에 사립자의 점결력이 상실되어 불량의 원인이 된다. 수분이 가스화될 때는 용적 변화가 매우 커서 약 1600배의 용적 증가를 나태므로 주탕시의 가스발생의 원인은 수분으로 인한 거이다.

다. 경시성질

주형이 제작되면 주탕할 떄까지 어떠한 변화를 일으키는가를 아는 것이 매우 중요하며 이를 경시성질이라 한다. 성질변화의 중한 원인은 수분의 이동과 변화에 있따. 주형에는 수분의 증발에 따라 주형면의 표면경도는 점차 증가하나 그 속도는 모래의 배합이나 다짐 정도, 기타 조건 등에 따라 다르다. 특히 벤토나이트 점결제는 수분의 증발과 함께 주형표면은 취성이 증가하므로 수분의 증발속도 조정에 세심한 주의가 필요하다.

라. 건태성질

주물사의 건태성질은 4대 구성요소에 영향이 크며, 특히 습태와의 차이점은 점결제의 종류와 양에 크게 관계된다. 또 건태의 성질에는 이의 건조온도와 시간의 영향이 크고, 각 점결제에 따라 초고온도가 존재하므로 필요 이상의 온도화 시간으로 건조하지 않도록 한다. 보통 점토질 점결제는 300~400도씨, 유기질 점결제는 150~250도씨의 온도가 적당하다.

마. 고온성질

고온성질에서 특히 고온강도에 가장 영향이 큰 것은 점결제의 종류와 양, 사람의 화학조성이다. 고온에 가열하면 주물사는 일단 점결제가 분해되어 강도의 일시적 저하를 초래하나, 기준시간이상 고온 가열하면 소결을 일으켜 주물사의 강도가 다시 증가한다. 고온강도가 너무 클 때에는 주물에 균열이 발생되므로 주의를 해야 한다.

3. 주물사의 종류

주형을 만들기 위하여 가소성을 갖는 모래, 즉 점결제를 함유하여 조형 능력이 있는 모래를 총칭하여 주물사라 하며 용도에 따라 표면사, 이면사, 코어사로 조제 방법에 따라 자연사, 반합성사 및 합성사로 분류한다.

가. 자연사

자연사는 사람과 점토로 구성되며, 사립은 석영과 장석으로 되어 있다. 사립의 형태와 크기는 심한 풍화작용과 장거리 운반 등으로 인하여 파쇄된 것일수록 둥글고 세립이며 그렇지 않은 것일수록 모가 나고 조립이다.
또 사립의 크기에 따라 3종으로 구분되는데, 평균지름 5.0 ~ 0.3 mm를 조립, 0.3 ~ 0.15 mm를 중립, 0.15~0.05 mm를 세립이라 하며 사립의 형태 크기 및 입도 분포는 중요한 요소로서 이에 따라 주물사의 성질이 달라진다. 사립의 형태가 둥글고 입자가 균열하면 유동성이 좋고 모래 다지기가 용이하며 가열시에도 파괴되지 않고 통기도는 좋으나 주형의 강도는 약해진다. 각형은 유동성은 좋지 않고 강도는 크지만 훈련중에 사립이 깨지기 쉽고 고열로 인하여 팽창하면 공극이 적고 주행이 깨지기 쉽다. 따라서 주물사의 선택에서 사립의 크기와 형상에 특히 유의한다. 그러므로 주물사는 주물의 종류에 따라 다르지만 보통 준환형의 3~4 스크린 샌드를 널리 사용하고 있따.

나. 배합사

일반적으로 배합사란 규사와 무기 점결제를 적당히 배합하고 수분을 첨가해서 인공적으로 조제한 주물사를 말한다. 이때의 사립자, 점토 및 수분은 전부 인공적으로 접착 공존케 한 상태이다. 따라서 배합사를 주물사로서 사용하는 데는 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 주물사의 배합 원료를 임의로 선택, 채취할 수 있으므로 제품과 조형방법에 따라 원하는 성질을 갖는 주물사를 조제할 수 있다.
(2) 자연사보다는 주물사 성능의 대부분을 선천적 조건에 의하여 제한받지 않으므로 주물사의 성질 개선이 용이하다.
(3) 기본 원료로서 양질의 주형용 규사를 선택할 수 있으므로 복용성이 풍부하고 적절한 재생처리를 함으로써 순환사용이 가능하게 되어 주형용 원료의 비용을 절감 할 수 있다.
(4) 생산성 면에서 보면 각종 조형기, 조형설비에 적합한 유동성, 강도, 통기성 등의 주물사를 임의로 조제할 수 있으므로 자연사와 같이 선척적 조건에 의하 제약을 받지 않으므로 조형에 특수한 요령과 숙련을 요하지 않는다.

다. 코어사(중자사)

코어는 건조화면 함유된 수분이 증발하여 기공이 증기되어 통기도가 좋지만 공극의 대부분의 수축에 의해서 메워지므로 결국 통기도는 생형과 같아진다. 따라서 통기도를 높이기 위해서는 단일입도에 가깝고 입도 분포 범위가 좁은 모래를 사용해야 하는데 보통 소형 코어에는 0.05~0.1mm , 중형에는 0.1 ~ 0.2mm, 대형에는 0.5~1.5mm의 크기가 사용되며, 이 범위에 들어가는 것이 85~90%가 되도록 한다.