금속주조용 세라믹 주형 및 중자 기술

정 연 길_ 창원대학교 메카트로닉스대학 신소재공학부 교수

1. 서 론 

금속 소재를 이용한 부품 제조 방법에는 크게 분말을 이용하여 성형한 후 열처리(소결)를 하는 분말공정과 금속 괴(ingot)를 녹여 성형 틀에 부어서 제조하는 방법인 주조공정으로 크게 나눌 수 있다. 단순한 형상의 경우 분말공정이 적용되고 있으며, 상대적으로 복잡형상의 부품에는 주조공정이 적용되고 있다. 여기에서는 금속 소재를 이용한 복잡형상의 부품을 만들기 위한 주조공정에 있어서 형상을 만드는 성형 틀인 세라믹 주형 및 중공형 부품에서 내부 형상을 만드는 세라믹 중자에 대한 제반 기술 현황 및 새로운 세라믹 주형 및 중자 제조방법에 대한 것을 소개하고자 한다. 

주조공정은 성형 틀에 대한 열처리 가능 여부에 따라 크게 사형주조 및 정밀주조로 나눌 수 있다. 일반적인 금속 소재의 제조공정은 간단한 공정과 높은 생산성에 기인하여 사형주조를 이용하고 있으며, 전형적인 사형주조에 대한 개략도를 그림 1에 나타내었다. 유기 바인더(주로 레진계 바인더)를 이용한 사형주조용 주형은 제조 공정이 간소하고 상대적으로 낮은 생산 비용을 갖지만, 유기 바인더 첨가에 따른 블로우 홀의 생성, 낮은 강도, 유기 바인더 휘발점 이상의 열처리 불가능, 낮은 치수 안정성, 다량의 유기 바인더 사용에 따른 환경오염 문제, 강도 유지를 위한 주형 두께의 증대(주조물의 크기에 따라 비례하여 주형 두께 증가 필요), 낮은 표면조도 등의 단점을 가지고 있다[1-3]. 따라서 복잡형상의 박육(특히 5mm 미만의 두께)이나 중공형 부품 제조에는 인베스트먼트(investment) 주조라 불리는 정밀주조 기법을 사용하게 된다[4-7]. Investment 정밀주조 공법은 복잡형상의 중공형 부품을 제조하기 위한 신뢰성 있는 대표적인 공법으로서 고부가치의 산업부품을 제조하는데 적용되고 있다. 정밀주조는 주조가 수행되는 분위기에 따라서 대기정밀주조 및 진공정밀주조(진공도는 통상 10-2~10-3)로 나눌 수 있으며, 대표적인 대기정밀주조 부품은 임펠러이며, 진공정밀주조 부품은 항공용 및 발전용 터빈 고온부품 (블레이드, 베인 등)이다. 

Investment 정밀주조 공법은 로스트 왁스(lost wax) 공법으로 불리기도 하는데, 일반적으 로스트 왁스 공정은 그림 2에서 나타낸 것과 같이 다단계의 공정이다[8-10]. 왁스를 원료로 하여 사출기로 형상을 금형 공동(cavity)에 사출하고 왁스 패턴(pattern)을 완성하게 된다. 이때 세라믹 코어1는 왁스 패턴 내부에 안착하게 되며, 여러 개의 주조품을 형성하기 위해 왁스 형상들을 트리(tree)라고 부르는 봉상에 접착시킨다. 이렇게 준비된 트리에 왁스 형상들이 주렁주렁 부착된 형태의 왁스 덩어리에 슬러리(slurry)를 수 회 코팅(1~2회 코팅)시키고2, 슬러리 코팅된 몰드3에 모래 입자를 붙이는 스터코(stucco) 공정 (8~10회 코팅)을 거친다. 각 코팅 공정 후에는 건조 공정을 거치게 되며, 최종 건조 공정이 완료되면 주형 내부의 wax를 녹여내는 탈 왁스(dewaxing) 공정을 거친 후 몰드를 소성로에 넣어서 소성시키고, 소성 직 후 고온상태의 몰드에 용탕을 주입하여 응고시켜 정밀 주조품을 완성하게 된다.