탕구 설계와 응고: 기공 결함 제거의 핵심

인베스트먼트 주조 공정을 선택할 때는 성공적인 부품 제작에 영향을 주는 모든 요소를 이해하는 것이 중요합니다. 부품 불량을 방지하기 위한 첫 단계 중 하나는 주조 전에 부품에 요구되는 건전성을 확보하는 것입니다. 인베스트먼트 주조는 사전에 부품의 성공 가능성을 입증할 수 있는 몇 안 되는 제조 공정 중 하나입니다. 

탕구 시스템

인베스트먼트 주조 부품을 설계할 때는 탕구의 위치와 크기를 고려해야 합니다. 탕구는 용탕이 캐비티로 자유롭게 흐르도록 하는 작은 개구부이며, 급탕원인 탕도와 부품을 연결하는 지점으로 볼 수 있습니다. 탕구는 주조품에서 가장 두껍고 중량이 큰 구간에 배치하는 것이 이상적이며, 이를 통해 금속이 응고되기 전에 지속적으로 흐르면서 부품 전체를 충전할 수 있습니다.

주조 중 금속의 응고 방식

금속 응고는 탕구 설계를 이해하는 데 있어 핵심 요소입니다. 용강은 약 3000°F의 초기 주입 온도에서 약 2500°F의 응고 온도까지 냉각되는 과정에서 체적 수축을 겪습니다. 이러한 수축은 금속이 응고되는 동안 계속되며, 이후 열팽창으로 인해 상온까지 냉각되는 과정에서 다시 발생합니다.

예를 들어, 1" x 1" x 1" 정육면체에 용강을 채우면 상온에서 약 0.96" x 0.96" x 0.96"로 수축합니다. 이러한 체적 변화로 인해 부품 형상과 탕구 위치 및 크기를 신중히 고려해야 합니다. 적절한 설계는 응고가 진행되는 동안 수축을 보상할 수 있도록 주조품에 액체 금속이 지속적으로 공급되게 합니다.

성공적인 주조 부품을 만드는 요소는 무엇입니까?

탕구 위치 및 크기

금속 응고의 기본 원리를 이해한 후에는 탕구의 크기와 위치를 결정할 수 있습니다. 탕구 세부 사항을 고려하지 않으면 금속이 주조품을 충전하고 손실된 체적을 보충하기 전에 탕구가 응고될 수 있습니다. 이로 인해 부품 내부에 완전히 충전되지 않은 큰 공간, 즉 내부 기공이 발생할 수 있습니다. 기공은 부품 내부에 공동 또는 구멍이 있는지 여부로 판단되는 치밀도 수준을 의미합니다. 부품 기능을 고려하여 적절하게 탕구 설계를 하지 않으면 부품 불량으로 이어질 수 있습니다.

부품 설계

기공 제거를 결정하는 요소는 탕구만이 아닙니다. 부품 형상은 금속의 방향성 응고에 영향을 줄 수 있습니다. 설계 시에는 탕도에서 부품까지의 급탕 경로가 막히지 않도록 열구배를 충분히 크게 확보해야 합니다. 부품은 한꺼번에 응고되지 않고 외부에서 내부로 냉각되므로, 우수한 설계는 금속이 먼저 탕구에서 멀어지는 방향으로 냉각되도록 합니다. 고드름 형상은 완벽한 주조품의 대표적인 예로, 끝부분이 먼저 동결되고 고드름의 나머지 부분은 가장 작은 구간부터 가장 두꺼운 구간인 수원까지 순차적으로 동결됩니다.

초기 기공이 나타나는 설계에서는 급탕 리브와 같은 형상을 추가하여 원치 않는 공간을 제거할 수 있습니다. 바닥면에 테이퍼를 적용하는 등의 구조적 변경을 통해서도 부품 설계를 개선하여 기공을 줄일 수 있습니다. 그러나 일부 경우에는 부품 형상을 변경할 수 없습니다. 이때 복사열을 활용하여, 응고 과정에서 엔드 플레이트를 포함한 부품에 급탕할 수 있도록 얇은 벽을 충분히 뜨겁게 유지하는 비핵심 암부를 갖춘 탕구를 설계할 수 있습니다.

고객과 긴밀히 협력함으로써 Signicast 설계 엔지니어는 부품 기능을 더욱 정확히 이해하고 적용 분야의 요구사항에 맞도록 부품 형상을 최적화할 수 있습니다.

주조 소재 선택

설계 고려사항 외에도 소재 선택은 부품 내부의 기공과 주조품의 응고에 직접적인 영향을 미칩니다. 합금 내 각 원소는 서로 다른 응고 온도를 가지므로, 17-4 스테인리스강과 같은 합금은 포함된 원소의 양으로 인해 액체에서 고체로 변하는 동안 더 큰 온도 범위를 갖습니다. 넓은 온도 범위는 유동을 저해하므로 저탄소강보다 공정 허용도가 낮습니다. 프로젝트 초기 단계에서 소재 요구사항을 파악하면 설계 엔지니어는 금형 단계로 넘어가기 전에 부품의 성공 가능성을 더 잘 예측하고 기공을 줄일 수 있습니다.

부품 설계를 본격 양산으로 전환하기 전에 잠재적인 기공 문제를 파악하는 것이 중요합니다. Signicast는 응고 및 유동 해석 소프트웨어를 사용하여 탕구 위치의 유효성을 판단하고 주조 기공을 예측함으로써 설계를 검증합니다. 당사의 설계 엔지니어는 출시 지연 없이 성공적인 부품 생산으로 이어질 수 있는 유익한 설계 제안을 제공할 수 있습니다.