도형제란?
통상적으로 도형제는 내열성을 증가시키기 위해 주형 표면에 도포하여 주형의 소착을 방지하고 표면을 미려하게 드는 것이라고 설명합니다. 주조할 주형(틀)을 만들고 용탕(쇳물)을 주입하기 전에 주물사(모래)의 침입을 막기 위해 주형 표면에 도포하는 재료를 도형제라고 합니다. 영어로는 Coating Agent 말그대로 코팅제 입니다.
일상 생활에서 쓰이지 않는 용어가 많기 때문에 조금 더 쉽게 설명드리겠습니다.
주조 과정을 설명할 때 붕어빵 제조과정이 예시로 많이 사용되는데요, 붕어빵을 만들 때는 붕어빵 틀에 기름칠을 하고 밀가루 반죽과 팥을 넣고 열에 구워줍니다.(저는 슈크림 붕어빵을 가장 좋아합니다!) 이때 붕어빵을 만드는 밀가루 반죽을 주물의 재료가 되는 쇳물, 즉 용탕이고 붕어빵을 만드는 틀은 주형, 만들어져 나온 붕어빵을 주물이라고 할 수 있습니다.
밀가루 반죽이 틀에 눌어 붙어 망가지지않도록 해주는 기름칠 작업을 주물에서는 도형제 작업이라고 합니다.
도형제의 역할
- 소착방지 : 고온에 견디는 한계를 나타내는 *내화도가 떨어지는 주물사나 불순물이 들어가 소착(Sand Burning:주물 표면에 모래가 타서 붙은 주조 결함) 현상을 막아줍니다.
*내화도: 열을 가해도 초기 상태를 유지하는 정도 (내열성의 한계)
- 용탕 침투 방지 : 침투(Metal Penetration) 주물사(모래)의 입자가 거칠거나 표면을 고르게 다지지 않았을 때 모래 입자 간의 틈 사이로 용탕(쇳물)이 들어가 주물 표면에 결함이 생기는 것을 의미합니다. 도형제는 이러한 용탕의 물리적 침투를 막아주는 역할을 합니다.
- 주형 침식 방지 : 주물사를 사용하는 사형(砂型) 주조에서 용탕이 주형 내부를 채울 때 주형이 닳아 없어지는 결함을 주형 침식(Mold Erosion)이라고 합니다. 주물사의 강도가 약하거나 주형이 충분히 다져지지 않았을 때 발생하는 현상을 막아줍니다.
- 매끄러운 주조 표면 : 습윤성(Wettability:수분을 흡수하는 성질)을 낮게 하고 용탕 응고 속도를 조절하여 주형 표면을 곱게 만듭니다.
도형제의 구성
1. 내화물
내화물은 고온에 견디는 물질로 고온에서 상태를 유지하고 화학적 작용에도 견딜 수 있는 재료입니다. 금속 침투, 침식, 소착 등을 방지하는 도형 제의 성능을 좌우하는 직접적인 요소입니다. 열팽창 특성, 내화도 소결 온도(소결:가루가 녹으며 뭉쳐짐)는 도형제를 선택하는 중요한 기준입니다. 내화물의 입자가 너무 굵으면 표면이 거칠어지고 반대로 너무 미세하면 도형막 균열의 원인이 되며 점결제 비율이 높아지기 때문에 입도가 알맞아야 합니다.
*소결(燒結·Sintering): 고온에 가열하면 입자끼리 결합하여 스스로 합금화 되는 과정
*점결제(粘結劑) : 주물사의 입자와 입자를 결합시켜 주는 것
2. 내화물의 화학적 분류
| 화학적 분류 | 화학 성분 |
| 산성 내화물 | 규석질 (SiO₂) 납석질 (SiO₂,AI₂O₃) 샤모트질 (SiO₂, AI₂O₃) 점토-탄화규소질 (SiO₂,AI₂O₃,SiC) 점토-흑연-탄화규소질 ( SiO₂,AI₂O₃,C,SiC) 지르콘질 (ZrO₂,SiO₂) |
| 중성 내화물 | 탄화규소질 (SiC) 알루미나-탄소질 (AI₂O₃-C) 알루미나 탄화규소 탄소질 (AI₂O₃,SiC,C) 고알루미나질(AI₂O₃,SiO₂) 크롬질 (Cr₂O₃) 스피넬질 (MgO,AI₂O₃) |
| 염기성 내화물 | 마그네시아질 (MgO) 마그네시아-크롬질 (MgO,Cr₂O₃) 마그네시아-흑연질 (MgO,C) 돌로마이트질 (Cao, MgO) 크롬마그네시아질 (MgO,Cr₂O₃) 석회질 |
3. 내화물의 특성
| 내화물 | 융점(℃) | 특성 |
| 흑연 | 2,800 | 습윤성이 낮아 주철에 가장 좋으나 후육주철(구상 흑연, 편상흑연 주철)에는 부적합 |
| 실리카 | 1,800 | 고온에서도 강도를 유지하며 가격이 저렴함. |
| 지르콘 | 2,200 | 내화도가 높고 반응성, 습윤성이 적어 모든 금속에 적용됨 |
| 활석 | 850~1,350 | 절연성이 있어 금속의 유동성을 개선하거나 높은 내열특성으로 내화도가 낮아 세라믹 같은 내화물로도 사용됨 |
| 마그네시아 | 2,800 | 내화도가 높고 염기성 금속에 적용 물과 혼합하면 수화(水和)하여 굳어지므로 알콜용제에만 적용 |
| 알루미나 | 2,050 | 반응성,내화도,가격적인 측면에서 주철에 적합 |
| 올리빈 | 1,700 | 크기가 작고 부드러워 주물 표면에 염기성 금속의 수용성 도형제로써 적합 |
| 샤모트 | 1,700 | 반응성, 내화도, 가격적 측면에서 주철에 적합 변형이 적고 반복 사용이 가능 |
| 크라마이트 | 2,000 | 주물 표면 소착 방지용 도형제로 적합 |
4. 용제
용해가 녹이고 섞는 것이라면 용제는 용해시키는 물질을 뜻합니다. 물, 알코올, IPA(Isopropyl Alcohol)를 주로 사용하며 물의 경우는 염(鹽)의 존재, 알코올의 경우 연소성, 휘발성에 따라 점결제, 부유 제의 적용 방법이 다릅니다.
5. 부유제
부유제란 분리시키는 효과로 사용하는 약제입니다. 내화물의 비중, 용제의 특성에 다라 부유제를 선택하며 벤토나이트, 점토 등이 부유제로 사용됩니다. 어떠한 부유제를 적용하든 사용 전 충분히 저어주어야 하며 많은 양을 사용할 때는 용기 안에서 순환시키는 *교반 장치를 사용합니다.
*교반 장치 액체와 고체 또는 액체를 휘저어 섞는 기구
교반장치 영상
6. 점결제
내화물 입자를 주형, 중자(코어)에 접착시키는 역할을 하고 내화물의 크기에 따라 사용량을 조절하며 점결제의 양이 너무 적으면 접착력이 약해지고 과다하면 균열이 발생하고 가스 발생량이 많아져 주물 결함의 원인이 되기 때문에 주의해야 합니다.
참조 : 해원산업, @aluminumcastingsandcasting7761
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