엔진효율과 공장환경을 진화시키는 알루미늄 합금 주물용 중자법

Core Molding Process for Aluminum Alloy Castings that Evolves Engine Performance and Factory Environment

1. 시작하며

자동차 엔진의 핵심 부품인 알루미늄 합금 실린더 헤드는 출력 향상과 연비 향상의 격렬한 경쟁 하에서 높은 열 효율을 목표로, 제품 기능에 중점을 둔 보다 더 복잡한 형상에 대한 요구가 높아지고 있다 [1]. 한편, 알루미늄 주물 공장이 계속제조업을 이어나가기 위해서는 선진국뿐만 아니라 공장 안팎을 불문하고 환경 부하 저감과 높은 생산성의 양립이 요구되고 있다. 그림 1은 실린더 헤드의 외관 및 단면을 보여준다.

그림 1. 엔진용 실린더 헤드 외관도 및 단면도.

이러한 환경 속에서 차세대 엔진 시리즈를 위한 알루미늄 합금 주조 생산 기술에는 향후 수십 년 동안 “제품 기능, 환경 성능, 생산성”을 계속 지탱할 수 있는 높은 자질이 요구된다. 우리는 50년 이상에 걸쳐 알루미늄 합금 주물의 중공부를 형성하는 중자 조형법으로서 셸 몰드법을 사용해 왔다. 셸 몰드법은 높은 “제품 기능, 환경 성능, 생산성”을 실현해 온 공법이다. 그러나 차세대 알루미늄 합금 주물에 기대되는 높은 요구 사항을 고려할 때, 페놀 수지계 점결제를 개량해 나가는 기존 방법은 한계에 가까워졌다는 위기감을 가졌다.

이상의 배경으로부터 신토공업과 도요타자동차는 앞으로도 알루미늄 합금 주물로 경쟁력 있는 제조를 이어나가기 위해, 차세대 중자 조형법을 적용한 알루미늄 합금 주조 기술의 공동 개발에 착수했다. 개발 기술의 핵심이 되는 중자 조형법의 선정에 대해서는 악취, 연기 등의 환경 성능 및 가스 결함으로 대표되는 주조 품질면에 있어 우위성이 높으며, 셸 몰드용 금형 기술 응용이 기대되는 물유리를 점결제로 한 열경화 무기 중자법을 선택했다. 개발팀은 물유리 점결제에 의해 발생하는 여러 과제를 장점으로 바꾼다는 발상으로 개발에 임하여 일본의 독자적 생산 기술 “CS 코어 프로세스”를 구축했다. CS는 Clean (무연, 무취) & Smooth (양호한 충전성, 양호한 배사성), Circulation of Sand (모래 순환 이용)에서 유래했다. CS 코어 프로세스는 2014년부터 실린더 헤드의 양산을 시작하여 신형 엔진용 생산 기술에도 채택되어 순차적으로 세계로 전개 중에 있다. 본고에서는 그 개발 기술의 개요에 대해 보고하겠다.

2. 프로세스 개발의 과제

본 개발은 단순한 환경 대책이 아니라 ‘더 좋은 자동차’와 더 좋은 공장의 양립을 추구한다는 과제를 설정했다. 프로세스 개발에 있어 주요 과제를 3가지로 들어 순서대로 해설하겠다.

• 혼련 모래 및 중자 보관의 취급성 향상

• 회수 모래의 재생 기술 확립

• 제품 형상 자유도 향상

일반적인 물유리 점결제인 혼련 모래는 습태 모래가 되어, 생산 현장에서는 엄격한 수분 관리가 부담이 된다. 혼련 모래의 수분량은 중자의 강도 및 조형성에 큰 영향을 주어 조형후의 중자는 건조시켜야 하며, 보관 중에 흡습이 되면 강도가 떨어진다. 이 때문에 혼련 모래와 중자의 취급성은 셸 몰드방법과 비교하면 떨어진다.

물유리계 무기 중자의 회수 모래를 반복 재생하는 기술을 실용화한 성공 사례는 들어본 적 없다. 물유리는 소결해도 소실되지 않고, 약 600℃ 이상의 배소로 모래 입자들끼리 소결, 덩어리지면서 배소 효과를 저해시킴과 동시에, 노벽 등에 소착된다 [2]. 또한 약 800℃ 이상의 배소로 유리화되면 딱딱해져 모래로부터 박리하기가 어렵다. 이러한 이유로 회수 모래의 재생 기술은 확립되지 않았지만, 모래의 폐기를 전제로 한 공법이 받아들여질 상황은 아니다.

주조 제품의 형상 자유도를 향상시키기 위해서는, 중자형 캐비티에 대한 충전성과, 알루미늄 합금 주물 소재로부터의 배사성 및 내 베이닝성에 대해서, 종래의 셸 몰드법을 넘어설 필요가 있다. 그러나 일반적인 물유리 점결제의 혼련 모래는 습태 모래로서 유동성이 나쁘고 셸의 건태 모래에 비해 충전성이 떨어진다. 또한 조형된 중자는 너무 딱딱해서 sand drop 과정에서의 배사성이 낮다.

3. CS 코어 프로세스의 특징

프로세스 개발은 중자조형법, 모래재생법, 조형설비, 모래재생설비, 금형, 중자재료, 주조에 대한 적용, 검사방법, 품질기준등 주조공정 전체를 아우르는 생산기술로서 확립되었다 [3]. 여기에서는 주요 방법인 중자조형법과 모래재생법에 대해 설명하겠다.

3.1 중자 조형법과 조형기

CS 코어의 조형 공정을 그림 2에, 조형기의 구성을 그림 3에 나타내었다. 중자조형기는 중자재료의 혼련기능과 중자조형 기능을 겸비하고 있으며, 이 두 기능은 혼련과 사출을 겸용하는 실린더를 공유한다. 혼련공정에서 계량된 중자재료 (멀라이트 계 용융 인공 모래, 점결제, 발포제)를 겸용 실린더에 투입하여 혼련하면 중자 재료는 무스 형태로 발포된다. 겸용 실린더는 발포된 중자 재료를 품고 조형 공정으로 이동해 금형에 압착되며, 실린더 내 중자 재료는 사출 플런저에 의해 밀려나가 겸용 실린더 바닥의 노즐을 경유해 금형의 캐비티로 사출 충진된다. 히터로 가열된 금형 내에서 중자 재료는 소성되며, 수분은 증발하여 물유리는 탈수 축합 반응이 진행되고, 모래입자들이 가교하여 중자가 경화된다. 사출을 마친 겸용 실린더는 혼련공정으로 돌아가, 사용된 만큼 중자재료가 추가되어 다시 혼련 후 다음 샷을 준비한다. 소성된 중자를 금형으로부터취출하고 금형은 다음 샷을 준비한다.

그림 2. CS 코어의 조형 공정.

그림 3. 조형기의 구성.

사출된 모래량은 사출 플런저의 사출 스트로크에서 매회 측정하여 계량된 재료가 보급되므로 겸용 실린더 내 모래량은 매 샷마다 일정량으로 관리되며, 사용한 만큼 추가 혼련하는 원샷 혼련을 실현했다. 원샷 (one-shot) 혼련에 의해 혼련 모래의 운반 및 보관 시의 취급성이 크게 향상되었다.

CS 코어 조형기는 무연 무취의 특징을 살려 연기 포집 후드, 탈취 덕트 등의 상부 구조물이 불필요해진다. 나아가서, 금형과 충전 기구의 위치 관계를 근본부터 재검토함으로써 조형기 골격 높이를 1.5m로 줄여 보전 작업이 용이해졌다. 그림 4에 셸 몰드용 모래 혼련 설비와 조형기, CS 코어 조형기의 외관 비교 사진을 나타내었다. 주조기도 연기 보수 후드 및 탈취 덕트가 필요 없어지고 라인 전체에서 천장에서 채광이 닿는 밝고 개방적인 작업 환경이 되었다.

그림 4. 혼련기와 조형기의 외관.

3.2. 회수 모래의 재생 공법과 설비

기존의 CO₂ 가스나 첨가재를 통해 물유리 점결제를 경화하는 공법과 달리 CS 코어에서는 첨가물 등에 의존하지 않고 물유리의 열경화 반응으로 중자 조형하는 것을 특징으로 한다. 그 기초 시험 중에서 물유리가 저온 가열 영역에서 불활성화 및 취약해지는 특성에 주목하여 [4], 모래 입자에 대한 부담이 적은 마찰 연마와 결합한 “저온 가열 + 약연마” 공법으로 모래 재생 방법을 개발 및 실용화했다. 그림 5에 모래 재생 과정에서의 모래 SEM 관찰 사진을 나타내었다.

그림 5. 모래 재생 공정에 있어 모래의 SEM.

재생 전 모래 입자 표면에서 발견되는 물유리 바인더의 가교 흔적이 가열 후 취약해지고 연마 처리에서는 모래 입자를 파괴하지 않고도 가교 흔적이 박리되어 나가는 모습을 보여준다.

다음으로 모래재생 시스템의 양산기에 의한 평가결과를 설명하겠다. 여기에 기재한 잔류 바인더 지수는 재생 전 모래를 사용해 측정한 산 소비량을 1로 하고, 가열 처리 후 모래, 박리 처리 후 모래의 산 소비량을 비율로 나타내었다. 재생 공정을 거치는 동안에 잔류 바인더 지수는 그림 6의 그래프와 같이 감소한다. 처리 후에도 잔류 바인더 지수는 0이 되지 않지만, 저온 가열 처리에 의해 불활성화되어 보관 중에 흡습하더라도 괴상화되지 않는다.

그림 6. 모래 재생 과정의 잔류 바인더 지수 변화.

그림 7에 반복 재생된 모래의 변화는 잔류 바인더 지표의 실적 값으로 표시하였다. 잔류 바인더 지표는 재생 이력이 없는 회수 모래로 측정한 산 소비량의 3배를 100으로 하고, 재생 처리 후 모래의 산 소비량으로부터 잔류 바인더 양을 관리하는 품질 지표로서, 약 3 년간의 양산 실적에 있어 지표값 100 이하의 추이를 보였다.

그림 7. 반복 모래 재생시 잔류 바인더 지표의 양산 실적.

모래 재생 시스템을 구성하는 설비는 저온 가열 공법의 이점을 활용하여 열원을 전기 히터로 구성함으로써 자동화, 소형화 및 안전성 향상을 실현했다.

그림 8에 나타난 것과 같이 셸 몰드법과 비교하여 재생 공정에서의 CO₂ 배출량은 2 분의 1 이하가 되었다. 그림 9에 외관 비교도를 나타낸 바와 같이 CS 코어 모래 재생 시스템을 구성하는 설비는 전용면적과 함께 투자, 처리능력을 10분의 1로 소규모화했다.

그림 8 모래 재생 시스템의 각 지표에서의 비교.

그림 9. 모래 재생 시스템의 외관 비교.

3.3. 모래 순환의 소규모화

CS 코어에서는 원샷 혼련 기능을 실현한 중자 조형기와 소규모 재생 시스템의 조합을 통해, 주조 공정을 둘러싼 모래순환은 하나의 라인 내에서 자체 완결되고 있다 (라인은 실린더 헤드 연 생산 10만대 규모). 그림 10에 모래 순환 물류의 비교 개념도를 나타낸다.

그림 10. 모래 순환 물류의 비교 이미지.

기존 대규모 알루미늄 합금 주물 공장에서 중자 모래의 물류는 공장 내에 재생 장치·혼련 장치를 갖추고 1ton 단위의 모래 캔을 지게차 등으로 운반했다. 이에 반하여, CS 코어는 모래 물류의 소규모화로 인한 라인내 모래 순환을 실현시켰다. 소규모 시스템은 1 라인 단위로 채택이 가능하므로 도입 초기 투자 부담은 대폭 줄고, 셸 모드에서 CS 코어로 점진적인 전환이 가능해졌다. 게다가 소형 설비는 특별한 고층고 건물을 필요로 하지 않고, 라인 레이아웃에서도 자유도가 높다.

4. CS 코어의 중자 특성

신형 엔진에서는 기존의 한계를 넘은 높은 열효율을 실현하기 위해 연소실 주위의 온도를 낮출 필요가 있어 실린더 헤드의 냉각수로(WJ: 워터 재킷) 형상에 대해 대폭적인 재검토가 요구되었다 [5, 6]. 그림 11과 같이 WJ 형상은 상하 분할구조나 가늘고 복잡한 그물 구조(network)가 채택되었으며, 중자 조형에서는 셸 몰드법의 한계를 넘은 형상이 요구되었다.

그림 11. 워터 재킷 (WJ) 형상의 신구 비교.

본 개발에서는 형상 자유도를 향상시키는 방법으로서, 발포 모래에 의한 충전성 개선, 중자의 중공화에 의한 배사성 개선, 저팽창 모래에 의한 베이닝 내성의 향상을 실시하였기에 여기에 설명하겠다.

4.1. 형상 자유도 향상 (충전성)

CS 코어 기술에서는 습태 모래의 유동성 향상을 위해 미량의 발포제를 첨가하여 중자 재료를 혼련 발포시킴으로써 무스형상으로 만들어, 모래의 마찰 저항 저감에 따른 비약적인 충전성 향상을 실현한 것이 특징이다. 그림 12는 중자 재료의 혼련 시간과 동점도의 관계를 보여준다. 혼련 발포에 의해 모래 입자 사이에 채워진 기포가 베어링 효과를 발생시켜, 중자재료의 동점도는 2Pa · S 이하에 도달하여 사출 충전이 가능해진다.

그림 12. 중자 재료의 혼련 시간 및 동점도.

다음으로 충전성을 실제 사례를 통해 비교하기 위해, 동일한 복잡한 형상에 셸 몰드법과 CS 코어 프로세스로 모래를 충전한 결과를 그림 13에 나타내었다. CS 코어 기술에서는 양호한 충전성을 이용하여 그몰 구조 WJ에 대한 충전을 실현시켰을 뿐만 아니라, 에어 블로우식에서는 충전이 곤란했던 복잡한 형상에 대한 충전을 벤트 등의 금형 기술에 의존하지 않아도 가능해졌으며 제품 설계 및 방안 설계의 자유도가 향상되었다.

그림 13. 셸 몰드 기법과 CS 코어 프로세스의 충진성 비교.

양호한 충전성으로 인해 금형 내에 중자 재료를 채우는 경로를 생략할 수 있게 되었고, 그림 14에 나타낸 바와 같이 중자 사출구의 개수와 크기를 줄임으로써 중자 중량에 대한 사출구 면적은 기존 공법의 3 분의 1 이하가 되었고 중자의 설계 형상 자유도는 더욱 향상되었다.

그림 14. 사출구 면적과 중자 중량의 관계.

그러나 이 뛰어난 발포 사출로 인한 충전성은 동시에 큰 문제도 낳았다. 충전성이 너무 좋으면 바인더가 금형의 분할선(parting line)에 스며들어, 모래 및 바이너가 금형에 부착되어 버린다. 부착된 바인더를 제거하기 위해 청소 빈도를 올리면 생산성이 떨어진다. 이를 회피하기 위한 기술로서 전용 이형제를 개발했다. 일반적인 이형제는 금형의 이형 계면에 막을 생성해 중자 재료와 금형이 부착되는 것을 방지하지만, 물유리 바인더는 강알칼리성이므로 소성에 의한 가열로 반응성이 증가하여 이형막을 파괴해 버린다. 그래서 프로톤 공여성 관능기를 포함한 전용 이형제를 채택함으로써 충전 후 가열된 물유리와 이형제가 반응한 후에 남는 이산화규소에 이형 계면을 형성시키는 것에 성공했다. 이 전용 이형제로 바인더 부착 현상을 방지할 수 있었다.

4.2. 형상 자유도 향상 (배사성)

신형 엔진용 실린더 헤드에서는 상하 2단 구조의 WJ가 배사공을 공유하기 때문에 모래량에 비해 배사공 면적이 반으로 줄어든다. 그리고 그물 구조화로 인해 국소적으로 중자 단면적이 축소되는 형상에서는 모래 배출 경로가 대폭 제약되어 배사성이 악화된다. 이 설계 형상을 실현하기 위해서는 기존 공법의 한계를 대폭적으로 뛰어넘을 필요가 있어 생산 기술면에서의 브레이크 스루가 필수적이 되었다.

CS 코어 기술에서는 배사성 향상 방안으로서 바인더 마이그레이션 현상을 이용하여 중자 내부의 중공화 및 중자의 최외각만을 경화시킴으로써 양호한 배사성을 실현했다. 그림 15에 투명 몰드를 사용하여 사출 충전 및 중공화를 관찰한 실험의 연속 사진을 나타내었다.

그림 15. 사출 충진 및 경화 과정을 시각화한 그림.

1에서 4까지의 캐비티에 중자 재료가 충전되고 금형의 열(250℃)로 인해 가열 경화가 시작된다. 5의 소성 개시로부터 6,7,8 및 중자 중심부에 중공부가 나타나기 시작하며, 소성이 진행됨에 따라 중자 표층 방향으로 모래가 이동하여 중공부가 형성되는 모습이 관찰되었다. 중공화는 중자 재료의 사출구로부터 먼 부분에서 시작되어 소성 후반에는 사출구 근처에 중공부가 형성되었다.

모래의 이동은 가열에 의한 기포제거와 수증기 압력에 의한 물의 확산 현상에 기인하는 것으로 보인다. 금형과 중자가 접촉하는 경계면에서 발생한 증기는 분할면에서부터 금형 바깥으로 배출되어 중자 표면과 내부에서 생성된 압력 차이로 인해 수분의 이동이 일어나고, 수분과 함께 모래 입자와 바인더가 표층을 향해 이동한다. 이 때 혼련물에 포함된 발포제로 인해 표면 장력이 작아져 바인더 액의 이동을 촉진시킨다.

중자 시험편을 통해 상기 현상을 관찰하였다. 표 1은 제조 조건을 나타낸 것이며, 그림 16은 중자 단면의 표면에서 3mm까지의 나트륨 농도를 SEM-EDX로 관찰한 사진이다.

표 1. 측정용 시험편의 제조 조건 (재료 배합비와 금형 온도)

그림 16. 단면의 나트륨 농도.

표면에서 내부로 나트륨 농도가 감소되는 상황이 관찰되었다. 그림 17에 표면으로부터의 거리와 나트륨 농도 사이의 관계를 그래프로 나타내었다. 나트륨 농도는 표면에서 10% 이지만 중자 내부로 갈수록 감소하며 표면에서 3mm 위치에서는 거의 0%가 된다. 표층 모래에는 다량의 바인더가 부착되어 있으며 내부 모래에 부착되는 바인더가 극히 적은 현상은 그림 18 SEM 사진의 가교 흔적에서도 관찰된다. 모래와 바인더의 이동을 수반한 경화 메커니즘 (바인더 마이그레이션 현상)을 통해 중자는 외곽에 집중된 바인더로 강도를 유지함과 동시에 내부 모래는 배출되기 쉬운 구조의 중자가 조형된다. 중자 재료에 함유된 수분도 마찬가지로 마이그레이션 효과로 표층으로 이동하므로, 조형 직후 수분 함량은 표면층과 내부에서 차이가 없으며, 탈형된 시점에서 주조가 가능한 건조 상태로 만들 수 있다.

그림 17. 단면의 나트륨 농도.

그림 18. 중자 단면의 모래 입자 간 가교 흔적.

다음으로, 그림 19에 조형된 중자 시험편을 각 온도에서 1h 가열하고 대기중에서 냉각시킨 후 굽힘 강도를 조사한 결과를 그래프로 나타내었다. 중자의 강도는 250℃ 이상의 가열에서 저하되었다. 특히, 가열 온도가 550~650℃ 부근에서는, 조형시의 30% 정도까지 저하되는 것이 확인되었다 [4]. 또한 주조시에는 중자의 최외각에 편중되어 존재하는 바인더에 알루미늄 합금 용탕으로부터의 열이 전달됨으로써, 중자의 강도는효율적으로 저하된다. 용탕에서 온 열의 영향을 받기 어려운 중자 내부는 바인더가 적고 강도가 낮아 sand drop 공정에서 쉽게 배출된다. 이 작용이 배사 능력의 향상에 기여하여 그물 구조 WJ 의 성립을 가능하게 할 뿐만 아니라, 모래 배출공 개수를 줄이고, 구멍 직경을 줄여 제품 설계의 자유도 향상 및 제품 비용 억제를 동시에 이룰 수 있게 하였다.

그림 19. 중자 시편의 1h 가열 후 잔류 강도.

그림 20에 WJ 중자의 중량과 표면적, 중량과 배사구 면적으로부터 WJ의 냉각 성능과 배사성의 관계를 정리한 그래프에 각종 엔진의 WJ 중자를 맞춘 분포도를 나타낸다. 구형 자연흡기 엔진부터 터보 화 등을 통한 냉각 성능의 강화에 따라 배사용 배출구를 확대·증가시키는 대응을 취해 온 경위로부터, 셸 몰드 중자의 배사 한계선을 그릴 수 있다. CS 코어를 채택한 신형 엔진의 실린더 헤드 형상은 냉각 성능을 대폭 향상시키면서도 배사구 면적을 확대하지 않고 기존 기술의 배사 한계선을 뛰어 넘은 위치에 있음을 알 수 있다. CS 코어 기술에서는 배사 한계 영역을 확장함으로써 신형 엔진의 핵심기술 인 그물 구조 WJ의 성립을 가능하게 했다.

그림 20. 그물 구조화와 배사 한계의 관계.

4.3. 형상 자유도 향상 (베이닝 내성)

세 번째는 주조시 열팽창에 의한 베이닝 (WJ 꺾임, veining)에 대해서이다. 베이닝은 중자 강도가 주조시의 열 팽창에 견디지 못하고 WJ 중자가 부러지는 것을 말한다. 주로 가는 WJ에서 문제가 되기 ?문에, 그물 구조 WJ에 있어서는 중자 단면적 축소에 수반하여 베이닝 현상이 나타난다. CS 코어기술은 회수 모래를 반복 재생하는 기술을 확립함으로써 고가의 저열 팽창 인공 모래를 골재로 채택할 수 있었다. 그림 21에 나타낸 바와 같이, 천연 규사를 사용하는 기존 공법의 셸 중자에 비하여, 베이닝 내성을 향상시키는 것이 가능해졌다. 신형 엔진에서는 배기 포트 밸브 (EX-EX 밸브) 사이에 위치한 WJ 중자의 최소 단면적은 기존 한계값 60mm²이하인 50mm²로 축소해도 열팽창에 의한 WJ 꺾임은 발생하지 않는다.

그림 21. 중자 강도와 중자 단면적에 의한 베이닝 한계.

그림 22에 기존 단면적 95mm²의 WJ 형상과 신형 단면적 50mm² WJ 형상을 나타내었다.

그림 22. EX-EX 밸브간 WJ 형상의 비교.

CS 코어 기술에서는 지금까지 소개해 온 독특한 충전 방법 및 소성 메카니즘을 통해 충전성, 배사성, 베이닝 내성의 특성 향상을 도모하였고, 물유리를 점결제로 하는 습태 모래를 사용하면서도 주조 제품의 형상 자유도를 발전시켰다.

4.4. 중자의 내흡습성

기존 열경화 무기 중자에서는, CO₂ 프로세스와 마찬가지로 점결제로 사용되는 물유리는 중자 조형 후의 시간 경과와 함께 흡습하여 강도 저하 [7] 및 주조시 가스 발생 등의 문제가 발생한다. CS 코어 기술에서는 첨가제 등에 의존하지 않고 가열된 물유리의 거동을 이용하기 위해 셸 몰드 법의 금형가열 기술로 이 과제를 해결하고자 했다. 그림 23에 물유리의 시차열 분석 결과를 나타내었다.

그림 23. 물 유리의 시차열 분석.

일반적으로 중자를 경화시키는 120℃ [8] 를 초과한 고온영역에서의 단속적인 흡열 반응인 탈수축합반응이 확인된다. 고온 영역에서의 소성은 강도 저하를 일으키지만, 동시에 일어나는 내흡습성 향상의 효과를 확인하기 위해 탈수 축합 전후의 온도에서 물유리의 흡습에 따른 중량 변화와 강도 변화를 조사했다. 그림 24에 저온 소성과 고온 소성으로 가열 처리한 물유리의 흡습에 따른 중량 변화를 나타내었다.

그림 24. 소성된 물유리의 흡습에 따른 중량 변화.

저온 소성품에서 1h의 흡습량은 고온 소성품에서 24h 분량에 상당한다. 고온 소성된 물유리는 흡습이 잘 되지 않음이 확인되었고 탈수 축합 영역에서 가열되는 효과를 확인할 수 있었다. 다음으로 중자 조형시의 소성 온도를 저온 (140℃)과 고온 (260℃)으로 한 시험편으로 흡습에 따른 강도 저하를 조사한 결과를 그림 25에 나타내었다.

그림 25. 흡습에 따른 중자의 휨 강도 변화.

저온 소성에서는 48h 후에 10분의 1로 강도가 저하된 반면, 고온 소성에서는 같은 48h 후에도 90% 이상의 강도를 유지하고 있다. CS 코어에서는 탈수 축합 이상의 온도에서 소성함으로써 흡습 및 강도 저하를 억제하고 중자의 취급성을 개선하였다.

4.5. 냄새 및 기타 특성

주조 공정에서 발생하는 가스의 악취 농도를 셸 몰드 방법과 비교한 결과를 그림 26에 나타내었다. CS 코어에서의 악취는 셸 모드 중자와 비교해 약 115분의 1로 저감되었다. 결과적으로 중자 조형 공정, 주조 공정에 설치된 탈취 후드, 탈취 덕트, 탈취 장치를 없앨 수 있었다. 또한, 여기에서는 상세한 내용을 소개하지 못했지만, CS 코어를 실용화하는 과정에서 드러난 다른 특성을 셸 몰드법과 비교 분류한 결과와 앞으로의 과제를 표 2에 나타내었다.

그림 26. 주조시에 발생하는 가스의 악취 농도 비교.

표 2. CS 코어로 조형한 중자의 특성 분류

5. 마무리하며

본 개발에서는 물유리를 점결제로 한 열경화 무기 중자법으로 다음과 같은 특성을 가능하게 함으로써 알루미늄 합금 주조 생산 기술로서의 잠재력을 높일 수 있었다.

• 취급성이 좋은 무기 혼련 모래 및 무기 중자

• 회수 모래의 반복 재생 기술 확립

• 도입이 쉬운 소규모 소순환 무기 중자 프로세스

• 제품의 형상 자유도 향상 (충전성, 배사성, 베이닝 내성)

제조업을 둘러싼 환경이 해마다 어려워지고 있는 선진공업국에 있어 향후 알루미늄 합금 주물 제조를 유지하기 위한 핵심기술이라고 믿고 CS 코어 프로세스를 개발·양산화했다. 향후본 기술이 주조 업계 전반에 걸쳐 광범위하게 사용될 수 있도록 추가 기술을 탐구하고 보급을 위한 환경 정비, 정보 전달을 위해 노력해 나가겠다.

마지막으로, 본 개발에 협조해주신 협력 회사를 비롯하여 제조 공장 및 관련 부서 여러분 및 그 가족 여러분의 지원에 진심으로 감사드립니다.