금속 주조 과정에서 용융 금속은 게이트 시스템을 통해 금형 캐비티로 유입됩니다. 이러한 통로의 배치는 금속이 금형을 완전히 채우는지 여부와 콜드 셧, 미스런, 내포물 등의 결함이 발생하는지에 영향을 미칩니다.
다음 섹션에서는 게이트 시스템의 구성 요소, 가압식 시스템과 비가압식 시스템의 차이점, 그리고 설계 시 고려해야 할 주요 사항에 대해 설명합니다.
게이팅 시스템이란 무엇인가요?
게이팅 시스템은 주입구에서 금형 캐비티로 용융 금속을 이송하는 통로망입니다. 주조 과정에서 금속은 스프루를 따라 내려가 러너를 통과한 뒤, 인게이트를 통해 캐비티로 유입됩니다.
게이팅 시스템은 모래 주조, 정밀 주조 및 중력 다이캐스팅에 사용됩니다. 구성 방식은 다양하지만, 각각 합금과 부품 형상에 적합한 유로가 필요합니다.
게이팅 시스템은 용융 금속을 공급할 뿐만 아니라 유량과 유속도 제어합니다. 유속이 지나치게 빠르면 비산, 기포 혼입 및 금형 침식이 증가할 수 있습니다. 주입 속도가 너무 느리면 캐비티가 가득 차기 전에 금속이 응고되기 시작하여 콜드 셧이나 미스런이 발생할 수 있습니다.
게이팅 시스템의 주요 구성 요소
일반적인 주입 시스템은 주입컵, 스프루, 스프루 웰, 러너, 그리고 주입구로 구성됩니다. 각 구성 요소는 금속이 캐비티로 유입되는 과정에서 서로 다른 역할을 수행합니다.
따르는 컵
주입컵은 주입 시스템의 입구에 위치해 있습니다. 이 주입컵은 래들에서 용융 금속을 받아 스프루로 공급합니다.
용량은 주조 과정에서 지속적인 공급이 가능해야 합니다. 컵의 모양과 용융 금속의 수위도 튀김 현상과 소용돌이 형성에 영향을 미치므로, 설계 시 용융 금속과 함께 주입구로 공기가 유입되는 것을 최소화할 수 있도록 해야 합니다.
스프루와 스프루 웰
주입구는 주입컵 아래에 위치하며 용융 금속을 아래쪽으로 유도합니다. 금속이 하강하는 동안 가속됨에 따라 흐름의 단면적이 변합니다. 따라서 주입구는 일반적으로 윗부분이 넓고 아랫부분이 좁아지는 테이퍼 형태를 띠며, 이는 흐름과 통로 사이에 공기가 유입될 수 있는 틈을 줄이는 데 도움이 됩니다.
스프루 웰은 스프루 하단에 위치한 이행 공간입니다. 이곳에서 금속은 방향을 바꾸어 러너로 유입됩니다. 적절한 이행 구조는 굽힘 부위에서 발생하는 충격과 모래 침식을 줄이는 데 도움이 됩니다.
주자
러너는 스프루의 밑부분을 주입구와 연결하고 용융 금속을 분배하는 역할을 합니다. 여러 개의 주입구가 사용될 경우, 금속은 러너를 따라 이동하여 각 캐비티의 입구로 유입됩니다.
런너의 길이, 단면적 및 분기 위치는 각 주입구로 유입되는 용융물의 양에 영향을 미칩니다. 또한 주조품에 일부 불순물이 유입되는 것을 방지하기 위해 런너 연장부, 슬래그 트랩 또는 필터를 설치할 수도 있습니다.
Ingate
입구는 용융 금속이 금형 캐비티로 유입되는 개구부입니다. 입구의 위치와 방향은 주입이 시작되는 위치와 진행 방식에 영향을 미칩니다.
입구 게이트의 개수와 총 단면적 또한 유입 속도에 영향을 미칩니다. 응고 후에는 일반적으로 게이트 연결부를 제거하고 세척해야 하므로, 부품 표면을 손상시키지 않으면서도 공구가 접근할 수 있도록 게이트를 배치해야 합니다.
주조 공정의 게이트 시스템 유형
스프루, 러너, 인게이트 간의 단면적 비율을 변경함으로써 동일한 기본 구성 요소로 가압식 또는 비가압식 게이트 시스템을 구성할 수 있습니다.
두 시스템 모두 유량을 조절하는 초크가 있습니다. 이 두 시스템의 차이점은 초크의 위치와 상류 및 하류에 통로 면적이 어떻게 분포되어 있는지에 있습니다.
가압식 게이트 시스템
가압 시스템은 일반적으로 유입구 부근의 유량을 제어합니다. 유입구의 총 단면적이 비교적 작기 때문에 시스템 끝부분의 유출량이 제한되어, 상류 통로가 항상 물로 가득 차 있도록 돕습니다.
이러한 시스템은 일반적으로 금속 소모량이 적은 소형 게이트 통로를 갖추고 있습니다. 그러나 동일한 유량에서 총 출구 단면적이 작을수록 평균 유입 속도는 더 높아집니다. 유체가 코어나 금형 벽에 직접 부딪히면 모래 침식, 비산 및 공기 혼입이 증가할 수 있습니다.
“가압”이란 게이트 시스템 내에서 발생하는 유동 제한을 의미합니다. 이는 다이캐스팅 기계가 금속을 캐비티로 주입한다는 뜻은 아닙니다.
비가압식 게이트 시스템
비가압 시스템은 일반적으로 스프루 하단 부근에서 유량을 제어하며, 하류 쪽 러너와 인게이트의 총 단면적은 더 넓습니다.
이러한 구조는 평균 하류 유속을 낮추고, 금속이 캐비티로 유입될 때 발생하는 충격을 완화할 수 있습니다. 이는 산화막의 혼입을 제한하는 것이 중요한 알루미늄 주조 공정에 일반적으로 사용됩니다.
확장된 통로를 통한 금속의 주입 및 분배 과정에는 여전히 주의가 필요합니다. 자유 낙하하는 유동이나 분지 간 불균형한 공급은 공기 흡입을 유발하고 주입이 불안정해질 수 있습니다.
게이팅 시스템 설계
시스템 유형을 파악한 후에는 해당 부품에 대한 통로 치수와 주입 배치를 수립해야 합니다. 설계는 일반적으로 충전 요구 사항을 충족하는 것부터 시작되며, 그 다음으로 러너, 주입구, 여과 및 배기 순서로 진행됩니다. 또한 응고 과정 중의 공급 상태도 평가해야 합니다.
충진 시간과 속도
충진 시간은 용융 금속이 주형 캐비티를 채우는 데 걸리는 시간을 말합니다. 이는 합금, 주조 중량, 최소 벽 두께 및 주입 온도에 따라 달라집니다.
얇은 단면은 열을 빠르게 잃습니다. 용융 금속이 이 부분에 도달하는 시기가 너무 늦으면 단면이 완전히 형성되지 않을 수 있습니다. 그러나 유동 패턴을 고려하지 않고 속도를 높이면 비산 현상이나 기포가 발생할 수 있습니다. 따라서 충분한 양의 용융 금속이 공급될 수 있도록 통로의 크기를 결정하기 전에 적절한 충진 시간을 설정해야 합니다.
유속과 충진 시간은 서로 관련이 있지만 별개의 개념입니다. 한 주입구에서 유속이 높다고 해서 반드시 전체 캐비티가 빠르게 채워지는 것은 아닙니다. 총 주입구 면적과 필요한 금속의 부피도 중요한 요소입니다.
통로 치수 및 게이트 비율
통로 치수는 통과할 수 있는 금속의 양과 그 속도 모두에 영향을 미칩니다. 따라서 스프루 밑부분, 러너, 인게이트 부위의 면적을 종합적으로 고려해야 합니다.
게이팅 비율은 일반적으로 다음과 같이 표현됩니다:
기준 스프루 단면적 : 전체 러너 단면적 : 전체 잉게이트 단면적.
여러 개의 러너나 인게이트가 사용되는 경우, 이에 해당하는 면적을 모두 합산해야 합니다. 통로의 폭과 깊이 모두 중요하며, 폭만 비교한다고 해서 면적 간의 관계를 파악할 수는 없습니다.
초기 비율을 선정한 후에는 패스 길이, 턴 수 및 필터 저항이 미치는 영향을 확인해야 합니다. 그런 다음 시뮬레이션이나 시험 주조를 통해 조정 방향을 결정할 수 있습니다.
금속 진입 위치
금속은 상단, 하단 또는 측면을 통해 캐비티로 유입될 수 있습니다. 일반적인 배열 방식으로는 상단 게이트, 하단 게이트, 분할선 게이트 등이 있습니다.
탑 게이팅 금형을 상부 공간에 금속을 주입하여 유로를 짧게 만들 수 있습니다. 그러나 낙차가 크면 비산 현상과 모래 침식이 심해질 수 있습니다.
바텀 게이팅 캐비티 하부에 금속을 도입함으로써 액체 수위가 점진적으로 상승하도록 합니다. 이를 통해 높은 낙하 유류로 인한 충격을 줄일 수 있지만, 금속은 상부 및 멀리 떨어진 구역까지 도달할 수 있을 만큼 충분한 충진 능력을 유지해야 합니다.
이형선 게이트 입구(ingate)를 금형의 분할면 근처에 배치함으로써 성형 공정에 편리하게 통합할 수 있습니다. 금속이 상부 및 하부 영역을 어떻게 채워지는지는 분할면의 위치와 부품의 형상에 따라 달라집니다.
Ingate 레이아웃
입구(Ingates)는 불필요한 유동 거리를 피하면서 금속을 캐비티로 유도해야 합니다. 용융 금속의 흐름이 가느다란 코어나 약한 금형 벽에 직접 부딪치지 않도록 해야 합니다.
크기가 큰 부품이나 각 부분이 서로 멀리 떨어져 있는 형상의 경우, 여러 개의 주입구를 사용하면 국부적인 유동 경로를 단축할 수 있습니다. 또한 여러 유동이 만나는 지점이 생기므로, 유동의 도달 시간과 합류 지점에 주의를 기울여야 합니다. 유동이 너무 낮은 온도에서 합류할 경우, 콜드 셧이 발생할 수 있습니다.
입구도 국부적인 온도 분포에 영향을 미칩니다. 사료 공급이 어려울 수 있는 심한 열점이 형성되지 않았는지 입구의 위치를 확인해야 합니다.
슬래그 제어 및 여과
불순물은 용융 금속과 함께 주형 내로 유입될 수 있습니다. 주입로 연장부, 슬래그 트랩, 세라믹 필터를 사용하면 주조품에 도달하는 불순물의 양을 줄이는 데 도움이 됩니다.
필터는 합금, 주입 온도 및 유량에 맞춰 선정해야 합니다. 필터 면적이 부족하거나 저항이 지나치게 크면 충진 시간이 길어질 수 있습니다. 필터를 추가한 후에는 시스템을 점검하여 캐비티가 여전히 목표 시간 내에 충진되는지 확인해야 합니다.
감정 발산
금속이 공동을 채워감에 따라, 이미 내부에 있던 공기는 빠져나가야 합니다. 모래 주형과 심지도 가열될 때 가스를 발생시킬 수 있으므로, 배기 경로는 주입 경로와 조화를 이루어야 합니다.
높은 부분, 사각 구역, 그리고 마지막에 채워지는 영역에는 각별한 주의가 필요합니다. 성형 공정에 따라 가스는 모래의 투과성, 배기 구멍 또는 기타 배기 통로를 통해 빠져나갈 수 있습니다. 이러한 통로는 너무 일찍 금속으로 밀봉되지 않도록 열어두어야 합니다.
급식 및 응고
게이팅 시스템은 캐비티로 용융 금속을 공급하는 한편, 라이저는 응고 수축을 보정하기 위해 추가적인 용융 금속을 공급합니다.
라이저는 금형 캐비티에 연결된 주입구입니다. 주입 과정에서 라이저가 채워지며, 주물이 응고되고 수축함에 따라 라이저의 액체 금속이 연결부를 통해 주물로 유입됩니다.
라이저는 충분한 용량을 갖추어야 하며, 필요한 주입 금속을 공급할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 액체 상태를 유지해야 합니다. 연결부가 너무 일찍 응고되면, 라이저 내에 액체 금속이 남아 있더라도 주입이 중단됩니다. 따라서 게이트와 라이저의 위치를 종합적으로 고려하고, 시험 주조, 시뮬레이션 및 검사를 통해 평가해야 합니다.
결론
가압식 및 비가압식 게이트 시스템은 유사한 기본 구성 요소를 사용합니다. 이 두 시스템의 주요 차이점은 통로 간의 단면적 비율과 유량이 제어되는 위치에 있습니다.
설계 시에는 금속이 적시에 캐비티를 채울 수 있도록 하면서, 동시에 비산, 공기 혼입 및 금형 침식을 최소화해야 합니다. 통로 치수와 주입구 위치가 확정되면 여과, 배기 및 주입 상태도 점검해야 합니다. 이후 시제 주조품과 검사 결과를 바탕으로 추가 조정을 진행할 수 있습니다.
