주조에서의 스프루와 라이저

적절한 주입구 및 라이저 설계는 수축 공극이 없는 주물을 생산하고, 유효 수율을 높이며, 불량률을 줄이는 데 기본이 됩니다. 주입구, 라이저, 게이팅 응고 원리, 열전달 제어 및 실제 주조 제약 조건에 따라 설계된 수축 및 냉각 경로는 재료 및 가공 비용을 낮게 유지하면서도 대부분의 수축 및 파이핑 결함을 방지할 수 있다.

1. 서론 및 핵심 목적

주입구와 라이저 부품은 고형화되는 주물체에 액체 금속을 공급하는 급수 시스템을 구성한다. 주입구는 금형 캐비티로의 금속 유동을 제어하는 반면, 라이저는 고형화 과정에서 수축 영역에 용융 금속을 공급할 수 있을 만큼 충분한 금속 저장고를 제공한다. 주입구는 일반적으로 주입컵을 러너와 캐비티에 연결하여 제어된 경로를 형성함과 동시에 난류를 흡수하고 기포 유입을 최소화한다.

2. 정의 및 각 구성 요소의 역할

수프 — 수직 급수 채널

주물은 용융 금속을 주입 탱크에서 게이트 시스템으로 전달하는 수직 통로입니다. 주요 기능:

• 게이트를 통한 흐름을 유지하기 위해 안정적인 금속 헤드를 제공하십시오.

• 테이퍼 형상과 신중하게 설계된 면적 전환부를 통해 난류를 감소시킵니다.

• 적절한 트랩을 설계할 경우 상부 근처에서 슬래그와 드로스를 포획할 수 있는 희생 요소 역할을 수행한다.

라이저 — 급수 저장소

라이저(피더라고도 함)는 피더 또는 게이트를 통해 캐스팅에 연결된 국소적 저장소입니다. 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 고화 과정 중 부피 수축을 보상하기 위해 액체 금속을 공급한다.

• 주조의 임계 영역 이후에 동결하여 액체 연속성을 유지한다.

급여 시스템의 다른 요소들

• 물받이: 물이 튀는 것을 줄이기 위한 초기 부어 넣는 위치.

• 러너: 캐비티 사이에 금속을 분배하는 수평 채널.

• 게이트: 금형 캐비티로의 최종 수축.

• 냉각: 특정 지역의 고형화를 가속화하기 위한 국부적 방열 장치.

3. 급송 성능을 결정하는 고화 기본 원리

방향성 응고 원리

효율적인 급수는 얇은 부분에서 라이저로 이동하는 제어된 응고 전선을 형성하는 데 달려 있다. 라이저는 급수하는 주조 영역이 완전히 응고될 때까지 용융 상태를 유지해야 한다. 이는 단순한 열적 논리로 설명되곤 한다: 금속은 국부적 냉각 속도가 가장 높은 곳에서 먼저 굳는다; 라이저는 더 낮은 냉각 속도나 더 큰 열용량을 가져야 한다.

동결 계수의 개념

동결 계수 M = 부피 / 표면적. 계수가 작은 영역은 더 빨리 동결됩니다. 라이저는 해당 주조 영역의 계수보다 큰 계수를 가져야 합니다. 일반적인 설계 목표: M_라이저 ≥ 1.2 ~ 1.5 × M_단면.

열 흐름 및 전도 경로

고형화는 금형 벽, 코어, 라이저 목, 그리고 냉각체를 통한 열전도에 의존합니다. 원치 않는 열 경로를 최소화하고 의도된 경로를 제어하는 것은 핵심 설계 과제입니다.

핵생성과 수축 분포

거대공극은 수축이 공급될 수 없는 곳에서 발생한다. 미세공극은 수지상 구조 간 공급 및 용질 재분배와 관련된다. 라이저 위치와 게이트 설계는 거대 규모의 공급 거리를 줄이고 미세공극을 감소시키는 2차 공급 메커니즘을 지원해야 한다.

4. 주입구 유형 및 실용적 고려사항

직선 테이퍼형 주입구

모래 주조에서 가장 흔히 사용됩니다. 테이퍼는 흡입력을 감소시키고, 상부에 가스를 가두면서 정수압을 유지하는 데 도움이 됩니다. 테이퍼 각도는 금속 종류와 주입 방식에 따라 달라집니다.

벨 또는 분지형 주입구

여러 개의 주형용 주입구를 공급하는 데 사용됩니다. 종종 슬래그 트랩과 금속 분리 장치를 포함합니다.

바닥 주입용 스프루

내화물 라이닝이 된 래들 또는 세라믹 쉘의 경우; 스플래시 및 산화물이 주입로 네트워크로 유입되는 것을 줄입니다.

사출용 스프루 설계 모범 사례

• 갑작스러운 속도 변화를 피하기 위해 점진적인 영역 전환을 사용하십시오.

• 슬래그 수집을 위한 주입구 우물 또는 트랩을 추가하십시오.

• 주입 시간이 길어 조기 동결이 우려될 경우, 스프루 냉각 또는 절연 슬리브를 장착하십시오.

5. 라이저 유형 및 배치 전략

개방형 계단참

외부에서 확인 가능하며, 제작이 간편하고 제거가 용이합니다. 최소한의 가공이 필요한 단일 부품 주물이나 시제품에 가장 적합합니다.

블라인드 라이저

주형 내부에 위치하며, 주입 시 채워지고 경화 후 절단됩니다. 최종 주물의 표면 마감을 보존해야 하는 경우에 유용합니다.

잠수식 라이저

몰드 표면 아래에 연결되거나 부분적으로 덮여 대기 오염을 줄이고 열 손실을 감소시킵니다.

고온 상승관 및 발열 상승관

단열 처리하거나 제어된 화학 반응을 통해 열을 발생시키는 발열 슬리브를 사용하여 용융 수명을 연장합니다.

라이저 배치 지침

• 가장 무거운 부분이나 가장 가까운 두꺼운 영역에 라이저를 배치하십시오.

• 실용적인 경우 수직 라이저를 선호하십시오; 원통형 라이저는 예측 가능한 계수를 제공합니다.

• 여러 개의 작은 라이저는 분산 수축을 유발할 수 있으나, 총 라이저 면적은 수율을 감소시킬 수 있다.

6. 라이저 치수 결정: 경험적 규칙과 계산 방법

일반적인 경험적 규칙

• 상승관의 직경은 공급받는 단면의 직경보다 커야 한다. 일반적인 규칙: 상승관 부피 ≈ 공급 단면 부피의 1.5~2.0배.

• 라이저 높이는 정수압을 공급하고 경화 후 제거가 가능하도록 충분히 확보해야 한다.

라이저 계수법 (권장)

1. 주조 단면의 계수 모듈러스 계산: M_cast = V_cast / A_cast.

2. 원하는 배율을 선택하십시오(일반적으로 1.2–1.5).

3. M_riser = 계수 × M_cast를 만족하는 라이저 크기를 구하시오.

체비쇼프의 고화 시간 법칙

Chvorinov: t = C × (V/A)^n, 일반적으로 n = 2이며 C는 재료 및 금형 열적 특성에 따라 달라진다. 라이저의 (V/A) 비율 제곱에 상수를 곱한 값이 주조물보다 큰 시간을 산출할 경우, 라이저가 주조물보다 느리게 응고된다.

작업 예시 (알루미늄 합금)

• 주조 부위: 직사각형 블록 100 mm × 50 mm × 20 mm.
  V_cast = 100 × 50 × 20 = 100,000 mm^3.
  표면적 근사값 A_cast = 2(lw + lh + wh) = 이에 따라 계산; 노출된 표면을 포함한 근사 열 표면적을 사용하십시오.
  M_cast를 계산한 후 M_riser = 1.3 M_cast를 선택하고, 원통형 라이저의 직경을 계산합니다(V_riser = 면적 × 높이). 필요한 치수를 구하기 위해 방정식을 풀어야 합니다.
  (전체 수치 예시는 후술하는 표 2에 제시되어 있습니다.)

7. 게이트 상호작용: 주입구, 게이트, 러너 및 라이저의 통합 설계

유동 제어 및 난류 관리

게이트는 캐비티로의 유속을 감소시켜 유입을 방지해야 한다. 스프루 웰과 튠디시는 슬래그를 분리하는 데 도움이 된다.

순차적 공급 논리

라이저는 주물 구역에 연결되어야 하며, 주물이 완전히 굳어지는 동안 액체 공급이 가능할 만큼 충분히 넓으면서도 방향성 응고를 촉진할 만큼 충분히 작은 게이트 영역을 가져야 한다.

다중 공동 및 균형 조정

다중 캐비티 금형에서는 러너와 스프루를 균형 있게 배치하여 유사한 충전 시간을 보장하고, 일부 캐비티가 아직 충전 중인 상태에서 다른 캐비티가 조기 고형화되는 것을 방지해야 한다.

필터 사용

주조용 세라믹 폼 필터와 러너 내 필터 플레이트는 하류부의 불순물과 난류를 감소시켜, 급입을 방해하는 산화막을 줄임으로써 라이저 효율을 간접적으로 보호합니다.

8. 열 제어 장치

오한

영구적 또는 일시적 방열판은 국부적 냉각 속도를 증가시켜 고화 전선을 라이저에서 멀어지게 합니다. 이는 얇은 부분이 먼저 고화되도록 하여 피드를 라이저 쪽으로 유도하는 데 효과적입니다.

절연 슬리브 및 발열 피더

라이저 주변의 단열재 또는 특수 발열 슬리브는 라이저 온도를 유지하고 동결을 지연시킵니다. 발열 혼합물은 주입 과정에서 열을 발생시켜 라이저 수명을 연장합니다.

인기 상의

주조물 상부에 배치된 일시적 절연 공동으로, 수축을 쉽게 제거할 수 있는 영역에 집중시키기 위함이다. 가공 여유가 크고 라이저 제거가 허용될 때 유용하다.

9. 합금 및 단면 두께의 영향

알루미늄 합금

• 높은 열전도율과 낮은 동결 범위는 일반적으로 급여를 단순화하지만, 두꺼운 단면을 가진 복잡한 형상은 신중한 라이저 치수 설정이 필요합니다.

• 동결 범위가 넓은 합금은 수지상 수축에 더 취약하다.

강철과 철

• 열전도율이 낮고 녹는점이 높을수록 응고 시간이 증가합니다. 라이저는 더 크게 제작해야 하며 단열 슬리브가 필요할 수 있습니다.

• 주조 설계는 두꺼운 부위의 수축을 방지하기 위해 방향성 응고를 강력하게 관리해야 한다.

박벽 주물

얇은 벽은 빠르게 고형화되므로, 냉결을 방지하고 급속 냉각을 처리하기 위해 작은 국부적 라이저와 게이트를 사용하십시오.

두꺼운 벽 영역

무거운 상승로를 제공하거나, 다중 공급 경로를 사용하거나, 냉각기를 사용하여 방향성 응고를 촉진하십시오.

10. 시뮬레이션 및 예측 도구

응고 시뮬레이션의 이점

• 마지막으로 얼어붙는 지역의 위치를 예측한다.

• 고형화 예상 시간 및 라이저 효과성 추정.

• 수축 공극률, 온도 구배 및 잠재적 핫스팟을 시각화하십시오.

일반적인 소프트웨어 및 사용 사례

• 주조 시뮬레이션 패키지는 CAD와 연동되어 감도 분석을 수행합니다: 라이저 크기 변경, 냉각 장치 추가, 게이트 조정 시 결과를 즉시 확인할 수 있습니다.

• 설계 초기 단계에서 시뮬레이션을 활용하여 비용이 많이 드는 시행착오를 줄이십시오.

11. 수확량, 경제성 및 지속가능성

상충관계

모든 라이저는 낭비되는 금속입니다. 품질을 보장하면서 라이저 부피를 최소화하십시오. 필요한 위치에만 라이저를 배치하고, 발열형 또는 절연형 라이저를 사용하며, 시뮬레이션을 통해 과도한 크기를 최소화함으로써 최적화하십시오.

자재 회수 및 재활용

가능한 경우, 라이저 스크랩은 재용해 공정으로 되돌려 보내야 합니다. 노동 비용을 절감하기 위해 라이저 제거가 용이하도록 설계하십시오.

환경 영향

스크랩 감축은 재용해 및 재가공 과정에서 발생하는 에너지 소비와 온실가스 배출을 줄입니다.

12. 주물용 주입구 및 라이저 오류와 관련된 일반적 결함 및 시정 조치

수축 다공성

원인: 부적절한 상승기 혈관 용적 또는 부적절한 위치.
수정: 라이저 계수를 증가시키고, 라이저를 핫 스팟에 더 가깝게 재배치하며, 열전도율이 낮은 피더 넥을 추가한다.

뜨거운 눈물과 금이 가다

원인: 수축 시 제약 및 부적절한 급여로 인한 인장 응력 발생.
수정: 수축을 허용하도록 금형 설계를 수정하고, 단면 두께 기울기를 줄이며, 응고 패턴을 제어하기 위해 냉각체를 추가하십시오.

가스 다공성과 기공

원인: 주입구 내 난류 또는 라이저 웰 내 가스 포집.
수정: 스프루 웰 추가, 속도 감소, 배기 개선.

실패된 주조 및 냉각 정지

원인: 불충분한 헤드 또는 러너 또는 스프루에서의 조기 동결.
수정: 스프루 또는 러너 단면을 확대하거나, 주입 온도를 조정하거나, 절연 슬리브를 사용하십시오.

13. 검사, 시험 및 품질 관리

비파괴 검사

X선 촬영과 CT 스캔은 내부 수축을 보여줍니다. 초음파 검사는 분산된 다공성을 감지합니다. 염색침투 검사는 표면 균열을 발견합니다.

파괴적 검사

공정 검증 과정에서 급수 영역 및 응고 구조를 검사하기 위해 중요한 주조품을 절단하는 것은 일반적이다.

프로세스 모니터링

주입 온도, 주입 속도 및 주입 시간을 측정하십시오. 추적 가능성과 지속적인 개선을 위해 기록을 보관하십시오.

14. 스프루 및 라이저 시스템 실용 설계 체크리스트

• 모듈러스 또는 시뮬레이션을 사용하여 마지막으로 동결되는 영역을 식별하십시오.

• 라이저 유형 선택: 개방형, 폐쇄형, 수중형, 발열형.

• 초기 추정 시 크기 상승 계수 ≥ 주조 계수 × 1.2.

• 라이저에 명확한 공급 경로가 확보되고 열교가 최소화되어 조기 동결을 방지하도록 하십시오.

• 필요 시 냉각을 가하여 응고 전선을 제어하십시오.

• 적절한 게이트를 제공하여 난류를 제한하고 공급 채널을 보호하십시오.

• 다중 캐비티 배치를 균형 있게 조정하여 충전 시간을 균등하게 합니다.

• 금속 청결도가 중요한 곳에서는 필터를 사용하십시오.

• 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하십시오.

• 부품 기능이 고위험인 경우 계측 주조품으로 시제품 제작하십시오.

15. 빠른 참조 표

표 1: 일반적인 라이저 유형 및 권장 용도

표 2. 가공된 라이저 치수 예시 (알루미늄 합금) (반올림된 수치)

참고: 이 예시는 표면적 기여도를 단순화하고 러너/게이트 열 영향을 무시합니다. 최종 치수 결정에는 시뮬레이션을 사용하십시오.

표 3. 합금 및 주조 형상에 따른 대표적인 라이저 부피 배율

16. 흔히 저지르는 실수와 이를 피하는 방법

과도하게 큰 라이저

문제: 불필요한 스크랩 발생, 냉각 시간 증가, 비용 상승.
예방: 모듈러스 방법과 시뮬레이션을 활용하여 크기를 정밀 조정; 부피 감소를 위해 발열 슬리브를 우선적으로 사용.

라이저가 핫스팟에서 너무 멀리 위치함

문제: 중요 영역에 공급할 수 없음.
예방: 열 발생 지점 바로 위나 인접한 위치에 라이저를 배치하십시오; 열전도율이 제어된 피더 넥을 사용하십시오.

불량 게이트로 인한 난류 발생

문제: 산화막과 가스 포집이 공급을 방해합니다.
예방: 점진적인 영역 전환, 필터 요소 및 스프루 우물을 사용하십시오.

17. 고급 기법과 새로운 관행

3D 프린팅 몰드 코어 및 컨포멀 피더의 사용

적층 제조 기술은 열 흐름 및 제거를 최적화할 수 있는 복잡한 피더 형상을 구현하여, 폐기물을 줄이면서 더 나은 공급을 가능하게 합니다.

실시간 모니터링

시제품 제작 과정에서 라이저 및 핫스팟에 배치된 온도 센서는 냉각 곡선과 공급 효율성을 검증하는 데 도움이 됩니다.

혼합 사육 전략

냉각 장치, 단열 라이저 및 발열 슬리브를 결합하여 복잡한 다중 두께 주물에서 응고를 맞춤화합니다.

18. 사례 연구 요약

자동차용 알루미늄 실린더 헤드

문제: 두꺼운 밸브 가이드 보스에서 발생한 수축 공극.
해결책: 블라인드 라이저를 밸브 시트 아일랜드로 재배치하고, 발열 슬리브를 추가하며 얇은 플랜지에 국부 냉각을 적용하여 방향성 응고를 유도했습니다. 결과: 기공이 제거되었으며 가공 스크랩이 70% 감소했습니다.

주철 펌프 하우징

문제: 갈비뼈와 몸통 접합부에서의 미세 수축.
해결책: 리브 접합부에 여러 개의 작은 라이저를 추가하고, 주입 시간을 균등하게 맞추기 위해 러너를 조정하며, 고형화 제어 목적으로 얇은 부위에 냉각부를 적용했습니다. 결과: 최종 주조품이 방사선 검사를 통과했습니다.

19. 자주 묻는 질문

1. 오픈 라이저와 블라인드 라이저 중 어떤 것을 사용할지 어떻게 결정하나요?
   개방형 라이저는 프로토타입 제작에 간단하고 비용이 저렴합니다. 블라인드 라이저는 라이저 위치 근처의 표면 마감이 필요한 양산 주물에 더 적합합니다. 후가공 또는 마무리 작업으로 인해 개방형 라이저 제거가 불가능한 경우 블라인드 라이저를 선택하십시오.

2. 여러 개의 작은 라이저가 하나의 큰 라이저를 이길 수 있을까?
   여러 개의 작은 라이저를 사용하면 분산된 핫스팟에 공급하고 일부 형상에서 금속 낭비를 줄일 수 있습니다. 그러나 총 라이저 부피와 게이트 복잡성으로 인해 적절하게 크기가 조정된 단일 라이저가 더 선호되는 경우가 많습니다. 시뮬레이션을 활용하여 옵션을 비교하십시오.

3. 게이팅이 사료 효율성에 어떤 영향을 미치나요?
   게이트 설계는 난류를 제한하고 정수압을 유지해야 합니다. 부적절한 게이트는 산화물을 생성하여 공급 경로를 차단합니다. 적절한 게이트 설계와 필터는 라이저 공급 기능을 보호합니다.

4. 라이저 계수에 대한 실용적 배수는 무엇인가?
   일반적인 범위는 주조 계수의 1.2배에서 1.5배 사이입니다. 난조성 합금이나 두꺼운 단면의 경우 더 높은 배수를 적용하고, 알루미늄의 얇은 단면에는 더 작은 배수로도 충분할 수 있습니다.

5. 발열 라이저 슬리브는 언제 사용해야 합니까?
   장시간의 응고 시간이 필요한 중량 주물에는 발열 슬리브를 사용하십시오. 단열 슬리브가 너무 크거나 제한된 공간으로 인해 큰 라이저 용량을 확보할 수 없는 경우에 적합합니다.

6. 오한이 수유에 어떻게 도움이 되나요?
   냉각은 표적 영역에서 고형화를 가속화하여 마지막으로 얼어붙는 영역을 라이저 쪽으로 밀어냅니다. 이는 특히 기하학적 구조로 인해 라이저 배치가 어려운 경우에 특히 효과적입니다.

7. 시뮬레이션이 필요한가?
   복잡한 형상, 다중 캐비티 패턴 및 중요 부품의 경우 시뮬레이션을 적극 권장합니다. 이는 시행착오를 줄이고 불량률 및 설계 주기를 크게 낮출 수 있습니다.

8. 주물과 라이저를 연결하는 게이트 영역은 어느 정도여야 합니까?
   게이트는 전체 응고 기간 동안 액체 금속의 흐름을 허용하면서도 게이트를 통한 열 손실을 제한할 수 있도록 크기를 설정해야 합니다. 계수 및 유동 계산을 사용하거나 시뮬레이션을 통해 게이트 단면적을 미세 조정하십시오.

9. 어떤 검사 방법으로 라이저 관련 결함을 발견할 수 있나요?
   방사선 촬영 및 CT 스캔을 통해 내부 수축이 확인됩니다. 초음파 검사를 통해 분포된 다공성이 발견됩니다. 공정 검증 중 절단 분석을 통해 마지막으로 동결되는 영역을 파악하는 데 도움이 됩니다.

10. 재사용을 위해 라이저 금속을 회수할 수 있나요?
    예. 라이저 스크랩은 분리하여 용융물로 되돌려야 합니다. 적절한 게이트 설계와 제거는 오염을 줄이고 재사용을 위한 용융물 품질을 향상시킵니다.

마무리 노트

견고한 급수 시스템은 기본부터 시작됩니다: 열 흐름을 이해하고, 중요 단면의 계수를 계산하며, 라이저 유형을 신중하게 선택하고, 시뮬레이션 또는 계측 시험을 통해 설계를 검증하십시오. 라이저 형상, 라이저 목 설계, 게이트 크기 조정 또는 칠 추가와 같은 사소한 변경만으로도 결함 발생률이 높은 공정을 신뢰할 수 있는 생산 라인으로 전환할 수 있습니다. 중요한 부품의 경우 시뮬레이션과 측정 데이터를 결합하여 설계를 신속하게 개선하십시오.