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 각종 주형 및 주조법

 

● 원심주조법

     원심주조법은 용융금속을 주입 응고시킬 때 주형을 고속으로 회전하여 그 원심력을 이용하는 것으로 다음과 같은 특징이 있다.

    (1) 용융금속은 주형내에 고속으로 유입 분포되어 유동성 불량을 방지하고 살결이 고와진다.
    (2) 용융금속에 높은 압력이 걸리게 되므로 주물의 조직이 치밀하고 기공이 없다. 또한 비중차이에 의하여 금속개재물의 분리 제거가 빨리 이루어진다.
    (3) 수도관 등 원통형 주물의 경우에도 코어가 필요없다. 또한 작업시간이 짧고 다량생산이 가능하다.
    (4) 주물의 모양에 따라 다르지만 많은 경우 탕구나 압탕이 불필요하다.

    ◆ 원심주조법의 종류

      (1) 진원심주조법(True centrifugal casting)
           액체를 원통형의 용기에 넣어 수직 또는 수평축을 중심으로 회전시키면 액체는 용기의 내벽에 붙게 되어 속이 비게 된다. 주로 수평축을 이용하는 방법에 의하여 실린더 라이너, 슬리브, 수도관 등을 제조하며 코어가 필요없고 기공등의 결함을 배제할 수 있다. 또 재질이 치밀하고 기계적 성질이 좋으며, 코어나 압탕, 탕도가 없으므로 생산성과 회수율이 높고 원가도 싸게 된다.

       (2) 반원심주조법(semi-centrifugal casting)
           원판형의 차바퀴, 풀리, 스포로켓 등을 그 대칭축을 수직회전축으로 하여 회전시키면서 중앙의 탕구부터 용탕을 주입하는 방법이다. 이 경우 용탕에 작용하는 원심력 때문에 주물의 중간부위가 얇더라도 탕구로부터의 압탕효과가 크다. 또 주형을 여러 개 쌓아올려 적층주형(stack mold)으로 하면 회수율을 더욱 높일 수 있다.  

      (3) 원심가압주조법(centrifuged casting)
           불규칙한 모양의 주물을 중앙의 탕구로부터 방사상으로 탕도를 붙여 배치하고, 탕구를 수직회전축으로 주형을 회전시키면서 주입하는 방법으로 주물의 중심축을 회전축으로 하지 않는다는 점이 다른 방법과 다르다. 보통 작고 간단한 모양의 주물을 만드는데 이용되며, 될수록 같거나 비슷한 모양의 물건을 탕구 주위에 배치하여 회전시의 균형을 맞추어 주어 진동을 줄이는 것이 좋다.

    ◆ 원심주조기와 주형

         원심주조기에는 회전장치, 주입장치, 용탕냉각장치, 제품을 꺼내는 장치 등이 필요하다. 주입장치에는 이동식과 고정식이 있는데 이동식은 수평식 원심주조법에서 얇고 긴 주물을 만들 때 주로 사용되는 것으로 주입 중에 주형이 일정한 속도로 후퇴하는 De Lavaud 법이 대표적이다. 이 방법에 의하면 용탕이 주형의 어느 한 곳에 집중되지 않고 전면에 걸쳐 골고루 분포하게 된다. 주형으로는 금형, 연형이 주로 사용되며 금형의 재질은 보통 내열주철이나 Mo을 첨가한 내열강이다.

    ◆ 주조법

         원심주조에서는
         (1) 용탕을 주형의 전면에 걸쳐 골고루 빨리 분포시킬 것.
         (2) 용탕을 주형면으로부터 내면으로 향하여 방향성 응고시킬 것.
         (3) 용탕 중의 개재물은 주물의 내면에 모이게 할 것

         등의 원칙을 지켜야 두께가 균일하고 건전한 주물을 얻을 수 있다. 이를 위해서는 주형의 회전속도, 주입온도, 주입속도를 적절히 설정해야 한다. 원심주조에서 주형의 회전속도를 결정할 때는 다음 방법에 의하여 한다. 주물의 중심으로부터 r(cm) 떨어진 어떤 질점에 작용하는 원심력은

    (m:질량, r: 회전반경, w:각속도, N:회전속도)

    이므로 직경 D인 주물의 경우 중력배수는

    (W: 중력, F: 원심력, g: 중력가속도, D: 주물의 직경, N: 회전속도)

    로 된다.

         회전하는 용탕에는 이와 같은 원심력이 작용하므로 비중이 작은 비금속개재물들은 바깥쪽으로부터 안쪽으로 이동하여 안쪽에 모이게 된다. 이때 이들의 이동은 용탕의 점성이 작을수록 용탕과 비금속개재물과의 비중차이, 원심력의 가속도, 비금속개재물의 크기가 클수록 쉬워진다. 한편 용탕으로부터 정출된 초정의 경우에도 마찬가지로 남아 있는 용탕보다 비중이 작을 때에는 주물의 안쪽으로, 클때에는 바깥쪽으로 이동하여 성분상의 편석을 일으킨다. 주철관의 경우 규소는 잘 편석되지 않으나 망간과 유황은 안쪽에, 인은 두께의 중심부에 편석되기 쉬우며 흑연은 안쪽, 시멘타이트는 바깥쪽에 편석된다.

         주입된 용탕은 바깥쪽으로부터 방향성응고를 하게 되는데 이때 수축에 의하여 바깥둘레가 주형면으로부터 떨어져 그 사이에 틈새가 생기게 된다. 이 응고층은 안쪽의 용탕에 작용하는 원심력에 의하여 인장응력을 받게 되고 이때 회전속도나 주입속도가 너무 크거나 주입온도가 너무 높으면 길이 방향으로나 원주방향으로 열간균열이 생기게 된다. 또 회전속도가 너무 작거나 주입속도가 너무 크면 원심력이 부족하여 적하(raining)현상을 일으키게 된다. 이렇게 되면 내면의 산화가 급격히 일어나고 방향성응고가 방해받게 되고 수축공발생의 원인이 되기도 한다. 

 

● 다이캐스트(Die Cast)

     다이캐스트는 원래 3가지의 형태 즉, 중력다이캐스트, 저압다이캐스트, 압력다이캐스트가 있는데, 일반적으로 다이캐스트라고 하면 압력다이캐스트를 말하며 여기서도 압력다이캐스트에 대하여 기술한다. 다이캐스트법은 용탕을 금형(dies)에 가압 주입하여 고속으로 금속을 주조하는 방법이다. 보통 치수정밀도가 높은 부품의 다량생산에 적합하며 그 특징에는 다음과 같은 것들이 있다.

    (1) 복잡한 모양의 주물생산이 가능하다.
    (2) 얇은 주물의 생산이 가능하다.
    (3) 단가가 싸고 생산속도가 크다.
    (4) 치수의 정밀도가 높고 살결이 곱다.
    (5) 용융점이 낮은 금속이라야 한다.
    (6) 설비비와 금형제작비가 고가이다.
    (7) 일정량 이상의 생산개수가 확보되어야 경제성이 있다.

     다이캐스트법의 특징은 다른 정밀주조법에 비하여 생산속도가 가장 높고 치수정밀도도 investment 주조법 다음이다. 주물 1개의 최대중량은 금형주물, 쉘형주물에는 못미치나 자동차엔진의 크랭크 케이스도 가능하다. 이 주조법은 자동차, 가정용 전기기구, 정밀기계, 계측기의 케이스등의 제조에 널리 이용되고 있다.

    ◆ 다이캐스트 크기

         다이캐스트기는 보통 급가압실(cold chamber)식 다이캐스트기와 열가압실(hot chamber)식 다이캐스트기로 나뉘는데 후자는 구즈넥(gooseneck)다이캐스트기라고도 불리운다. 급가압실식 다이캐스트기는 Al합금 이상의 용융점이 높은 합금의 주조에 주로 이용된다. 용해로가 다로 있어서 쇳물국자에 용탕을 받아 슬리브 내에 부은 후 플런저(plunger)로 금형내로 밀어 넣게 된다. 열가압실식 다이캐스트기는 주로 Zn합금 이하의 용융점이 낮은 합금의 주조에 이용된다.

    ◆ 주 조

         다이캐스팅에서는 주형이 금형인 동시에 주물의 체적에 대한 표면적의 비가 크므로 주조시간은 극히 짧다. 넓은 주조면적을 단시간에 채우려면 용탕의 유속이 커야 하며 따라서 주입압력을 크게 할 필요가 있다. 용탕의 주입속도가 크면 살결이 좋은 주물을 얻을 수 있으나, 너무 크면 공기를 흡입하여 작은 기공을 만들기 쉬우므로 속도의 조절이 중요하다.
         다이캐스팅에 있어서 주물에 생기는 공간에는 (1)수축에 의한 수축공, (2)주입시 유입되는 공기에 의한 기공, (3) 불충분한 충전에 의한 잉여공간 등 3종류가 있다. 주입압력을 높이면 유입된 공기의 양은 같아도 기공의 부피는 작아지는데 이것은 공기가 주입최종기의 정압에 의하여 압축된 상태로 주물이 응고하기 때문이다. 이 압축된 공기는 종종 주물의 표면에 블리스터(blister, 얇은 피막으로 덮힌 얇은 기공)을 생성시킨다. 한편 주입온도, 주형온도가 높고 용탕의 유속이 크면 국부적으로 용탕이 금형에 융착될 때가 있다. 이를 방지하기 위하여 다이캐스팅용의 이형제(離型濟)가 필요하다. 보통 석유계통의 기름에 흑연가루 또는 Al분말을 포함한 것이나 실리콘 오일등이 사용되며 분사기나 붓으로 주형면에 얇게 바른다.

    ◆ 금 형

         다이캐스트에서의 금형은 주조작업시에 고온 및 고압의 용탕을 받는 일과 수냉을 반복하는 매우 가혹한 상태에서 사용되므로 충분히 견딜수 있는 강재를 써야 한다. 또 정밀도를 유지하면서 장기간의 생산을 가능하게 하기 위하여는 열간강성이 뛰어나야 한다. 한편 금형은 조가한 후 열처리를 하는데 열처리할 때 일어나는 변형을 최대한 작게 하여야 한다. 따라서 금형재료는 공냉으로도 담금질이 가능한 자경강이 주로 사용되며, 열처리 후 경도는 40~50HRC 정도이다. 한편 금형의 설계시에는 많은 지식과 경험이 요구되며, 금형설계에 있어서 고려해야 할 중요한 요소에는 다음과 같은 것들이 있다.

      (1) 금형의 형식: 단일주입형, 복수주입형, 다종복수주입형
      (2) 금형의 분할면: 고정금형과 가동금형의 경계면으로 보통주물의 투영면적이 최대인 곳을 택한다. 금형제작시 기준면이 된다.
      (3) 탕도, 탕구, 배기구멍
      (4) 다이스의 구획과 가이드 핀의 위치
      (5) 코어와 코어를 빼내는 장치
      (6) 압출장치, 냉각장치
      (7) insert 지지법: 인서트란 다이캐스트제품 일부에 미리 제작된 다른 재질의 금속부품을 삽입하여 같이 합쳐서 주조하는 것으로 용탕이 주형공간 내에 들어올 때 인서트가 움직이지 않도록 해야 한다.
      (8) 가공여유
      (9) 리브(rib)와 필렛(fillet)

    또 일반적으로 다이캐스트는 모양이 복잡하고 두께가 얇고 치수가 정밀해야 하므로 금형 내 공간을 설계할 때는 다음과 같은 사항에 유의해야 한다.

      (1) 두께의 균일화
      (2) 용탕의 흐름이 좋도록 할 것.
      (3) 각을 만들지 말 것.
      (4) 급격한 두께변화를 피할 것.
      (5) 교차하는 단면을 만들지 말 것.
      (6) 언더컷(undercut)을 피할 것.
      (7) 마무리작업면을 한쪽으로 집중시킬 것.

    ◆ 애큐래드법(Acurad process)

         애큐래드법은 1966년 미국의 GM사가 발표한 것으로 accurate(정밀), rapid(신속)한 한편 dense(정밀)한 주물을 얻을 수 있는 방법이라는 뜻이 그 이름에 내포되어 있다. 종래의 다이캐스트법과는 달리 두꺼운 탕구를 써서 주물의 두터운 부분으로부터 낮은 압력으로 용탕을 주형공간 안으로 조용히 주입하여, 전진하는 용탕의 앞쪽에 있는 공기, 가스류를 주형공가능로부터 배제하면서 용탕을 주형공간에 채운다. 그 다음에 내부플런저를 작동시켜 주물내부의 응고수축에 대한 용탕을 보급시키는 방법이다.  애큐래드법의 네가지 기본은

      (1) 두꺼운 탕구
      (2) 용탕의 사출속도와 사출?기를 느리게 한다.
      (3) 2단 사출플런저를 사용한다.
      (4) 다이스의 냉각의 조절

         등이다. 실제주조에 있어서 가장 중요한 것은 용탕의 응고수축에 대하여 용탕을 보급하여 주물의 조직을 치밀하게 하는 내부플런저의 작동시기이다. 이 시기는 주형공간 내에 용탕이 충만하고 주물의 표피가 응고하고 이 응고가 슬리브 내의 표면 전체에 이르는 시기이다. 애큐래드법에 의해 만든 주물은 균일 미세한 조직, 용접이 가능, 열처리가 가능, 강도가 크고 내압성이 좋다는 이점이 있다.

    ◆ 다이캐스트용 합금

         다이캐스트법은 용융점이 Cu이하인 합금에 주로 적용되나 가장 많이 이용되는 합금은 Al합금, Zn합금, Mg합금이다.

● 금형주조법

     금형주조는 금속제 주형에 용탕을 중력에 의하여 주입하여 주물을 만드는 방법으로 서 이때의 금형주형을 영구 주형(permanent mold)이라고 한다. 또 다이캐스트법을 압력다이캐스트법이라 하는데 대하여 중력다이캐스트법이라고도 한다. 금형주조는 현재 Al,Mg,Cu등의 비철합금과 주철, 강철을 소재로 한 피스톤, 슬리브, 크랭크케이스, 실린더, 베어링등 기타 일용품의 제조에도 널리 이용되고 있다.

    ◆ 금형주조법의 특징

         금형주조법은 주형재료로서 금형을 사용하므로 다른 주조법에 비하여 많은 특징이 있다.

      (1) 생산성이 높다.
      (2) 작업환경이 좋다.
      (3) 조형면적이 작으며 설비비가 적게 든다.
      (4) 주물의 치수가 정밀하고 표면이 미려하다.
      (5) 주물이 기계적 성질이 양호하다.
      (6) 주물이 건전하고 불량이 적다.

         주물의 기계적 성질이 좋은 것은 주물이 급냉됨으로써 얻어지는 결정립의 미세화, 흡수가스의 강제고용에 의한 핀 홀의 감소 및 내압성의 증가, 방향성 응고에 의한 미세한 수축공의 감소 등의 효과에 기인하는 것이다. 한편 사형주조에 비하여 불리한 점은 다음과 같다.

      (1) 금형의 제작에 시간이 걸리고 금형의 완성 후에도 주입방법이 확립되어 양질의 제품이 얻어질 때까지 시간이 걸린다.
      (2) 제품의 중량이 대개 50kg 정도로 한계가 있다.
      (3) 단속적인 작업에 적합하도록 독자적인 용해설비를 고려하여야 한다.

    ◆ 금 형

         금형재료는 값이 싸고 손쉽게 구할 수 있는 철합금이 사용되나 주입하는 금속에 따라 금형에 요구되는 성질을 인식하여 적절한 재료를 선택하여야 한다. 일반적으로 금형재료에 요구되는 성질은 다음과 같다.

      (1) 내마모성이 클 것.
      (2) 가공성이 좋을 것.
      (3) 열팽창이 작을 것.
      (4) 온도 확산율이 높을 것.
      (5) 고온열파로(高溫熱波勞)에 잘 견딜 것.

         등이다. 이상을 종합해 보면 펄라이트기지의 중간크기의 편상흑연주철, 그 중에서도 Ni-Mo, Cr-Mo을 함유하는 편상흑연주철이 금형으로서 가장 적절하다.

         금형주소시의 금형온도, 주물응고시간, 최대작업속도등은 주물의 두께에 가장 크게 영향을 받는다. 그러나 금형의 두께에도 상당한 영향을 받으므로 금형의 두께를 변화시킴으로써 이들을 어느정도는 제어할 수 있다. 금형의 두께가 두꺼울수록 주형의 냉각속도는 빠르나 주물의 응고시간은 짧다. 주형의 두께를 선정할 때는 제품의 모양, 제품에 요구되는 성질, 조작방식(수동 또는 기계적)의 검토가 필요하나, Al합금의 경우 일반적으로 주물두께의 2-5배 정도로 한다.

    ◆ 주조방법

         작업시작 전에 금형을 손질하고, 다음에는 도장을 한다. 금형표면을 도장하는 목적은

      (1) 주물의 표면결함의 감소
      (2) 금형표면의 소모방지에 의한 수명의 연장
      (3) 금형으로부터 주물이 쉽게 빠지게 함
      (4) 금형에 발생하는 급격한 열응력의 감소
      (5) 금형의 급냉작용의 완화

         등이다. 경합금주물의 경우는 금형의 작용표면에 도형제만 도장해도 충분하나 강철 및 주강주물의 경우는 표면사와 도형제 두 가지를 도장하여야 한다. 표면사와 도형제의 도포가 끝나면 그형을 조립하고 예열한다. 예열의 목적은 용융금속의 응고속도를 늦추는데 있는데 이는 주철주물에 있어서는 급냉에 의한 표면불량을 감소시키며 비철합금주물에 있어서는 복잡하고 얇은 주물의 균열발생을 감소시킨다. 한편 용융금속의 주입온도는 주물의 두께와 모양에 따라 결정해야 하는데 지나치게 고온인 용탕은 금형을 손상시킨다.

         주입 후 주물은 금형 내에 되도록 단시간 유지하였다가 꺼내야 한다. 장시간 두면 금형이 급격히 마모된다. 주철주물의 경우는 대개 850~900℃에서 꺼내며 얇은 주물의 경우는 900~950℃에서 꺼낸다. 금형에서 꺼낸 주물은 건조한 모래 속에 넣어 풀림처리 한다.
     주철주물의 금형주조에서 가장 큰 문제점은 칠(chill)부의 생성이다. 이것을 방지하기 위한 요점은 다음과 같다.

      (1) 화학성분을 정확하게 한다.
      (2) 접종개량주철을 주입한다.
      (3) 내화피복을 위한 금형의 가열은 가열온도, 표면사 및 도형제의 성분, 도포회수등을 정한 주조기술공정에 따라 성실하게 실시한다.
      (4) 주물은 최대한으로 높은 온도에서 꺼내어 건조한 모래 속에 넣어 풀림처리한다.

● 저압주조법

     저압주조법은 밀폐된 용기 내의 용탕면에 비교적 작은 압력을 기체(공기 또는 불활성 가스)에 의하여 가하여 용탕 중에 들어가 있는 급탕관(stock)을 통하여 중력과 반대방향으로 용탕을 밀어올려서 급탕관 위쪽에 설치된 금형에 주입하는 주조법이다. 저압주조장치는 그림 1에서 보는 바와 같이 금형지지, 개폐기구, 용탕보유기구, 공기가압, 제어기구로 이루어져 있다.

그림 1. 저압주조장치의 개략도

     밀폐된 도가니 내에 압력을 제어하여 압축공기를 불어 넣어서 용탕면에 0.2~0.9kg/cm2 정도의 압력을 서서히 가하면 용탕은 급탕관 내를 상승하여 그 위쪽에 있는 주형안으로 밀어올려져 주형 내 공간을 채우게 된다. 소정의 시간 동안 가압한 후 압력을 제거하면 주형 내의 용탕은 응고하여 있으나 탕구부 이한 급탕관 내의 용탕은 용융상태로 있기 때문에 용탕은 다시 도가니로 되돌아가게 된다. 주형은 그 상태대로 어느 정도 유지한 후 냉각을 기다렸다가 열어서 제품주물을 꺼낸다. 그 다음 주형을 청소하고 다시 주형을 조립한 다음 주조작업을 반복한다. 이것이 저압주조의 1사이클이다. 저압주조에 있어서의 주형은 금형주조의 경우와 같이 주로 금형을 사용하고 있으나 쉘주형 또는 흑연주형도 사용가능하다.

    ◆ 저압주조법의 장단점

    <장점>

      (1) 주조회수율이 높다.
      (2) 건전한 주물이 얻어진다.
      (3) 깨끗한 주물이 얻어진다.
      (4) 치수가 정밀하고 표면이 깨끗하다.
      (5) 가공비가 절감된다.
      (6) 용탕주입속도가 광범위하게 자유로이 제어된다.
      (7) 장치 및 조작의 자동제어가 쉽다.
      (8) 비교적 복잡한 모양이거나 얇은 주물, 대형주물 또는 빌렛(billet), 슬랩(slab)등의 주조가 가능하다.
      (9) 설비비가 비교적 적고, 초기경비가 적게 든다.

    <단점>

      (1) 생산성이 별로 좋지 않아 금형제조와 비슷하여 다이캐스트1/3~1/6정도이다.
      (2) 주조할 수 있는 합금의 종류에 제약이 있다.
      (3) 전반적으로 엄밀한 관리가 필요하다.
      (4) 제품의 모양상 중간에 좁은 목이 있으면 아래로부터 용탕이 잘 올라가지 않는다.

    ◆ 알루미늄합금의 저압주조

         저압주조법은 구리합금, 주철 등에도 이용되나 주로 알루미늄합금의 주조에 이용된다.
     알루미늄합금의 경우 적당한 금형온도는 300~400℃이며, 금형 아래쪽이 열원에 가까우므로 자연히 50~100℃정도 높게 되어 방향성응고를 일으키기 좋게 된다. 저압주조법의 주입은 가압탱크의 압력변화와 금형공간 내의 배압과의 상관관계에 의해 결정된다. 배압은 주입속도가 클수록 크나 가스배기가 충분하다면 탱크압에 비하여 무시할 정도가 된다. 따라서 주입과정은 탱크의 압력의 제어만 생각하면 된다.

         가압과정은 크게 3단계로 나뉜다. 제1단계는 가압개시로부터 탕구 직하까지 급탕관 속을 용탕이 상승하는 과정이다. 여기에서는 될수록 용탕온도의 저하를 작게 하고, 또 산화물이나 용탕면의 출렁임에 의한 공기의 혼입이 없는 상태에서 급속히 상승해야 한다. 따라서 주조기의 송풍능력을 최대한으로 이용해야 한다. 제2단계는 용탕이 탕구를 통하여 금형공간 안으로 주입되는 과정이다. 주입속도는 물돌이불량(湯回불량)이 일어나지 않을 만큼은 빠르고 가스혼입 등이 일어나지 않을만큼은 느려야 한다. 제3단계는 주입완료 후의 응고과정으로 압탕효과에 관계되는 가압이다. 이 가압력은 큰 편이 좋으나 너무 크면 가스빼기구멍이 막히거나 도형이 벗겨지게 된다. 특히 사형코어를 쓸 때는 가압력 뿐만 아니라 제2단계에서 제3단계로 이행하는 시기와 가압속도를 제어할 필요가 있다.

● 자경성 주형

     자경성 주형에는 다지기방식의 자경성 주형과 흘려 붓는 방식의 유동자경성 주형이 있다. 유동자경성 주형은 다음 장에서 다루기로 하고 이 장에서는(다지기방식) 자경성 주형에 대하여 설명한다.

     이들은 모두 주형사를 혼합한 뒤 그냥 방치해 두면 경화반응이 진행되어 조형할 때는 충분한 강도를 발휘할 수 없게 된다. 여기서 조형시에 충분한 강도를 발휘할 수 있는 한도 내에서 어느 정도의 시간까지 방치해도 괜찮은가 하는 것을 나타내는 것이 가용시간이다. 

     자경성 주형에서는 가용시간과 경화속도가 가장 큰 문제이다. 경화속도를 빠르게 하고 작업성을 좋게 하면 가용시간은 짧아진다. 대체로 여름에는 겨울보다 경화제를 적게 넣어야 한다.

    ◆ 발열자경성 주형

         이 부류의 주형은 소오다와 물의 반응에 의하여 생성된 NaOH를 금속분말, 금속탄화물분말 등과 작용시켜 이때 발생하는 열을 이용하여 규산소오다를 겔화시켜 주형을 경화시킨다. 따라서 주점결제로는 규산소오다가 사용되나 부점결제로서 규지르콘산소오다, 알루민산소오다 등을 병용하기도 한다. 또 발열반응에 관여하는 금속분말로는 현재 Fe-Si, Ca-Si 등의 규소합금과 Al,Zn, 등이 이용되고 있다. 금속분말로는 NaOH가 반응을 일으킬 때는 반드시  등의 가스가 발생하므로 주형이 경화되었다 하더라도 발열형상이 감지될 때에는 용탕을 주입해서는 안된다.

         이 계열의 주형은 조형 후 주형 자체가 발열하고 경화되므로 가스를 반응시키거나 건조시킬 필요가 없다. 그러나 일단 혼합시킨 주형사를 방치해 두면 방치 중에 발열반응이 일어나 규산소오다가 겔화하므로 주형사의 관리 특히 조형과 주물사 혼합과의 사이의 시간적 문제에 충분히 주의해야 한다, 또 발열반응시 탈수 현상이 일어나서 주형이 수축되므로 모형을 셀계할 때 이 수축량을 고려하여 치수를 결정해 한다.

         이부류의 주형은  주형 후 장기간 방치하여도 강도가 SSI(표면안 정도)의 감소가 없다. 이들 주형은 대체로 주강의 주입온도 이하의 주물에 적용된다.
        한편 표면사는 자경성주형으로, 이면사는 생형으로 조형하는 경우도 상당히 많다.

      (1) N법(N process)
           이 방법은 가장 일찍이 개발된 것으로서 점결제로서 규산소오다, 금속분말로서 Fe-Si를 쓴다. 즉,

       

      로 되어 Si는 산화되어 로 되고 는 분해하여  가스를 발생시킨다. 따라서 반응이 진행됨에 따라가 많아지고 수분은 상실되어 점도가 급격히 증가되고 경화현상이 일어나게 된다. 주형의 강도면에서 보면 규산소오다의 희석솔은 2배 이하인 것이 바람직하고 규산소오다의 양은 약 6%이면 충분하다. Fe-Si의 양은 많을수록 강도가 증가하나 2%정도면 충분하다. 한편 탈수현상에 의한 주형의 수축량은 43/1000 ~ 66/1000mm정도 이다.
      N법주형의 붕괴성은주형보다도 상당히 좋고 건조형,생형보다는 나쁘다. 붕괴성은 규산소오다의 희석률의 증가, 규산소오다의 양의 감소에 따라 크게 좋아지나 Fe-Si 양에는 큰 영향을 받지 않는다.

      (2) H.T법(H.T. process)
           이 방법은 2종류인데, 최초의 H.T.법은 점결제로 규산소오다 및 규지르콘산소오다, 발열용 금속으로서 Al분말을 사용하는 방법이고, 뒤에 개발된 것은 점결제로 규산소오다, 발열용 금속으로 Zn 분말을 이용하는 방법이다.
      전자에서는 규산소오다 및 규지르콘산소오다의 가수분해에 의해 생성된 NaOH가 금속알루미늄과 반응하여 이때의 발열이 구산소오다 등을 겔화시켜 경화된다. 이 방법에서의 기본배합은 규산소오다 5.0%, 규지르콘산소오다 등을 2.5%,Al 0.8%이다. 이 경우 모래혼합은 8분 내에 끝내야 주형의 경화강도가 없어지지 않는다. 따라서 혼사기는 심프슨(Simpson)형보다도 혼사속도가 빠른 것이 바람직하다. 또 가용시간은 10분정도로 역시 짧다. 가용시간을 방치에 의하여 강도가 20% 저하할 때까지의 시간이라 규정해 보면 기본배합의 경우 10분 정도이고, 또 SSI로 생각해 보더라도 실제상 문제가 없는 것은 90%까지이므로 가용시간은 10분 정도가 된다. 따라서 모래혼합 후 10분 이내에 그것을 모두 사용할 수 있는 조형공정을 고려해야 한다. 이 조형의 붕괴성은 대단히 양호하며 또 가열 후 물로 씻은 조형사는 재사용이 가능하다.
      후자의 기본배합은 규산소오다 5.0% 아연분말 0.8%이다. 규산소오다의 비중이 1.52일 때 경화강도가 가장 크므로 이것을 표준으로 삼고 있다. 모래입자 속에 수분이 들어 있으면 수분량의 증가에 따라 경화강도, 특히 초기경화강도가 떨어지므로 적을수록 좋다. 또 가용시간은 15분 정도이다. 한편 최대 열간강도는 비중에 따라 달라서 비중 1.52일 때 가장 크며, 붕괴성은 대체로 비중이 작은 것이 좋다.

      (3) H법(H process)
           이 방법은 점결제로 알루민산소오다를 함유하는 규산소오다를 경화제로써 ,활성 등의 혼합물을 사용하여 1차경화는 발열에 의하여, 2차경화는 무발열로 진행되는 조형법이다. 이 방법에서는 발열량이 비교적 적으므로 경화 후 잔류수분이 앞의 두 가지 방법에 비하여 약간 많게 된다. 경화현상은 점결제의 양이 일정할 경우에는 경화제의 양이 많을수록 초기경화강도가 크나 24시간 이후의 강도는 역으로 경화제가 많을수록 강도증가율이 완만해진다. 이 방법의 기본배합은 규사 100에 대하여 점결제 6, 경화제 4의 비율이다. 경화제는 여름에는 2.5정도, 겨울에는 5정도로 변화시켜 준다. 이상과 같은 배합의 경우 가용시간은 1시간 정도이다.

 

    ◆ 비활성 자경성 주형

         이 부류의 주형은 점결제로 배합한 규산소오다를 열에 의하지 않고 실온에 방치한 상태에서 경화하여 주형이 필요로 하는 강도를 갖게 하는 주형이다. 경화제로는 슬래그류, 인산염,황산반토, 규불화소오다 등이 공업적으로 주로 사용되고 있다.

      (1) 규산소오다-슬래그계 자경성 주형
           이 계열의 주형은 현재로는 비활성자경성 주형의 중심이 되고 있으며 경화제로서 슬래그(또는 시멘트)를 사용하므로 가격이 싸다.
           주형의 경화강도는 규산소오다의 몰비의 증가와 함께 증가한다. 규산소오다액의 온도가 높아지면 경화 및 강화속도가 빨라지나 가용시간은 짧아진다. 또 규산소오다의 농도가 높아지면 강도가 커지고 2CaO·SiO2 량의 증가와 함께 강화속도가 빨라진다. 한편 이 주형은 비발열자경성 주형의 일반적인 특성과 같이 발열에 의해 경화하지 않으므로 발열자경성 주형에 비해 잔류수분이 많다. 따라서 주형강도가 단시간에 나타난다 하더라도 주형을 24시간 방치한 후 주입하는 것이 좋다.

      (2) 기타의 비발열자경성 주형
           규산소오다 - 규불화 소오다계 자경성 주형은 점결제로 규산소오다 4∼8%, 경화제로 불규화소오다(Na2SiF6) 0.1∼0.2%를 첨가하는 것으로 경화제첨가량이 적은 것이 특징이다.
           규산소오다 - 인산염() 자경성 주형은 점결제로 규산소오다 5% 내외, 경화제로 인산염 3% 내외를 사용하는 방법이다. 이 주형사의 가용시간은 2시간 정도로 긴 것이 특징이다.
           규산소오다 - 황산반토계 자경성 주형은 점결제로 규산소오다, 경화제로 무수황산반토[Al2(SO4)3]를 사용하는 것이다. 보통 규산소오다량은 7% 정도, 경화제량은 1.5%정도이다. 가용시간은 겨울에는 100분 정도로 기나 여름에는 20분 정도이다. 또 조형 후 보통 4∼5시간에 CO2 주형 정도의 강도에 도달한다. 잔류수분은 상당히 높으나 실제 주조에 있어서는 그 영향은 거의 없다. 또 경화제량이 증가할수록 잔류강도는 떨어져 붕괴성이 좋아진다.

    ◆ 그밖의 자경성 주형

         최근 규산 소오다, 시멘트, 기름, 수지 등을 점결제로 하지 않는 자경성 주형이 개발 되고 있는데 이에 대하여 기술한다.

           (1) 인산자경성 주형은 점결제로 인산알루미늄 [Al(H2PO4)], 경화제로 알루미늄분말을 사용하는 자경성 주형이다. 일반적으로 점결제량은 5∼6%, 경화제량은 0.25% 정도이다. 또 여기에 사용되는 산성 인산알루미늄은 공업용 50% Al(H2PO4) 이다. 이 주형은 급열 가열시 균열이 발생할 우려가 있으므로 유의해야 한다. 한편 붕괴성은 극히 우수하다.

           (2) 용광로슬래그주형은 점결제로 용광로슬래그를 사용하는 방법이다. 2CaO·SiO2 보다 의 몰비가 작은 염기성 용광로슬래그는 그 자체로는 수경성이 없으나 자결제와 공존하게 되면 수경성이 생기게 된다. 자격제로는 NaOH, KOH가 가장 좋고, MgCO3, Ca(OH)2, 리그닌 등이 그 다음이다. 보통은 슬래그량 10%, NaOH 0.5%, 0.5%정도이다. 이 조성의 경우 수분은 5∼7% 가 적당하며 그보다 많거나 적으면 24시간 후의 강도가 크게 떨어진다. 또 고사의 사용량은 40%일 때 강도저하가 가장 크고 그보다 많거나 적으면 강도, SSI의 저하는 거의 없다. 가용시간은 1시간 정도이고 도형제는 수용성 도형제로 족하다. 붕괴성은 당밀을 경화제로 사용한 시멘트형과 비슷하며 주형에 비하면 상당히 좋다.

           (3) 석회주형법은 가스 경화수지법이라고도 하며, 점결제로 석회 및 수지를 사용하며 조형 후 가스를 취입하여 경화시키는 방법이다. 따라서 순수한 의미에서의 자경성 주형은 아니라고 볼 수도 있다. 여기에 사용하는 수지는 수용성으로 현재로는 폴리아크릴산 에스테르 암모늄의 부분 비누화물과 수용성페놀이 사용되고 있다.

● 유동자경성 주형

     유동자경성 주형은 조형할 때 다지거나 압착할 필요가 없이 그림형태의 슬러리를 플라스크 내에 유입하여 어느 정도 경화했을 때 빼내어 그 후 더욱 경화시키는 방법이다. 따라서 조형이 매우 쉽다.

     이 주형에 사용되는 슬러리(slurry)는 될수록 수분량이 적으면서 충분한 유동성을 가져야 한다. 이 유동성을 부여하기 위하여 계면활성제를 첨가한다. 계면활성제에는 양이온계,음이온계, 비이온계의 세가지가 있으며 같은 계열 중에도 대단히 많은 종류가 있다. 이들 계면활성제를 선정할 때는 점결제를 고려해야 한다. 예를 들어 규산소오다를 점결제로 할 경우에는 발포력이나 기포소멸시간의 면에서 볼 때 양이온계,음이온계,비이온계의 순서이다.실제로는 양이온계와 음이온계가 서로 반반으로 채용되고 있다. 유동성은 위와 같이 계면활성제의 종류에 따라 변화하나,혼연기에 의한 영향도 현저하다. 즉 유동자경성 주형사를 혼합할 때 모래와 다른 첨가물을 균일하게 혼합시키는 것도 중요하나, 이와 동시에 발포를 시키는 것도 중요하다.  따라서 공기가 혼입되기 쉬운 조건에서 혼련할 필요가 있다. 만일 혼련기가 부적당하면 계면활성제가 아무리 적당해도 유동성은 충분히 부여되지 않는다.

     현재 사용되고 있는 유동자경성 주형은 점결제에 따라 나누면 규산소오다계, 시멘트계, 기타로 되는데 여기서는 규산소오다계에 대해서만 알아보기로 한다. 규산소오다계 유동자경성 주형에는 상온에서 경화되는 것과 발열에 의해 경화되는 것이 있다.

    ◆ 비발열유동자경성 주형(FS 법)

         이 주형의 대표적인 것은 소련의 FS법으로 이것은 모래소서 규사, 크롬 마그네사이트, 점결제로서 규산소오다, 경화제로서 2CaO·SiO2를 사용하고 여기에 유동성을 주기 위하여 발포제를 첨가하는 방법이다. 즉 앞에서 기술한 규산소오다-슬래그계 자경성 주형에 계면활성제를 가하여 유동성을 준 것이라 볼 수 있다. 경화제로는 2CaO·SiO2를 함유하는 네페린 슬라임, 평로 슬래그,용광로 슬래그, 페로망간 슬래그, 마그네슬래그,시멘트 등이 있다. FS법의 주형재료의 배합비는 규사 100에 대하여 규산소오다(mol 비 2.9) 6, 경화제 5∼7,발포제 0.1∼0.3, 물 1.5 정도이다.

         유동자경성 주형사는 유동성이 좋아야 하는데 이 유동성은 규산소오다에 계면활성제를 첨가함으로써 표면장력이 저하하고, 또 계면활성제 첨가에 의해 생성된 기포가 볼베어링과 같은 역할을 하기 때문에 좋아진다고 알려져 있다. 따라서 계면활성제의 종류와 양에 영향을 크게 받으며, 그밖에 수분량, 규산소오다의 성질과 양 등에 영향을 받는다. 대개 유동성은 활성제의 양, 수분량, 규산소오다의 양의 증가에 따라 증가하는 경향이 있으며, 경화제의 양에 대해서는 어느 한도(보통6%내외)까지는 그 양의 증가에 따라 유동성이 증가하나 그 이상에서는 감소한다.

         유동자경성 주형에서는 기포발생량과 유동성이 반드시 일치하지는 않으나 밀접한 관계가 있어서, 유동성이 좋은 것은 기포가 많게 되어 확률이 감소되어 결국 강도가 저하된다.실험보고에 의하면 활성제와 수분첨가량이 증가하고 유동성이 증가함에 따라 경화강도는 저하한다고 한다. 그러나 규산소오다량의 영향은 경화제가 6~7%인 경우에는 현저하지 않았다. 유동성 증거에 따른 경화강도의 저하는 경화제를 이용,조형 후 기포를 소멸시킴으로써 해결해야 한다. FS 주형재료의 최적혼련시간은 수분함량에 따라 약간씩 길어지나 대개 2∼5분 정도이며 가용시간은 3∼5분 정도이다. 조형 후 30∼40분 후에 모형을 빼내고 3시간 후에 주입한다. 조형할 때 가장 중요한 것은 모형의 이형성이다. 이형제로는 아마인유나 페놀수지계통이 이용된다. 모형의 빼내기경사는 주형의 경화시간이 길수록 크게 할 필요가 있다. 한편 도형제는 주철용의 경우는 휘발성 흑연도형, 주강용의 경우는 발성 지르콘도형을 하고 있다.

    ◆ 발연유동자경성 주형(유동 N-process)

         이 계열의 주형으로 현재 개발된 것은 유동 N 법으로서 종래의 N 법에 계면 활성제를 첨가하여 유동성을 준 방법이다. 첨가하는 계면활성제는 발연반응을 방해하지 않는 종류라야 하며 그 첨가량은 0.075∼0.1%로 충분하다. 실험에 의하면 활성제첨가량이 0.1%일 때 Fe-Si 량은 4%로 충분하고, 규산소오다의 몰비는 1.5 정도가 양호하며 전체 수분량은 7% 정도로 충분하다.

         유동 N 법의 가용시간은 경화촉진제, 수분량 등에 따라 10∼60분 사이에서 조절이 가능하며 도형은 수성도형으로 충분하다. 이 주형의 800∼1,000℃에 있어서의 잔류강도는 보통 N 법의 절반 정도로 붕괴성이 대단히 좋고 모래털기가 손쉽다. 한편 이 주형은 발열반응시에 수소가스가 발생하므로 산화되었다 하더라도 발열 중에 주입하는 것은 절대로 피해야 한다.

● 공기경화주형(air setting mold)

     공기경화주형법이라는 것은 점결제에 적당한 경화제를 첨가하여 상온에서 경화반응을 화학적으로 촉진시켜, 주형을 경화시키는 방법으로서, Croning이 발명한 쉘주형처럼 가열하지 않고도 경화한다. 공역2중결합을 갖는 지방산을 주성분으로하는 점결제는 적당한 경화제에 의하여 공기중의 산소를 흡수하여 상온에서 경화하므로 공기경화라고 하고, 푸란수지 및 페놀주시 등의 합성유기점결제에 적당한 경화제를 첨가하면 상온에서 중합이 진행되어 경화하므로 상온경화라고 한다.

    ◆ 공기경화주형의 특징

    (1) 소성을 필요로 하지 않으므로 생산성이 높을 뿐 아니라 코어나 주형의 변형이나 균열을 방지할 수 있다.
    (2) 경화촉매의 첨가량을 변화시킴으로써 상당히 넓은 범위로 사용가능시간, 경화시간을 조절할 수 있다.
    (3) 주입 후 붕괴성이 대단히 좋아서 마무리 작업의 시간을 크게 단축할 수 있다.
    (4) 상온에서 경화하므로 주형이나 코어의 치수정밀도가 높다.
    (5) 탕경(cold shut), rat tail, scab 등의 주조결함이 특히 적고, 배합사 중에 수분이 없으므로 수분에 의한 결함이 발생하지 않는다.
    (6) 다지는 회수가 적어도 되므로 모형의 손상이 적다.
    (7) 주형의 강도가 크므로 코어의 심금(心金)이 절약된다.

◆ 공기경화점결제

      현재 실용되고 있는 점결제에 대해 설명한다.

    (1) 요소푸란수지
          a) 요소저푸란수지 - Al, Mg 계 주물용

          b) 요소중푸란수지 - 얇은 주철주물용
          c) 요소고푸란수지 - 두꺼운 주철, 청동 및 얇은 주강용
          d) 전푸란수지 - 주강용

    (2) 페놀 푸란수지 : 요소푸란수지는 고온에서 열분해할 때 N2 가스를 발생하여 주강용으로 쓰이는 경우 가끔 핀 홀의 원인이 되므로 주강용으로 페놀푸란수지가 개발되어 이용된다.
    (3) 페놀수지 : 액상의 페놀수지는 산촉매에 의하여 상온경화하므로 페놀수지 본래의 내열성 때문에 주강용으로 주로 이용.
    (4) 변성건성유 : 건성유의 주성분은 공역이중결합을 가진 올레이산, 리놀산 및 니로렌산이다. 리놀산의 경우 산화촉매로서 나프텐산코발트를 산소공급원으로서 과붕산소오다를 첨가하면 상온에서 2-3시간만에 경화된다. 이 산화중합반응이 점점 진행되면 액상의 유지는 고상으로 경화한다.
    (5) 리그닌 : 펄크폐액인 리그닌을 이용하여 이것에 중크롬산소오다와 시멘트를 적당량 혼합하여 리그닌의 겔화와 시멘트에 의한 탈수반응에 의하여 주형을 상온에서 경화시키는 방법이다.

● 인베스트먼트 주조법(Investment casting=lost wax법)

     인베스트먼트주조법은 보통의 사형주조의 모형에 해당하는 것을 가융 또는 가용성의 재료로 만들고, 이것에 슬러리(slurry)상태의 주형재료를 씌워 외형을 만든 후 모형을 용융시켜 제거함으로써 아무리 복잡한 주형이라도 분할람이 없이 또 모형을 뽑아 내는 일없이 조형할 수 있다는데 특징이 있다.

     기계가공이 불가능한 재질이나 모양의 제품생산, 고융점합금의 주형에 널리 쓰이어 자동차부품, 재봉틀부품, 공구, 사무기기부품, 총기류 특히 가스 터어빈 및 제트 엔진부품의 제조에 주로 응용되고 있다. 그러나 치수정밀도나 표면의 평활도는 우수하나 생산성이 높지 못하고 원가가 비싸다.

    ◆ 기본공정

         인베스트먼트주형법의 기본공정은 다음과 같다.

      (1) 만들고자 하는 모양의 모형제작용 금형을 만든다.
      (2) 금형에 왁스를 사출기에 의하여 압입 응고시킨다.
      (3) 왁스모형을 여러 개 단위로 탕도, 압탕 등에 붙여 조립한다. 이 조립한 것을 트리(tree)라 한다.
      (4) 미분의 내화물과 점결제를 혼합한 슬러리에 크리를 담궜다가 꺼낸 다음, 슬러리가 마르기 전에 다소 긁은 내화물 모래를 그 위에 뿌려준다(stuccoing). solid 주형법에서는 이것을 주형틀에 넣고 그 주위를 동일의 내화재로 채우며, 근래에 주로 이용되는 세라믹 쉘(ceramic shell) 주형법에서는 슬러리에 담그는 과정과 stuccoin을 여러번 반복하여 내화물층을 두껍게 한다. 이 전체과정을 coting 또는 investmenting이라 한다.
      (5) 100~120℃로 가열하여 모형을 유출시킨다.
      (6) 800~1,100℃에서 주형을 소성시킨다.
      (7) 용융금속을 주입한다.

    ◆ 주형제작

         모형에 내화물을 피복시키는 코팅 또는 인베스팅재료는 크게 점결제와 내화재로 나뉜다. 점결제로는 콜로이달 실리카점결제와 가수분해된 에틸실리케이트점결제가 가장 많이 이용된다. 일반제조업체에서는 제1,2차피복인 초기피복(precoat)에는 콜로이달 실리카점결제를 쓰고 3차부터 최종피복(보통7-10차)까지의 백업피복(backup coat)에는 에틸실리케이트점결제를 많이 사용한다. 에틸실리케이트의 가수분해는 쇼우주형법(shaw process)에서 다룬다. 내화제로는 지르콘, 용융실리카, 고알루미나, 실리머나이트등이 이용되는데 초기피복용 실러리에는 200~300 메시의 지르콘 분말 또는 지르콘과 용융실리카의 혼합분말이 주로 쓰이고 백업피복용 슬러리에는 200~300메시의 분말과 60~80메시의 고알루미나가 많이 쓰인다. 백업피복 후 주형을 경화시키는 방법에는 공기강제 송풍에 의한 경화법과 암모니아 가스 또는 이의 공기와의 혼합기체에 의한 급속경화법이 있다.

    ◆ 다른 정밀주조법과의 비교
          인베스트먼트주조법은 정밀주조법의 대표적인 방법으로서 때로는 단순히 정밀주조법이라고 불린다. 다음의 표는 다른 정밀주조법과 인베스트먼트주조법을 비교한 것이다.

● 쇼우주조법(shaw process)

     쇼우주조법은 일종의 정밀주조법으로서 영국의 고고학자인 N. Shaw 및 C. Shaw 형제가 로마시대 유물을 복제하기 위하여 수축하지 않고 통기성이 좋은 정밀내화물 주형으로서 개발한 것이다. 이 방법의 가장 특이한 점은 생형주형의 표면을 급열가열함으로써 미세한 잔금(hair crack)을 균일하게 생성하게 하여 주형을 건조할 때 일어나는 주형의 수축을 방지함과 동시에 통기성을 좋게 한다는 점이다. 이 주형이 갖는 장단점은 다음과 같다.

    (1) 복잡한 모양이나 곡면도 잘 나온다.
    (2) 크기에 제한이 없다.
    (3) 모형재료에 제한이 없다.
    (4) 치수가 정밀하고 주물표면이 아름답다.
    (5) 용탕주입시 열팽창에 의한 주형의 변형이 거의 없다.
    (6) 인베스트먼트주형법과 달리 분할형이다.
    (7) 다량생산이 어렵다.
    (8) 주형재료비가 비싸다.
    (9) 고온소성이 필요하다.

    이 주형은 각종 기어류, 라이너 등 정밀주조품과 다이스용, 프레스용, 쉘주형용, 플라스틱용 등의 각종 금형제작에 이용되고 있다.

    ◆ 조 형

         쇼우주형에는 전쇼우(all shaw)주형과 백업 쇼우(backup shaw)주형 두가지가 있다. 전쇼우법의 조형법은 다음과 같다. 우선 모형을 주형틀 안에 놓고 슬러리를 붓고 경화도중 아직 탄력성이 남아 있는 시점에서 모형을 빼어낸 다음 주형표면에 휘발방지제를 바른다. 그 다음 가스 버너로 주형표면을 급열가열하여 1차소성 시킨 후 800~1,000℃로 가열된 로 중에서 7~8시간 2차소성시켜 완전한 쇼우주형을 만든다.

● 기타의 특수주조 및 특수 주형법

◆ 고압응고주조법

     고압응고주조법은 주형 내에 주입된 금속에 용융 또는 반용융상태로부터 응고가 완료될 때까지 기계적인 고압력을 가하면서 제품을 성형하는 방법을 말한다. 이 주조법은 가압할 때 용탕이 이동하지 않는 플런저가압응고법(pressure crystallization casting)과 용탕이 상대적인 이동을 하는 압입용탕단조법(extrusion casting)으로 나뉜다. 전자는 ingot 나 비교적 모양이 단순하고 두꺼운 주물의 제조에 적합하고 후자는 얇은 제품의 주조에 적당하다.
 고압응고주조법의 장점은 다음과 같다.

(1) 수축공, 미세기공 등의 주조결함을 배제
(2) 잔류가스에 의한 악영향의 배제
(3) 조직의 미세화, 균질화 및 고밀도화
(4) 주물표면이 곱고 윤곽이 뚜렷함
(5) 회수율의 개선

     기계적 성질에 미치는 가압효과는 기공의 제거와 공정조직등의 미세화가 주원인으로 생각된다. 따라서 Al-Si 계와 같이 비교적 큰 공정이 무질서하게 존재하는 합금계, 또는 Al-Mg 계, Cu-Sn 계와 같이 응고온도범위가 커서 보통의 주조법에서는 미세기공을 배제할 수 없는 합금계에는 특히 유효하여 기계적 성질, 특히 연율이 현저하게 증가한다. 또 가압에 의하여 주물의 표면과 내부의 성질의 차이가 없게 된다. 한편 현재 고압응고주조법에 의해 생산되고 있는 합금은 Al합금, Cu합금 이외에 주철, 주강, 스테인레스강 등이 있다.

◆ 진공주조법

(1) 진공기술을 주조에 이용하는 방식에는 다음과 같은 세가지가 있다.

 (a) 진공용해 -> 진공주조
                    -> 대기 또는 분위기주조
 (b) 대기용해 -> 진공주조
 (c) 대기용해 -> 진공처리 -> 대기 또는 분위기주조
                    -> 진공주조

     여기서 진공주조라 함은 용해는 대기 중에서 하고 주조는 진공하에서 하는 것을 말하고 진공처리라 하는 것은 대기 중에서 용해한 용탕을 래들에 받을 때 또는 받은 후에 진공상태로 처리한 다음 진공 또는 대기 중에서 주조하는 것을 말한다. 위의 세가지 방식 중 (a)은 무게 1,000kg 이하의 소규모의 경우에 적용하여 주로 Cr, Ni, Co등을 주체로 하는 초합금(super-alloy), 각종 전자성재료, 특수고합금강, 원자력용 등 또는 Ti, Zr, Mo, W 등의 용융제조에 이용된다. (b),(c) 방식은 대규모로 할 수가 있어서 주로 철강관계에 이용된다. 이들 각종 방식들은 공통적으로

 (a) 수소, 산소, 질소 등 유해가스성분을 제거할 수 있다.
 (b) 유해한 불순원소를 제거할 수 있다.
 (c) 진공처리에 의해 정속반응이 촉진된다.
 (d) 제품의 기계적 성질이 향상된다.
 (e) 활성금속의 용융제조가 가능하다.

(2) 진공처리방법

     금속을 진공 중에서 용해, 주조함으로써 기대할 수 있는 성질이나 품질의 향상은 현저하다. 그러나 실제문제에 있어서는 일반주조품을 진공주조하는 것은 ingot를 만드는 경우에 비해 상당히 제약을 받는다. 즉 진공탱크 등에 주물사로 만든 주형을 넣어 주입하는 것은 많은 문제가 있으며 특히 대형의 경우는 더욱 어렵다. 또 비철금속에 대해서는 진공주조를 대규모로 실시하지 않아서 철강의 대기용해->진공처리->대기 또는 불활성가스 중의 주입이 대종을 이루고 있다.
     진공처리후 주조할 강괴는 보통 주입한 것에 비해 수소, 산소, 질소량이 낮고 제품의 내외부의 차이가 없다. 수소는 35~60%, 질소는 10~15% 제거된다. 기계적 성질은 인장강도, 연마율과 단면수축율등이 향상된다. 또 저온충격치도 개선된다.

◆ 풀 몰드(full mold) 법 (FM process)

     풀 몰드법은 모형으로 소모성인 발포 폴리스티렌 모형을 쓰며 조형 후 모형을 빼내지 않고 주물사 중에 매몰한 그대로 용탕을 주입하여 그 열에 의하여 모형을 기화시키고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만드는 방법으로서 다음과 같은 특징을 갖는다.

(1) 모형을 분할하지 않는다.
(2) 모형을 빼내는 작업이 불필요하다. 따라서 모형에 경사가 불필요하며 역경사인 경우라도 무방하다.
(3) 코어를 따로 만들 필요가 없다.
(4) 모형의 제조나 가공이 용이하며 변형이나 보수 및 보관의 어려움이 없다.
(5) 작업공수와 불량률이 적으며 원가가 절감된다.

     모형은 원하는 모형과 크기를 가진 Al제 금형 속에 작은 비이드(bead)상태의 원료를 폴리스티렌을 넣고 가열에 의해 팽창시켜 성형한다. 이때 그 팽창배율은 40~50배가 알맞으며 이 값이 클수록 가스발생량은 적어지나 경도가 떨어진다.
     주조방안으로는 하주법을 채용하는 것이 바람직하고 압탕은 맹압탕(blind riser)을 채택한다. 주입온도는 보통의 주입온도보다 약간 높아야 한다. 가장 중요한 것은 주입속도인데 가스가 용탕이나 주형벽으로부터 빠져나가지 못하면 결함이 생기게 되기 때문이다.

◆ 마그네틱주형법(Magnetic molding process)

     마그네틱주형법은 풀 몰드법의 한 응용법이라 볼 수 있다. 즉 모형을 발포 폴리스티렌으로 만들고 이것을 용탕의 열에 의하여 기화, 소실시키는 점은 풀 몰드법과 같으나 모래입자 대신에 강철입자를 사용하며 점결제 대신에 자력을 이용하는 방법이다. 따라서 모래, 점토, 물을 배합하여 조형하던 종래의 모래주형과는 개념이 완전히 다르다. 조형재료는 자성체이면 모두 사용가능하므로 강철입자 대신 산화철을 쓸 수도 있다. 마그네틱주형법은 조형이 빠르고 손쉬우며 조형가가 싸다. 주형재료가 간단하고 내구성을 가지므로 주물사의 처리, 보관등에 문제가 별로 없으며 주형 자체의 통기도도 좋은 장점이 있다.

◆ 감압주형주조법(V-process)

     감압주형주조방법은 점결제와 수분을 첨가하지 않은 건조한 모래를 플라스틱 필름으로 둘러싸고 그 내부를 특수하게 만든 주형상자에 의해 감압시킴으로써 제조하고자 하는 모양을 주입 후까지 유지하고, 용융금속이 응고한 다음에는 감압상태를 제거함으로써 간단하게 주형을 붕괴, 탈사할 수 있는 방법이다. 이방법은 종래보다 표면이 매끈하고 치수가 정확한 주물을 생산할 수 있고 주형재료의 절약으로 경제적이며 또한 주물공장에서의 위험성과 공해를 최소한으로 줄여준다.

    감압주형주조법에서는 탕구계의 설계에 주의를 기울여야 하는데 이는 용탕이 완전히 주형공간을 채우기 전에 플라스틱 필름이 타거나 소실되어서는 안되기 때문이다. 압탕의 설계도 중요한데 압탕은 주입초기에는 가스의 배출구가 되고 그 후에는 외부의 공기를 끌어들여 주형이 정압상태에 있도록 하여 주형이 붕괴되는 것을 방지한다.

● 기타의 특수주조 및 특수 주형법

    ◆ 고압응고주조법

         고압응고주조법은 주형 내에 주입된 금속에 용융 또는 반용융상태로부터 응고가 완료될 때까지 기계적인 고압력을 가하면서 제품을 성형하는 방법을 말한다. 이 주조법은 가압할 때 용탕이 이동하지 않는 플런저가압응고법(pressure crystallization casting)과 용탕이 상대적인 이동을 하는 압입용탕단조법(extrusion casting)으로 나뉜다. 전자는 ingot 나 비교적 모양이 단순하고 두꺼운 주물의 제조에 적합하고 후자는 얇은 제품의 주조에 적당하다.
     고압응고주조법의 장점은 다음과 같다.

      (1) 수축공, 미세기공 등의 주조결함을 배제
      (2) 잔류가스에 의한 악영향의 배제
      (3) 조직의 미세화, 균질화 및 고밀도화
      (4) 주물표면이 곱고 윤곽이 뚜렷함
      (5) 회수율의 개선

         기계적 성질에 미치는 가압효과는 기공의 제거와 공정조직등의 미세화가 주원인으로 생각된다. 따라서 Al-Si 계와 같이 비교적 큰 공정이 무질서하게 존재하는 합금계, 또는 Al-Mg 계, Cu-Sn 계와 같이 응고온도범위가 커서 보통의 주조법에서는 미세기공을 배제할 수 없는 합금계에는 특히 유효하여 기계적 성질, 특히 연율이 현저하게 증가한다. 또 가압에 의하여 주물의 표면과 내부의 성질의 차이가 없게 된다. 한편 현재 고압응고주조법에 의해 생산되고 있는 합금은 Al합금, Cu합금 이외에 주철, 주강, 스테인레스강 등이 있다.

    ◆ 진공주조법

    (1) 진공기술을 주조에 이용하는 방식에는 다음과 같은 세가지가 있다.

       (a) 진공용해 -> 진공주조
                          -> 대기 또는 분위기주조
       (b) 대기용해 -> 진공주조
       (c) 대기용해 -> 진공처리 -> 대기 또는 분위기주조
                          -> 진공주조

         여기서 진공주조라 함은 용해는 대기 중에서 하고 주조는 진공하에서 하는 것을 말하고 진공처리라 하는 것은 대기 중에서 용해한 용탕을 래들에 받을 때 또는 받은 후에 진공상태로 처리한 다음 진공 또는 대기 중에서 주조하는 것을 말한다. 위의 세가지 방식 중 (a)은 무게 1,000kg 이하의 소규모의 경우에 적용하여 주로 Cr, Ni, Co등을 주체로 하는 초합금(super-alloy), 각종 전자성재료, 특수고합금강, 원자력용 등 또는 Ti, Zr, Mo, W 등의 용융제조에 이용된다. (b),(c) 방식은 대규모로 할 수가 있어서 주로 철강관계에 이용된다. 이들 각종 방식들은 공통적으로

       (a) 수소, 산소, 질소 등 유해가스성분을 제거할 수 있다.
       (b) 유해한 불순원소를 제거할 수 있다.
       (c) 진공처리에 의해 정속반응이 촉진된다.
       (d) 제품의 기계적 성질이 향상된다.
       (e) 활성금속의 용융제조가 가능하다.

    (2) 진공처리방법

         금속을 진공 중에서 용해, 주조함으로써 기대할 수 있는 성질이나 품질의 향상은 현저하다. 그러나 실제문제에 있어서는 일반주조품을 진공주조하는 것은 ingot를 만드는 경우에 비해 상당히 제약을 받는다. 즉 진공탱크 등에 주물사로 만든 주형을 넣어 주입하는 것은 많은 문제가 있으며 특히 대형의 경우는 더욱 어렵다. 또 비철금속에 대해서는 진공주조를 대규모로 실시하지 않아서 철강의 대기용해->진공처리->대기 또는 불활성가스 중의 주입이 대종을 이루고 있다.
         진공처리후 주조할 강괴는 보통 주입한 것에 비해 수소, 산소, 질소량이 낮고 제품의 내외부의 차이가 없다. 수소는 35~60%, 질소는 10~15% 제거된다. 기계적 성질은 인장강도, 연마율과 단면수축율등이 향상된다. 또 저온충격치도 개선된다.

    ◆ 풀 몰드(full mold) 법 (FM process)

         풀 몰드법은 모형으로 소모성인 발포 폴리스티렌 모형을 쓰며 조형 후 모형을 빼내지 않고 주물사 중에 매몰한 그대로 용탕을 주입하여 그 열에 의하여 모형을 기화시키고 그 자리를 용탕으로 채워 주물을 만드는 방법으로서 다음과 같은 특징을 갖는다.

      (1) 모형을 분할하지 않는다.
      (2) 모형을 빼내는 작업이 불필요하다. 따라서 모형에 경사가 불필요하며 역경사인 경우라도 무방하다.
      (3) 코어를 따로 만들 필요가 없다.
      (4) 모형의 제조나 가공이 용이하며 변형이나 보수 및 보관의 어려움이 없다.
      (5) 작업공수와 불량률이 적으며 원가가 절감된다.

         모형은 원하는 모형과 크기를 가진 Al제 금형 속에 작은 비이드(bead)상태의 원료를 폴리스티렌을 넣고 가열에 의해 팽창시켜 성형한다. 이때 그 팽창배율은 40~50배가 알맞으며 이 값이 클수록 가스발생량은 적어지나 경도가 떨어진다.

         주조방안으로는 하주법을 채용하는 것이 바람직하고 압탕은 맹압탕(blind riser)을 채택한다. 주입온도는 보통의 주입온도보다 약간 높아야 한다. 가장 중요한 것은 주입속도인데 가스가 용탕이나 주형벽으로부터 빠져나가지 못하면 결함이 생기게 되기 때문이다.

    ◆ 마그네틱주형법(Magnetic molding process)

         마그네틱주형법은 풀 몰드법의 한 응용법이라 볼 수 있다. 즉 모형을 발포 폴리스티렌으로 만들고 이것을 용탕의 열에 의하여 기화, 소실시키는 점은 풀 몰드법과 같으나 모래입자 대신에 강철입자를 사용하며 점결제 대신에 자력을 이용하는 방법이다. 따라서 모래, 점토, 물을 배합하여 조형하던 종래의 모래주형과는 개념이 완전히 다르다. 조형재료는 자성체이면 모두 사용가능하므로 강철입자 대신 산화철을 쓸 수도 있다. 마그네틱주형법은 조형이 빠르고 손쉬우며 조형가가 싸다. 주형재료가 간단하고 내구성을 가지므로 주물사의 처리, 보관등에 문제가 별로 없으며 주형 자체의 통기도도 좋은 장점이 있다.

    ◆ 감압주형주조법(V-process)

         감압주형주조방법은 점결제와 수분을 첨가하지 않은 건조한 모래를 플라스틱 필름으로 둘러싸고 그 내부를 특수하게 만든 주형상자에 의해 감압시킴으로써 제조하고자 하는 모양을 주입 후까지 유지하고, 용융금속이 응고한 다음에는 감압상태를 제거함으로써 간단하게 주형을 붕괴, 탈사할 수 있는 방법이다. 이방법은 종래보다 표면이 매끈하고 치수가 정확한 주물을 생산할 수 있고 주형재료의 절약으로 경제적이며 또한 주물공장에서의 위험성과 공해를 최소한으로 줄여준다.

        감압주형주조법에서는 탕구계의 설계에 주의를 기울여야 하는데 이는 용탕이 완전히 주형공간을 채우기 전에 플라스틱 필름이 타거나 소실되어서는 안되기 때문이다. 압탕의 설계도 중요한데 압탕은 주입초기에는 가스의 배출구가 되고 그 후에는 외부의 공기를 끌어들여 주형이