사형주조는 주물사와 점결제를 혼련한 조형사로 제작한 사형 주형에, 용융금속을 주입하고, 응고시켜 소정의 형태로 만드는 주조 기술로써, 주조 공정에서 가장 많이 적용되는 있는 공법이다. 사형 주조는 저렴한 원료와 가공 비용, 높은 생산 효율성, 대량 생산에서의 우수한 치수 정밀도 등의 다양한 장점을 가진다. 사형 주조로 주조품을 제조하는 과정에 있어서 주형 및 중자는 주조품의 품질에 크게 영향을 미치는 등 주물의 제조에 중요한 역할을 한다.
주물사와 점결제가 혼련된 조형사는 적정한 주형 강도, 통기도, 열적 안정성, 내화도, 유동성, 주물표면 미려성, 붕괴성, 복용성, 주물사 처리 및 관리의 용이성, 냉각능이 요구된다. 이러한 특성은 사용되는 주물사와 점결제의 종류 및 특성에 따라 결정되며, 일반적으로 조형사에 사용되는 점결제 첨가량은 주물사 중량의 1~3% 수준으로, 주형 및 중자의 특성은 주물사의 특성에 의해 주로 결정 된다. 따라서, 사형주조에 있어서 주조품 제조에 적합한 주물사 선택은 매우 중요하다.
종래 사형주조에 주물사로 천연 규사가 보편적으로 사용되었으나, 규사는 기계적 파쇄가 발생하기 쉬운 골재로써, 주조 공장에 있어서의 대기 환경 악화 및 산업 폐기물의 증가를 초래하고, 높은 열팽창율에 의한 베이닝 결함, 낮은 내화도에 의한 소착 및 융착 결함 등이 발생되는 단점이 있다.
규사의 열적특성 부족에 의한 소착결함 해결을 위해, 크로마이트사가 사용되기도 하였으나, 반복 사용에 의한 골재 열화, 시스템샌드 혼입 문제, 분리 제거의 어려움, 높은 밀도에 따른 조형 시 하중 증가, 크롬함유 폐기물이 되는 단점이 있다.
최근에는 주조업계의 중요한 과제로써 산업폐기물 저감 및 대기환경 개선이 부각되고 있다. 종래의 주물사 사용 시 발생되는 문제점 해결과 주조 공장의 대기 환경 개선을 위해서, 천연사를 대체 적용할 수 있는 다양한 외산 인공사가 국내에 소개되고 있다.
인공사는 용융분사법으로 제조된 인공사와 조립소결법으로 제조된 인공사 및 분쇄법으로 제조된 인공사로 분류할 수 있으며, 원료광물의 종류, 제조 공법에 따라 상이한 물리·화학적 특성을 나타낸다.
주조품의 품질은 용융금속이 응고 및 냉각되는 과정에서 주로 결정 되며, 주형 강도 부족으로 주형이 파손되면, 주조품이 형상 불량으로 폐기 될 수도 있다. 주조품을 사형주조로 제조할 때, 주형강도, 주형의 수축량, 주물사 및 점결제 종류는 제품 표면의 열간균열 결함과 주물사 소착 결함 발생량에 영향을 준다. 그리고 사재생을 통해 반복 사용에서도 파쇄가 발생하지 않는 주물사가 중요한 골재로 요구되고 있다. 또한, 열적인 내구성도 중요하며, 반복 사용해도 용융 또는 소결되어 융착물을 형성하지 않고 모래입자로 돌아가는 특성을 가지는 주물사가 요구 된다. 즉, 주조결함이 없는 품질이 우수한 주조품 제조가 가능하며, 기계식 사재생을 통한 반복 사용에도 내구성이 우수한 주물사 선택이 요구된다. 특히, 대형 주강품 제조를 위한 인공사 선택에 있어서는, 주형강도, 기계적 재생 시의 내파쇄성 및 주물사 재생 회수율, 고온의 온도에 오래 유지 됨에 따른 내열성 및 내화도 등이 중요하며, 천연사 및 각각 다른 제조공법으로 제조된 인공사의 특성에 대한 이해가 매우 중요하다. 그러나 각종 인공사 특성에 대해 요약한 문서나 국내 연구는 부족하다.
본 연구에서는 각종 주물사의 물성, 주형강도, 물리적 내구성, 열적 내구성, 소착시험편 주조 등의 비교 평가시험을 하였다. 밀도에 따른 주물사 실사용량, 주물사 형상에 따른 주형강도, 주물사의 물리적 및 열적 내구성, 주물사의 내열특성을 종합적으로 고려하였을 때, 아크용사법으로 제조된 용융인공사 A1 또는 분말식화염용사법으로 제조된 용융인공사 B가 대형 주강품 주조에 가장 적합한 구형 인공사로 판단되었다.
한편, 주물사는 사형주조에 있어 중요한 기초 소재로써, 안정적인 수급이 매우 중요하다. 하지만, 국내 주조산업에 사용되는 주물사는 대부분 수입에 의존하고 있으며, 구형 인공사의 경우에는 국산화 개발 및 국내기업의 상업생산이 없는 실정으로써, 전량 수입에 의존하고 있다.
최근 국내의 경우, 주조산업에서 주물의 생산과정에서 발생되는 폐가스, 폐수, 폐분진, 산업폐기물과 같은 유해물질 배출과 이로 인한 열악한 작업 환경이 기피 대상이 되어 현재 해결해야 할 당면 과제로 떠오르고 있으며, 주조공장에서 발생되는 먼지·악취 등에 따른 이전요구 및 입주 제한 등 입지 애로 사항 발생되고 있다. 이러한 당면과제 해결을 위해서는 천연사를 인공사로 대체 적용이 필요하며, 국내 주조업체에 인공사 보급·확산을 위해서는 수입산 인공사 대비 저렴한 국산 인공사 개발에 대한 필요성이 대두 되고 있다. 따라서 주물사 수급 안정성 확보 및 보급·확산 가속화를 위해서는 구형 인공사 국산화 개발에 대한 연구 및 상업 생산이 필요하다. 하지만, 구형의 인공사 국산화 개발에 대한 국내 연구는 없는 실정이다.
본 연구에서는 국내산 광물인 고령토, 납석, 도석, 장석과 외산 광물인 보크사이트를 원료광물로 활용하여, 아크용사법으로 구형의 인공사 시작품을 제조하고, 물성 평가, 주형강도 시험, 물리적 내구성 시험, 열적 내구성 시험, 소착시험편 주조시험 등을 실시하여, 외산 상용 인공사와 비교 평가하였다.
그 결과 보크사이트와 국내산 납석을 원재료 광물로 활용하여, 아크용사법으로 제조한 인공사 시작품의 구형도, 주형강도, 내파쇄율, 내화도, 소결 온도, 폭열내열성, 소착결함 발생율은 상용 소결인공사에 비해 우수하고, 상용 용융인공사 A1 및 B와 동등한 수준을 나타내었다.