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금형이란, 제품의 최초 ‘틀’이나 ‘형(型)’을 설계하고 제작해
같은 모양의 제품을 동시에 제작할 수 있게 만드는 기술을 말한다.
한마디로 붕어빵 틀을 만드는 기술이 금형이다.
밀가루 반죽과 팥을 넣으면 모양도 맛도 똑같이 나오는 붕어빵 틀처럼
빠른 시간 안에 동일한 품질의 제품을 대량 생산할 수 있는 금형은
제품의 가격 경쟁력을 좌우하는데 결정적인 역할을 하기도 한다.
완제품의 디자인과 품질을 좌우하는 핵심 기술, 금형에 대해 알아보자.
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다이 캐스팅 공정 개요 | Dynacast
다이 캐스팅은 다른 제조 공정에 비해 상당한 이점을 갖고 있어 부품 가격은 물론 총 생산 비용에서도 종종 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 부품을 주조할 때 2차 작업을 …
Source: www.dynacast.com
Date Published: 12/18/2021
View: 6829
금속 가공법, 다이캐스팅(Die Casting) – 네이버 블로그
다이캐스팅의 종류 1) 고온 챔버 다이캐스팅 공정 *장점 (1) 공기의 유입이 적어 산화물의 생성이 적다. (2) 주조 사이클이 빨라 생산성이 높다.
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 7/15/2022
View: 7777
다이캐스팅의 개요와 공법
다이캐스팅은 수주에서부터 금형설계 및 금형제작, 용해, 주조, 후처리, 출하 등의 공정으로 구성된다. 주조공정은 <그림 1>과 같이 금형 청소에서 주물 …
Source: forum58.tistory.com
Date Published: 7/9/2022
View: 1343
다이캐스팅 과정
전통적인 다이 캐스팅 공정은 주로 4 단계로 구성됩니다. 또는고압 다이캐스팅. 이 4 단계에는 다양한 준비된 다이캐스팅 공정의 기초가되는 금형 …
Source: m.ko.mnwmolding.com
Date Published: 9/5/2021
View: 2841
기본 다이캐스팅
다이캐스팅은 고강도 합금의 주형을 사용하고 용융된 합금에 고압을 가하는 금속 주조 공정의 한 종류입니다. 이 과정은 사출 성형과 유사합니다.
Source: www.simhope.com.tw
Date Published: 2/29/2022
View: 4996
다이캐스팅 과정은 무엇입니까-지식
다이캐스팅은 용융 금속에 고압을 가하기 위해 몰드 캐비티를 사용하는 것을 특징으로하는 금속 주조 공정이다. 금형은 일반적으로 고강도 합금으로 …
Source: m.ko.cnbestcraft.com
Date Published: 8/8/2022
View: 1991
다이캐스팅 금형에 대해 이야기하기
1.다이캐스팅이란? 다이 캐스팅은 금속 주조의 주요 금속 가공 공정 중 하나입니다. 고압의 용융 금속을 다이 캐비티에 밀어 넣는 방식으로 …
Source: m.ko.plasticmouldmold.com
Date Published: 8/5/2022
View: 5967
제조 길잡이] 다이캐스팅, 쇠로 쇠를 만들다 – 카파(CAPA)
고온챔버 다이캐스팅 공정은 쇳물을 미리 담아놓고 자체적으로 가열합니다. 때문에 공기의 유입이 적어 산화물의 생성이 적습니다. 저온챔버 방식보다 …
Source: blog.capa.ai
Date Published: 9/7/2022
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주제에 대한 기사 평가 다이캐스팅 공정 순서
- Author: 세상의모든지식
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- Date Published: 2020. 7. 27.
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다이캐스팅에 대하여 공정 (I)
다이캐스팅에 대하여 공정 (I)
다이캐스팅은 금속 주조 공정입니다. 몰드의 캐비티를 사용하여 용탕에 고압을 가하는 것이 특징입니다. 금형은 일반적으로 고강도 합금. 이 공정은 사출 성형과 다소 유사합니다. 아연, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 납, 주석 및 lead-tin 과 같은 대부분의 다이캐스팅은 철이 없습니다. 합금 및 그들의 합금. 다이캐스팅의 종류에 따라 콜드 챔버 다이캐스팅 기 또는 핫 챔버 다이캐스팅 기계가 필요합니다.
The 주조 장비 및 금형 비용이 높기 때문에 일반적으로 다이캐스팅 공정은 대량의 제품을 대량 생산할 때만 사용됩니다. 다이 캐스트 부품을 제조하는 것은 상대적으로 쉽습니다. 일반적으로 4 가지 주요 단계 만 필요하며 개별 비용 증가는 매우 낮습니다. 다이캐스팅은 다수의 중소형 주물을 제조하는 데 특히 적합하므로 다이캐스팅이 가장 널리 사용되는 다양한 캐스팅 프로세스. 와 비교 다른 주조 기술, die-casting 표면이 더 평평하고 차원 일관성이 더 높습니다.
전통적인 die-casting 비 다공성 다이캐스팅 주조 결함을 줄이고 기공을 제거하는 공정. 주로 아연 가공에 사용됩니다. 낭비를 줄이고 직접 주입의 수율을 높일 수 있습니다. 새로운 다이캐스팅 precision-speed 와 같은 프로세스 밀도가 높은 다이캐스팅 기술 및 반고체 다이캐스팅 일반 Dynamics에 의해 발명 됨.
소개 :
다이캐스팅은 고압을 사용하여 용융 된 금속을 금형 with 복잡한 모양. 1964 년에 일본 다이캐스팅 협회는 다이캐스팅을 “용융 합금을 고온에서 정밀 금형에 압착하여 단시간에 고정밀 및 우수한 주조 표면을 양산하는 주조 방법”으로 정의했습니다. The 미국은 다이캐스팅을 다이캐스팅으로, 영국은 다이캐스팅을 압력 다이 캐스팅으로 지칭합니다. The 중국의 일반 산업에 가장 익숙한 일본어 용어를 다이캐스팅이라고합니다. 다이캐스팅으로 만든 주물을 다이캐스팅이라고합니다.
The 인장 강도 재료는 일반 주조 합금보다 거의 두 배나 높습니다. 알루미늄 합금 자동차 휠, 프레임 및 기타 생산 될 것으로 예상되는 부품에 대해보다 긍정적 인 의미가 있습니다. 고강도 내 충격성 재료.
역사 :
1838 년에 사람들은 이동식 인쇄 금형을 만들기 위해 die-casting 장비. The die-casting 관련 최초 특허 1849 년에 발행되었습니다. 인쇄용 서체를 만드는 데 사용되는 작은 수동 기계였습니다. 1885 년 오토 mergenthaler (Otto Mergenthaler) linotype 조판 기계를 발명했습니다. 전체 텍스트 줄을 다이 캐스트 할 수 있습니다. into 단일 유형, which 인쇄 산업에 전례없는 혁신을 가져 왔습니다. 인쇄 산업이 대규모 산업화에 진입 한 후 전통적인 손으로 누르기 글꼴이 die-casting으로 대체되었습니다. 1900 년경, 조판과 조판의 진입 into 시장은 인쇄 산업의 자동화 기술을 더욱 향상 시켰습니다. 다스 다이캐스팅 기계는 신문에서 볼 수 있습니다. 함께 소비재의 지속적인 성장, Otto ‘s 발명은 점점 더 많은 응용 프로그램을 얻었습니다. 사람들은 다이캐스팅을 사용하여 대량의 부품과 구성 요소를 제조 할 수 있습니다. 1966 년 일반 역학은 정밀 다이캐스팅 프로세스, which 더블 펀치 다이캐스팅.
다이캐스팅 공정 :
The 전통적인 다이캐스팅 프로세스는 주로 4 단계로 구성되거나 고압 다이캐스팅이라고합니다. 이들 4 단계에는 금형 준비, 충전, 사출 및 쉐이크 아웃이 포함됩니다. which 또한 다양한 개선 된 다이캐스팅 공정의 기초가됩니다. 중 준비 과정에서 윤활유를 뿌려야합니다. 금형 캐비티. 윤활제는 금형의 온도를 제어하는 데 도움이 될뿐만 아니라 demold 주조. 다음 당신 금형을 닫고 용융 금속을 주입 할 수 있습니다. 금형 with 높은 압력. The 압력 범위는 약 10 ~ 175 MPa입니다. 시기 용융 금속이 채워지면 압력은 까지 주물이 응고됩니다. 그러면 푸시로드가 모든 주물을 밀어냅니다. 이후 금형에 여러 개의 캐비티가있을 수 있으며 중에 여러 개의 주물이 생성 될 수 있습니다. 각 캐스팅 프로세스. The 모래가 떨어지는 과정에서는 몰드 오프닝, 러너, 게이트 및 플래시를 포함한 잔류 물을 분리해야합니다. 이 프로세스는 일반적으로 주조를 압출하여 수행됩니다. with 특별한 트리밍 die. 떨어지는 모래의 다른 방법으로는 톱질과 샌딩이 있습니다. If 게이트는 깨지기 쉽고, 캐스팅은 직접 맞출 수 있습니다. 인력을 절약 할 수 있습니다. The 용융 후 여분의 금형 개구부를 재사용 할 수 있습니다. The 보통 수율은 약 67 %.
고압 사출은 금형을 매우 빠르게 채우므로 부품이 응고되기 전에 용융 금속이 전체 금형을 채울 수 있습니다. 이 방법, 심지어 얇은 벽 채우기가 어려운 부품은 표면 불연속성을 피할 수 있습니다. 그러나 this 또한 때문에 공기가 빠져 나가기가 어렵다. 금형 채우기 빠르게. 이 파팅 라인에 배기구를 배치하면 문제를 줄일 수 있지만, 매우 정밀한 공정도 주물 중앙에 구멍을 남깁니다. 대부분의 다이캐스팅 할 수없는 일부 구조를 완료하기 위해 2 차 처리로 완료 할 수 있습니다. 드릴링 및 연마와 같은 주조로 완료됩니다.
모래를 털어 낸 후 결함을 확인할 수 있습니다. The 가장 흔한 결함으로는 정체 (불만족 붓기) 추위 흉터. 이들 불충분 한 금형 또는 용융 금속 온도, 금속 혼합 불순물, 통풍구가 너무 적고 윤활유가 너무 많습니다. 기타 결함으로는 기공, 수축 구멍, 열 균열 및 흐름 표시가 있습니다. 흐름 표시는 게이트 결함, 날카로운 모서리 또는 과도한 윤활유로 인해 주물 표면에 남는 흔적입니다.
수성 윤활제는 에멀젼이라고 불리며 건강, 환경 및 안전을 이유로 가장 일반적으로 사용되는 유형의 윤활제입니다. 용제 기반 과 달리 윤활유, if 물속의 미네랄은 적절한 공정에 의해 제거되며, 주조물에 부산물이 남지 않습니다. If 수처리 공정이 부적절합니다. 물 속의 미네랄은 주조시 표면 결함과 불연속성을 유발할 수 있습니다. 4 가지 주요 유형의 물 기반 윤활유 : 물 혼합 기름, 기름 혼합 물, 반합성 및 합성. 윤활유 혼합 물이 최고입니다. 왜냐하면 언제 윤활유를 사용하면 물은 증발을 통해 금형 표면을 냉각시키면서 기름을 침전시킵니다. 데 몰드를 도울 수 있습니다. 일반적으로 this 윤활유의 종류는 물 30 부 혼합 기름 1 개 극단적 인 경우 this 비율은 100 : 1에 도달 할 수 있습니다.
윤활유에 사용할 수있는 오일에는 중유, 동물성 지방, 식물성 지방 및 합성 지방이 포함됩니다. 중유는 상온에서는 점성이 높지만 다이캐스팅 공정에서는 고온에서는 박막이됩니다. 윤활유에 다른 물질을 첨가하면 유제의 점도와 열적 특성을 제어 할 수 있습니다. 이들 물질에는 흑연, 알루미늄 및 마이카가 포함됩니다. 다른 화학 첨가물은 먼지와 산화를 방지 할 수 있습니다. 유화제는 물 기반 에 추가 할 수 있습니다. 윤활유를 사용하여 유성 비누, 알코올 및 에틸렌 옥사이드를 포함한 윤활제를 물에 첨가 할 수 있습니다.
용 오랜 시간, 일반적으로 사용되는 용제 기반 윤활유에는 디젤 및 가솔린이 포함됩니다. 그들 캐스팅에 도움이되지만 작은 폭발이 발생할 때마다 중 다이캐스팅 공정 이 벽에 탄소가 축적됩니다. 물 기반 과 비교 윤활제, 용제 기반 윤활유는 더 균일합니다.
다이 캐스팅 공정 개요
다이 캐스팅은 용융 금속을 강철 주형에 주입하거나 강제로 집어 넣는 제조 공정입니다. 금형 또는 다이라고도 하는 주형은 강철을 이용하여 만들며 각 프로젝트에 맞게 특별히 설계합니다. 그래서 각 부품을 정확하게 반복해서 만들 수 있습니다. 알루미늄, 아연, 마그네슘은 가장 흔하게 사용되는 다이 캐스팅 합금입니다.
이점
다이 캐스팅은 다른 제조 공정에 비해 상당한 이점을 갖고 있어 부품 가격은 물론 총 생산 비용에서도 종종 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 부품을 주조할 때 2차 작업을 최소화하면서 최소의 구배각으로 수나사와 내부 형상을 포함한 복잡한 제품을 만들 수 있습니다. 여러 개의 부품을 하나의 부품으로 합칠 수 있는데, 그러면 조립 작업을 없애고 인건비를 낮출 수 있을 뿐 아니라 재고 관리가 간단해지고 부품 일관성이 높아지는 추가적인 이점이 있습니다.
기타 이점은 다음과 같습니다.
가변적인 벽 두께
더 정밀한 공차
원재료에서 완성된 부품까지 공정 축소
빠른 생산 싸이클 타임
폐기 재료 감소
특히 아연과 마그네슘의 경우 긴 금형 수명
다이 캐스팅 합금
아연, 알루미늄, 마그네슘은 3가지 주요 다이 캐스팅 합금입니다. 이들은 비철합금이며, 각각의 기계적 특성이 크게 달라 제조업체가 요구할 수 있는 거의 모든 유형의 용도에 잘 들어맞습니다. 다이 캐스트 합금은 높은 작동 온도를 견딜 수 있을 뿐 아니라 완전한 재활용도 가능합니다. 다이 캐스트 합금은 다음의 이점도 갖고 있습니다.
금속 가공법, 다이캐스팅(Die Casting)
01
다이캐스팅이란?
영어로는 Die-Casting이라고 하며, 주물이라고도 한다.
다이(Die)라 부르는 금속재질의 틀(금형)에다가 소재가 되는 금속을 녹여서 높은 압력으로 강제로 밀어 넣는 주조 방법 중 하나이다.
그리고, ‘틀’이 녹아 버리면 안되므로 소재가 되는 금속은 틀보다 녹는점이 낮은 금속을 써야 한다.
보통 철로 된 틀에다가 알루미늄을 녹여 붓는 방식이 많이 쓰이나, 알루미늄 이외에도 여러 합금이 소재로 쓰인다. 녹인 금속 소재는 그냥 흘려 넣는 방법도 있긴 하지만 보통은 높은 압력을 걸어 강제로 밀어 넣는데, 이러한 점에서 플라스틱 재료를 사용하는 사출성형 하고도 비슷한 점이 많다.
다이캐스팅의 개요와 공법
다이캐스팅의 개요와 공법
국내의 다이캐스팅 공정기술은 최근에 급신장세를 보이고 있으나 중소기업형으로서 영세한 규모이기 때문에 기술개발 수준이 답보상태에 있는 실정이다. 향후 경량 주물재료의 특성과 주조품에 맞는 주조설계, 형상검토 및 FDM/FEM 해석(응고 및 유동 해석)을 통해 최적의 주조조건을 확보하여 수축결함, 기공, 산화물 혼입, 편석 등의 주조결함을 사전에 예측하는 기술개발이 절실히 요구된다.
박상봉 교수(동의공업대학 금형설계과/공학박사)
서영호 교수(동의공업대학 금형설계과/공학박사)
연재순서
1. 다이캐스팅의 개요와 공법 2. 다이캐스팅 성형재료 3. 성형가공특성 4. 다이캐스팅 금형설계 I, II, III, IV 5. 다이캐스팅 금형가공 I, II, III 6. 다이캐스팅 주조공정 I, II, III 7. 다이캐스팅 성형기와 주변기기 I, I 8. 제품설계 I, II 9. 성형불량 원인과 대책 I, II 10. 공정설계 I, II, III 11 응고 및 유동 해석 I, II
연재를 시작하며
국내 다이캐스팅업계에서는 특수다이캐스팅 기계를 일부 업체에서만 보유하고 있는 실정이며 대부분은 기존의 고속, 고압 다이캐스팅에 의존하고 있어 기밀성 및 내압성이 요구되는 고급의 기능소재부품 개발은 불가능한 실정이다. 또한 특수다이캐스팅을 하고 있는 업체에서도 금형제작기술의 낙후로 충분한 활용을 못하고 있다.
본 연재를 통해서 다이캐스팅에 대한 금형설계, 금형제작, 주조공정 및 공정설계에 대한 내용을 중점적으로 다루고자 한다.
다이캐스팅 개요
다이캐스팅법(pressure die casting)은 10∼200㎫의 고압으로 금형에 용탕을 주입·응고시키는 주조법이다.
금형비용이 높기 때문에 소량생산에는 적합하지 않지만 높은 생산성, 높은 치수정밀도, 미려한 주조표면, 두께가 얇은 주물품을 얻을 수 있는 등의 이점이 있어서 많은 종류의 자동차부품에서부터 전기부품·일용품에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다.
다만 금형의 수명문제 때문에 알루미늄합금, 아연합금, 황동 등 저융점합금의 양산품에 적용이 용이하다.
또한 보통의 다이캐스팅법에서는 다음과 같은 결점이 있다.
먼저 공기가 함입되어 내압성을 저하시키고, 열처리가 곤란하며, 두꺼운 부분에 수축결함이 발생하기 쉬운 점을 들 수 있다. 그러나 이러한 결점을 줄인 특수한 다이캐스팅법도 있다.
1. 다이캐스팅의 분류
다이캐스팅에서는 가압력 10㎏f/㎠ 이하를 저압주조법, 10∼500㎏f/㎠을 중압, 500㎏f/㎠ 이상을 고압으로 분류하고 충전속도는 0.05∼1.5m/sec를 저속, 10∼60m/sec를 고속으로 분류한다. 제품의 두께 및 형상과 요구품질에 따라서 적절한 다이캐스팅공법을 선택하여야 하는데 그 일반적인 선택방법은 <표 1>과 같다.
<표 1> 제품형상과 요구품질에 의한 다이캐스팅공법의 선택
형상과 요구 품질 다이캐스팅의 공법 비고 1 박육일반 부품
(두께 2㎜∼10㎜) 일반다이캐스팅 2 박육 강도 부품
(두께 2㎜∼10㎜) PF 다이캐스팅 열처리 가능 3 박육 기밀 부
품(두께 2㎜∼10㎜) 일반다이캐스팅(+국부스퀴즈) 4 초박육 부품
(두께 0.8㎜∼2㎜) 진공다이캐스팅(GF법 등) 5 대물 복잡형상 부품
실린더 블록(AT미션 등) 진공다이캐스팅(GF법 등) 열처리 가능
AC계 재료 사용 가능 6 후육 기밀 부품 스퀴즈캐스팅(VSC, HVSC, HSC 등) AC계 재료 사용 가능 7 후육 기밀 부품 스퀴즈캐스팅(+국부스퀴즈) AC계 재료 사용 가능 8 언더커트 부품 일반다이캐스팅+붕괴성중자
PF다이캐스팅, 스퀴즈캐스팅 용접 가능
2. 다이캐스팅의 공정흐름도 및 생산성
다이캐스팅은 수주에서부터 금형설계 및 금형제작, 용해, 주조, 후처리, 출하 등의 공정으로 구성된다. 주조공정은 <그림 1>과 같이 금형 청소에서 주물 추출까지의 1사이클로 이루어지며 1사이클의 소요시간은 주물의 크기에 따라서 다르나, 4초∼120초 정도이다. 따라서 1시간에 1대의 기계로 30∼1,000개의 주물을 얻을 수 있는 높은 생산성을 자랑한다.
<그림 1> 다이캐스팅 공정도
3. 일반 다이캐스팅의 취약점
다이캐스팅은 고생산성을 자랑하나 종래의 일반 다이캐스팅방법에서는 내부함유 가스량 과다로 인한 내압성 결여, 파단칠층으로 인한 표면불량, 내부수축공으로 인한 강도 및 기밀성 저하, 언더컷처리 곤란 등의 취약점을 안고 있다. 특히 미려한 표면이 요구되는 제품에서 표면가공 후 육안으로 관찰되는 기포는 제거하기가 용이하지 않으며, 내기밀성이 요구되는 부품에서도 불량의 대부분은 기포결함이 차지한다.
고속고압에서 주입된 용탕은 슬리브(sleeve)와 캐버티 내에서 난류로 되어 공기를 혼입하게 된다. 가스량은 진공용융추출법에 의하면 20∼30cc/100g.Al의 값이 측정되어 있고 이것들은 균일하게 분포해 있는게 아니라 <그림 2>와 같이 오버 플로(over flow)와 비스킷(biscuit)부에 편재해 있다. 탕구속도가 60m/sec 이상, 슬리브충전율이 낮을수록 함유량은 급증하여 질소가스 비율이 높아지고 유성 이형제의 사용에 따라 H2, CO2 가스가 급증한다.
이상의 결과에서 다이캐스트에서 가스함유량을 10cc/100g.Al 이하로 하는 것이 목표이고 이 값이 열처리(용체화처리) 가능여부의 경계이다.
<그림 2> 다이캐스트의 함유 가스
<그림 3> 두께에 따른 기계적 성질(ADC12)
4. 다이캐스팅의 기계적 성질
다이캐스팅은 고속·고압에서 용탕을 금형으로 주입하는 주조조건이기 때문에 시험편의 단순한 형상과 복잡한 실제 물건과는 큰 차이가 생긴다. 즉 ADC12 합금을 사용하여 ASTM형 시험편에 의한 값을 구한 결과와 수십 종류의 다이캐스팅 양산품에서 잘라낸 시험편의 실측치를 <표 2>에 나타낸다.
일본 다이캐스팅협회에서 실제품의 강도에 가까운 값이 얻어지는 시험편을 개발하였는데 그것은 직경 100㎜, 폭 20㎜, 두께 4㎜의 링(ring)상으로 특별한 치구에 의해 인장과 압축강도를 구한 것이다. 다이캐스팅의 강도는 링시험편에 의한 값이 규격화될 가능성이 있다.
판의 두께가 2, 4, 6, 10㎜의 JIS 6호 시험편을 금형에서 다이캐스팅한 결과 <그림 3>과 같이 판두께의 증가와 함께 인장강도는 2㎜를 기준으로 할 때 10㎜에서는 20% 저하하고, 질량효과의 영향이 현저하다. 또 강도뿐 아니라 비중, 열팽창계수, 탄성계수 등도 2차 곡선적인 변화를 한다.
<표 2> ASTM시편과 제품시험편의 강도비교(ADC12)
인장강도[㎏f/㎟] 0.2%내력[㎏f/㎟] 연신율[%]
ASTM참고치 33.6 16.8 2.5
ASTM시험편의 실측치 32.6 18.7 1.9
제품 실측치 25.8 15.1 2.3
5. 주조기의 사출방식
<그림 4> 충격압 유무에 의한 주물 지느러미(flash) 발생 상태
고속사출을 할 때 충전완료시에 급정지한 피스톤이 갖고 있던 운동에너지에 의해 주조압력의 1.5∼2.0배의 충격압이 발생한다. 충격압의 발생방지를 위해 특수한 실린더를 이용하여 완료 직전에 기계적 장치에 의한 수밀리 초의 단시간으로 감속하는 방식으로 주조압력의 상승시간을 제어한다.
<그림 4>는 종래의 사출조건으로 주조했을 때 다이캐스팅의 주물 지느러미 결함발생 유무에 대해 비교하여 나타내었다.
다이캐스팅 공법
자동차산업의 발달과 더불어 다이캐스팅산업은 발전하여 왔는데, 일본의 경우 1960년을 기점으로 자동차 생산 대수의 증가에 따라서 다이캐스팅 생산량이 급격한 증가를 보이고 있으며, 이에 따라 신 다이캐스팅 공법의 개발도 활발하게 이루어지고 있다.
1. 열가압실기와 냉가압실기
다이캐스팅기계는 열가압실 다이캐스팅기(hot chamber die casting machine)와 냉가압실 다이캐스팅기(cold chamber die casting machine)로 크게 구분된다.
열가압실기는 아연합금, 마그네슘합금 등 저융점합금에 적용되며 용탕사출을 위하여 가압실이 용탕중에 잠겨져 있다(<그림 5> 참조). 가압실의 내구성에 따라 적용합금이 제한될 수 있다.
냉가압실기는 <그림 6>에서 보듯이 일정량의 용탕을 爐로부터 떠내어 사출 슬리브에 넣고 플런저로 주형공 틈새부로 주입하는 것이다. 이 냉가압실기에는 수평형<그림 7>과 수직형<그림 8>이 있다.
수평식은 기계의 높이가 낮고, 구조도 간단하여 고장도 작지만, 사출시에 공기가 함입될 가능성이 높다. 또한 용탕과 대기, 슬리브와의 접촉면적이 넓어서, 산화피막과 응고층이 생성되어 제품 속으로 들어가게 되면 강도를 저하시킬 우려가 있다.
그러므로 사출시에는 우선 저속으로 플런저를 이동시켜서 슬리브 내의 공기를 내보내어, 슬리브가 용탕으로 채워지도록 한 후 고속으로 주입하는 것이 보통이다.
수직식에서는 용탕과 대기, 슬리브의 접촉면적이 작아서, 탕온 저하 및 공기의 함입이 적어서 얇은 표면성상의 양호한 제품을 얻을 수 있다. 한편 기구가 복잡하여 보수비용은 높으며, 특수한 용도로 이용한다.
다이캐스팅 머신의 크기는 금형의 체결력으로 표시하며 냉가압실기에서는 20∼3300t, 열가압실기에서는 40∼600t이 많다. 또한 가압력은 통상 냉가압실기에서 알루미늄합금의 경우 30∼100㎫(70㎫ 정도가 많음), 열가압실기에서 10∼35㎫이다.
<그림 5> 열가압실기(Hot chamber die casting machine)
<그림 6> 다이캐스트용 자동주탕장치
<그림 7> 수평형 냉가압실기(cold chamber die casting machine)의 예
<그림 8> 수직형 스퀴즈주조기의 예
2. 진공 다이캐스팅법, 무공성 다이 캐스팅법
진공 다이캐스팅법은 다양한 방법이 개발되어 실용화되어 왔는데, 이중 한 방법인 GF(Gas Free)법의 개요는 <그림 9>와 같다. <그림 9>는 용탕의 관성력을 이용하여 벤트를 폐쇄하고 용탕의 유출을 방지한 진공 다이캐스팅법(vacuum die casting)의 원리를 보이고 있다.
금형 내의 공기는 체크 밸브(check valve)를 통하여 대기중에 개방되고, 이 상태에서 주탕 플런저가 전진, 전자밸브를 절환시켜 진공 흡인한다. 일반적으로 금형은 0.2∼0.3초만에 150∼250torr의 감압도를 갖게 되고 이 시점에서 고속 사출하여 용탕을 금형 내에 충전시키고, 15∼40m/sec의 속도를 가진 용탕의 관성력에 의해 밸브가 닫히고 충전이 완료된다. 이 방법에 의해 제조된 제품은 보통법에 비해 매우 우수한 품질수준을 나타내었다. 용탕의 관성력을 이용하여 밸브를 닫는 자동에어벤트밸브를 특징으로 한다. 진공흡인시간과 진공도달시간이 짧아 진공효과가 큰 반면, 밸브막힘 등의 문제가 발생한다.
<그림 9> 용탕관성에 따른 밸브개폐를 이용한 진공 다이캐스트법의 원리
일본 宇部興産(株)에서는 용탕의 슬리브 충전도가 60%에서 진공도가 10-2∼10-1torr을 유지한 탱크의 밸브를 열어 0.2∼0.3초의 짧은 시간에 캐버티 내 진공도를 15torr로 뽑아주는 장치가 개발되어 효과를 보고 있다. 이 방법의 특징은 온도나 거리에 의해 밸브가 닫혀지지 않고, 알루미늄 용탕이 센서에 닿는 순간 닫혀지기 때문에 캐버티 내 가스를 최대한 배출시키므로 기포결함을 최소화시킬 수가 있는 것이 장점이다. 반면 용탕이 센서에 닿게 되므로 고장날 염려가 있다.
캐버티 내에 공기를 없애는 유일한 방법은, 무공성 다이캐스팅법(pore free die casting;PF법)이 있다. 산소를 이용하므로 산소 다이캐스팅법이라고도 불린다.
미국의 ILZRO(International Lead Zinc Research Organization Inc.)와 日本輕金屬(株)가 1968년에 공동 개발했다.
<그림 10> 무공성 다이캐스트법(PF법)의 원리도
그 원리는 <그림 10>에 나타낸 바와 같이 산소와 같은 활성가스를 금형 캐버티에 주입하여 공기와 치환시키고, 주입된 용탕이 산소와 반응을 일으켜 순간적으로 발생된 진공상태의 캐버티 내로 용탕을 충전시켜 제조하는 방법이다. 이때 Al 혹은 Mg 등의 용탕과 O2의 반응은 0.3초 이내로 완료시켜야 하며, 형성된 Al2O3, MgO 등의 산화피막은 주물중에 고용되지만 극히 미립(1㎛ 이하), 미량으로 기계적 성질에는 거의 영향이 없다고 보고되고 있다.
PF법의 특징은 가스함유량이 3cc/100g.Al 이하로 금형주조제품과 동수준으로 용체화처리가 가능하여, Mg 0.3%를 첨가한 ADC12 합금의 경우 T6, T7 처리로 강성과 신율 등의 기계적 성질의 개선효과가 크다. 또한 이형제나 윤활제가 용탕과 접촉하여 발생하는 가스를 방지하기 위하여 개체윤활에서도 작동하는 슬리브, 칩(chip) 시스템을 채용하고 있다.
보통 다이캐스팅법과의 차이는 <표 3>과 같다. 이 방법으로 생산되는 제품은 주로 자동차 휠 제품이며 그밖에 암(arm), 펌프 기화기, 파워 스티어링(power stearing), 기어 하우징(gear housing), 자동차 쿨러(cooler)용 실린더 등이다.
<표 3> PF법과 보통 다이캐스팅법의 비교
구분 비중 가스함유량(cc/100g Al) PF 다이캐스팅 2.673∼2.675 1∼3
보통 다이캐스팅 2.529∼2.590 10∼50
3. 스퀴즈주조법, 저속저압 다이캐스팅법
스퀴즈주조법(squeeze casting)은 용탕단조법(forging cast process)이라고 부르며, 용탕에 50∼200㎫의 고압을 가한 상태에서 응고시키는 방법이다. 다이캐스팅법도 용탕주입시에는 고압이 가하여지지만, 응고 도중에는 충분히 가압되지 않는다.
스퀴즈주조법에는 다음과 같은 이점이 있다.
① 응고층과 금형이 밀착하기 때문에, 냉각속도가 빨라 응고조직이 미세화될 수 있다.
② 미세한 포로시티(porosity)가 생성된다.
③ 섬유상 혹은 분말상의 충전물이 있을 때 용탕이 충전물 속으로 침입할 수 있다.
한편 다음과 같은 결점이 있다.
① 금형수명이 짧다.
② 가압력이 주물 전체에 작용하는 형상 및 기구의 고안이 필요하다.
③ 조대한 편석이 생성될 수 있다.
<그림 8>은, 스퀴즈 주조기의 예를 보인 것이며, 가압이 보다 유효하게 작용하는 모양의 구조로 되어 있다. 플런저 팁을 상승시켜, 슬리브의 용탕을 40∼80㎜/s와 같은 저속(통상 다이캐스팅법에서는 30∼50m/s)으로 캐버티 내에 주입한다. 주입 후 85∼100㎫의 가압을 행한다. 알루미늄 호일 등의 생산이 행해질 수 있지만, 중력주조법과 비교해서 연신율과 샤르피충격력은 5배 이상으로 되며, 강도의 불균일이 적은 제품을 얻을 수 있다.
경전식 스퀴즈다이캐스트법은 1976년 일본 宇部興産(株)에 의해 개발되어 현재에 이르고 있다.
경전식 스퀴즈다이캐스트법은 금속 슬리브(metal sleeve)를 포함한 사출부를 경사지게 하여 주조기의 외부로부터 와류의 발생이 없도록 용탕을 주탕(宇部특허)하고, 초저속충전 및 고가압으로 성형하는 지향성 충전에 지향성 응고를 핵심 메커니즘으로 한다.
기존의 일반 다이캐스트법과 근본적으로 다른 점은 초저속충전(0.2m/s)으로 가스의 흡입을 없애고, 수직형 슬리브(sleeve) 주탕방식을 채용하여 용탕의 보온성을 유지시켜줌으로써 응고편의 발생, 흡입을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 게이트면적이 일반 다이캐스트법에 비해 약 30∼50배 정도로 제품부가 응고 완료될 때까지 가압되어 수축에 대한 용탕보충이 행해져 주조결함의 대폭 개선이 가능하다.
그러나 장비가 고가이고, 생산성이 떨어지며 후처리 공수가 과다하게 요구되는 단점이 있다.
VSC(vertical shot squeeze casting), HVSC(horizontal die clamping vertical shot squeeze casting) 등과 같은 스퀴즈 캐스팅한 제품의 가스함유량이 2∼4cc/100g.Al으로 종래 다이캐스팅뿐 아니라 사형주조, 저압주조보다 월등히 우수함을 알 수 있다.
<그림 11>은 FRM(fiber reinforced metal, 섬유강화금속)의 제조에 이용한 예이다. A부에 예비 성형된 섬유(preform)를 눌러서, 용탕주입구로부터 주입된 용탕을 플런저 팁으로 제품부를 가압(120∼200㎫) 주입하여, 섬유 사이로 용탕을 함침시킨다.(게이트부의 용탕유속은 150∼200㎜/s)
이밖에 금형온도 제어, 구조 및 금형을 고안하여 용탕주입 속도(gate부)를 150∼200㎜/s, 가압력을 25㎫ 정도로 한 저속·저압 다이캐스팅법이 있다.
<그림 11> FRM 제품제작용
가압기구의 예
Al용탕의 층류한계 1.5∼1.6m/sec로 알려져 있기 때문에 종래 20∼60m/sec의 탕구속도를 1/30 이하의 저속으로 하고 더구나 형 내의 충전시간을 종래의 0.1초 전후에서 0.3∼0.6초로 길게 하는 조건을 설정하였다. 이 때문에 탕구 단면적을 약 4배로 넓혔다.
이러한 저속충전 다이캐스팅의 대표적인 것이 아큐라드(Acurad)법으로서 사출플런저는 외부 플런저와 내부 플런저로 구성되어 있어 응고하는 단계에서 잔류하고 있는 용탕을 응고 수축부로 제 2단계로 저속가압하는 방식이기 때문에 금형캐버티에 용탕이 충전되어 금형벽에서부터 응고가 된다. 이때 내부 플런저를 다시 전진하여 잔류하고 있는 용탕에 압력을 가하여 수축공에 용탕을 주입하게 됨으로써 수축공을 없애는 효과를 주고 있다.
저속충전으로 만든 제품은 열처리가 가능하며 동일한 재료를 중력 주조한 제품보다 조직이
미세하고 굽힘강도, 경도 등이 우수하다. 그 일례로서 ADC10합금을 사용한 실린더 블록(단중 6.2㎏, 사용주조기 1,200톤)은 탕구속도 2m/sec 이상, 충전시간 0.8초 이하이면 표면결함(blister)이 발생하였다.
4. 국부가압법
제품형상에 의해 포로시티의 발생이 쉬운 후육부의 품질을 개선하기 위한 공법으로 1984년경부터 일본京都다이캐스트(株), TOYOTA, HONDA, 日本電裝, 日本輕金屬(株) 등에서 각기 개발되어 보고되고 있다.
국부적으로 두꺼운 부위가 있는 다이캐스팅 주물에서는 통상의 방법으로는 가압경로 중간의 얇은 부위가 먼저 응고하여 가압력이 전달되기 어려운 두꺼운 부위에 수축결함이 나타나므로 이 부위를 용탕충전 완료 후에 국부적으로 가압하는 방법이다.
주조조건 등의 선택적 상황을 이용하여도 후육부는 1.5배 정도의 응고시간이 소요되므로 후육부의 수축공 등의 주조결함 발생은 필연적이라 할 수 있다.
이같은 문제점의 개선책으로는 수축공 발생이 쉬운 보스(boss)부나 후육부 등의 후가공되는 부위에 용탕충전 직후의 시간에 맞게 유압실린더 등에 의해 가압플런저를 압입하여, 용탕을 가압하여 줌으로써 수축공 등의 주조결함을 제어하는 방법이다.
가압효과를 높일 때에는 가압압력, 시간, 속도 등이 중요하며 적정조건 확립시 충분한 효과를 기대할 수 있지만, 제품에 혼입된 가스량의 근본적 제어는 어렵기 때문에 열처리는 불가능하다.
부분 스퀴즈 다이캐스팅기의 개요는 <그림 12>에 나타낸다. 이러한 방법은 자동차 에어컨 컴프레서의 실린더 블록에 적용할 수 있다.
<그림 12> 부분 스퀴즈 다이캐스팅 장치
5. 반고상주조법(Thixocasting;Semi Solid Casting)
반용융 다이캐스트법은 용탕에 전단응력을 주며 냉각시켜 반응고상태에서 주조하는 레오케스트(Rheocast)법<그림 13>과 교반 반용융상태의 것을 냉각시켜 빌릿(billet)으로 만든 다음 반응고상태까지 재가열하여 주조하는 딕소캐스트(Thixocast)법<그림 14>이 있다.
레오(Rheo)캐스팅법은 반용융상태의 금속을 교반하여 수지상(dendrite)조직을 파괴하여 고액혼합 슬러리상태로서 다이캐스팅하는 방법이다.
<그림 13> Reocast법 원리도
<그림 14> Thixocast법 원리도
1970년대 처음으로 제안된 방법으로 사출온도가 통상의 방법보다 100℃ 정도 낮고, 사출속도가 느리므로 주입중 가스의 혼입이 없으며, 주입시 이미 고상률이 60%를 넘으므로 수축공 결함이 적은 장점을 가지고 있어서 일부 자동차 부품(Fuel injection distributer, support bracket, brake master cylinder 등)의 생산에 이용되고 있다.
레오캐스팅의 응용으로서 슬러리에 비금속 입자와 섬유를 첨가하여 주조하는 콤포(compo)캐스팅도 보고되고 있다. 단 이 방법은 고액공존 영역이 넓은 합금에 적합하므로 ADC1, ADC12 등의 공정에 가까운 합금은 부적합하며, Al-Cu-Si계 다이캐스트용 Al합금에서는 ADC10이 적합하다.
6. 파라쇼트 시스템(Parashot system)
슬리브 내의 용탕이 저속으로 전진하기 시작할 때 용탕면 위에 주름이 생겨 공기가 휩쓸리기 쉽다. 파라쇼트 시스템은 저속-고압의 급격한 속도변화가 아니고 연속적으로 가속하면서 최후에 고속으로서 주조하는 방법이다. 이 때문에 공기는 탕구에서 배출하기 쉽고 또 지름이 작은 슬리브 사용에 의해 충전율을 높일 수 있다. 실제로 주조한 다이캐스팅은 밀도가 0.2% 상승하고 불량률도 저하하고 있으나 주조기의 기구가 다르므로 곧 적용은 할 수 없지만 서구에서는 차츰 보급하기 시작하고 있다.
7. 핫슬리브법
1984년 TOYOTA 중앙연구소에서 다이캐스트조직 내에 기계적 성질을 저하시키는 이상 조직의 층을 발견하고 조사 연구를 한 결과, 냉가압실 다이캐스트법의 금속 슬리브에 주탕된 용탕이 슬리브 표면에서 선행 응고하여 칠(chill)층의 응고편을 만들고 플런저사출에 의해 캐버티 내로 파단 분산되어 혼입한 파단 칠층임을 발견했다. 슬리브 내의 응고를 방지하기 위하여 슬리브를 가열하거나 열전도도가 나쁜 세라믹 슬리브를 사용하는 방법으로 슬리브 내의 온도를 550℃ 이상으로 유지하면 슬리브 내의 응고층이 생기지 않아서 파단칠층에 의한 결함을 방지할 수 있다.
8. 붕괴성중자 사용 다이캐스트법
진동이나 열에너지 등으로 분해 가능한 점결제로 이루어진 중자를 사용하여 제조하는 방법은 1971년 TOYOTA自動車(株)에 의해 식염에 α-Al2O3를 20% 첨가하여 950∼1,000℃에서 용융하여 중자 성형한 것이 특허로 되어 있으며, 1972년 TOSHIBA機械(株), 1986년에 (株)東京輕合金製作所에 의해 cold box법에 의해 성형한 중자의 특허기술 등 1990년에는 (株)RST 및 RYOBI(株)에 의해 shell중자와 금속중자를 이용한 기술이 특허로 개발되었다.
최근 일본의 根本金屬(株)에서는 plastic과 금형의 큰 열전달계수차(약 100배)에서 착안한 polycarbonate수지 등을 이용한 plastic중자가 개발되어 시제품 제조 및 개발을 확대해 나가고 있다.
9. Counter형 가압주조법
두께가 두꺼운 소형 부품에 유리한 공법으로 1983년 TOYOTA自動車(株)에서 개발하여 로커암(rocker arm), 피스톤 등을 주조하고 있다.
급탕 및 가압은 <그림 15>에 보인 바와 같이 금속 슬리브 내에 카운터 팁(counter tip)을 두고 그 위로 급탕하여 가압과 동시에 카운터 팁을 하강시켜 메탈 슬리브 내의 공기를 제거한 뒤 주조하도록 되어 있다.
이 방식의 특징은 저속충전과 안정된 용탕공급에 의해 공기제어 및 불순물, 산화물 등을 비스킷부에 포집시킬 수 있어 고품질을 얻을 수 있고, 주탕에서 가압 완료까지 3초 내외로 짧아 용탕온도 관리가 용이하여 소형부품의 양산법으로 주목된다.
그러나 상부 주탕식으로 주조장치의 소형화가 어렵고 사출가압 플런저와 카운터 플런저의 상대운동이 매우 정밀하고 효과적으로 조절되어야 하며, counter plunger 부위에서 선행 응고된 응고편의 캐버티 내 충전으로 품질저하를 초래할 수도 있는 단점이 있다.
<그림 15> Counter 가압방식에 의한 용탕의 가압충전법
TOYOTA에서 보고한 바에 의하면 주가압력이 최소 30㎫ 이상이면 주조결함이 크게 억제되고, 탕구 단면적/제품체적의 비가 3.5×10-3㎜ 이상이면 건전한 제품을 얻을 수 있다고 한다.
10. 분체 이형제
다이캐스팅 공장 환경오염의 주 원인은 이형제로, 현재는 수용성 이형제가 많이 사용되고 있다. 이형제를 분말로 대체하는 연구가 진행되고 있으며 일부 간단한 제품에 적용되고 있다. 분체 이형제의 효과는 <표 4>와 같다.
<표 4> 분체이형·윤활제의 효과
환경 (a) 금형의 분할면이 깨끗하다.(공장 내의 오염해소)
(b) 수증기의 발생이 없다.(오일미스트의 저감)
(c) 공장 내 소음의 저감(에어블로 불필요) 코스트 (a) 폐수처리가 불필요
(b) 버리는 불량의 저감
(c) 불량률의 저감(탕주름, 기포불량 등)
(d) 용탕 유지 온도의 저하가 가능(에너지 절감)
품질 주조품 품질의 향상
자동차 경량 주조부품의 개발동향
자동차 왕국인 미국을 중심으로 법제화된 CAFE(Corporative Average Fuel Economy, 기업평균 연비, 1975년 12월 발표)법안, Bryan법안, 기후변화협약 등은 자동차 연비향상에 대한 연구를 더욱 가속화시키고 있으며, 자동차 소재의 경량화가 자동차 연비향상에 가장 유력한 방법으로 제기되고 있다.
현재 자동차부품 제조기술 중 주조법에 의한 자동차부품은 자동차중량의 약 15% 이상을 차지하고 있다. 이중 자동차의 핵심부품이라 할 수 있는 엔진, 미션, 섀시 등은 약 80% 이상이 주물로 제조되고 있다. 또한 자동차부품이 갈수록 고기능화, 경량화를 요구하고 있어 새로운 경량소재가 대두됨에 따라 주조기술도 기존의 기술을 보완하고 또 신기술의 개발이 요구되어지고 있다.
1. 알루미늄 주조부품
알루미늄은 자동차의 재료 중에서 철강 다음으로 많이 사용되는 자동차용 경량재료의 대표적인 재료로서 최근 그 사용량이 크게 증가되고 있다. 알루미늄은 철강소재에 비해 대략 60%의 경량화를 달성할 수 있으며, 충돌시 약 50% 이상의 에너지를 흡수하며, 아울러 우수한 내식성으로 인해 방식처리가 필요하지 않다는 장점이 있다.
현재 알루미늄합금의 자동차 주물부품에의 적용은 엔진부품 중 실린더 블록, 실린더헤드, 피스톤 등과 섀시 분야로 크게 나눌 수 있다.
실린더 블록은 엔진 전체 중량의 약 50% 정도를 점유하고 있어 알루미늄 대체시 경량화효과가 매우 크다고 할 수 있다. 자동차 경량화를 위해 국내외 각 자동차 제조업체에서는 알루미늄 엔진을 적용하고 있으며, 일본의 알루미늄업체에 따르면, 2000년까지 전 세계 25% 정도의 자동차가 알루미늄 엔진 블록을 채용할 것이라고 예상하고 있다.
엔진부품 중 피스톤은 현재 주철재(대형 디젤 엔진) 및 알루미늄 합금재료를 이용하여 중력사형 및 금형주조, 또는 복합재를 이용한 스퀴즈 캐스팅 공법으로 제조되고 있다. 알루미늄 피스톤의 소재는 내열성, 내마모성, 저열팽창성, 내크리프성을 보유하고 있는 AC8A합금이 가장 많이 사용되고 있으며 일부 과공정합금도 이용되고 있다. 이러한 알루미늄합금을 적용한 피스톤과 피스톤 로드는 자동차경량화효과와 그로 인한 엔진 스피드 향상을 가져올 수 있다.
이밖에도 실린더 헤드커버 및 오일팬, 타이밍 기어 케이스 등 각종 커버류 및 케이스는 대부분 고압 다이캐스팅 공법으로 제조되고 있으며, 재질은 알루미늄합금(ADC10, 12종) 및 마그네슘합금이 사용되고 있다.
2. 마그네슘 주조부품
마그네슘은 비중이 1.74g/㎤로 비교경량재인 Al의 약 2/3 수준이며 우수한 비강도, 비강성 그리고 진동흡수능이 우수하고 또 알루미늄합금에 비해 치수안정성이 우수할 뿐만 아니라 100% 재활용이 가능하여 차세대 경량자동차 재료로서 잠재력이 매우 크다 할 수 있다. 현재 마그네슘합금은 60% 이상이 다이캐스팅에 의해 제조되고 있으며, 이 경우 후가공처리가 필요함으로써 가격상승의 원인이 되고 있다. 그러나 최근 정형제조기술인 딕소-몰딩(Thixo-Molding)법이 개발되어 자동차부품 적용에 대한 제고가 이루어지고 있다.
일부 브레이크류, 케이스류 및 비교적 강도 등 특성을 요구하지 않는 부품에 현재 마그네슘 주물이 적용되고 있지만 앞으로 딕소-몰딩(Thixo-Molding)법 등의 개발로 브레이크 마스터 실린더(brake master cylinder) 등 내압성 부품의 적용도 가능할 것으로 기대된다.
3. 금속복합재료
1960년대 초기의 금속복합재료는 B/Al과 같이 화학증착법으로 제조된 고가의 B장섬유 강화재에다 단층 Al박판과의 튜브압연과 HIP으로 이루어지는 값비싼 제조방법으로 만들어졌기 때문에 타재료와 가격경쟁을 이루지 못하였다. 그러나 1980년대부터는 보다 값싼 세라믹 강화재의 개발과 near-net-shape제품의 생산기술, 그리고 신속하고 대량생산에 적응할 수 있는 제조공정 개발에 역점을 두어, 최근에는 용탕단조법과 같은 주조기술에 의한 금속복합재료 생산기술이 본격적으로 개발 적용되고 있다.
국내에서는 기아자동차가 금강사와 공동으로 AC8A기지에 저가격 Al2O3·SiO2-ZrO2 단섬유를 강화시킨 뎀퍼 풀리(damper pulley)와 피스톤 개발을 보고하고 있고, 현대자동차에서는 섬유강화 가솔린엔진 피스톤의 개발을 1992년 9월부터 시작하였으며, 용탕단조법으로 시제품 제조를 하고 엔진시험평가를 해본 바 엔진배기 가스, 특히 HC가스의 10∼20% 감소를 보고하고 있다. 또한 뎀퍼 풀리 허브(damper pulley hub)와 FRM 실린더 라이너(cylinder liner)의 개발도 보고하고 있다.
복합재의 기본이 되는 예비성형체(Preform)의 제조 및 평가기술이 중요한 과제로 되고 있고, 스퀴즈 캐스팅(Squeeze Casting)시 적절한 주조조건, 상대재와의 마모관계에 대한 필요한 기술도 이에 대한 개발노력이 요구된다.
결론
선진국을 중심으로 자동차산업의 눈부신 발전에 힘입어 다이캐스팅공정을 이용한 자동차부품의 수요는 급격히 성장하고 있다. 각종 자동차 경량재료와 주조기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만 아직까지는 많은 문제점을 내포하고 있는 실정이다.
국내의 다이캐스팅 공정기술도 최근에 급신장세를 보이고 있으나 중소기업형으로서 영세한 규모이기 때문에 기술개발 수준이 답보상태에 있는 실정이다.
향후 경량 주물재료의 특성과 주조품에 맞는 주조설계, 형상검토 및 FDM/FEM해석(응고 및 유동 해석)을 통해 최적의 주조조건을 확보하여 수축결함, 기공, 산화물 혼입, 편석 등의 주조결함을 사전에 예측하는 기술개발이 절실히 요구된다.
또한 일반 다이캐스팅과 동등 또는 그 이상의 높은 생산성이 유지되어야 할 것이며 재료비, 제조경비 등 제조원가를 줄임으로써 경제성이 확보되어야 할 것이다.
기본 다이캐스팅
다이캐스팅이란? 다이캐스팅은 고강도 합금의 주형을 사용하고 용융된 합금에 고압을 가하는 금속 주조 공정의 한 종류입니다. 이 과정은 사출 성형과 유사합니다. 다이캐스팅 재료는 일반적으로 Zn, Al, Mg, Pb 및 Sn과 같은 철이 함유되어 있지 않습니다. 다이캐스팅 기계는 고온 챔버와 저온 챔버로 분류할 수 있습니다.
다이캐스팅의 응용 다이캐스팅 공정은 안정적인 품질과 고효율을 제공합니다. 따라서 광범위한 응용 프로그램이 있습니다. 자동차, 전자 부품, 의료, 시계, 가정 및 욕실 하드웨어 등과 같은 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 언급된 산업의 많은 주요 브랜드는 생산을 위해 SIMHOPE 제품 및 서비스를 선택합니다.
다이캐스팅의 장점 압력, 속도, 온도 및 기타 매개변수에 대한 정밀한 제어를 통해 다이캐스팅 공정을 통해 우수한 품질과 효율성으로 대량 생산이 가능합니다. SIMHOPE 다이캐스팅 기계는 안정적인 성능을 보장하고 고객에게 다이캐스팅의 이점을 제공하기 위해 고강도 강철과 선택된 고급 부품을 전기 제어용으로 채택합니다.
콜드 챔버 및 핫 챔버 다이캐스팅 기계 고온 챔버 다이캐스팅 머신의 경우, 퍼니스가 머신에 부착되어 있는 반면, 퍼니스는 콜드 챔버 머신에서 머신과 분리되어 있습니다. 고온 챔버 기계는 Zn 및 Mg와 같은 저융점 합금에 적합하고 콜드 챔버 기계는 일반적으로 Al과 같은 고융점 합금에 적용됩니다.
아연 다이캐스팅의 광범위한 응용 다음은 아연 다이캐스팅의 몇 가지 기능입니다.
1. 용융점이 낮아 아연 합금이 다른 합금보다 쉽게 형성됩니다.
2. 복잡한 모양 형성을 허용하는 아연 합금의 높은 유동성.
3. 더 적은 후공정이 필요하므로 생산 비용이 절감됩니다.
4. 도금, 스프레이 등 표면 처리가 용이합니다. 고품질 외관 때문에 종종 구리 합금을 대체합니다.
잠금력의 중요성 다이캐스팅 과정에서 잠금력으로 인해 금형이 안전하게 닫힙니다. 정밀한 잠금력은 가장 중요한 최종 부품의 품질을 보장할 뿐만 아니라 고온 합금이 튀는 것을 방지하여 생산 중 안전을 보장합니다. SIMHOPE는 25톤에서 350톤까지 다양한 잠금력 선택을 제공합니다.
온도 조절의 중요성 안정적이고 정밀한 온도 제어는 매우 중요합니다. 온도는 용융 합금의 유동성에 직접적인 영향을 미칩니다. 유동성이 너무 낮거나 높으면 다이캐스팅 부품의 품질이 손상됩니다. SIMHOPE는 주요 구성 요소에 대해 잘 알려진 브랜드를 선택하고, 또한 완벽한 러너에 보온 시스템을 적용하여 최상의 온도 제어를 제공합니다.
다이캐스팅 공정은 안전한가요? 다이캐스팅 과정에서 합금은 고온의 액체 상태에 있으므로 위험이 있습니다. 정밀한 잠금력 외에도 SIMHOPE 기계의 전체 덮개 디자인은 최고 수준의 안전을 보장합니다. 한편, 다중 안전 센서가 설치되어 필요할 때 즉시 기계를 종료합니다. SIMHOPE는 일선 작업자의 안전을 최우선으로 생각합니다.
[카파-제조 길잡이] 다이캐스팅, 쇠로 쇠를 만들다
“I’ll be back!” 터미네이터가 용광로 속으로 들어가며 우리에게 남긴 한 마디입니다. 터미네이터가 용광로 속으로 서서히 사라지는 모습을 다시금 떠올리면서, 저는 터미네이터의 엄지 손가락보다도 펄펄 끓는 용광로에 눈길이 갔습니다. 터미네이터가 엄지 손가락을 치켜세우며 뜨거운 쇳물 속으로 사라질 때, 왜 쇳물을 담고 있는 용광로는 녹아내리지 않는지에 대해서 말이죠.
영화 ‘터미네이터2’의 한 장면
포인트는 ‘녹는점’에 있었습니다. 애석하게도 터미네이터의 로봇 팔은 용광로 속 쇳물보다 녹는점이 낮았던 것입니다. 이 때문에 훨씬 더 뜨거운 쇳물이 로봇 팔을 삼켜버린 것이죠. 그렇다면 이 쇳물을 담고 있는 용광로의 녹는점은 어떨까요? 영화 속 용광로가 어떤 재료로 만들어졌는지는 모르겠지만, 한 가지 확실한 사실은 쇳물보다 녹는점이 훨씬 높은 재료를 사용했다는 것입니다. 용광로의 녹는점이 어떤 쇳물보다도 높기 때문에 우리는 ‘쇳물 홍수’를 방지할 수 있게 되는 거죠.
자, 이제 녹는점의 원리를 제조의 세계에 적용해 봅시다. 뜨거운 쇳물을 이보다 녹는 점이 훨씬 높은 금형에 부어 원하는 모양으로 만든 뒤 식히면 제품을 만드는 가능하리라는 것을 이해할 수 있을 겁니다. 터미네이터, 쇳물, 용광로를 거쳐 오늘의 제조 길잡이 주제인 ‘다이캐스팅’에 대해 알아보겠습니다.
다이캐스팅(Die Casting)이란?
다이캐스팅은 영어 단어의 합성어입니다. 여기서 다이(die)는 ‘죽다’라는 뜻이 아니라 ‘금형’을 뜻합니다. 캐스팅(casting) 역시 ‘주물’이라는 뜻이죠. 말 그대로 다이캐스팅은 금형에 고열로 녹인 금속을 넣어 제품을 만드는 가공방식입니다. 보통 철로 된 금형 안에 알루미늄 등 여러 합금을 녹인 재료를 많이 사용하죠.
(출처 : 네이버 영어사전)
다이캐스팅은 주조의 한 갈래입니다. 주조의 세부 방식은 금형 자체가 소모적인지 영구적인지에 따라 큰 틀에서 두 가지로 구분합니다.
먼저 소모성 주형 방식들은 틀 안에 재료를 붓고, 주형을 부수고 깨서 제품을 꺼냅니다. 소모성 주형 방식에는 사형 주조, 셸 주조, 석고 주형 주조, 인베스트먼트 주조 등이 있죠. 영구적 주형 방식은 소모성 주형 방식과 달리 주형을 반복적, 영구적으로 사용 가능합니다. 주형을 부수지 않아도 제품을 꺼낼 수 있는 것이죠. 영구적 주형의 대표적 방식이 다이캐스팅입니다. 다이캐스팅 외에도 원심주조 역시 영구적 주형의 방식입니다.
자동차 부품 (출처: sjdiecasting.co.kr)
다이캐스팅은 일반적으로 복잡한 형상을 가진 제품이나 치수 정밀도가 높게 요구되는 부품을 생산하는 데에 적합합니다. 이미 만들어진 주형 틀에 재료를 부어서 찍어내기만 하기 때문에, 주형 틀을 정교하게 만들면 그만큼 정밀한 제품을 만들기 쉽겠죠.
일반적인 주조에서 쇳물을 주형에 흘려넣는 것과 달리 다이캐스팅에서는 보통 압력을 이용합니다. 즉, 금형 한 쪽에 연결된 주입구를 통해 쇳물을 주입할 때 높은 압력을 가해서 금형 틀 안으로 쇳물을 밀어넣습니다. 이처럼 압력을 사용해 강제로 밀어넣으면, 제품의 밀도와 강도를 균일하게 만들 수 있습니다. 쇳물을 주형 안으로 밀어넣었다면 압력을 유지한 상태로 금형 틀 안에서 냉각시킵니다. 압력을 유지한 채로 쇳물을 냉각시키는 이유는 금형 틀 안에서 쇳물이 빠져나오지 않고 균질한 상태가 유지되도록 하기 위함입니다.
다이캐스팅의 원리 (출처 : 유튜브 ‘ForceBeyond Inc’)
사출성형과 유사··· 주재료는 알루미늄·아연·마그네슘
CNC가공, 금형사출, 판금 가공 등 각각의 제조 방식은 저마다 접근 방식이 상이합니다. 하지만 다이캐스팅과 금형사출만큼은 몹시 닮아 있습니다.
금형사출은 플라스틱 재료를 녹인 뒤 금형에 부어서 칫솔, 핸드폰 케이스 등 플라스틱 제품을 만듭니다. 다이캐스팅 역시 금형에 재료를 부어서 제품을 만들죠. 정밀하게 제작한 형틀에 재료를 부어서 찍어낸다는 점에서 정말 비슷합니다. 금형 사출과 다이캐스팅의 결정적인 차이점은 재료에 있습니다.
금형 사출에서는 주로 플라스틱을 녹여서 제품을 만들지만 다이캐스팅에서는 플라스틱보다 다루기 까다로운 금속 재료, 알루미늄, 아연, 주석 등의 비철금속을 재료로 사용합니다.
아연을 다이캐스팅 가공해 만든 수도꼭지 (출처 wonjinmetal)
이러한 재료상의 차이 때문에 플라스틱보다 더 튼튼하게 힘을 견뎌야 하는 제품이나 부품을 다이캐스팅으로 만드는 경우가 많습니다. 자동차 부품이나 오토바이 부품, 공구, 기계 구조물처럼 쉽게 부러지는 것이 아니라 기계의 한 부품으로 단단하게 고정돼 기능해야하는 제품들입니다. 물론 이 외에도 사무기기나 가정용 기기 부품, 장난감까지 다양하게 생산할 수 있습니다.
다이캐스팅 미니카 장난감. (출처 : iliketoy.co.kr)
제품의 재료와 금형의 재료, 둘 중 어떤 재료의 녹는점이 더 높아야할까요? 터미네이터와 용광로를 다시 떠올려보세요. 금형의 녹는점이 제품의 녹는점보다 낮다면, 제품 재료보다 금형이 먼저 녹아내릴 것입니다. 이러한 불상사를 막기 위해서는 제품의 녹는점이 금형의 녹는점보다 반드시 낮아야 합니다.
자동차 에어컨 콤프레셔는 냉매를 압축합니다 (출처 : jinmotors)
철은 녹는점이 높은 대표적인 금속입니다. 다이캐스팅으로 철을 가공하기보다는 다이캐스팅에 사용할 금형 틀을 철로 만드는 경우가 많은 것은 이 때문입니다. 대신 상대적으로 녹는점이 낮은 소재, 비철금속은 다이캐스팅 제품의 재료로 사용됩니다. 알루미늄과 아연, 마그네슘 등 세 가지가 다이캐스팅의 주 재료로 사용되는 대표적인 합금입니다.
알루미늄은 가볍습니다. 그러면서도 강도와 경도가 우수해 제품의 무게를 줄이는 데 유리합니다. 아연은 강도가 높고 경도가 뛰어납니다. 기계 가공이나 프레스, 스탬프 및 조립 부품으로 적절한 재료입니다. 마그네슘은 강하고 단단합니다. 완전히 재활용도 가능한 데다 가볍습니다. 무게를 줄이는 것이 중요한 제품을 만들 때 적합합니다.
다이캐스팅에 사용되는 합금들은 내식성(금속 부식에 대한 저항력)이 우수합니다. 대체로 강도와 경도도 높습니다. 열전도율도 높고 전기전도성도 우수해 다양하게 활용할 수 있습니다.
쇳물 가열 여부에 따라 구분
다이캐스팅 공정에서는 쇳물이 일정한 압력(0.7~700MPa)으로 금형에 주입되면서 제품이 만들어집니다. 이때 쇳물을 가열해서 주입하는지, 주입 후에 가열하는지에 따라 크게 고온챔버 다이캐스팅과 저온챔버 다이캐스팅으로 구분합니다.
고온 챔버 다이캐스팅
금형에 주입하기 전에 쇳물을 미리 가열합니다. 가열된 쇳물을 피스톤의 압력을 이용해 금형 안으로 밀어넣습니다. 쇳물이 금형 안에서 굳을 때까지 압력(평균 15MPa, 최대압력 35MPa)은 계속 가합니다. 쇳물이 금형 바깥으로 빠져나오지 않게 하기 위해서입니다.
지퍼 이(zipper teeth) (출처 : 모션 엘리먼츠)
금형의 녹는점은 재료의 녹는점보다 높지만, 계속해서 열이 가해지면 시간이 지날수록 손상됩니다. 금형의 손상을 방지하면서도 신속하게 제품을 만들어내기 위해 금형을 물이나 기름으로 냉각합니다. 위 과정을 거쳐 제품을 만들어내는 주기를 사이클이라고 합니다. 사이클 시간은 아연의 경우 시간당 200~300회정도 입니다. 지퍼 이(zipper teeth)와 같이 작은 부품의 경우는 시간당 최대 1만8천회 정도의 사이클을 가집니다.
고온 챔버의 작동원리 (출처 : 유튜브 ‘easternalloys’)
고온챔버 다이캐스팅 공정은 쇳물을 미리 담아놓고 자체적으로 가열합니다. 때문에 공기의 유입이 적어 산화물의 생성이 적습니다. 저온챔버 방식보다 상대적으로 주조 사이클이 빨라 생산성이 높습니다. 쇳물 온도를 제어하기도 용이합니다. 하지만 소모품의 가격이 고가입니다. 부품 교체에 시간이 어느 정도 소모되는 편입니다.
저온 챔버 다이캐스팅
쇳물을 가열하지 않은 채로 외부에서 주입한다는 점이 차이점입니다. 저온챔버 방식에서 쇳물은 분사 실린더(주입 챔버)로 주입되는데 이때 챔버는 가열되지 않습니다. 쇳물을 밀어넣는 압력은 저온 챔버 방식(20~770MPa, 최대압력 150MPa)이 고온 챔버 방식보다 더 높습니다.
저온챔버 방식으로는 황동이나 청동처럼 상대적으로 녹는 점이 더 높은 금속을 주조하는 데 적합합니다. 알루미늄, 마그네슘, 구리 등도 저온챔버 방식에 적합한 재료입니다. 또 저온 챔버 방식을 통해 고온챔버 제품보다 더 단단한 제품을 만들 수 있습니다.
저온 챔버의 작동원리 (출처 : 유튜브 ‘easternalloys’)
저온 챔버 방식은 대형 제품 생산에 용이합니다. 저온 챔버 공정의 소모품도 가격이 저렴한 편이고 교체가 간편합니다. 사출력과 생산성이 모두 높으므로 다양한 두께의 제품을 만들 수 있습니다. 하지만 주조 사이클이 상대적으로 늦습니다. 매 사이클마다 보온로에서부터 용해된 금속을 채워넣어야 하기 때문에 주조 사이클이 고온챔버 방식보다 길어지기 때문입니다. 쇳물 온도를 제어하기도 쉽지 않고, 공기의 유입이 커서 산화물이 많이 생성된다는 것은 단점입니다.
지금까지 다이캐스팅 주조 장비의 종류에 따라 저온 챔버 공정, 고온 챔버 공정으로 구분해봤습니다. 다이캐스팅은 일반적으로 고속, 고압 주조법으로 알려져있지만, 쇳물의 압력과 충전속도에 따라서도 세부적으로 분류할 수 있습니다. 가압력 10kg/㎠이하를 저압, 10~500km/㎠를 중압, 500kg/㎠ 이상을 고압으로 분류합니다. 충전 속도는 0.05~1.5m/sec를 저속, 10~60 m/sec을 고속으로 분류할 수 있습니다.
長: 금형 반복 사용해 신속한 작업에 유리
앞서 설명한 대로 다이캐스팅은 영구적 주조로 분류됩니다. 즉, 금형을 반복적으로 사용할 수 있습니다. 신속한 작업에도 적합합니다. 고온 챔버 방식의 경우 보통 시간당 500회 정도까지 사이클이 돌아갑니다. 대량생산을 하게 되면 단가를 줄일 수 있고 폐기되는 재료도 적어 비용이 절약됩니다.
또한 두께 0.5mm이하의 정밀한 제품, 복잡한 형상의 제품도 생산이 가능합니다. 주물의 표면이 깔끔하고 곱기 때문에 표면에 도장, 도금할 때 다듬질 작업을 줄일 수 있습니다. 제품 조직이 치밀해 강도가 높습니다. 여러 개의 부품을 하나의 부품으로 합칠 수도 있습니다. 조립 작업을 없앨 수 있는 셈입니다. 부품 일관성도 높아집니다.
短: 금형제작 비용 높아 소량 생산엔 부적합
금형 제작에 비용이 많이 든다는 것이 가장 큰 단점으로 꼽힙니다. 이처럼 초기 비용이 매우 높기 때문에 소량 생산에는 부적합합니다. 고온/저온 챔버 방식에 상관없이, 일정 시간 동안 가둬놓고 고온 상태를 유지할 수 있는 재료를 선택해야 하기 때문에 가공할 수 있는 재료 선택에 제한이 있습니다. 또 제품 생산후 구멍을 별도로 뚫어야 하는 등 후처리나 후가공이 필요한 경우가 많기 때문에 이 또한 단가를 높이는 요인이 됩니다.
더 궁금한 내용이 있으신가요? 이 콘텐츠 작성자 앤디([email protected])에게 메일을 보내주세요.
제조업체 매칭플랫폼 카파(CAPA)에서는 다이캐스팅을 비롯한 다양한 방식의 가공 기술을 보유한 전문가 파트너(제조업체)를 만날 수 있습니다. 카파에는 2300여 파트너(공정 합산 기준)가 고객들의 주문을 기다리고 있습니다.
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