다이캐스팅 공정 및 품질관리

1. 서론

용해, 주조, 후처리, 금형 관리 등 다이캐스팅 공정 중에서, 용해와 주조 공정의 운용을 위한 주요 관리 항목과 품질관리에 필요한 관리 항목을 요약하여 설명한다.

2. 용해

2.1. 용해 공정

(1) 원재료 입고

원재료 입고 시 수입 검사의 항목과 방법으로 성분 분석기로 화학성분을 검사하고, 육안으로 표면에 존재하는 개재물의 상태를 한도 견본을 기준으로 판정을 하며, 파단면의 이물질 함유 여부의 검사와 합부 판정은 K-Mold 시편을 제출받아서 시행한다.

(2) 용해

오염된 회전재가 용해로에 혼입되지 않도록 하며, 제품의 수율을 근거로 잉곳과 회전재의 배합 비율을 표준화하여, 이 장입 비율을 선정한 실험 이력의 데이터를 확보한다. 단, 장입 비율의 선정은 탈가스 처리 및 탈산 처리를 시행하는 것을 전제한다. 수소가스의 생성과 산화물의 증식을 방지하기 위하여, 용해 온도는 750℃ 이하로 관리하는 것이 좋다.

(3) 출탕

출탕 시 중요한 요소는 출탕 온도와 출탕 시 개재물의 혼입이다. 출탕 온도의 편차가 심할 때는 미성형이나 산화물이 형성되므로 출탕 온도의 표준을 준수하며, 전로로 부터 래들로 출탕 시에는 개재물 혼입의 방지를 위하여 유리섬유나 세라믹 필터 등을 사용한다.

(4) 용탕 청정처리

래들 또는 전로에 용탕을 출탕한 후, 용탕 안의 수소 가스와 개재물을 제거하기 위하여 탈가스 처리를 시행하며, 탈가스 처리 후에는 최소 20분 이상의 진정 시간을 유지한다.

(5) 급탕

래들 또는 전로에서 용탕의 청정 처리와 진정 공정을 마친 후 각 보온로에 용탕을 공급할 때에는 최소의 높이에서 최소의 낙차로 용탕을 급탕함으로써 용탕의 산화 억제와 진정 효과를 유지하며, 잦은 빈도로 급탕함으로써 보온로 온도의 편차를 줄여야 한다.

2.2. 용탕의 청정도 관리

용해 공정 중 발생하는 수소 가스와 개재물 등으로 용탕이 오염되는 것을 최소화하는 목적으로 제반의 용탕 청정화 작업이 필요하다.

(1) 탈가스 처리의 목적

(가) 알루미늄 용탕의 수소 가스 생성을 최소화.

대기 중의 수분, 연소 가스 중의 수분, 내화물 중의 수분, 기타 알루미늄 용탕 주변에 존재하는 수분은 다음의 식과 같이 알루미늄과 반응하여 수소 가스가 용탕 중에 고용된다.

2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + H₂

그림 1은 알루미늄(Al) 중의 수소 용해도를 설명한다. 온도가 높아지면 수소의 용해도는 급격하게 증가하지만, 응고 후 고상이 되면 고용도가 급격하게 작아지거나, 고용할 수 없는 수소 가스가 응고 중에 기포가 되어 방출되어, 일부가 제품에 남아서 가스 기포를 형성한다. 따라서 건전한 제품을 주조하기 위해서는 탈가스 처리가 필요하다.

그림 1. 알루미늄 (Al) 중의 수소 용해도.

(나) 용탕의 개재물 제거

용탕의 개재물은 주조 시에 다이캐스팅 중에 말려 들어가서, 하드스팟 (Hard Spot)이 된다. 하드스팟은 제품 내부에 개재하는 단단한 이물 (경도 300~500HV 이상)이며, 이것이 가공면에 나타날 경우, 절삭 표면에서 상처가 되어 나타난다. 또한, 절삭 공구의 파손이나 마모를 일으켜, 공구 수명의 저하와 동시에 가공 정밀도 악화로 이어진다. 그림 2에 하드 스팟의 생성 모델을 설명한다.

그림 2. 하드스팟의 생성 모델.

사진 1. 하드스팟의 발생 사례.

① 내화물 혼입형 (단순 혼입형) - 로재, 세라믹의 혼입과 용탕 반응으로 생성된다.

② 용탕 산화형 - 용탕 산화와 용탕 반응으로 생성된다.

I형 : 로벽에서 성장한 조대 산화물괴

II형 : 작은 용탕산화물, 산화피막

③ 금속간화합물형 – 불순물 원소, 금속편의 혼입이 응집하면서 생성된다.

④ 복합형 – 로재, 용탕산화입자 및 산화피막이 결합하여 생성된다.

(2) 용탕의 탈가스 처리 방법

알루미늄 합금 주물에 있어서 많이 사용되는 탈가스 처리 방법은 다음과 같다

(가) 아르곤, 질소 등의 불활성 가스를 파이프를 통해 용탕 속으로 불어 넣어, 기포에 수소가스를 확산시켜 제거하는 방법.

(나) 아르곤, 질소 등의 불활성 가스를 세라믹 재질의 임펠러를 통해 미세한 기포로서 용탕 중으로 투입하여 기포에 수소가스를 확산시켜 제거하는 방법.

(다) 할로겐 화합물 (주로 육염화에탄)등, 용탕 중에서 염소가스를 방출하는 탈가스 용 플럭스를 이용하여 플럭스와의 화학 작용 또는 기포로 수소가스를 확산 시킴으로써 제거하는 방법.

(라) (가)와 (다)를 병용해서, 불활성 가스를 캐리어로 플럭스를 용탕으로 분출시키는 방법.

(3) 용탕의 청정도 측정 방법

(가) 감압응고법

1) 감압응고법은 용탕 내 잔류 가스의 양을 비교적 손쉬운 방법으로 측정할 수 있는 방법으로, 작은 컵 분량의 용탕을 도가니에 담아 챔버 속에서 응고시키는데, 진공 펌프를 이용하여 응고 전에 분위기를 감압 상태로 만든다.

2) 용탕 내부에 가스가 존재하면 주위가 감압 상태이므로 응고 중에 버블을 쉽게 형성하게 되며, 응고 후 시편을 절단하여 내부를 관찰하면서 형성된 버블의 정도를 비교하여 잔류 가스량을 추정하는 방식이다.

3) 용탕으로부터 시편을 채취한 후에 진공 감압을 최대한 신속하게 행하여야 한다. 시간이 지연될수록 시편 내부의 가스는 표면으로 방출되어 정확한 측정이 어렵다.

4) 진공 조건은 40mmHg로 2분 또는 3분을 적용한다.

(나) K-Mold 법

그림 3. 탈가스 방법별 탈가스 효과.

사진 2. 감압응고시험 장치; (A) 감압응고시험 장치, (B) 시료채취용 컵과 시료.

사진 3. 감압응고시험 시편; (A) 탈가스 처리 미실시, (B) 탈가스 처리 실시.

용탕의 청정한 정도를 거시적으로 평가할 수 있는 파단 시험법으로, 알루미늄 용탕을 예열된 금형에 주입하여 시편을 제조한 후, n개의 조각으로 파단하여 육안이나 저배율로 파단면을 관찰하여 발견된 총 개재물의 갯수 (S)를 파단면의 수 (n)로 나누어 K값을 측정한다.

K = s ÷ n

s: n개의 작은 시편에서 관찰된 개재물의 수

n: 관찰한 작은 시편의 수

K: 1개의 작은 시편 (양측의 2개의 파면)에서 관찰된 개재물의 수

표 1. K-Mold법에 의한 개재물의 판정 기준

사진 4. (A) K-Mold 금형, (B) K-Mold 시편, (C) K-Mold 절단 시편. (A) (B) (C) 사진 4

3. 다이캐스팅 주조

3.1. 다이캐스팅 주조 작업 공정

주조 작업 공정은 ① 금형 청소 ② 이형제 도포 ③ 금형 닫힘 ④ 주탕 ⑤ 사출 ⑥ 냉각 ⑦ 금형 열림 ⑧ 제품 압출 ⑨ 제품 취출 단계가 1사이클 작업이다. 주요 관리 포인트는 용탕온도, 금형온도, 사출속도, 주조압력, 이형제 분사량, 사이클 타임 등이다.

(1) 금형 청소

다이캐스팅 주조 작업 중 금형 표면 등에 버 (burr)가 발생하면 부품의 정밀도를 저하시킬 뿐 아니라 금형 고장의 원인이 되므로 매 사이클 마다 청소하여 이를 제거해야 한다. 또한, 금형 표면의 수분은 알루미늄 용탕과 반응하며 증기가 되면서 수소가스가 생성되어 기포의 발생 원인이 될 수 있으므로 제거해야 한다. 이형제 분사 장치의 에어 분사로 금형의 잔존 수분이나 버를 제거한다.

(2) 이형제 도포

용탕이 금형에 소착되는 것을 방지하고, 밀핀의 윤활과 제품의 이형을 용이하게 하기 위해 이형제가 사용된다. 용탕 표면에 수분으로 잔존하면 기포의 발생 원인이 될 수 있으므로 최소의 양을 도포한다. 마그네슘 합금의 경우 수용성 이형제의 수분으로 인한 폭발의 위험성 때문에 도포량을 200℃에서 완전히 기화될 수 있도록 최소의 양을 도포한다.

(3) 주탕

용탕양의 편차는 품질에 직접 영향을 주므로 보온로에서 용탕이 일정하게 주탕하도록 한다. 주입 온도는 보온로 온도에 의해 관리되므로, 용탕은 가능한 신속히 사출 슬리브에 주입하는 것이 좋다.

(4) 사출

저속, 고속, 증압 3단 사출 방식을 사용하고 있으며, 사출 속도를 제어하는 브레이크 시스 템이 있다. 적합한 사출 속도와 압력을 선정하고 일정하게 유지되도록 관리하는 것이 필요 하다.

3.2. 주조조건 설정방법.

(1) 형체력

(가) 주조 압력 = 증압 실린더 단면적×ACC.압력×0.9×플런저팁 단면적 어큐뮬레이터 탱크에서는 게이지보다 실제로 약10% 미달되게 충진되므로 0.9를 적용한다.

(나) 사출력 = 주조압력×투영면적

(다) 형체력 = 사출력×1.1(안전율)

형체력은 항상 사출력 보다 커야 하므로 안전 계수를 1.1~1.2를 적용한다.

(라) 승압 시간 = 0.01×제품두께×제품두께

(2) 저속속도

(가) 저속 속도 = (0.7×√플런저팁 직경)÷슬리브 충진율(%)

(나) 이론치를 근거로 그 값의 주변의 조건으로, 실제 시험 주조를 통하여 설정한다.

(다) 저속 속도가 너무 빠르면 와류로 인하여 생긴 공기가 금형 안으로 빨려 들어가서 기포의 원인이 될 수 있다.

(3) 슬리브 충진율

(가) 슬리브 충진율이 낮으면, 슬리브 중의 용탕 온도의 저하가 커서 파단칠 층이 증가하고, 게이트 결육, 강도 부족, 리크등의 결함이 증가한다.

(나) 슬리브 충진율이 높으면, 사출 전진 시 슬리브의 주탕구로부터 용탕이 비산된다.

(다) 콜드챔버에 있어서 슬리브 충진율은 30~50%가 요구된다.

(라) 슬리브 충진율(%) = 주입 중량÷(플런저 팁 단면적×공타 스트로크×용탕 비중)×100

(4) 고속속도

(가) 고속속도 = 주입 중량÷(플런저팁 단면적×충진 시간×용탕 비중)

(나) 고속속도 = (게이트 단면적÷플런저팁 단면적)×게이트 속도

(5) 게이트 속도

(가) 게이트 속도 = (플런저 팁 단면적×고속 사출속도)÷게이트 단면적

(나) 게이트 속도는 40~60m/s 를 준수한다.

(다) 게이트 속도를 60m/s 이하로 억제하여 게이트 주변의 소착을 방지한다.

(6) 고속 절환 위치

(가) 저속에서 고속으로 변환되는 위치는 일반적으로 게이트 위치까지 용탕이 충진되는 위치이다.

(나) 슬리브, 런너의 충진은 가스의 혼입을 방지하기 위하여 저속구간, 용탕이 게이트를 통과한 이후에는 캐비티에서의 응고 방지를 위해서 고속 구간으로 하는데 이것을 게이트 절환 또는 고속 절환이라 한다.

(다) 게이트 절환에서는 고속 구간으로써 충진하는 용적은 제품과 오버플로를 더한 용적률인데, 이 용적을 충진 용적, 중량을 충진 중량이라고 한다.

(라) 게이트 절환.

게이트 절환 고속 구간 = (충진 중량÷용탕 밀도)÷(플런저 팁 단면적)

(마) 이 식에서 밀도는 고체 밀도가 아니고 용탕 밀도 임을 주의해야 한다. 대표적인 합금의 용탕 밀도는 ADC12는 2.4g/cm³, ZDC2는 6.3g/cm³, AZ91은 2.4g/cm³이다.

(바) 이것은 계산적인 설정이고, 실제적으로는 다이캐스팅을 하면서 제품을 보고 확인하고 조정해야 한다. 예를 들면, 최종 충진부의 충진이 불충분하여 미성형이나 기포가 발생한 경우에는 고속 구간을 단축하고, 게이트 근방에서 용탕의 섞임(혼류) 현상으로 미충진이 발생한 경우에는 고속 구간을 길게 하는 등의 조정이 필요하다.

(사) 고속 구간을 게이트 절환보다 짧게 하는 것을 제품 절환, 길게 하는 것을 런너 절환 이라고 한다.

(아) 일반적으로 후육 제품에서 기포를 허용하지 않을 때에는 제품 절환을, 박육 제품등에서 외관을 중시할 경우에는 런너 절환이 많이 사용된다.

(자) 탕구 방안도에는 계산에 의한 산출된 게이트 절환에서의 고속 구간과 실제의 고속 구간을 명기하여 비교 검증하고, 이 비교 데이터를 축적하면 차후에 설계하는 제품의 귀중한 참고 자료가 된다.

(차) 고속 절환 위치 = (주입 중량÷플런저 팁 단면적×용탕비중)+1cm

(7) 비스킷 두께

(가) 비스킷 두께 = 0.25×플런저팁 직경

(나) 비스킷 두께와 제품과의 관계를 조사하여 두께의 표준을 설정한다.

4. 다이캐스팅 품질

4.1. 다이캐스팅 불량의 종류

(1) 미성형 불량

낮은 금형 온도, 낮은 용탕 온도, 주조 압력의 부족, 낮은 저속 및 고속 속도, 고속 위치의 부적절, 너무 빠른 감속 위치, 부적절한 에어벤트 및 탕구 방안 등으로 발생한다.

사진 5. 미성형 불량 형상.

(2) 박리 불량

2개 이상의 용탕 흐름이 합류부에서의 융합 부족, 낮은 금형 온도, 너무 빠른 고속 절환, 긴 충진시간, 사출 간 금형의 미세한 움직임, 금형 표면 또는 슬리브 내 얇은 버어 제거 미흡, 국부 스퀴즈 조건의 미흡 등으로 용탕의 흐름이나 응고가 적합하지 않을 때 발생 한다.

(3) 비산 불량

고압 사출이 이뤄질 때 높은 용탕 온도, 금형의 습합 상태 미흡, 형 체결력의 부족 또는 금형 표면의 버 제거 상태가 부적합할 때 발생한다.

사진 6. 박리 불량의 형상.

사진 7. 비산 불량의 형상.

(4) 크랙 불량

금형 내에서 용탕 응고 시 응고 불균형, 특정 부위의 과열로 체적의 수축으로 인한 취약 부위, 주조기와 금형의 정도 불량으로 인한 형개의 불안정, 압출 시스템의 부적합, 트리밍 시 과부하 등으로 발생한다.

사진 8. 크랙 불량의 형상.

(5) 표면오염 불량

사진 9. 표면오염 불량의 형상.

금형에 프런저팁 오일 또는 금형에 잔존하는 이형제의 고형분이 소재에 부착되어 발생한다.

(6) 소착 불량

금형의 예각부나 깊은 홈부와 같은 국부적인 부위나 용탕의 주 흐름부, 게이트 (gate) 부위에 금형 재질, 냉각 부족, 이형제 분사의 부적절 등으로 인한 금형의 국부적인 과열 때문에 발생한다. 주조 알루미늄이 금형이나 핀에 융착된 형상이다.

사진 10. 소착 불량의 형상.

(7) 블리스터(부풀음) 불량

형 내에서 충진 시 용탕에 혼입된 가스가 배출되지 못하고 소재 표피의 취약한 부분이있을때, 또는 열처리를 위한 인위적인 가열 시에 발생한다.

사진 11. 블리스터(부풀음) 불량의 형상.

(8) 게이트 결육 불량

슬리브의 온도가 낮아 응고와 반응고된 상태의 용탕이 사출 후 금형 안에서 불완전하게 응고하거나 용탕이나 슬리브에 잔존한 얇은 버 (burr)가 사출시 금형 안으로 혼입된 파단칠 층 등의 요인으로 발생한다.

사진 12. 게이트 결육 불량의 형상.

(9) 변형 불량

제품의 형상, 압출 불균형 또는 제품 설계의 부적합으로, 또는 열처리 이후에 발생한다. 설계상 리브를 설치하거나, 교정 공정을 추가하여 대응한다.

사진 13. 변형 불량의 형상.

(10) 게이트 기포 불량

수축성 기포 또는 가스성 기포와 원인은 거의 동일하지만 주원인은 두꺼운 게이트 두께나 게이트의 냉각 부족 등이다. 제품의 형상, 압출 불균형, 제품 설계의 부적합으로, 또는 열처리 이후에 발생한다. 설계상 리브를 설치하거나, 교정 공정을 추가하여 대응한다.

사진 14. 게이트 기포 불량의 형상.

(11) 가스 기포 불량

사출 간 포집된 가스, 플런저팁 오일 과다의 탄화가스, 금형 표면의 수분 잔존 및 부적합한 사출 속도 등으로 발생한다.

사진 15. 가스 기포 불량의 형상.

(12) 수축 기포 불량

용탕의 응고 시 응고 균형이 맞지 않으면 소재가 두껍거나 뜨거운 부분의 응고가 늦어져서, 차갑거나 얇은 부위로 체적 변화가 먼저 일어나게 되어, 늦게 응고되는 부위의 체적을 빼앗아 보완하기 때문에 발생한다.

사진 16. 수축 기포 불량의 형상.

(13) 개재물 불량

과도한 용해 온도, 로 청소의 미흡, 불완전한 용탕 청정화 작업, 용해로 표면의 산화물제거 등이 원인이다.

사진 17. 개재물 불량의 형상; (A) 코론덤, (B) 개재물.

(14) 리크 불량

다이캐스팅 제품에 가스나 액체 등의 유체를 봉입하여 압력을 가할 때, 또는 역으로 감압할 때 내부 결함으로 인해 액체가 내, 외부로 새어 나가는 현상으로, 탕경, 미성형, 소착, 파단칠 층, 기포, 크랙 등 1차 결함의 원인으로 2차 결함으로 리크가 발생한다.

그림 4. 리크의 발생 원인과 관계되는 1차 결함.

4.2. 다이캐스팅 불량의 종류와 원인의 관계

다이캐스팅 불량의 종류별 기계적 원인과 열적 원인을 그림 5와 그림 6에 도식적으로 표현하였다. 이를 통하여 불량의 주요 원인을 특정하여 신속하고 정확히 분석함으로서 불량 개선을 효과적으로 진행할수 있다.

(1) 기계적 원인

그림 5. 기계적 원인에 의해 발생되는 불량의 종류와 관련된 주조 조건.

(2) 열적 원인

그림 6. 열적 원인에 의해 발생되는 불량의 종류와 관련된 주조 조건.