2.4 다이캐스팅법
2.4.1 다이캐스팅의 정의와 용어
다이캐스팅은 「정밀한 금형에 용탕을 주입해 고정도에서 주조표면이 우수한 주물을 대량 생산하는 주조방식과 그것에 의한 제품을 말한다」라고 정의되어 있다. 일본어로는 다이주물이라는 말도 사용되고 있지만 미국의 die casting을 채용하도록 되어 있다. 영국에서는 금형주조를 gravity die casting, 저압주조를 low pressure die casting, 다이캐스팅을 pressure die casting이라고 한다.
2.4.2 다이캐스팅의 특징
다이캐스팅의 대표적인 장점과 단점은 다음과 같다.
《장점》
- ①복잡한 형상의 제품을 한 공정에서 대량생산 할 수 있다.
- ②고속고압충전이므로 용탕와류가 없고 주조상태의 치수정도가 좋다.
- ③고속고압충전이므로 탕류가 양호하고 얇은 제품을 만들 수 있으며 주물표면이 미려하다.
- ④고속충전 및 급랭응고이기 때문에 시간당 생산성이 좋다.
- ⑤급랭에 의한 칠층의 형성에 의해 기계적 성질이 향상된다.
《단점》
- ①공기나 가스의 유입에 의한 기공에 대처해야 한다.
- ②공기나 가스의 유입 때문에 용체화 처리나 용접을 할 수 없다.
- ③금형이 고가이므로 경제성 있는 대량생산을 확보할 수 없다.
2.4.3 다이캐스팅기
슬리브와 플랜져가 용탕 속에 없고 가열시키지 않았다 하여 골드쳄버라고 불리고 있다.
한편 핫쳄버라는 머신은 아연이나 마그네슘 다이캐스팅에 사용되고 있으며 알루미늄합금에 이용되는 경우는 없다. 일본의 콜드쳄버 다이캐스팅머신은 형체력이 최소 0.5MN, 최대40MN이다. 사출력은 형체력의 1/10~10/20이 된다.
2.4.4 다이캐스팅 사이클
콜드쳄버머신에 의한 알루미늄합금 다이캐스팅의 1사이클에 대해 설명하겠다.
- a)머신의 주형조임작동으로 가동형을 고정형에 맞춰 두 개의 금형을 닫는다. 레들로 알루미늄합금 용탕을 콜드쳄버라고 하는 슬리브에 주입한다.
- b)플랜져가 작동하고 용탕을 금형캐비티내에 고속고압으로 압입한다. 금형은 과열을 방지하기 위해 수랭한다.
- c)용탕이 응고하면 금형을 열고 플랜져와 가동중자를 원상복귀시킨다.
- d)압출핀을 작동시켜 제품을 금형에서 밀어낸다.
다이캐스팅하는 제품의 크기에 따라 사용하는 기계의 크기를 결정한다. 다이캐스팅의 1사이클은 소형은 수 초, 대형은 수 분이며, 소형재의 제조방법으로는 고생산성을 꾀하고 있다. 최근 다이캐스팅 생산에서는 이들의 작동을 자동화하고 무인화를 겨냥한 공장도 있다.
알루미늄합금 다이캐스팅의 대표적인 주조조건항목인 주조압력은 10~200MPa, 게이트속도는 2~100m/s의 범위이며 그 결과 충전시간은 0.01~0.7s, 냉각속도는 30~100℃/s이다. 다이캐스팅의 주조조건은 중력주조법의 그것과는 상당히 다르다.
특징은 다음과 같다.
- ①고압력으로 주조한다. ②고속으로 주조한다. 그래서 금형으로의 충전시간이 매우 짧다. ③금형 내에서는 충전된 용탕을 급속하게 냉각하고 응고시킨다.
2.4.5 다이캐스팅의 제조공정
대부분의 공장에서 행해지는 다이캐스팅작업은 자동급탕장치, 플랜져 윤활장치, 자동스프레이, 제품취출장치 등으로 지원되어 기계화 및 시스템화 되고 있다. 전자동운전, 무인운전도 실현되고 있다. 트리밍 장치는 주로 편칭프레스작업에 의존하고 있는데 샌드블라스트나 쇼트블라스트를 병용하기도 한다. 후가공에서는 기계가공과 표면처리를 한다. 표면처리는 버핑, 화성처리, 도장, 양극산화처리, 도금 등을 선택할 수 있다.
2.4.6 다이캐스팅의 치수공차
제품에 요구되는 치수정도는 최종가공 후의 것으로 소재의 오차와 가공에서의 오차가 가산되는 것은 말할 필요도 없다.
대표적인 알루미늄합금 다이캐스팅ADC12의 주조상태의 치수공차는 다음과 같이 해석할 수 있다.
- ①치수공차=주물공차+금형공차+수축대산정공차+주조조작상의 공차
- ②최고 가능치수공차의 계산식
ε=±0.75×10-³×L。(mm) - ③정밀치수공차의 계산식
ε=±(1.15×10-³×L。+0.1) (mm) - ④일반치수공차의 계산식
ε=±(2.15×10-³×L。＋0.2) (mm)
이 때 L。는 금형캐비티의 상온에서의 길이, ε는 다이캐스팅의 치수차를 나타낸 것이다. 주물공차를 변동시키는 요인은 금형온도차이다.
치수공차의 표준으로는 JIS B 0409 다이캐스팅 보통 허용차가 있어 길이의 보통 허용차와 탈구배 각도의 최대값이 정해져 있다.
(사)일본다이캐스팅협회는 다시 세부를 표준화하고 길이의 허용차, 각도의 허용차, 평면도의 허용차, 편심의 허용차 등을 표시했다.
2.4.7 다이캐스팅의 기계적 성질
다이캐스팅의 기계적 성질은 단순형상의 개별 용탕주입 시험편에 있어서 측정치와 양산품에서 잘라낸 시험편에서의 측정치를 나타낸 것이다. 일반적으로 전자가 후자보다 수치가 크다. 개별 용탕주입 시험편으로는 ASTM시험편이 유통되고 있다.
다이캐스팅의 강도를 대용특성으로 보증할수는 없다. 실제,실용 부하에 준한 하중을 다이캐스팅에 가해 파괴하고 견딜 수 있는 하중이 통계적으로 보증가능한 수치, 예를 들면 3σ의 하한값을 구한다.
2.4.8 다이캐스팅의 결함과 대책
결함을 어느정도까지 허용하는 가는 상품의 요구품질에 따라 달라지므로 거래시 한도를 명확히 해두어야 한다.
(사)일본다이캐스팅협회에서 주물표면기준과 기포 기준을 제시한 바 있다. 파단칠층이라는 새로운 결함명칭도 있다. 다이캐스팅의 사출슬리브 내에서 생성된 응고층이 플랜져에 의해 파단되어 용탕에 유입되어 캐비티 안으로 들어온 이상조직이라고 해설되고 있다. 파단칠층과 정상조직과의 경계면강도는 9kgf/mm²이하로 삽입되어 정상조직부의 강도에 비해 현저하게 낮다. 이것이다이캐스팅의 강도를 극단적으로 저하시키는 원인이 된다. 다이캐스팅의 강도에 대한 요구의 정도에 따라 파단칠층의 발생 방지방법의 개발이 진행되고 있다. 세라믹 슬리브법, 분체윤활법 등 사출직전의 슬리브내 용탕의 보온성을 높이는 방법이 모색되고 있다.
2.4.9 새로운 다이캐스팅방법
다이캐스팅은 고도의 생산성과 얇은 제품의 양호한 탕흐름을 세일즈포인트로 해서 양적 확대를 진행해 왔다. 그러나 그것을 실현하는 고속충전은 한편으로는 혼입에 의한 기포를 피할 수 없는
원인이 되기도 한다. 주물로서 충전성, 기밀성, 강도의 레벨업, 그리고 열처리나 용접이라는 제품설계상의 요청에 의해 몇몇 새로운 다이캐스팅 방법이 개발되었다.
(1) 진공법
진공법의 역사는 꽤 오래되었다. 현재 공업적으로 알려져 있는 방법에는 GF법, 매스벤트법, 셔트오프핀법, RSV법, 슈퍼백법, MFT법, VACURAL법 등이 있다. 일본에서 많이 쓰이고 있는 진공법은 GF법이다.
(2) PF법
무공성 다이캐스팅이라고도 불린다. 금형캐비티 및 슬리브 내의 공기를 산소로 퍼지해서 고속사출에 의한 분무상태의 용탕과 산소를 화합시켜 산소를 Al₂O₃로 고정화함으로써 기포를 없앤다는 원리이다. PF법으로 만들어진 다이캐스팅은 용체화처리·인공시효 열처리가 가능하다. 용접을 하는 경우도 있다.
(3) 국부가압법
금형캐비티에 용탕충전을 완료한 후 가압핀을 소정의 스트로크만큼 압입함으로써 주조압력보다 높은 국부가압을 캐비티 내의 용탕 또는 반응고체에 가한다. 이러한 가압에 의해 생긴 캐비티 체적의 감소분의 공극을 메우는 효과가 있다. 게이트에서 떨어진 부분에 고립되어 있는 두꺼운 부분의 기포에 대한 대책에 효과적이다.
(4) 핫쳄버법
핫쳄버머신법은 사출기구부가 용탕에 잠겨있기 때문에 명명된 것이다. 강제의 사출기구부는 알루미늄합금 용탕에 침식되기 쉬우므로 통상 핫쳄버머신이 알루미늄합금 다이캐스팅에 사용되는 경우는 없다. 그러나 이 방식의 높은 생산성,고도의 자동화 수준,용탕품질의 안정도를 적용할 수 있으면 알루미늄합금 다이캐스팅에도 새로운 수요개발을 기대할 수 있다. 중소기업사업단은 1987년에 형체력2.5MN의 핫쳄버머신을 시험작동했다. 알루미늄합금 용탕과 접촉하는 부품에 질화규소등의 세라믹재료를 사용하고 있다. 운전시험을 한 결과 품질의 향상, 슬림화, 생산성 향상, 에너지 절약 등을 기대할 수 있게 되었다.
(5) 붕괴성중자법
언더커트형상에의 제약이 다이캐스팅의 단점 중 하나이다. 해결법 중 하나로 금속제중자 세팅을 사용하는 방법이 있다. 또 하나인 붕괴성중자로 염이나 규사를 골재로 사용하는 방법이 활용되게 되었다.
3.1 다이캐스팅용 금형
3.1.1 금형의 구조
다이캐스팅용 금형은 직접조각형, 끼워넣기형, 공통주형, 유닛형으로 구분된다.
직접조각형은 금형전체가 열간금형용 합금공구강으로 구성되며 소형에 한정된다.
끼워넣기형은 틀조각된 중자를 주강 또는 구상흑연주철의 면형속으로 삽입해서 사용한다.
끼워넣기형은,
1. 캐비티부의 중자부분만을 합금공구강으로 하면 되고 재료비를 절약할수 있다.
2. 주형의 열처리시 중자만 다듬질해서 변형을 적게 한다.
3. 형가공이 적다.
4. 금형갱신시 중자만 갱신할 수 있어 경비가 저렴하다.
등의 특징이 있으며 가장 많이 채용되고 있다.
공통주형은 복수의 유사형상 금형일 경우 주형을 공통으로 해서 중자만 교체해서 사용하는 금형이다. 유닛형은 중형을 다이캐스팅머신에 설치한 그대로 압출 기구 냉각수관 등을 개별적으로 가지는 조각형을 단시간에 바꿔넣도록 설계된 금형구조이다.
3.1.2 금형의 설계
(1) 금형의 분할면
금형의 분할면은 가동형과 고정형의 맞춤면으로 광의로 말하자면중자의 맞춤면이라고도 한다.
가동형과 고정형의 맞춤면이 주요 분할면이 되지만 일반적으로 주물의 최대 투영면적부분으로 하는경우도 많다.
분할면을 취하는 방법에 따라 용탕주입, 가스빼기,탕구, 주물바리 등의 후가공, 외관, 치수정도, 제조의 품질, 금형가공 등에 영향을 미치도록 금형설계의 시점에서 충분한 검토를 해야한다.
(2) 중자
복잡한 형상의 주물에서 가동형과 고정형의 형이 열리는 방향만에서는 빼기구배로 취출되지 않을 경우 중자를 사용해서 성형한다.
중자에는 주조의 형개방때마다 이동하는 슬라이드가동중자,형이 열릴경우 제품에 중자가 남은 상태에서 형에서 취출되어 그후에 기계적으로 중자를 취출하는 금속개재중자, 진동 혹은 가열에 의해 취출되는 붕괴성 모래중자, 용융금속중자 등이 있다.
(3) 탕구방안
탕구방안은 주형분할면에 따라 설계되며 탕구, 탕도, 오버플로,벤트홀이 있다.
탕도는 용탕을 캐비티에 충전할 때 가능한한 용탕난류를 일으키지 않는 현상, 용탕의 주입방향, 복수탕도의 경우 용탕의 배분 등을 고려해야 한다.
최근에는 컴퓨터 시뮬레이션에서 탕도, 탕주입 분석도 이루어지고 있다.
탕구위치, 형상은 캐비티로의 용탕충전, 용탕압력전파 등 다이캐스팅의 품질에 큰 영향을 미침과 동시에 제품의 크기, 두께, 탕구제거, 후가공 등을 고려해서 결정해야 한다.
탕구 단면적 α는 다음 식에서 구할 수 있다.
α= Q/(Vg×t)
Q는 오버플로를 포함하는 다이캐스팅 캐비티부의 용적, Vg는 용탕의 탕구속도로 35~60m/s, t는 충전시간이며 제품두께에 따라 달라지는데 0.02~0.12s의 범위를 참고로 계산된다.
탕구의 두께는 제품의 크기, 두께, 탕구의 제거방법 등에 따라 크게 제약을 받는데 통상0.6~3.5mm의 범위이다.
오버플로는
1. 오염된 용탕응집
2. 가스배출효과 도모
3. 가스배출구로 들어오는 용탕의 유속을 저하시키고 금형 밖으로의 용탕비산을 방지
4. 금형의 보온 등 형온의 제어
등을 목적으로 한다.
가스빼기는 용탕이 캐비티 안으로 충전될 때 사출슬리브, 탕도, 캐비티 내의 공기 유입, 슬리브 윤활제, 이형제 등에서 발생하는가스를 배출시키기 위해 설치되었다.
오버플로, 가스빼기의 위치는 주물형상, 금형 구조, 주조조건 등에 따라 달라지지만 일반적으로는 용탕이 마지막으로 충전되는 장소, 공기유입 캐비티가 많이 발생할 우려가 있는 장소 등에 둔다.
또한 적극적으로 가스빼기를 하는 방식은 대기해방 진공흡인에 의한 칠가스빼기방식, GF방식, RSV방식, 혹은 슈퍼백방식 등도 있다.
(4) 제품압출
용탕이 개비티 내에 충전되어 응고한 뒤 주형이 열릴 때 가동측에 남은 제품은 압출핀으로 압출된다. 압출핀 지름의 크기, 개수, 배치는 제품이 주형에 남거나 변형하지 않도록 균등하게 압출되도록 결정해야 한다.
(5) 빼기구배
용탕이 캐비티에 충전되고 응고·냉각에 의해 제품부가 수축되고금형에서 이형하기 쉽도록 하기 위해 금형의 분할면에 대해 수직방향의 벽에 경사를 줘야 한다. 이 경사를 빼기구배라 한다.
(6) 수축값
기타 주조법에 의한 주물과 마찬가지로 다이캐스팅 금형의 경우도 금형의 열팽창량, 주물의 냉각·응고에 의한 수축량 등을 미리 형형상치수에 집어넣기 위해 수축값을 설정해야 한다.
수축값은 금형, 주입재료의 열팽창계수, 주입 전과 제품취출시의금형온도, 주입재료의 응고개시 온도, 제품취출 온도 등에 따라 결정된다.
알루미늄 다이캐스팅의 경우 일반적으로는 5/1000~7/1000이 적용되며 두께가 얇은 제품, 열팽창계수가 작은주물에는 낮은 값을, 두께가 두꺼운 제품, 열팽창계수가 큰 주물은 높은 값을 적용한다.
(7) 금형온도제어
다이캐스팅에서의 금형온도는 용탕개비티의 충전성, 눌어붙음, 기포발생, 치수정도 등의 품질에 큰 영향을 주므로 그 온도설정은 중요하다.
금형냉각을 필요로 할 때는 내부 냉각경로를 두고 통수한 뒤 냉각한다.
또 금형을 가열해야 하는 부분에는 시드히터를 사용하거나 금형온도를 일정의 온도로 유지하기 위해 수시로 가열 혹은 냉각가능한 오일 순환방식도 있다.
3.1.3 금형용 재료
직접조각형 혹은 끼워넣기형, 중자형의 코아 등의 캐비티부의 형재료는 알루미늄용탕이 고속, 고압에서 사출충전되어도 그것에 견딜만큼의 강동, 인성, 내히트체크성을 필요로 한다.
또 내용손성, 내마모성, 내템퍼링 연화저항성에 우수하며 열처리 변형이 적고 담금질성, 기계가공성이 좋아야 한다.
일반적으로는 JIS규격의 합금공구강SKD6 또는 SKD61이 많이 사용된다.
또 최근에는 코아의 내히트체크성을 향상시키기 위해 SKD61를 기본으로 개량한 특수금형재료도 사용되고 있다.
3.1.4 금형가공
금형가공에는 다양한 방법이 있는데 금형의 각각의 부위,형상,재질, 요구되는 치수정도 등에 따라 최적방법을 선정할 수 있다.
최근에는 NC머신의 개발, 고정도화와 함께 금형설계에서 가공까지 컴퓨터시스템을 이용한 CAD/CAM시스템이 많이 사용되고 있다.
또, 방전가공도,NC가공과 마찬가지로 니어넷셰이프가공화, 단기납기화, 인력감축화 등을 위해 폭넓게 이용되고 있다.