다이캐스팅에서 블리스터 현상의 주요 원인 설명

TL;DR

다이캐스팅에서 발생하는 벗겨짐(벌링)은 금속 표면 아래에 갇힌 가스가 팽창하여 생기는 부풀어 오른 기포 형태의 표면 결함입니다. 주요 원인은 난류를 일으키는 용융 금속의 흐름과 부적절한 몰드 배기로 인해 가스나 공기가 갇히는 것입니다. 그 외에도 용융 금속 또는 다이의 온도 과다, 다이 윤활제의 부적절한 도포, 알루미늄 합금 내부의 오염물질이나 물리적 결함 등이 중요한 요인으로 작용합니다.

벌링 형성에서 가스 및 공기 갇힘의 역할

다이캐스팅에서 벌링(blisters)이 발생하는 가장 근본적인 원인은 금속 주입 과정에서 몰드 캐비티 내부에 가스가 갇히는 것입니다. 벌링은 본질적으로 기체 다공성의 일종으로, 갇힌 가스가 주조물 표면 바로 아래에 위치할 때 나타납니다. 용융 금속이 응고되는 동안 이 갇힌 가스는 매우 높은 압력을 받습니다. 부품이 다이에서 탈형될 때 외부 지지력이 사라지게 되고, 아직 부드러운 상태인 금속 표면층이 팽창하는 가스에 의해 바깥쪽으로 밀려나가면서 명확한 벌링을 형성하게 됩니다.

이러한 가스는 여러 가지 출처에서 발생할 수 있습니다. 가장 흔한 경우는 주입 전 이미 몰드 캐비티 및 러너 시스템 내에 존재하는 공기입니다. 용융 금속이 너무 빠르게 주입되거나 유로가 최적화되지 않은 경우 난류가 발생합니다. 이러한 난류는 불규칙하고 혼란스러운 흐름을 만들어내며, 스스로 겹쳐들어가 공기 주머니를 포획하게 되고, 금속이 응고되기 전에 그 공기가 빠져나갈 수 없게 됩니다. 기술 분석에서 자세히 설명된 바와 같이 CEX Casting , 게이트 및 러너 설계가 부적절할 경우 금속이 다이에 원활하고 층류 상태로 흐르지 못하게 되어 자주 문제가 발생합니다.

불충분한 벤팅도 또 다른 중요한 요인입니다. 벤트는 용융 금속이 금형 내부를 채울 때 공기가 배출될 수 있도록 설계된 작은 통로입니다. 이러한 벤트가 막히거나, 너무 작거나, 위치가 잘못되면 공기가 빠져나갈 수 없게 되고 주물 내부에 갇히게 됩니다. 그 결과 기공(porosity)이 생기며 표면 근처일 경우 봉진(blisters)이 발생할 수 있습니다. 따라서 이와 같은 결함을 방지하기 위해서는 벤팅 시스템을 최적화하는 것이 매우 중요합니다.

가스 및 공기 갇힘을 줄이기 위해 다음과 같은 모범 사례들을 시행해야 합니다:

• 게이팅 및 러너 설계 최적화: 금형 내 공동이 매끄럽고 난류 없이 충전되도록 몰드 플로우 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 시스템을 설계하십시오.
• 충분한 벤팅 보장: 공기를 완전히 배출할 수 있도록 깨끗하고 효과적인 벤트와 오버플로 게이트를 설계하고 유지보수하십시오.
• 주입 속도 제어: 고속 충전이 시작되기 전에 캐비티 내의 공기를 부드럽게 밀어내기 위해 샷 프로파일, 특히 초기 저속 샷 단계를 조정하십시오.
• 진공 보조 활용: 중요한 부품의 경우 진공 다이캐스팅 공정을 도입하면 주입 전 캐비티 내의 공기를 능동적으로 제거하여 갇힌 가스 결함 발생 위험을 거의 완전히 제거할 수 있습니다.

공정 매개변수: 온도와 윤활제가 블리스터를 유발하는 방식

물리적인 공기 포집 외에도 운영 공정 매개변수는 블리스터 형성 조건을 만드는 데 중요한 역할을 합니다. 온도 제어와 윤활제 적용은 관리해야 할 가장 중요한 두 가지 영역입니다. 용융 금속이나 다이 자체의 과도한 고온은 가스 관련 문제를 악화시킬 수 있습니다. 다음에서 제공하는 개요에 따르면 선라이즈 메탈 고온은 용융 합금 내의 증기압을 증가시키고 다이 윤활제가 분해되면서 가스를 방출하게 하여 이 가스가 포집되는 원인이 될 수 있습니다.

금형 윤활제 또는 이형제는 주물이 금형에 달라붙는 것을 방지하기 위해 필요하지만, 잘못 사용하면 기공 및 벗겨짐(blisters)의 주요 원인이 됩니다. 과도한 양의 윤활제를 도포하거나 고르지 않게 도포할 경우, 과잉 액체가 금형 내부에 고일 수 있습니다. 이러한 과잉 윤활제는 뜨거운 용융 금속과 접촉하는 순간 즉시 기화되어 큰 양의 가스를 발생시키며, 이 가스는 벤트를 통해 빠져나갈 시간이 없어 잔류하게 됩니다. 「The Hill & Griffith Company」의 보고서에서 지적했듯이 The Hill & Griffith Company 플런저 윤활제는 특히 마모된 플런저 팁을 보완하기 위해 추가적인 윤활제를 사용할 경우, 종종 가장 큰 원인으로 작용합니다.

수분 또한 중요한 원인 중 하나입니다. 누수하는 수로, 물방울이 떨어지는 스프레이 장치, 또는 이형제 자체에 남아 있는 미세한 수분이라도 사출 시 증기로 변하게 됩니다. 이 증기는 다른 포획된 가스와 동일하게 작용하여 주물 표면 아래에 압력을 형성하고, 결국 벗겨짐(blisters)을 유발할 수 있습니다. 따라서 건조한 금형 환경을 유지하는 것이 무엇보다 중요합니다.

공정 파라미터로 인한 블리스터를 방지하기 위해 운영자는 다음의 조치를 따라야 합니다.

1. 엄격한 온도 관리 유지: 과열 및 과도한 가스 발생을 방지하기 위해 용융 합금과 다이 모두가 지정된 온도 범위 내에 있도록 관리해야 합니다.
2. 윤활제를 소량으로 균일하게 도포: 자동 분사 시스템을 사용하여 고품질의 잔여물이 적은 이형제를 최소한으로 일정하게 도포하세요.
3. 증발 시간 확보: 다이가 닫히기 전에 윤활제 내의 물 또는 용매 성분이 완전히 증발할 수 있도록 분사 후 충분한 지연 시간을 확보해야 합니다.
4. 정기적인 정비 수행: 누수되는 물 또는 유압 라인이 없는지 정기적으로 점검하고 수리하며, 분사 노즐이 물방울이 맺히지 않도록 관리해야 합니다.

재료적 및 물리적 결함을 근본 원인으로 간주

마지막 원인 범주는 주물 재료의 완전성과 금속 흐름 내 물리적 불연속성의 존재와 관련된다. 물집(blisters)은 합금 자체 내 오염물질로부터 발생할 수 있다. 예를 들어, 납(lead)이나 카드뮴(cadmium)과 같이 끓는점이 낮은 원소들은 주조 공정 또는 후속 열처리 과정에서 기화되어 내부 가스 압력을 유발할 수 있다. 마찬가지로 알루미늄 합금은 용융 중에 수소를 흡수하게 되며, 응고 과정에서 이 수소가 빠져나가려 하면서 다공성 및 물집을 초래할 수 있다.

채움 공정 동안 도입된 물리적 결함도 매우 해롭다. Engineering Failure Analysis 게이팅 시스템 근처 영역에서 특히 큰 벌링(blisters)을 일으키는 주요 원인이 되는 것은 콜드 플레이크(cold flakes)인데, 이는 샷 슬리브(shot sleeve) 벽면에서 떨어져 나온 반고체 상태의 금속 조각이다. 이러한 플레이크들은 주조품의 미세구조 내에서 불연속성을 유발하며, 이들 공극에 존재하는 가스가 열처리 중 팽창하여 표면에 상당한 크기의 벌링을 형성한다. 이와 유사한 다른 결함으로는 콜드 드롭(cold drops), 콜드 샷(cold shots), 산화피막(oxide films) 등이 있으며, 모두 금속의 균일성을 해치고 벌링 발생의 시초 지점 역할을 한다.

이러한 재료 관련 결함을 방지하기 위해서는 원자재 취급부터 최종 생산에 이르기까지 전 공정에 걸친 철저한 관리가 필요합니다. 품질 관리에 강력한 의지를 보여주는 공급업체와 협력하는 것이 필수적입니다. 예를 들어, 고성능 자동차 부품 제조업체들은 종종 IATF16949 인증 절차와 자체 품질 관리 시스템을 통해 처음부터 끝까지 재료의 무결성을 보장하며, 이러한 결함을 예방하기 위한 중요한 실천 방법입니다.

이러한 서로 다른 원인들을 더 잘 이해하기 위해 다음 표에서는 가스 기공으로 인해 발생한 벌집 모양 결함과 물리적 또는 화학적 결함에서 기인한 벌집 모양 결함을 비교합니다.

해결책으로는 원자재를 완전히 예열하고 건조시키며, 고순도 합금을 사용하고, 주조 전에 용해된 수소를 제거하기 위해 질소나 아르곤을 이용한 효과적인 탈기 처리를 시행하는 것이 포함됩니다.

다이캐스팅 범프에 관한 자주 묻는 질문

1. 다이캐스팅에서 범프가 생기는 주요 원인은 무엇인가요?

범프의 주요 원인은 금형 캐비티 내의 갇힌 공기로, 난류 상태의 용융 금속 흐름과 통풍 부족으로 인해 포획됩니다. 이 가스는 주물 표면 바로 아래에 위치하며 팽창하면서 부드러운 금속 표피를 바깥쪽으로 밀어내어 거품을 형성합니다.

2. 열처리가 다이캐스트 부품에 범프( blister) 형성을 유발할 수 있습니까?

예, 열처리는 범프 형성의 흔한 원인입니다. 부품은 주조 직후 외관상 결함이 없어 보일 수 있으나, 표면 아래에 갇힌 가스 또는 물리적 불연속성이 존재하는 경우, 열처리 시 높은 온도로 인해 가스가 급격히 팽창하여 표면에 범프 형태의 결함을 드러낼 수 있습니다.

3. 범프와 일반적인 기공(포로시티, porosity)를 어떻게 구분합니까?

범프는 주물의 표면 또는 근표면에 발생하는 결함으로, 주물 표면 위로 돌출된 부풀음 형태로 나타납니다. 반면 일반적인 기공은 부품 내부 어디에서나, 심지어 내부 깊은 곳에서도 발생할 수 있는 공극을 의미합니다. 두 현상 모두 갇힌 가스로 인해 발생하지만, 범프는 표면을 변형시킬 정도로 표면에 가까이 위치한 기공을 특별히 지칭합니다.