TL;DR

다이캐스팅 표면의 흐름 자국은 몰드 충전 과정에서 용융 금속의 불균일한 흐름을 나타내는 가시적인 선, 줄무늬 또는 패턴입니다. 이러한 자국은 주형 온도가 낮거나 충전 속도가 부적절하거나 주형 설계에 결함이 있는 등의 이유로 인해 조기 응고가 발생하면서 주로 생깁니다. 이러한 결함을 해결하기 위해서는 공정 매개변수를 체계적으로 조정하고, 주형 온도를 최적화하며 게이팅 시스템을 개선하여 몰드 캐비티가 매끄럽고 균일하게 채워지도록 해야 합니다.

흐름 자국 이해하기: 정의 및 시각적 식별

다이캐스팅 공정에서 완벽한 표면 마감을 달성하는 것은 주요 목표입니다. 그러나 다양한 결함이 발생할 수 있으며, 그중에서도 흐름 무늬(flow marks)는 가장 흔한 결함 중 하나입니다. 흐름 무늬는 때때로 유동선(flow lines)이라고도 하며, 비정방향성 선, 줄무늬 또는 정맥처럼 나타나는 표면 결함입니다. 이러한 패턴은 지리적 지도와 유사하게 보일 수 있으며, 용융 금속이 몰드 캐비티를 채울 때 이동한 경로를 따라 형성됩니다. 일반적으로 이러한 결함은 표면 수준에 국한되지만, 눈에 보이거나 손으로 만졌을 때 느껴지는 경우가 많아 주조물의 표면 불균일성을 나타냅니다.

유동 자국의 형성은 열역학과 유체역학의 문제이다. 이는 금형 내에서 서로 다른 용융 금속 흐름이 완벽하게 융합되지 못할 때 발생한다. 일부 액체 금속이 나머지가 계속 흐르는 동안 너무 일찍 응고되기 때문에 이러한 현상이 나타난다. 아직도 녹아 있는 금속이 이러한 부분적으로 응고된 영역 위로 흐를 때, 불완전한 접합부와 표면에 눈에 띄는 선들이 생기게 된다. 이들은 균열이 아니라 금속 흐름 앞단이 매끄럽게 융합되지 못한 난류 또는 방해받은 충진 과정의 증거이다.

유동 자국을 시각적으로 식별하는 것은 문제를 진단하는 첫 번째 단계이다. 품질 관리 기술자들은 다른 결함들과 구분하기 위해 특정 특성을 확인한다. 주요 시각적 지표는 다음과 같다:

• 줄무늬 또는 선 가장 일반적인 형태는 기본 금속의 질감과 뚜렷하게 구분되는 매끄럽고 약간 물결친 선들이다.
• 비방향성 패턴: 스크래치는 뚜렷한 방향성을 갖는 반면, 흐름 자국(flow marks)은 종종 소용돌이치거나 비정형적인 패턴으로 나타납니다.
• 색상 변화: 주변 표면에 비해 약간 다른 색조 또는 광택 수준을 가질 수 있습니다.
• 위치: 주로 게이트 주변이나 용융 금속의 여러 흐름이 모이는 지점에서 발생합니다.

흐름 자국과 열크랙(heat checking) 같은 다른 결함을 구분하는 것이 중요합니다. 열크랙은 다이 자체의 열피로로 인해 주물 표면에 생기는 미세한 균열이며, 단일 주기 동안의 금속 흐름 문제로 인한 것이 아닙니다. 이러한 차이점을 이해하는 것은 올바른 조치를 취하는 데 매우 중요합니다.

다이캐스팅에서 흐름 자국의 근본 원인

플로우 마크는 단일한 문제로 인해 발생하는 것이 아니라 공정 조건, 금형 설계 및 재료 취급과 관련된 여러 요인이 복합적으로 작용할 때 생깁니다. 이를 정확히 진단하기 위해서는 다이캐스팅 공정 전체를 검토해야 합니다. 주요 원인은 용융 합금이 금형 내부를 채울 때 초기 또는 불균일한 냉각을 유도하는 조건들입니다.

가장 중요한 요소 중 하나는 금형과 용융 금속의 온도입니다. 낮은 금형 온도는 흔한 원인이며, 예를 들어 알루미늄 합금의 경우 180°C 미만, 아연 합금의 경우 90°C 미만의 온도에서는 금형 벽면과 접촉함과 동시에 금속이 너무 빨리 식게 됩니다. 마찬가지로 용융 금속 자체의 온도가 최적 상태가 아니라면 점도가 증가하여 원활한 유동이 방해되고, 서로 다른 유동 프론트들이 제대로 융합되지 못하게 됩니다. 이로 인해 최종 제품 표면에 특유의 줄무늬와 선들이 나타나게 됩니다.

금속을 금형에 주입하는 방식의 동역학은 마찬가지로 매우 중요합니다. 잘못된 충전 속도는 공정을 방해할 수 있습니다. 속도가 너무 느리면 캐비티가 완전히 채워지기 전에 금속이 과도하게 냉각되어 차가운 틈(cold shuts)과 유동 자국(flow marks)이 발생할 수 있습니다. 반대로 속도가 너무 빠르면 난류가 발생하여 공기가 포획되고 층류 흐름(laminar flow)이 방해받아 표면 결함이 생길 수 있습니다. 목표는 난류를 유발하지 않으면서 가능한 한 신속하게 캐비티를 채우는 것으로, 정밀한 제어가 요구되는 미묘한 균형입니다.

공정 파라미터를 넘어서, 금형과 그 구성 요소들의 물리적 설계는 근본적인 역할을 한다. 게이트 및 러너 시스템의 설계가 부적절할 경우 흐름 문제의 흔한 원인이 된다. 너무 작거나 잘못 위치한 게이트는 흐름을 제한하거나 제트 현상을 유발할 수 있으며, 러너 시스템 내 날카로운 모서리는 난류를 발생시킬 수 있다. 또한, 벤트가 부족하면 금속이 채워질 때 폐쇄된 공기와 가스가 캐비티로부터 배출되지 못하게 된다. 이처럼 갇힌 공기는 장벽 역할을 하여 금속의 흐름 경로를 방해하고 표면 결함을 유발한다. 마지막으로 몰드 이형제나 코팅제의 사용은 신중하게 관리되어야 한다. 과도하거나 고르지 않게 도포된 코팅은 금속의 흐름을 방해하고 다이의 표면 온도에 영향을 미쳐 흐름 무늬(flow marks)의 형성에 기여할 수 있다.

검증된 해결책 및 예방 전략

유동 자국을 효과적으로 제거하기 위해서는 진단 단계에서 파악된 근본 원인들을 해결하는 체계적인 접근이 필요합니다. 해결 방안으로는 공정 조건 조정, 금형 수정 가능성 검토 및 예방적 설계 전략의 도입이 포함됩니다. 가장 즉각적이며 종종 효과적인 조치는 기계 설정 값을 변경하는 것입니다.

첫 번째 방어선은 온도 최적화입니다. 금형 온도를 높이면 용융 금속이 더 오랜 시간 동안 유동성을 유지하게 되어 응고 이전에 서로 다른 유동 프론트들이 매끄럽게 융합될 수 있습니다. 다음 출처와 같은 자료에서 권장하는 바와 같이 Minghe Casting 알루미늄의 경우 180°C 이상, 아연은 90-150°C 범위 내에서 온도를 유지하는 것이 적절한 시작점입니다. 용융 금속의 온도를 조정하면 유동성도 향상시킬 수 있습니다. 온도 외에도 주입 속도를 최적화하는 것이 중요합니다. 이는 금속의 어느 부분도 응고되기 전에 캐비티가 완전히 채워지도록 하면서 과도한 난류를 유발하지 않는 적절한 주입 속도를 찾아내는 것을 의미합니다. 이러한 파라미터를 정밀하게 조정하는 작업은 특정 부품과 몰드에 대해 최적의 균형을 찾기 위해 반복적으로 수행되는 경우가 많습니다.

공정 매개변수 조정만으로는 충분하지 않은 경우, 주형 자체로 초점을 옮겨야 한다. 게이팅 시스템의 설계가 가장 중요하다. 이는 금속이 캐비티에 유입될 때의 흐름 상태를 개선하기 위해 게이트의 단면적이나 위치를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 오버플로우 그루브를 확장하고 벤트를 개선하면 포획된 공기와 냉각된 금속이 배출되는 경로를 제공하여 보다 균일한 충전이 가능하게 한다. 또한 금형 이형제의 사용은 얇고 균일하게 정확히 조절되어야 하며, 금속 흐름을 방해하지 않도록 해야 한다. 다음 표는 문제-해결책 접근 방식을 요약한 것이다.

특히 신규 부품 개발 시 장기적인 예방을 위해서는 현대 기술이 강력한 도구를 제공합니다. 설계 단계에서 몰드 흐름 해석 소프트웨어를 사용하는 것은 매우 효과적인 예방 조치입니다. 전문가들이 지적했듯이 Bruschi 이러한 프로그램은 금속이 금형 내에서 어떻게 흐를지를 예측하여 실제로 금형 가공을 시작하기 전에 흐름 무늬가 발생할 수 있는 잠재적 문제 영역을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 게이팅, 러너 및 냉각 시스템을 가상으로 최적화함으로써 결함을 처음부터 방지하여 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

금형 설계 및 재료 선택이 흐름 무늬에 미치는 영향

작업자는 공장 현장에서 공정 매개변수를 조정할 수 있지만, 흐름 무늬(flow marks)를 방지하기 위한 가장 효과적인 해결책은 종종 금형의 초기 설계와 주조 합금 선택에 이미 포함되어 있습니다. 이러한 기초 요소들은 용융 금속이 흐르고 응고되는 기본 조건을 결정하며, 일관된 고품질 표면 마감을 달성하는 데 있어 매우 중요합니다.

잘 설계된 금형은 결함 없는 주조물의 핵심입니다. 게이트 시스템(스프루, 러너, 게이트 포함)은 용융 금속이 제어된 방식으로 난류 없이 캐비티로 유입되도록 설계되어야 합니다. '같은 자료에서 강조된 바와 같이 금형 설계 분야의 모범 사례는 Prototool , 매끄러운 전환, 적절한 크기의 채널 및 균일한 충전 패턴을 유도하는 게이트 위치를 강조해야 합니다. 동일하게 중요한 것은 벤트 및 오버플로 시스템입니다. 벤트는 금속이 유입될 때 캐비티 내에 갇힌 공기가 빠져나갈 수 있도록 하는 작은 채널입니다. 적절한 벤팅이 이루어지지 않으면 갇힌 공기가 백압을 유발하여 흐름을 방해하고 플로우 마크 및 다공성과 같은 결함을 초래할 수 있습니다.

재료 선택도 미묘하지만 중요한 역할을 한다. 아연(Zamak)과 알루미늄(A380 등)과 같은 서로 다른 다이캐스팅 합금은 각기 상이한 열적 특성과 유동 특성을 가진다. 아연 합금은 일반적으로 더 낮은 융해점과 높은 유동성을 가지므로 특정 상황에서 더 관대할 수 있다. 그러나 각 합금은 주조 온도, 압력 및 속도에 대해 고유의 이상적인 범위를 가지고 있다. 이러한 특성들을 이해하는 것은 흐름 관련 결함을 방지하기 위해 금형 설계와 공정 조건을 맞춤화하는 데 필수적이다. 실리콘 또는 마그네슘 함량과 같은 합금의 화학 조성은 또한 그 합금의 응고 거동과 특정 결함에 대한 취약성에 영향을 줄 수 있다.

궁극적으로 표면 결함을 방지한다는 것은 처음부터 끝까지 정밀한 엔지니어링을 의미합니다. 이 원칙은 다이캐스팅에만 국한되지 않으며 다른 고성능 제조 공법에도 적용됩니다. 예를 들어 자동차 부품 분야에서는 핫 포징(hot forging)과 같은 공정도 구조적 완전성과 흠 없는 표면을 보장하기 위해 재료 흐름에 대한 철저한 제어가 요구됩니다. 정밀 제조를 전문으로 하는 기업들은 자동차 포징 부품과 같이 품질이 절대적으로 중요한 핵심 응용 분야에서 이러한 복잡한 공정을 완벽하게 통제함으로써 그 명성을 쌓아갑니다. 샤오이 (닝보) 금속 기술 고급 시뮬레이션 기술, 자체 금형 설계 및 엄격한 품질 관리는 주조 또는 단조 부품을 막론하고 결함 없는 부품을 생산하려는 약속의 핵심 요소입니다.

자주 묻는 질문

1. 다이캐스팅에서 열 체크 마크(heat check marks)란 무엇인가요?

열 체크 마크는 다이캐스팅 부품 표면에 나타나는 미세한 망상 균열로, 주조 시 금속 흐름 문제로 인해 발생하는 플로우 마크와는 달리 다이 강철 자체의 열피로로 인해 생깁니다. 반복적인 가열과 냉각 사이클을 거치면서 금형 표면에 균열이 발생하며, 이 균열은 이후 해당 금형으로 주조된 모든 부품 표면에 전달됩니다. 이는 공정 매개변수 문제라기보다는 금형 마모의 징후입니다.

2. 사출 성형에서 플로우 마크를 해결하는 방법은?

이 기사에서는 다이캐스팅에 초점을 맞추고 있지만, 유사한 원인으로 인해 플라스틱 사출 성형에서도 플로우 마크가 발생합니다. 해결 방법 또한 개념적으로 유사합니다. 즉, 몰드와 용융 플라스틱의 온도를 높여 흐름성을 개선하고, 주입 속도와 압력을 최적화하여 몰드가 고르게 채워지도록 하며 게이트나 러너 크기를 확대하여 몰드 설계를 수정하는 것입니다. 백 프레셔를 증가시키면 재료가 균일하게 충전되도록 도와 흐름 관련 결함을 방지할 수 있습니다.