다이캐스팅을 위한 필수 고품질 알루미늄 합금

TL;DR

다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금을 선택할 때는 최대 인장 강도와 제조 용이성 사이의 타협이 필요합니다. 기계적 강도를 극대화하려면 200번대 계열 합금이나 ZA-27과 같은 아연-알루미늄 합금이 가장 적합합니다. 그러나 A360 합금은 고온에서의 강도와 내식성 측면에서 더 우수한 균형을 제공하며, B390은 뛰어난 마모 저항성을 제공합니다. 최종 물성은 일반적으로 T6과 같은 열처리 공정을 통해 크게 향상됩니다.

다이캐스팅을 위한 알루미늄 합금 계열 이해하기

특정 합금을 선택하기 전에 다이캐스팅에 사용되는 주요 알루미늄 합금 계열(시리즈)을 이해하는 것이 중요합니다. 알루미늄 협회(Aluminum Association)에서 지정한 이 시리즈들은 주로 첨가되는 합금 원소를 기준으로 그룹화되며, 이는 각 합금의 기본 특성을 결정합니다. 엔지니어는 보통 응용 분야의 핵심 요구사항에 따라 선택지를 좁히기 위해 이 수준에서부터 선택 절차를 시작합니다.

각 시리즈는 기계적 성질, 주조 특성, 비용 측면에서 서로 다른 조합을 제공합니다. 예를 들어, 어떤 시리즈는 매우 높은 강도를 제공할 수 있지만, 일반적이고 다목적으로 사용되는 시리즈보다 주조가 더 까다롭고 비용이 높을 수 있습니다. 이러한 기본적인 차이점을 이해하는 것은 현명한 결정을 내리는 데 핵심입니다.

다이캐스팅에서 가장 흔히 사용되는 시리즈들은 고유의 장점을 제공합니다:

• 2xx.x 시리즈 (구리): 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 지닌 것으로 알려진 200계열은 보다 일반적인 300계열의 거의 두 배에 달하는 기계적 특성을 발휘할 수 있다. 그러나 이 강도는 낮은 내식성과 더 어려운 주조 성능을 희생함으로써 얻어진다.
• 3xx.x 계열 (실리콘 + 구리/마그네슘): 다이캐스팅에서 가장 인기 있고 널리 사용되는 계열로, A380이 산업 표준이라 할 수 있다. 이러한 합금은 우수한 주조성, 중간 수준의 강도 및 비용 효율성을 잘 조합하여 다양한 응용 분야에 적합하다.
• 4xx.x 계열 (실리콘): 413과 같은 이 합금들은 뛰어난 주조 유동성과 압력 밀봉성을 자랑한다. 따라서 유압 실린더처럼 액체나 가스를 누출 없이 담아야 하는 정밀 부품이나 구성 요소에 이상적인 선택이 된다.
• 5xx.x 계열 (마그네슘): 500계열은 518과 같은 합금을 포함하며, 해양 환경에서 특히 뛰어난 내식성과 우수한 표면 마감 특성으로 두드러집니다. 미관 또는 보호 목적을 위해 양극산화 처리가 필요한 부품에 가장 적합하지만, 주조 시 핫 크래킹이 발생하기 쉬울 수 있습니다.

최고 강도 합금: 상세 비교

380 합금이 일반적인 용도에 가장 흔히 사용되지만, 보다 까다로운 역할에 요구되는 뛰어난 강도와 성능 특성을 제공하는 몇 가지 특수 합금이 존재합니다. 이러한 재료는 표준 합금으로 부품의 기계적, 열적 또는 마모 저항 요구 조건을 충족시킬 수 없을 때 선택됩니다. 이 선택 과정에서는 최종 강도, 주조성 및 기타 중요한 특성 간의 트레이드오프를 신중하게 분석해야 합니다.

가장 강력한 옵션은 종종 200계열 또는 특수 아연-알루미늄(ZA) 계열에서 나옵니다. According to General Foundry Service , 200시리즈 합금은 매우 높은 강도로 알려져 있습니다. 동시에 ZA-27과 같은 ZA 합금은 기존 알루미늄 합금보다 훨씬 높은 인장강도를 제공할 수 있습니다. 아래는 고강도 다이캐스팅 응용 분야에서 가장 경쟁력 있는 합금들의 비교입니다.

이러한 옵션들을 비교할 때, A360은 열악한 환경이나 고온 조건에서도 고장 없이 작동해야 하는 부품에 선택되는 경우가 많음. 다음에 의해 언급된 바와 같이 Rapid Axis , 강도, 연성 및 부식 저항성을 결합하지만 주조 난이도로 인해 부품의 형상 설계를 반드시 고려해야 합니다. B390은 마모와 마찰을 특징으로 하는 응용 분야에 가장 적합한 선택입니다. 높은 실리콘 함량이 경도를 높여 마모성 힘에 견딜 수 있게 하며, 내연기관 구성 부품에 이상적입니다. 절대적으로 최고의 강도가 요구되는 응용 분야의 경우 200시리즈와 ZA-27이 주요 후보가 되지만, 이들은 보다 전문적인 주조 기술을 필요로 하며 비용이 더 높을 수 있습니다.

최고의 강도를 위한 비결: 열처리의 역할

고강도 합금을 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 많은 알루미늄 합금, 특히 356 및 357과 같은 200번대 및 300번대 주조용 합금의 경우, 최종 기계적 특성은 열처리를 통해 확보됩니다. 이 금속학적 공정은 금속의 미세구조를 조절하기 위해 가열과 냉각을 제어하며, 이를 통해 경도, 인장강도 및 항복강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

열처리는 부품의 치수 안정성을 확보하고 주조 공정에서 발생한 내부 응력을 제거하며, 최종 용도에 맞는 성능을 최적화할 수 있습니다. 고성능 주조 부품을 지정하는 엔지니어라면 다양한 열처리 상태(일명 '템퍼')를 이해하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 템퍼는 'T' 다음에 숫자가 오는 형식으로 표기됩니다.

알루미늄 주물의 강도를 향상시키는 가장 일반적인 템퍼는 다음과 같습니다:

• F (As-Cast): 응고 직후의 주조 상태로, 이후의 열처리는 거치지 않습니다. 특성은 기본 수준이며 자연 시효에 따라 시간이 지남에 따라 변화할 수 있습니다.
• T5 (인공 시효 처리): 주조물은 주조 온도에서 냉각된 후 저온에서 시효 처리 과정을 거칩니다. 이를 통해 우수한 치수 안정성과 중간 정도의 강도 향상이 가능합니다.
• T6 (용체화 열처리 및 인공 시효 처리): 최대 강도를 얻기 위한 두 단계 공정입니다. 먼저 주조물을 고온으로 가열하여 합금 원소들을 고체 용액에 녹인 후 급속하게 액체로 급냉하여 그 위치에 고정시킵니다. 이후 낮은 온도에서 인공 시효 처리를 하여 이러한 원소들을 석출시켜 재료를 현저히 경화시키고 강화시킵니다.
• T7 (용체화 열처리 및 안정화 처리): T6과 유사하지만, 최종 노화 공정을 더 높은 온도에서 또는 더 긴 시간 동안 수행한다. 이를 통해 합금이 최대 경도를 초과하여 치수 안정성과 응력 완화가 향상되지만, T6 대비 최종 강도는 약간 감소한다.

T6 열처리를 지정함으로써 엔지니어는 356과 같은 합금으로 제작된 보통 강도의 부품을 훨씬 더 큰 하중에 견딜 수 있는 고효율 구조 부품으로 변환할 수 있다.

강도 이상: 합금 선택 시 중요한 요소

인장 강도는 주요 고려 사항이지만, 합금의 성공 여부를 결정하는 유일한 요소가 되는 경우는 거의 없다. 전반적인 재료 선택 접근 방식이 중요하며, 강도에만 집중하면 제조 또는 환경 노출과 관련된 실패로 이어질 수 있다. 선택된 합금이 생산 공정과 최종 용도 모두에 적합한지를 보장하기 위해 여러 다른 특성들을 신중하게 평가해야 한다.

이러한 특성 중 핵심은 주조성 , 이는 합금이 품질 좋은 부품으로 성형되기 쉬운 정도를 의미합니다. 여기에는 응고 중에 발생하는 핫 크래킹(균열) 및 다이 솔더링(합금이 금형에 붙는 현상)과 같은 결함에 대한 저항성이 포함됩니다. Gabrian 에 따르면, 주조성이 낮은 합금은 스크랩 비율 증가와 생산 비용 상승을 초래할 수 있습니다. 또 다른 중요한 요소는 부식 방지 입니다. 부품의 작동 환경은 필요한 내구성 수준을 결정합니다. 예를 들어, A360은 우수한 부식 저항성을 가지므로 실외 또는 해양 응용 분야에 적합하지만, A380은 이 측면에서 보통 수준에 그칩니다.

그 밖에도 압력 밀봉성 (유압 부품의 경우 중요함) 내마모성 (움직이는 접촉 상태의 부품의 경우), 그리고 가공성 과 같은 특성들도 고려되어야 합니다. 이러한 복잡한 선택을 안내하기 위해 설계자는 다음 질문들을 검토해야 합니다:

• 해당 부품이 견뎌야 하는 최대 작동 온도는 얼마입니까?
• 부품이 바닷물, 화학 물질 또는 도로 제염제와 같은 부식성 물질에 노출됩니까?
• 액체나 기체를 밀봉해야 하는 부품인가요?
• 양극 산화 처리 또는 도장과 같은 추가 마감 공정이 필요한가요?
• 프로젝트의 비용 제약은 무엇인가요?

다이캐스팅은 강도, 복잡성 및 생산 속도 측면에서 뛰어난 균형을 제공하지만, 특히 요구 조건이 엄격한 자동차 분야와 같은 일부 응용 분야에서는 더 높은 강도 또는 피로 저항성이 필요할 수 있어 설계자가 단조와 같은 다른 공정으로 나아가게 할 수 있습니다. 예를 들어, 자동차 단조 부품 전문업체인 샤오이 (닝보) 금속 기술 는 최대한의 소재 완전성이 절대적으로 우선시되는 경우 핫 포징(hot forging)과 같은 공정을 사용하여 견고한 부품을 생산합니다.

자주 묻는 질문

1. 다이캐스팅에 사용할 수 있는 가장 강한 알루미늄은 무엇인가요?

다이캐스팅용으로 가장 강도가 높은 알루미늄 합금은 일반적으로 200계열(알루미늄-구리)에 속하며, 열처리를 통해 매우 높은 기계적 특성을 얻을 수 있다. 또한 아연-알루미늄 합금 중 특히 ZA-27은 흔히 사용되는 알루미늄 다이캐스팅 합금보다 인장강도가 훨씬 더 높아 매우 강한 것으로 알려져 있다. 그러나 이 두 가지 옵션 모두 캐스팅이 보다 까다롭기 때문에 최대 강도가 필수적인 고성능 응용 분야에만 사용된다.

2. 6061 알루미늄을 다이캐스팅할 수 있는가?

6061은 매우 인기가 많고 강도가 높은 알루미늄 합금이지만, 일반적으로 고압 다이캐스팅에는 사용되지 않는다. 그 화학 조성과 응고 특성상 고압 다이캐스팅의 급속 냉각 조건에서 핫 크래킹(hot cracking)과 같은 결함이 발생하기 쉬우므로 그렇다. 다만 냉각 속도가 더 느리고 제어가 용이한 중력 다이캐스팅 및 샌드캐스팅과 같은 다른 주조 공정에서는 흔히 사용된다.