다이캐스팅에서 기공을 방지하기 위한 핵심 전략

TL;DR

기포 또는 금속 수축으로 인해 발생하는 다이캐스팅의 기공 결함을 방지하려면 체계적인 접근이 필요합니다. 효과적인 예방은 금형 및 게이팅 설계 최적화, 적절한 다이 벤트 설계, 주조 공정 중 압력과 온도의 정밀한 제어에 달려 있습니다. 이미 영향을 받은 부품의 경우, 진공 함침은 신뢰할 수 있는 후속 주조 공정 방법입니다 내부의 공극을 영구적으로 밀봉하고 부품을 회수하기 위한 것입니다.

기공 발생의 근본 원인 이해

기공률(다공성)은 완성된 주조물에 작은 공극이나 구멍이 존재하는 현상으로, 다이캐스팅에서 가장 끈질기게 발생하는 문제 중 하나입니다. 이는 부품의 구조적 완전성, 압력 밀봉성 및 표면 마감 품질을 저하시킵니다. 이러한 결함을 효과적으로 방지하려면 기공의 두 가지 주요 형태인 가스 기공과 수축 기공에 대해 명확히 이해하는 것이 첫걸음입니다. 각 유형은 고유한 원인과 특성을 가지며, 어느 유형이 발생했는지를 정확히 식별하는 것이 올바른 해결책을 적용하기 위한 첫 번째 단계입니다.

가스 기공은 용융 금속이 응고되는 동안 그 내부에 가스가 갇힐 때 발생한다. 이러한 가스는 여러 가지 원천에서 유래할 수 있다. 고속 주입 공정 중 샷 슬리브나 다이 캐비티 안에 갇힌 공기, 과다하거나 수분으로 오염된 다이 윤활제에서 발생한 증기, 또는 특히 알루미늄 주물의 경우 용융 합금 자체에서 방출되는 수소일 수도 있다. 이로 인해 생기는 공극은 일반적으로 둥근 형태이며 매끄러운 벽면을 가지고 있고, 때때로 내부 표면이 반들거리는 작은 기포처럼 보인다. 위치는 무작위일 수 있으나, 부력 때문에 주물의 상단 표면 근처에 자주 나타난다.

수축 다공성은 액체 상태에서 고체 상태로 전이될 때 금속이 자연스럽게 부피가 줄어드는 데서 발생한다. 주조물의 특정 부위—일반적으로 두꺼운 부분—이 주변보다 느리게 냉각되고 응고되는 경우, 완전히 응고되기 전에 용융 금속의 흐름으로부터 고립될 수 있다. 이처럼 고립된 액체가 계속 냉각되며 수축하면 서로 갈라지면서 톱니 모양의 직선 또는 균열과 같은 내부 공극을 형성한다. 기체 다공성의 매끄러운 기포와 달리 수축 결함은 각이 있고 종종 응고된 금속의 수지상 결정 구조를 따라 나타난다.

기공의 유형을 진단하는 것은 효과적인 문제 해결을 위해 매우 중요합니다. 확대 관찰이 종종 필요할 정도로 세심한 검사가 공극의 형태와 특성을 드러낼 수 있습니다. 기공의 근본 원인이 응고 중에 갇힌 가스인지, 아니면 금속 공급 부족에 의한 것인지를 이해함으로써, 해결 방법이 벤트 및 주입 조건 개선에 있는지, 또는 부품의 형상과 열 관리 설계 변경에 있는지를 결정할 수 있습니다. 다음 표는 이러한 두 가지 기본적인 결함 유형을 명확하게 비교하여 보여줍니다.

설계 및 운영 단계에서의 핵심 예방 전략

기공을 방지하는 가장 효과적인 방법은 처음부터 기공 형성을 막는 것입니다. 이를 위해서는 부품 및 몰드 설계와 더불어 공정 변수에 대한 철저한 관리를 통합하는 다각적인 접근이 필요합니다. 설계 및 주조 단계에서 선제적으로 조치를 취하는 것이 완성된 부품의 결함을 나중에 수정하려는 것보다 훨씬 비용 효율적입니다.

주요 방어 수단 중 하나는 몰드 및 게이팅 시스템의 최적화입니다. 러너와 게이트는 용융 금속이 다이 캐비티로 원활하고 난류가 없는 흐름을 보이도록 설계되어야 합니다. FLOW-3D 의 가이드에 따르면, 부적절한 러너 설계는 공기를 포획하여 난류를 유발하며, 이 공기는 부품 내부로 주입될 수 있습니다. 수축 기공을 유발하는 고립된 핫 스팟을 방지하기 위해 주조 부품 설계 시 균일한 두께를 유지하는 것도 매우 중요합니다. 날카로운 모서리는 금속 흐름을 방해하고 응력이 집중되는 지점이 될 수 있으므로 피해야 합니다.

적절한 배기 통로는 가스 기공을 방지하는 데에도 매우 중요합니다. 배기 통로(벤트)는 다이에 가공된 작은 채널로서, 용융 금속이 몰드 내로 유입될 때 캐비티 안에 있던 공기가 빠져나갈 수 있도록 해줍니다. 배기 설계가 부족할 경우, 공기가 빠져나갈 경로가 없어 주물 내부에 갇히게 됩니다. Lethiguel USA의 전문가들이 언급했듯이, 벤트 블록과 같은 적절한 크기의 배기 영역을 사용하는 것은 효율적인 공기 배출을 위해 필수적입니다. 벤트의 위치는 크기만큼이나 중요하며, 채움이 가장 마지막에 이루어지는 지점과 공기가 포획되기 쉬운 깊은 부분에 배치되어야 합니다.

온도와 압력을 제어하는 것은 두 가지 유형의 다공성 현상을 최소화하는 데 있어 기본적인 요소입니다. 다이 온도는 응고 패턴에 영향을 미치며, 이를 적절히 관리함으로써 게이트의 조기 응고를 방지하고 두꺼운 부위에 대한 적절한 충전을 보장할 수 있습니다. 주입 중 및 주입 후 가해지는 압력은 수축 현상에 대항하는 강력한 수단입니다. Hill & Griffith가 설명한 바와 같이, 응고 과정 중에 높은 강화 압력을 가하면 수축으로 인해 형성되는 공극에 추가적인 용융 금속이 주입되도록 강제할 수 있어 부품의 밀도를 증가시킵니다. 이러한 수준의 공정 제어는 자동차 산업과 같이 고밀도 다이캐스트 부품을 전문으로 하는 기업들이 결함을 방지하기 위해 철저한 설계와 품질 보증에 의존하는 분야에서 특히 중요합니다.

일관성을 보장하기 위해 운영자와 엔지니어는 생산 운전 전에 체계적인 체크리스트를 따를 수 있습니다.

1. 금형 설계 확인: 게이팅 및 러너 시스템이 층류 흐름을 위해 설계되었는지, 그리고 벽 두께가 가능한 한 균일하게 유지되는지 확인하십시오.
2. 배기 확인: 모든 벤트가 청소되어 있고, 적절한 크기이며 충전의 마지막 지점에 위치해 있는지 확인하십시오.
3. 재료 품질 점검: 수소와 수분의 유입을 최소화하기 위해 깨끗하고 건조한 합금 주괴를 사용하십시오.
4. 장비 파라미터 교정: 공정 사양에 따라 올바른 샷 속도, 주입 압력 및 강화 압력을 설정하고 모니터링하십시오.
5. 온도 관리: 생산 시작 전 용융 금속과 다이 모두 최적의 작동 온도에 도달했는지 확인하십시오.
6. 다이 윤활제 제어: 부품 탈형을 원활하게 하는 데 필요한 최소량의 윤활제를 도포하여 과잉 사용으로 인한 증기 발생 및 기공 발생을 피하십시오.

고급 기술 및 주조 후 해결 방안

최상의 예방 조치를 취하더라도 미세한 기공은 특히 복잡한 부품의 다이캐스팅 공정에서 본질적으로 발생할 수 있습니다. 절대적인 압력 밀봉이 필수적이거나 기공이 나타나는 고가 부품을 회복해야 하는 응용 분야의 경우, 진보된 기술과 주조 후 처리 방법이 사용됩니다. 이러한 방법 중 가장 두드러지고 효과적인 것은 진공 함침입니다.

진공 함침은 완성된 부품에서 누출 경로를 생성할 수 있는 다공성을 영구적으로 봉합하기 위한 공정입니다. 이 공정은 구조적 강도를 추가하지는 않지만 주물의 압력 밀봉에는 매우 효과적입니다. 이 공정은 여러 핵심 단계로 이루어집니다. 먼저, 다공성 주물을 챔버 안에 넣고 내부의 기공에 있는 공기를 모두 제거하기 위해 진공 상태를 만듭니다. 다음으로 액체 실란트를 챔버에 주입하고, 압력을 가해 미세한 기공 속 깊이 침투시킵니다. 마지막으로 부품을 꺼내 표면에 묻은 과잉 실란트를 세척하고, 기공 내부의 실란트를 경화(일반적으로 열을 사용)시켜 고체의 불활성 폴리머를 형성함으로써 누출 경로를 영구적으로 봉합합니다. 이 방법은 치수 공차나 외관을 변경하지 않고도 부품을 밀봉할 수 있다는 점에서 높은 가치를 지닙니다.

다이 캐스팅 공정 중에 적용되는 또 다른 첨단 기술은 진공 보조 시스템의 사용입니다. 이 방법은 다이에 진공 펌프를 연결하고 용융 금속 주입 직전 및 도중에 캐비티 내부의 공기를 적극적으로 배출하는 방식입니다. 부분적인 진공 상태를 생성함으로써 포획될 수 있는 공기량을 크게 줄여 기체 기인 다공성을 극도로 감소시킵니다. 이는 침투 처리와 같은 후속 조치와 달리 예방적 조치입니다. 진공 보조 시스템과 주조 후 침투 처리 중 어떤 것을 선택할지는 일반적으로 부품의 구체적인 요구사항, 생산량 및 비용 고려사항에 따라 결정됩니다.

진공 침투와 같은 주조 후 처리 솔루션을 언제 사용할지 결정하는 것은 해당 응용 분야의 중요도에 따라 달라집니다. 다음 사례들을 고려해 보십시오:

• 압력 밀봉 부품: 연료 시스템 부품, 엔진 블록 또는 유압 밸브 본체와 같이 유체나 가스를 반드시 밀폐해야 하는 부품의 경우, 잠재적인 누출 경로를 모두 차단하는 것이 필수적입니다.
• 고가치 주물 재활용: 정밀 가공 후 복잡하고 비용이 높은 주물 부품에 기공이 발견된 경우, 함침 처리는 폐기 대신 부품을 구할 수 있는 경제적인 방법이 될 수 있습니다.
• 도금 또는 코팅 품질 향상: 눈가리개 표면의 기공을 밀봉하면 전처리 과정에서 세척 용액이나 산이 갇히는 것을 방지할 수 있으므로, 이후 누출되어 최종 표면에 오염이나 벗겨짐 현상이 발생하는 것을 막을 수 있습니다.

기공 허용 기준 설정 및 측정

기공을 최소화하는 것이 목표이지만, 모든 주조물에서 기공이 전혀 없는 완벽한 상태를 달성하는 것은 기술적으로 불가능하고 경제적으로도 비현실적인 경우가 많다. 따라서 다이캐스팅 공정의 품질 관리에서 중요한 요소는 명확하고 현실적인 기공 허용 기준을 설정하는 것이다. 이러한 기준은 구성 부품의 용도와 성능 요구 사항에 따라 허용 가능한 기공의 최대량, 크기 및 유형을 정의한다. 이 실용적인 접근 방식은 절대적 완벽성을 추구함으로써 발생할 수 있는 과도한 비용을 피하면서도 해당 목적에 적합한 부품을 보장한다.

기공의 허용 수준은 부품의 용도에 따라 크게 달라진다. 순수하게 장식적인 목적에 사용되는 부품은 높은 응력을 받는 구조 부품이나 압력에 견딜 수 있어야 하는 유압 부품보다 더 높은 수준의 내부 기공을 허용할 수 있다. 밀봉면, 나사 구멍, 또는 상당한 기계적 하중을 받는 구간과 같은 중요 부위는 비중요 부위보다 훨씬 엄격한 기준을 적용받는다. 품질 엔지니어는 설계자 및 고객과 협력하여 부품 상의 이러한 구역들을 정의하고 각각에 대한 구체적인 허용 기준을 설정한다.

ASTM에서 참조하는 것과 같은 산업 표준은 방사선 사진(X선)에서 관찰된 기공의 크기와 분포에 따라 기공을 분류하는 체계를 제공한다. 예를 들어, 알루미늄 다이캐스팅의 밀봉 영역에 대한 표준에서는 단일 기공의 지름이 0.5mm를 초과해서는 안 되며, 연쇄 형태의 기공은 허용되지 않는다고 명시할 수 있다. 반면, 동일한 부품의 비중요 부위의 경우 더 큰 기공이나 소형 기공의 더 높은 밀도를 허용할 수 있다. 이를 통해 품질 관리 노력을 가장 중요한 부분에 집중시킬 수 있도록 한다.

비용-편익 분석은 이 논의의 핵심입니다. 근사치로 0에 가까운 기공률을 달성하기 위해서는 더 복잡한 금형, 느린 사이클 타임, 고등급 소재 및 진공 보조와 같은 고도화된 공정이 필요하며, 이는 모두 부품당 비용을 증가시킵니다. 허용 가능한 기준을 명확히 정의함으로써 제조업체는 최종 제품의 요구 성능과 신뢰성에 맞춰 생산 비용을 균형 있게 조절할 수 있습니다. 이를 위해서는 부품 도면과 품질 관리 계획에 이러한 기준을 명확히 문서화하는 공동의 노력이 필요하며, 제조업체와 고객이 수용 가능한 부품의 기준을 상호 간에 동일하게 이해하고 있음을 보장해야 합니다.

다이캐스팅 기공에 관한 자주 묻는 질문들

1. 기공 없이 주조하는 방법은?

기공 없이 완전히 결함 없는 주조물을 얻는 것은 극도로 어렵습니다. 그러나 여러 가지 전략을 병행하면 이를 거의 달성할 수 있습니다. 금속 흐름이 원활하도록 부품 및 몰드 설계를 최적화하고, 다이 벤트를 충분히 확보하며, 진공 보조 시스템을 사용해 캐비티 내 공기를 제거하고, 주입 속도, 압력 및 온도를 정밀하게 제어하는 것이 포함됩니다. 중요한 용도의 경우, 후처리 과정으로 진공 함침 처리를 통해 잔여 미세 기공을 봉합하는 것이 일반적입니다.

2. 기공을 줄이는 방법은?

기공은 체계적인 접근을 통해 상당히 줄일 수 있습니다. 주요 방법으로는: 용융 금속이 깨끗하고 가스가 포함되지 않도록 하는 것, 난류를 줄이기 위해 게이팅 및 러너 시스템을 최적화하는 것, 포획된 공기가 배출될 수 있도록 벤트를 추가하거나 확장하는 것, 수축이 발생하기 쉬운 부위에 용탕이 공급되도록 강화 압력을 증가시키는 것, 그리고 균일한 응고를 유도하기 위해 다이와 금속의 온도를 제어하는 것이 있습니다.

3. 주조물에서 허용되는 기공의 정도는 어느 정도인가?

허용 가능한 기공의 양은 전적으로 해당 부품의 용도에 따라 달라진다. 비중요 부품이자 비구조적 부품의 경우 내부 기공이 어느 정도 존재하더라도 허용할 수 있다. 그러나 압력 밀폐가 요구되거나 상당한 기계적 하중을 견뎌야 하는 부품의 경우에는 기준이 훨씬 엄격하다. 수지물의 중요 부위와 비중요 부위에서 허용되는 기공의 최대 크기, 개수 및 위치를 명시하는 승인 기준은 일반적으로 산업 표준에서 정의한다.