알루미늄 다이캐스팅의 기공: 원인과 해결책

TL;DR

알루미늄 다이캐스팅에서의 기공은 금속이 응고되는 동안 내부에 형성되는 미세한 공극이나 공동을 의미한다. 이와 같은 일반적인 제조 결함은 주로 가스가 포획되어 발생하는 '가스 기공'과 냉각 중 부피 수축으로 인해 발생하는 '수축 기공'의 두 가지 유형으로 구분된다. 기공은 부품의 구조적 완전성, 압력 밀봉성 및 표면 품질을 저하시켜 부품 고장을 유발할 수 있다. 그러나 재료 품질, 다이 설계 및 주조 공정에 대한 정밀한 제어를 통해 효과적으로 관리하고 최소화할 수 있다. 원인을 이해하는 것 예방을 위한 첫 번째 단계이다.

알루미늄 다이캐스팅에서의 기공 정의하기

고압 다이캐스팅 분야에서 흠 없는 완전한 고체 부품을 만드는 것은 궁극적인 목표입니다. 그러나 제조업체들이 자주 직면하는 일반적인 문제는 기공(porosity)입니다. 간단히 말해, 기공이란 완성된 주조물 내부에 작고 원치 않는 공극, 구멍 또는 공기 주머니가 존재하는 현상을 의미합니다. 제조 전문가들에 따르면 이 결함은 최종 제품의 기계적 특성과 성능을 직접적으로 저하시키기 때문에 가장 큰 우려 대상입니다. 이러한 공극은 부품의 강도, 내구성 및 피로 저항성을 크게 감소시킬 수 있습니다.

기공은 단일 유형의 결함이 아니라 부품의 사용성에 영향을 미치는 여러 가지 형태로 나타납니다. 이러한 형태들은 일반적으로 위치와 연결성에 따라 분류됩니다.

• 블라인드 기공: 이러한 공극은 주물의 표면으로 열려 있지만 부품 전체를 관통하지는 않습니다. 구조적으로는 부품 강도를 약화시키지 않을 수 있으나, 양극 산화 처리와 같은 후처리 공정에서 발생하는 액체나 세척 화학 물질을 갇혀 있게 만들어 시간이 지남에 따라 표면 결함 및 부식을 유발할 수 있습니다.
• 공극을 통한: 이 유형은 주물의 한쪽 표면에서 다른 쪽 표면까지 연속적인 누출 경로를 생성합니다. 유압 저장소나 공압 하우징과 같이 압력 밀폐가 필요한 부품의 경우, 이러한 관통 기공은 부품을 사용 불가능하게 만드는 중대한 결함입니다.
• 완전히 봉쇄된 기공: 이들은 주물 벽 내부에 완전히 봉인된 내부 공극입니다. 외부에서는 보이지 않으며 이후의 가공 작업에서 노출되기 전까지는 문제가 되지 않을 수 있습니다. 그러나 가공 시 노출되면 맹공 또는 관통 공극으로 변합니다.

기공의 결과는 자동차 및 항공우주 부품과 같은 중요 응용 분야에서 특히 심각할 수 있습니다. 기공이 있는 부품은 응력 하에서 파손되거나 유체 또는 가스를 누출시키거나, 가공 후 표면 마감이 좋지 않을 수 있습니다. 따라서 고품질 제조 공정을 위해서는 기공의 발생 원인을 이해하는 것이 필수적입니다.

주요 유형: 가스 기공 대 수축 기공

다양한 요인이 기공 형성에 영향을 줄 수 있지만, 결함은 거의 항상 갇힌 가스 또는 금속 수축이라는 두 가지 근본 원인 중 하나로 추적됩니다. 이 두 가지를 구분하는 것은 외관과 근본 원인이 서로 다르기 때문에 효과적인 문제 해결 및 예방을 위해 매우 중요합니다. 각 유형은 고유한 문제를 야기하며 서로 다른 해결책을 필요로 합니다.

가스 기공

가스 기공은 주입 및 응고 과정 중 용융 알루미늄 내에 가스가 포획되어 발생한다. 주요 원인은 수소와 다이 캐비티 내에 갇히는 공기인데, 수소는 용융 알루미늄에는 매우 잘 녹지만 고체 상태에서는 거의 녹지 않는다. 금속이 냉각되면서 용해되었던 가스들이 용액에서 분리되어 거품을 형성하게 되며, 금속이 굳어지면서 이 거품들은 영구적으로 내부에 갇히게 된다. 가스 기공은 일반적으로 매끄럽고 구형 또는 타원형의 형태를 가지며 주조물 표면 근처에서 흔히 발견된다.

수축 기공

수축 다공성은 알루미늄이 대부분의 금속과 마찬가지로 액체 상태보다 고체 상태에서 더 높은 밀도를 가지기 때문에 발생한다. 용융된 금속이 냉각되어 응고될 때 부피가 줄어들게 되며, 이 수축으로 인해 생긴 공극을 채울 수 있는 액체 금속이 충분하지 않으면 공동이 형성된다. 이러한 결함은 주조물의 두꺼운 부분에서 가장 흔하게 나타나는데, 이는 응고가 가장 마지막에 이루어지는 부분이기 때문이다. 기체 다공성의 매끄러운 기포와 달리 수축 다공성은 거칠고 각진 형태 또는 선형 균열처럼 나타난다. 이는 응고의 최종 단계에서 용융 금속의 공급이 부족할 때 직접적으로 발생하는 현상이다.

두 가지 주요 다공성 유형의 차이점을 명확히 하기 위해 아래에 비교를 제시한다.

근본 원인 및 선제적 예방 전략

기공 결함을 예방하는 것은 생산 후 불량 부품을 처리하는 것보다 훨씬 더 효과적이며 경제적이다. 성공적인 예방 전략은 금형 설계, 재료, 주조 공정 자체를 포괄적으로 고려해야 한다. 핵심 변수들을 통제함으로써 제조업체는 기체 기포 및 수축 기공 결함의 발생을 크게 줄일 수 있다.

기체 관련 원인 대응

기체 기공은 금속 내에 기체가 유입되거나 다이 안에 갇히면서 발생한다. 예방은 기체의 유입 차단에 초점을 둔다.

• 용융 상태 품질 관리: 수분이 포함된 원료를 사용하면 용융 알루미늄에서 수소 가스가 발생할 수 있으므로, 깨끗하고 건조한 원료를 사용하여 수분 유입을 방지하십시오. 주조 전 질소 또는 아르곤을 이용해 용융금속을 탈기하는 것이 매우 효과적인 방법입니다.
• 윤활제 도포 최적화: 필요하긴 하지만 과도하거나 부적절하게 도포된 다이 윤활제는 사출 중 기화되어 포획될 수 있는 가스를 생성할 수 있습니다. 고품질의 최소한 윤활제를 균일하게 도포하십시오.
• 적절한 배기 보장: 용융 금속이 주입될 때 캐비티 내 공기가 빠져나갈 수 있도록 다이에는 충분한 배기구와 오버플로우 채널이 반드시 있어야 합니다. 막힌 배기구나 설계가 잘못된 배기구는 공기 포획의 주요 원인입니다.
• 사출 공정 조절: 난류가 심한 충진 공정은 금속 내에 공기를 혼입시킬 수 있습니다. 샷 속도와 압력 프로파일을 최적화하면 금속 흐름 앞부분의 공기를 밀어내며 매끄럽고 점진적으로 충진할 수 있습니다.

수축 관련 원인 제어

수축 다공성은 주물이 냉각되는 방식을 제어함으로써 극복해야 하는 물리학과의 싸움이다. 핵심은 두꺼운 부위가 완전히 응고될 때까지 용융 금속이 지속적으로 공급되도록 보장하는 것이다.

• 금속 압력 유지: 다이캐스팅의 고압 단계는 수축을 방지하기 위해 매우 중요하다. 업계 전문가들이 설명했듯이, 증압기 시스템은 응고 과정 중 막대한 압력을 가하여 용융 금속이 수축에 의해 형성되는 공극으로 들어가도록 한다. 적절한 정적 및 증강 압력 유지 필수적입니다.
• 다이 온도 최적화: 불균일한 냉각은 수축이 발생하기 쉬운 핫 스팟을 유발한다. 다이 내에 전략적으로 배치된 냉각 및 가열 채널을 사용함으로써 제조업체는 주물이 게이트 방향으로 점진적으로 응고되도록 유도할 수 있으며, 이를 통해 용융 금속이 계속해서 공급될 수 있다.
• 부품 및 다이 설계 개선: 균일한 두께로 부품을 설계하는 것이 수축을 방지하는 가장 좋은 방법입니다. 두꺼운 부분이 불가피한 경우 게이트 근처에 위치시키는 것이 좋습니다. 날카로운 각도 대신 여유 있는 필렛과 둥근 모서리를 사용하여 고립된 핫 스팟이 생기는 것을 방지해야 합니다.

궁극적으로 기공을 방지하려면 견고한 설계와 제조 공정이 필수입니다. 공정 관리에 대한 깊은 전문성을 갖춘 공급업체와 협력하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 자동차 부품 분야에서 IATF16949 인증을 보유한 공급업체들은 엄격한 품질 관리와 자체 다이 설계를 중시함으로써 프로젝트 초기 단계부터 기공과 같은 결함의 근본 원인을 직접 해결합니다.

기공 검출을 위한 검사 방법

표면에 모든 기공이 드러나는 것은 아니기 때문에 제조업체들은 부품이 품질 기준을 충족하는지 확인하기 위해 다양한 검사 방법을 사용합니다. 이러한 기법은 일반적으로 비파괴 검사(NDT)라고 불리며, 부품을 손상시키지 않고도 내부 결함을 탐지할 수 있습니다. 적절한 방법을 선택할 때에는 부품의 중요도, 의심되는 기공 유형 및 예산 제약 조건이 고려됩니다.

일반적인 검사 기법은 다음과 같습니다:

• 시각 검사: 물집이나 개방된 구멍과 같은 표면 수준의 기공을 식별하는 데 사용되는 가장 간단한 방법입니다. 수행은 쉬우나 내부 결함은 탐지할 수 없습니다.
• X선 검사(방사선 촬영): 내부 기공을 탐지하기 위한 가장 신뢰성 높은 방법 중 하나입니다. 검사 대상 부품에 X선을 조사하고, 그 결과 생성된 영상에서 밀도 변화를 확인할 수 있습니다. 공극은 방사선 사진에서 어두운 점으로 나타나며, 검사자는 이를 통해 기공의 크기, 형태 및 위치를 확인할 수 있습니다.
• 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔: CT 스캔은 X선의 고급 형태로, 부품의 완전한 3D 모델을 생성하여 내부 및 외부 특징을 종합적으로 확인할 수 있습니다. 기공의 정확한 부피와 분포를 식별하는 데 매우 정확하지만, 가장 비용이 많이 드는 방법이기도 합니다.
• 압력 테스트: 이 방법은 압력 밀봉이 요구되는 부품의 통과형 기공을 탐지하기 위해 특별히 사용됩니다. 주물에 공기를 또는 액체를 주입하여 밀봉 후 가압하며, 물속에 담갔을 때 압력 저하나 기포 발생이 누출 경로를 나타냅니다.

많은 경우 ASTM International 등의 허용 기준이 특정 용도에서 허용되는 기공의 양과 크기를 정의합니다. 주물 전문가들이 언급했듯이, 이러한 비파괴 검사(NDT) 방법은 부품이 사용되기 전에 필요한 품질 및 안전 기준을 충족하는지 확인하는 데 매우 중요합니다. 이러한 검증은 제조 공정의 핵심적인 부분입니다 .

자주 묻는 질문

1. 알루미늄 주물에서 기공이 발생하는 원인은 무엇입니까?

알루미늄 주물의 기공은 주로 두 가지 요인으로 인해 발생한다: 응고 과정에서 수소 가스가 용해되고 이후 방출되는 현상(가스 기공)과 액체 상태에서 고체 상태로 식는 동안 금속의 부피 감소 또는 수축(수축 기공). 그 밖의 원인으로는 배기 불량으로 인한 갇힌 공기, 과도한 다이 윤활제, 그리고 일정하지 않은 금속 압력 등이 있다.

다이캐스팅에서의 기공률이란 무엇인가?

다이캐스팅에서 기공이란 주조 부품의 금속 구조 내에 작은 구멍, 공극 또는 공기 주머니가 존재하는 것을 의미한다. 이는 부품의 밀도와 기계적 강도를 저하시키며, 압력 밀폐가 필요한 부품에서 누출 경로를 형성할 수 있기 때문에 결함으로 간주된다.

알루미늄 주물에서 기공을 어떻게 점검하나요?

알루미늄 주물의 기공은 여러 가지 비파괴 검사(NDT) 방법을 사용하여 확인할 수 있습니다. 육안 검사는 표면 결함을 식별할 수 있으며, 압력 시험은 누출 여부를 파악하는 데 사용됩니다. 내부의 공극의 경우 X선 검사(방사선 촬영)와 산업용 CT 스캔이 가장 효과적인 방법으로, 부품을 손상시키지 않고도 기공의 크기, 형태 및 위치를 확인할 수 있습니다.

4. 주조 시 기공을 방지하는 방법은 무엇인가요?

기공을 방지하려면 주조 공정 전반을 철저히 관리해야 합니다. 주요 전략으로는 깨끗하고 건조하며 적절히 탈기된 용융 금속을 사용하고, 벤트와 오버플로우가 충분히 설계된 다이를 활용하며, 주입 속도와 압력을 최적화하고, 균일한 냉각을 보장하기 위해 다이 온도를 일정하게 유지하며, 수축을 최소화하기 위해 벽 두께가 균일하도록 부품을 설계하는 것이 포함됩니다.