이 문서에서는 알루미늄 압력 다이캐스팅에 대해 자세히 설명합니다. 공정 개요, 합금 유형, 설계 고려 사항, 과제 등과 함께 이 기술의 주요 응용 분야에 대해 알아보세요.

알루미늄 압력 다이캐스팅이란?

알루미늄 압력 다이캐스팅은 용융 알루미늄을 다이에 공급하면서 고압(100-1000bar)을 사용합니다. 이러한 금형은 일반적으로 강철로 제작되며 재사용이 가능합니다.

금형 충전은 용융 금속 유동성에 따라 달라집니다. 최적의 액체 형태는 금형을 즉시(수 초 이내) 채웁니다. 이 재료는 식으면서 실제 부품의 형태를 취합니다. 예를 들어 자동차 엔진 블록, 스마트폰 프레임 또는 드론 부품 등이 이에 해당합니다.

이 제조 공정은 10,000개 이상의 동일한 제품을 빠르고 저렴하게 만드는 데 최적입니다.

프로세스의 물리학

고압(100-1000bar):

압력이 높을수록 다이 내부의 알루미늄이 더 고르게 퍼져 아주 작은 틈새까지 채워집니다. 이 압력은 기포 발생을 제거하고 표면의 매끄러운 전환을 유지합니다. 예를 들어 500바는 단 0.02초 만에 다이를 채울 수 있습니다.

급속 냉각(초당 500-1000°C):

알루미늄은 모래 주조보다 HPDC에서 100배 더 빠르게 냉각되어 실제 제품 형태를 갖추게 됩니다. 냉각 속도는 미세한 결정 입자(0.01mm)의 조밀한 미세 구조를 만들어냅니다. 따라서 느린 옵션으로 만든 제품보다 20~30%의 강도를 제공합니다.

다이캐스팅 기계의 종류

핫 챔버 머신:

핫 챔버 기계는 주로 아연(420°C)과 같이 녹는점이 낮은 금속을 사용합니다. 660°C의 알루미늄과 같이 녹는점이 높은 합금을 처리할 수 없기 때문입니다. 핫 챔버 기계에서 알루미늄을 주조하더라도 장비가 손상될 수 있습니다.

콜드 챔버 머신:

저온 챔버 기계는 알루미늄과 같은 중온 금속에 적합합니다. 이 공정에서 다이캐스터는 용융된 형태의 합금을 준비합니다. 이를 피스톤에 충전하여 최대 1000bar의 압력으로 금형에 재료를 주입합니다. 그러나 이 기술은 시간이 오래 걸리지만(사이클 시간: 30~60초) 거친 소재에는 훨씬 안전합니다.

알루미늄 합금에 대한 적합성

적합한 알루미늄 합금으로는 A380(85% 알루미늄, 8% 실리콘) 및 A383(84% 알루미늄, 10.5% 실리콘)이 있습니다. 이러한 합금은 고압을 견디고 냉각 중 균열을 방지할 수 있습니다. 예를 들어 A380 금속은 금형을 매끄럽게 채우면서 1mm의 얇은 벽 두께를 만들어냅니다.

다이 캐스팅 기법 비교

압력 다이 캐스팅에 대한 주요 세부 정보

• 단일 HPDC 장비의 생산 속도는 시간당 100~200개를 생산할 수 있습니다.
• 초기 설정 비용은 약 50,000~100만 원입니다. 그러나 50,000개 이상의 대량 주문의 경우 단위당 비용이 최대 $0.50까지 낮아집니다.
• 1.5mm의 작은 구멍도 뚫을 수 있습니다.
• 이 프로세스를 통해 벽이 0.8mm만큼 얇은 부품을 제작할 수 있습니다.
• 강철을 사용하면 내구성을 약 50,000~500,000회까지 늘릴 수 있습니다.

알루미늄 압력 다이캐스팅 공정

1. 툴링 설계 및 제조

다이 디자인:

금형 설계에는 생산되는 제품의 거의 그물 모양이 포함됩니다. 금형의 주요 역할은 용융된 알루미늄을 이러한 모양으로 변환하는 것입니다. 즉, 설계의 완벽성(치수, 두께 등)을 통해 정밀한 품질의 부품을 얻을 수 있습니다.

게이팅 시스템

게이팅 채널은 용융된 알루미늄이 금형을 향해 흐르는 방식입니다. 일반적으로 폭은 3~8mm입니다. 금속 흐름 속도(1~5m/s)를 조절하기 위해 난류와 공기 포획을 방지합니다.

러너 디자인:

러너 시스템은 금형 내부에 금속을 고르게 분배하거나 확산시킵니다. 두께는 5mm에서 15mm까지 다양합니다. 또한 잘못된 모양을 피할 경우 불일치를 줄일 수 있습니다.

환기:

0.1~0.3mm 폭의 작은 통풍구가 기계에 장착되어 있습니다. 이 통풍구는 갇힌 공기를 제거하여 다공성 및 에어 포켓과 같은 결함을 줄이는 데 도움이 됩니다.

냉각 채널:

냉각 채널은 튜브와 같습니다. 분당 10~20리터의 다이캐스팅 물이 흐릅니다. 이 시스템은 200~300°C의 온도를 유지하여 부품을 사출할 수 있도록 준비합니다. 이러한 온도 유지는 과열을 방지하고 균일한 구조를 얻기 위해 중요합니다.

다이 머티리얼:

일반적으로 사용되는 강철 H13 소재는 45-50 HRC 경도를 제공합니다. 또한 이 금속에는 이미 자연적으로 고강도 및 내마모성 특성이 있습니다. 이는 50,000-500,000번의 주조 사이클을 견딜 수 있는 수준입니다.

시뮬레이션 소프트웨어:

다음과 같은 도구 AutoCAST 는 공구 고장 추론을 조기에 예측하여 HPDC 공정에 도움이 됩니다. 금속 흐름을 최적화하고 게이팅 채널을 더 잘 배치할 수 있습니다. 이를 통해 생산 시작 전에 불량을 최대 30%까지 줄일 수 있습니다.

다이 유지보수:

다이를 유지 관리하려면 5~10주기마다 윤활유 스프레이를 도포하는 것이 중요합니다. 금속 끈적임을 막고 부드럽게 배출할 수 있습니다.

2. 재료 선택 및 준비

알루미늄 합금:

가장 중요한 것은 단순히 알루미늄 합금을 선택하는 것이 아닙니다. 강도, 유동성, 적용 적합성에 영향을 미치는 주조 요구 사항에 따라 달라집니다.

• A380: 쉽게 흐르고 강도가 높습니다. 제조업체는 자동차 부품에 주로 사용합니다.
• ADC12: 이 금속은 전자 하우징과 얇은 벽(두께 1~2mm)의 부품에 적합합니다. 부드럽게 흐르고 결함을 줄입니다. 또한 매우 정밀한 부품을 생산할 수 있습니다.

용융 품질:

논리적으로 말하면, 알루미늄 순도를 유지하면 결함이 없고 튼튼한 부품을 만들 수 있습니다. 이것이 바로 유지로 작업의 목적입니다. 용융 알루미늄을 660~700°C로 유지하여 응고를 방지합니다. 또한 갇힌 수소는 가스 제거 질소 가스를 사용하여 제거하면 실제로 다공성이 90% 감소하고 내부 공극을 방지할 수 있습니다.

3. 용해 및 붓기

• 용해로는 가스로를 사용하는 용광로입니다. 제조업체는 700-750°C의 온도에서 알루미늄 고체 펠릿을 녹이는 데 사용합니다. 일관된 용융 상태를 보장합니다.
• 유지로는 용융된 알루미늄을 저장합니다. 생산 주기가 완료될 때까지 제어된 온도에서 유동성을 유지합니다.
• 램 및 샷 슬리브 공정에서는 고압에서 4~10m/s의 속도로 금속을 금형 캐비티에 밀어 넣기만 하면 됩니다. 이들의 역할은 금형을 완전히 채우고 적절한 압축을 하는 것입니다.
• 다이캐스팅 기계는 사출의 기계 시스템을 자동화합니다. 주조 부품의 정교한 결과물과 반복성을 보장합니다.
• 콜드 챔버 기계는 플런저를 사용합니다. 금속을 주입하고 30~60초 만에 사이클을 완료하여 높은 효율성을 제공합니다.

4. 주입 및 응고

첫 번째 단계: 용융된 재료가 다이 캐비티의 80-90%를 채웁니다. 주입하는 데 0.01~0.1초가 걸립니다. 재료가 틈새를 고르게 채우고 모든 다이 모서리에 도달하는지 확인합니다.

두 번째 단계: 제조업체가 고압(200-400bar)을 가합니다. 에어 갭을 제거하고 조밀한 품질과 구조적 무결성을 제공합니다.

냉각: 다이캐스팅 물 또는 냉각 공기가 초당 500-1000°C로 주입된 금속을 빠르게 냉각합니다. 이 과정에서 미세한 입자 크기(0.01~0.05mm)의 강력한 미세 구조가 효율적으로 형성됩니다.

5. 추출 및 후처리

부품이 굳으면 이젝션 핀이 다이에서 주물을 안전하게 제거하는 데 도움을 줍니다. 5~20톤의 힘을 가합니다.

그 동안 담금질 탱크는 물을 사용하여 주조 부품을 10~30초 동안 빠르게 냉각합니다. 이 추가 공정은 뒤틀림을 방지하고 재료 특성을 향상시킵니다.

또한 트림 기계는 20~50톤의 힘을 사용하여 금속 잔여물(게이트, 플래시)을 절단합니다. 더 높은 품질의 부품을 만드는 데 도움이 됩니다.

마무리 부서:

제조업체는 날카로운 모서리를 제거하기 위해 디버링 기법을 사용합니다. 이러한 공정은 매끄러운 표면을 제공하여 Ra 1.6~3.2 µm의 거칠기 값을 달성합니다.

정밀한 구멍과 가공으로 인해 공차(±0.05mm)가 엄격해집니다. 그 결과 제품이 최종적으로 특수 사양을 충족합니다.

7. 폐기물 관리

다이캐스터는 5-10%의 알루미늄 폐기물을 재용융하거나 재사용했습니다. 스크랩 재활용을 통해 원재료 비용을 절감할 수 있기 때문입니다.

윤활유와 금속 잔여물에서 발생하는 폐기물은 폐수 처리 시스템에서 처리할 수 있습니다. 이 슬러지 및 오일 처리는 폐기 전에 95%의 오염 물질을 제거합니다.

이 외에도 제조업체는 배기 스크러버를 사용합니다. 유해 가스를 필터링하여 배출 가스를 처리하는 것이 이들의 임무입니다. 이러한 도구는 대기 오염을 줄이는 데 99%의 성공률을 달성하는 데 도움이 됩니다.

냉각탑과 같은 지속 가능한 자원은 80%의 사용한 물을 재순환합니다. 이러한 기술은 또한 환경에 미치는 영향을 최소화합니다.

애플리케이션 및 산업

자동차

유럽에서 생산되는 자동차의 경우 대당 200kg 이상의 알루미늄을 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 이 외에도 자동차 업계에서는 HPDC 공정을 통해 가볍고 튼튼한 다양한 부품을 생산하고 있습니다. 예를 들어 엔진 블록, 와이퍼 모터 하우징, AC/DC 컨트롤러, 배터리 하우징 등이 있습니다.

항공우주

알루미늄 다이캐스팅으로 생산된 항공우주 부품은 더 강하고 무게가 가벼워집니다. 예를 들어 항공기 브래킷과 인공위성의 인장 강도는 최대 300MPa입니다. 결과적으로 부품의 성능이 우수하고 연료 사용량이 적습니다.

소비재

다이캐스팅 공정은 벽이 얇은 부품을 제작할 때 유용합니다. 이는 특히 소비재 카테고리에 해당됩니다. 예를 들어 벽 두께가 1mm에 불과한 노트북과 휴대폰용 전자 인클로저를 만들 수 있습니다. 제조업체는 이 기술을 통해 연간 5만 대 이상의 세탁기를 생산합니다.

산업 장비

더 높은 압력(최대 100bar)을 견딜 수 있는 부품의 경우 펌프 하우징 및 밸브와 같은 다이캐스트 부품을 선택하는 것이 중요합니다. 이러한 부품은 누출 방지 물질과 마감 거칠기가 Ra 1.6 및 3.2 µm 내외로 변동합니다.

알루미늄 압력 다이캐스팅의 장점

• 이 공정을 사용하면 ±0.1mm의 엄격한 공차(모래 주조보다 5배 이상)로 부품을 주조할 수 있습니다.
• 완벽한 핏을 제공합니다.
• 부품의 표면이 매끄럽습니다(Ra 1.6µm의 미세한 표면).
• 후처리를 줄이세요.
• 알루미늄 합금은 100%로 재활용이 가능합니다.
• 이 공정은 모래 주조보다 40~50% 적은 전력을 사용합니다.
• 탄소 발자국을 줄입니다.
• 주조 부품은 강철 무게의 절반 수준으로 튼튼합니다.
• 대량 생산으로 부품당 비용이 낮아집니다.

도전 과제와 한계

부품 크기 및 복잡성:

최대 크기에 제한이 있는데, 이는 약 600 x 600mm(대략 자동차 문 크기)까지만 제작할 수 있기 때문입니다.

0.8-1.5mm 미만의 얇은 벽은 불완전한 충전을 유발합니다. 이러한 요구 사항은 최대 4m/s의 사출 속도를 초과합니다. 또한 0.5mm 미만의 복잡한 피처를 재현하기 어려울 수 있습니다.

재료 제한:

이 공정은 A380과 같은 특수 합금에만 적합합니다. 유동성과 주조 특성이 우수하기 때문입니다.

일반적인 결함

공기 포획은 가스 다공성을 유발하고 이러한 가스가 팽창하면 블리스터링과 같은 결함으로 전환됩니다. 일반적으로 두꺼운 부품(10mm 미만)에서 발생하며 가스 제거를 통해 제어할 수 있습니다.

마찬가지로 냉각 속도가 고르지 않고 500°C/s 이하로 떨어지면 수축 다공성 및 균열이 발생합니다. 이를 방지하기 위해 200~400bar의 압력으로 응고하는 동안 밀도와 무결성을 유지할 수 있습니다.

테스트 및 제어:

다음을 통해 프로젝트 성과를 예측하고 몇 단계 앞서 나가기만 하면 됩니다. 비파괴 검사. 엑스레이 검사 시스템은 튜브 헤드를 사용합니다. 이것은 초점이 주물 전체에 광선을 방출하는 지점입니다. 공극이 있으면 X-선 투과율이 달라집니다. 분석을 단순화하기 위해 고유한 이미지를 생성합니다.

마찬가지로 초음파 테스트를 채택하면 부품당 2~5초 이내에 내부 균열을 찾아낼 수 있습니다. 센서는 사출 속도(±0.1m/s)와 압력(±10bar)을 모니터링합니다. 따라서 일관된 품질을 보장할 수 있습니다.

결론:

알루미늄 압력 다이캐스팅 는 신뢰할 수 있는 프로세스입니다. 자동차, 항공우주, 전자 등 대부분의 업종에서 대량 주문에 대한 경제성과 높은 전도성 때문에 이 공정을 사용합니다.

이 옵션은 적은 에너지를 사용하면서 정확한 모양과 매끄러운 마감을 얻을 수 있는 방법입니다. 하지만 크기 제한이나 간혹 발생하는 결함과 같은 문제가 있습니다. 이를 위해 최신 테스트 및 제어 기능을 사용하면 생산량을 안정적으로 유지할 수 있습니다.