반고체 다이캐스팅(SSDC)은 금속 슬러리(20-60% 고체)를 580-620°C에서 50-100MPa 압력으로 주입하는 방식입니다. 이렇게 하면 구형 미세 구조가 형성되어 강도가 최대 20%까지 향상됩니다. 전단 속도는 일반적으로 10초-¹ 미만이므로 정밀한 부품을 위한 제어된 금형 충진을 보장합니다. 일반적인 합금으로는 알루미늄 A356과 마그네슘 AZ91D가 있습니다.
정밀한 결과를 얻기 위해 SSDC가 선호되는 이유를 알아보세요. 작동 방식과 주요 방법, 적용 분야, 장점에 대해 알아보세요.
반고체 다이캐스팅이란?
반고체 다이 캐스팅 제조 공정입니다. 금속을 반고체 상태로 만드는 데 사용됩니다. 이러한 부품은 반죽과 같은 형태로 액체와 고체 형태를 모두 포함하고 있습니다. 이러한 종류의 슬러리는 제조업체가 최고 품질의 복잡한 부품을 생산하는 데 도움이 됩니다. 자동차나 가전제품 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. SSDC 부품은 기존 주조에 비해 더 강하고 결함이 거의 없습니다.
틱소트로피 및 레오펙시
1. 리오캐스팅(요변성 동작)
리오캐스팅 공정은 표준 금속 잉곳을 확보한 후 시작됩니다. 알루미늄 합금 A356일 수 있습니다. 금속 세공사는 용광로에서 650°C의 초기 온도에서 이 잉곳을 녹입니다.
이 용융 물질이 580°C의 반고체 온도에서 냉각되기 시작하면 작업자는 기계식 교반기를 사용하여 500rpm으로 회전시킵니다. 이렇게 하면 고체 입자가 작은 구형으로 부서집니다. 크기는 50~100미크론입니다.
교반은 요변성 거동을 만듭니다. 이것이 바로 40% 고체 입자를 사용한 반고체 주조입니다. 밀면 매우 부드럽게 흐릅니다.
이 슬러리는 나중에 자동차 서스펜션 부품과 같은 다양한 산업 부품을 주조하는 데 사용됩니다.
2. 틱소캐스팅(레오펙틱 동작)
틱소캐스팅에서 제조업체는 미리 만들어진 빌릿을 사용합니다. 그들은 마그네슘 AZ91D와 같은 합금의 일종입니다. 일반적으로이 재료에는 이미 적절한 구형 미세 구조가 있습니다.
금속 세공인들은 이 빌릿을 처음 보았습니다. 빌릿의 길이는 경우에 따라 다르지만 보통 150mm 정도입니다. 그들은 575°C의 온도를 적용하여 이 빌릿을 다시 녹였습니다. 이는 표준 틱소캐스팅과 일치합니다. 이 공정은 재료가 이상적인 반고체 형태가 될 때까지 유도 용광로에서 15분 동안 지속됩니다.
제조업체는 이 재료를 1m/s의 속도로 금형에 밀어 넣습니다. 이것은 더 얇지 않기 때문에 요변성과는 상당히 다릅니다. 대신 일종의 레오펙시입니다.
이 프로세스는 전단 하 점도를 증가시킵니다(10%). 그 결과 난류와 공기 혼입의 위험이 낮아집니다. 노트북 케이스와 같은 부품을 주조할 때 이러한 특성으로 인해 표면이 더 매끄러워집니다.
전단 속도 제어는 어떻게 진행되나요?
반고체 금속은 전단 속도 일반적인 범위인 10초-¹보다 낮습니다. 두꺼운 상태이기 때문에 금형 캐비티로 천천히 이동하여 각 섹션을 적절하게 채우며 특히 얇은 주조가 필요한 경우 특히 그렇습니다.
좁은 게이트가 금속을 고속으로 밀면 전단력이 증가합니다. 0.5초 이내에 금형을 채우며 정밀한 제품을 제작합니다.
전단 얇아짐이 매개 변수입니다. 이를 통해 작업자는 다양한 주조 단계에서 금속 흐름에 대처할 수 있습니다.
솔리드 프랙션
고체 분율(fₛ)은 SSDC에서 고체 콘텐츠가 차지하는 비율입니다. 제조업체는 이 비율을 20%와 60%의 가능한 범위 내에서 유지합니다.
20%보다 낮은 조건에서는 금속이 묽어지고 60%보다 너무 높으면 딱딱한 형태가 됩니다. 곰팡이 문제를 일으킵니다.
마이크로 구조의 진화
기존의 수지상 구조에 비해 반고체 금속은 구형 또는 로제트와 같은 미세 구조를 가지고 있습니다. 입자가 둥글기 때문에 흐름이 더 원활하고 결함을 최소화할 수 있습니다. 최종 결과물에서 향상된 강도와 미세한 품질은 이 공정의 기본 결과물입니다.
반고체 다이캐스팅 공정
슬러리 생성 방법
1. 변형 유도 용융 활성화(SIMA):
제조업체는 표준 빌릿을 구입한 후 300°C에서 변형시킨 다음 용광로에 넣어 580°C에서 재가열합니다. 이 액체 매트릭스에서는 구형 입자(50μm)가 형성됩니다. 이 정도면 반고체 가공에 충분합니다.
2. 자기 유체 역학(MHD) 교반
전자기 코일은 500A 전류를 사용합니다. 이는 접촉 없이 600rpm으로 교반하기 위한 작업입니다. 이 과정을 통해 40% 이상적인 고체 상태가 형성되어 오염을 방지합니다.
3. 냉각 경사 주조
제조업체는 620°C의 용융 상태의 금속을 경사면에서 아래로 흐르게 합니다. 이는 일반적으로 60° 위치의 구리 경사면입니다.
더 빠른 냉각을 통해 3초 이내에 반고체 슬러리를 얻을 수 있습니다.
사출 유닛 수정
세라믹 보온 코팅이 적용된 특수한 유형의 반팔을 사용하세요.. 슬러리의 온도를 570°C로 유지합니다. 따라서 사출 단계 내내 걱정 없이 주조할 수 있습니다.
이 외에도 정밀하게 설계된 플런저가 금형을 균일하게 채웁니다. 0.3~0.8 m/s의 임계 속도로 작동합니다. 이 기능은 작업의 균형을 맞추고 유해한 상 분리를 줄여줍니다. 이는 슬러리의 액체 입자와 고체 입자 사이에서 발생합니다.
다이 설계 고려 사항
게이트 시스템의 경우 기존 금형보다 단면적이 더 큰 30%를 사용해야 합니다. 이렇게 하면 반고체 금속의 적절한 흐름을 유지하는 데 도움이 됩니다.
러너 시스템의 경우 점진적인 곡률을 통합합니다. 최소 반경은 20mm입니다. 이렇게 하면 층류 금속 흐름을 유지하고 난류를 최소화할 수 있습니다.
환기 슬롯에 대해 말하자면, 0.1mm 폭으로 정밀하게 가공되었습니다. 주조 중 공기 유입을 제어합니다. 또한 누출 문제도 해결합니다.
반고체 다이캐스팅의 장점
더 매끄러운 표면과 정확한 크기
반고체 금속은 제어된 속도로 금형 섹션으로 흘러 들어갑니다. 이는 액체 금속보다 훨씬 느립니다. 또한 기포가 최대 90 %까지 줄어듭니다.
이 공정은 일반 주조와 비교하여 냉각 시 1.2%보다 적은 0.5%의 수축을 감소시킵니다. 이는 또한 다음과 같은 부품을 만드는 데 도움이 됩니다. 스냅핏.
더 강력한 금속 구조
반고체 상태의 작고 둥근 모양의 입자는 서로 단단하게 뭉쳐 있습니다. 즉, 늘어났을 때 20%의 강도를 가진 더 조밀한 구조를 가지고 있습니다.
골절되기 전에 더 많은 힘으로 15%까지 구부릴 수 있습니다. 이 부품은 반복적인 스트레스를 견디면 30% 더 오래 지속됩니다.
구멍 및 결함 감소
SSDC 내부에는 빈 공간(1~2개의 %)이 거의 없습니다. 반면 일반 다이 캐스팅은 5~8%의 확률이 있습니다.
이 과정을 통해 기포, 구멍, 수축, 균열, 거친 표면의 얼룩이 제거됩니다.
에너지 절약
이 프로세스의 또 다른 기능 또는 이점은 에너지 절약입니다. 여러 가지 방법으로 에너지 사용량을 줄일 수 있습니다. 예를 들어
- 금속은 680°C가 아닌 580°C에서 가열됩니다.
- 빠른 흐름(25%)은 에너지 사용량이 적습니다.
- 운영 중 자재 낭비를 최대 15%까지 줄여줍니다.
생산 비용 절감
반고체 부품은 더 적은 수의 연마기가 필요하기 때문에 최대 40%를 절약할 수 있습니다.
생산량 중 5%의 부품을 거부할 수 있습니다. 이는 일반 공정의 % 15개보다 적은 양입니다.
SSDC 몰드를 30000회만 사용할 수 있는 것이 아니라 50000회 더 사용할 수 있습니다.
반고체 다이캐스팅의 응용 분야
핵심 자동차 부품
자동차 산업에서 반고체 다이캐스팅의 부품은 다음과 같습니다:
- 스티어링 너클
- 엔진 마운트
- 전송 사례
- 브레이크 캘리퍼
이 공정은 구조적 디테일이 있는 매우 복잡한 부품을 생산합니다. 예를 들어 중공형 디자인의 서브프레임과 서스펜션 암이 이에 해당합니다.
EV(전기 자동차)에서 부품은 배터리 하우징과 모터 인클로저입니다. 이 부품들은 가볍고 내구성이 뛰어납니다. 또한 지속적인 진동과 열 스트레스를 견뎌내야 합니다.
고성능 항공우주 부품
반고체 상태는 정밀한 품질의 항공우주 부품을 생산합니다. 바로 이것들입니다:
- 윙 브래킷
- 랜딩 기어 구성품
- 터빈 엔진 부품
- 레이더 하우징
- 항공 전자 인클로저
- 위성
내구성이 뛰어나고 무게가 가볍습니다. 미사일 유도 시스템 케이스는 이를 활용하여 성능을 발휘합니다. 중요한 환경에서도 엄격한 허용 오차를 유지합니다.
측정된 성능 향상
현장 테스트에서 반고체 주조 브레이크 캘리퍼는 기존 방식으로는 마모되기 전에 800,000km를 견뎌냈습니다. 또한 항공기 주조 부품은 피로 저항성이 25% 더 높습니다.
자동차 부문의 부품은 충돌 테스트에서 더 나은 내충격성(15%)을 얻습니다.
성장하는 시장 애플리케이션
시간이 지남에 따라 성장하는 시장 애플리케이션은 SSDC를 활용하여 만들어집니다:
- 0.05mm 도파관을 사용한 정밀한 5G 안테나 하우징.
- 박테리아에 강한 표면이 포함된 의료용 임플란트 트레이.
- 열 방출이 뛰어난 드론 모터 하우징.
또한 전기 자동차는 0.2mm의 평탄도를 얻기 위해 이 공정을 사용합니다. 이는 배터리 냉각판의 300mm 스팬에 걸쳐 있습니다.
반고체 다이캐스팅에 사용되는 재료
특정 합금 명칭
알루미늄 A356(AlSi7Mg)과 마그네슘 AZ91D는 반고체 다이캐스팅에 가장 적합한 합금입니다. 더 빠르고 균일하게 녹아 이상적인 질감을 만들어냅니다.
A356 합금은 강도가 높기 때문에 자동차 회사에서 일반적으로 70%를 사용합니다. 한편 합금 AZ91D는 경량 전자제품 케이스의 주조에도 잘 어울립니다.
유변학적 특성
차트는 다양한 단계와 다양한 고체 분율(Fs)에서 SSDC의 합금이 어떻게 작동하는지를 보여줍니다. Fs=0.37에서. 전단 속도가 1에서 10초-¹로 증가할 때 점도가 감소하는 것을 보여줍니다.
Fs=0.48과 같은 분수는 이보다 높을수록 흐름이 두꺼워집니다. 금형을 채우는 데 더 많은 힘을 사용합니다. 이 그래프는 제조업체가 최상의 출력을 얻기 위해 0.40~0.45 사이의 F를 사용하는 이유를 보여줍니다.
고형화 동작
A356 주조 쿨다운은 50°C 범위에서 이루어집니다. 금형 내부에 금속이 퍼질 수 있는 충분한 시간이 주어집니다.
이 범위를 늘리려면 0.3% 마그네슘을 추가하면 됩니다. 이는 더 나은 흐름을 위해 최대 15°C까지 높이는 것입니다.
반대로 합금 AZ91D는 완전히 단단한 형태를 더 빨리 취합니다. 그러나 더 강하고 얇은 벽을 가진 부품을 만듭니다. 최대 2mm 더 두껍습니다.
2차 처리
이 부품은 종종 더 적은 단계의 2차 가공이 필요합니다. 기존 주조의 경우 0.5mm의 표면 제거가 필요한 데 비해 0.1mm의 표면 제거가 필요하기 때문입니다.
또한 A356 합금을 열처리하면 뒤틀림 없이 강도를 20%까지 향상시킬 수 있습니다.
반고체 다이 캐스팅과 기존 다이 캐스팅 비교
프로세스 매개변수 비교
| 매개변수 | 반고체 주조 | 전통 캐스팅 |
| 온도 | 580-620°C | 680-720°C |
| 사출 압력 | 50-100 MPa | 70-150 MPa |
| 솔리드 프랙션 | 30-50% | 0%(완전 액체) |
| 주기 시간 | 45-60초 | 30-40초 |
재료 구조
반고체 주조의 구형 구조는 기존 주조의 구조보다 20% 더 높은 인성을 제공합니다. 약 2 %의 다공성(반대로 5.8%)을 포함합니다.
비용 요소
그러나 초기 비용은 최대 20%까지 더 높습니다. 그럼에도 불구하고 재료 낭비를 약 15%, 가공 비용을 최대 40%까지 절감할 수 있어 비용 효율적입니다. 이는 초기 비용을 상쇄합니다.
선택 시기
필요한 경우 반고형식을 선택하세요:
생산 시 반고체 다이캐스팅 공정을 선택하세요:
- 얇은 벽(3mm 미만)
- 고강도(>250MPa)
- 연간 20,000대 이상 판매량
- 매끄러운 마감(<3.2μm Ra)
결론:
반고체 다이캐스팅은 더 높은 품질의 인성으로 제작됩니다. 또한 일반 공정보다 약 30% 적은 다공성으로 표면 마감이 우수합니다.
이 기술은 특정 합금과 고가의 초기 설정을 사용하지만, 20000개를 초과하는 부품을 제작할 때 비용 효율적입니다.
다가오는 시장은 자동차, 항공우주 및 신흥 기술 전반에 걸쳐 SSDC 애플리케이션이 확대될 것으로 기대됩니다. 또한 공정 제어 및 툴링 분야에서도 발전된 기술을 발견하는 데 중점을 두고 있습니다.