아연합금은 치수정밀도, 내식성, 도금성 등이 우수하여 다양한 분야에 사용되고 있다. 아연합금 다이캐스팅을 할 때에 이형제는 성형품 추출에 없어서는 안 되는 재료이다. 그런데 이형제는 도금성이나 도장성을 저해하고, 그 전처리로서 유기용제에 의한 세정작업이 이루어져 환경 부하를 증가시키는 원인이 되고 있다. 또한 이형제 도포 공정에서 발생하는 오일미스트의 비산도 작업 환경을 악화시키고, 작업자에게나쁜 영향을 미친다. 이에 이형제를 사용하지 않는 환경에 친화적인 다이캐스팅법 개발을 목표로 연구를 했다.
이형제를 사용하지 않은 경우에 가장 큰 문제는 제품을 금형에서 꺼낼 때 이형력의 증가이다. 이형력이 제품의 강도를 넘는 경우 제품을 매끄럽게 잘 꺼낼 수 없어 변형이 되거나 파손된다. 또한 이형제를 도포하지 않으면 용탕과 금형이 반응하여 소착이나 용손이 발생할 수도 있다.

한국과학기술정보연구원  이원식 박사

‌다이캐스팅의 이형력과 측정 방법

제품을 만들 때에 고정 다이가 있고 이동 다이가 있다. 이동 다이 부근에 코어를 만든다. 용탕을 사출했을 때에 이 제품이 응고하면서 수축을 하게 된다. 대개 수축 정도는 아연의 경우는 5~6/1000, 알루미늄의 경우는 6~8/1000 정도 수축을 하게 된다. 수축을 하는 것이 열가공을 하는 것과 마찬가지로 코어 부분을 문다. 그래서 다이를 오픈할 때에 제품이 코어를 물고 밖으로 빠져 나온다. 이렇게 빠져 나온 것을 밀어서 빼내는 것을 이형력이라고 한다.
이형력을 계산하는 방식으로는 Oota식, Holliday식, Kaneko식 등 여러 가지가 있다. Kaneko식을 보면, 통 모양의 제품을 고려하여 주조압력이나 대기압 등을 고려할 때 이형력 P는 P1에서 P7까지 7개 항목으로 계산된다. P1은 측벽의 수축에 의한 것, P2는 저변의 수축에 의한 것, P3는 금형의 요철에 의한 것, P4는 주조 압력에 의한 것, P5는 대기압에 의한 것, P6은 소착에 의한 것, P7은 압출접동저항이다. 이것을 각각 계산하면 복잡하고 힘들기 때문에 압출 판을 움직이는 압출 실린더의 유압을 측정하는 방법과 압출 핀에 압력 센서를 설치하여 측정하는 방법이 있다.
이번에는 센서를 압력 핀 중에 매립하여 주입구 부위와 오버플로 부위에 설치하는 방법으로 이형력을 측정했다. 용탕이 주형에 충전되면 압력이 급격하게 상승하지만, 캐비티에 대한 주조 압력의 전달에 의한 것이다. 주조 압력은 최대압을 지난 후에 서서히 저하하고, 형이 열리면 급속히 저하한다. 그 후에 다이캐스트 압출에 의해 다시 충격적으로 상승하는데, 이 때의 피크압이 이형력에 해당한다.
다이캐스트를 압출하기 위해 이형력을 주로 부담하는 압출 핀은 컵 모양 시험편을 직접 압출하는 4개의 압출 핀이라고 생각할 수 있다. 이에 이후의 이형력은 게이트 측과 오버플로 측의 이형력을 평균하여 4배로 한 값으로 했다.
컵 모양 시험편을 사용하여 이형력을 측정했다. 제품의 깊이는 30mm이고, 빼기구배를 0°, 1°, 3°의 3가지로 했다. 바닥 내주변 둘레길이는 144mm인데, 이것을 π로 나누면 45mm 직경 정도가 된다. 이러한 컵 모양의 시험편을 만들어서 시험을 했다. 이 때 사용한 재료는 아연합금 다이캐스트 ZDC2인데, 대부분의 성분이 아연이고 알루미늄이 4.1%, 마그네슘이 0.048% 정도가 된다. 주조 조건은 주조 압력이 10Mpa, 주조 온도가 430℃, 사출 속도는 8m/s이다. 큐어링 타임은 2.5초, 사용 이형제는 ZN-500이다. 주조 온도를 430℃로 한 것은 대개 아연합금의 아연 용해 온도가 410℃ 정도가 되고, 아연 다이캐스팅 합금은 380℃ 정도가 된다. 이에 주조 온도는 380℃에서 50℃ 정도 높은 430℃를 주조 온도로 해서 실시했다.
이형력에 빼기구배는 어떠한 영향을 미치는가를 알아본다. 빼기구배가 0°일 때는 대개 2.3kN에서 3kN 정도의 이형력이 걸리고, 1°일 때는 1.3kN에서 2.5kN 정도, 3°일 때는 0.5~0.6kN에서 1.2~1.3kN 정도의 이형력이 걸린다. 그러므로 빼기구배가 많지 않을 때에는 압이 많이 걸려서 잘 안 빠지고 빼기구배가 많을 때에는 잘 빠진다는 것을 알 수 있다.
그러면 이형제를 뿌렸을 때는 어떻게 될까. 이형력에 미치는 이형제의 영향에 대해서 알아본다. 이형제를 사용했을 때에는 0.5kN에서 1.3kN 정도이고, 이형제를 사용하지 않았을 때에는 2.3kN에서 2.5kN 정도로, 상한점을 계산하면 약 2배이고 하한점을 계산해서도 약 2배 정도의 이형력이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이형제를 사용했을 때에 제품 온도를 보면, 거의 비슷하게 제품 온도에는 큰 차이가 없다. 앞에서 이형제는 제품 온도를 유지하고 컨트롤하기 위해 스프레이한다고 했는데, 실제로 45mm 직경의 컵 안에서는 변화 없이 거의 일정하게 나오는 것을 알 수 있다. 그리고 압출 핀에 미치는 응력관계를 보기 위해 1°의 테이퍼를 주었을 때와 3°의 테이퍼를 주었을 때, 각각에 이형제를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때를 시험했다. 제품의 추출 온도가 높으면 응력은 낮아지고, 온도가 낮으면 응력은 높아진다. 이것은 많이 식히면 식힐수록 제품을 추출하기 어려워진다는 것이다. 적당한 온도에서 뽑아야 제품이 찌그러지지 않고 깨지지 않고 잘 빠진다. 그러므로 온도 조절을 잘 해야 된다는 것을 알 수 있다.

‌용손 시험 및 연속주조 시험

그 다음으로 용손 시험을 했다. 용손 시험은 열간공구강 SKD61로 했으며, 압출 핀은 길이가 85mm, 직경이 6mm인 것을 ZDC2 용탕에 침적했다. 침적 온도는 430℃, 500℃, 600℃에서 각각 8시간 , 56시간, 160시간 침적했다. 압출 핀을 담그기 전에 중량을 재고, 담그고 난 후 시간이 경과함에 따라 용출 총량을 측정해서 얼마만큼 용출되었는지를 시험을 한 것이다. 많이 감량이 되었다는 것은 용출이 잘 된다는 것이다. 시험 결과, 용탕 온도 430℃에서 160시간을 침적하면 용손이 거의 없었다. 500℃에서는 160시간 침적한 후에 0.05g이 용손됐다. 600℃에서는 용손이 현저해져 56시간 침적한 결과 0.3g이 용손됐고, 160시간 침적 후에는 2.16g이 용손됐다. 이처럼 온도가 높으면 용손이 되지만, 430℃ 정도에서 충전할 때에는 거의 용손이 되지 않고 금형에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다. 용손 시험 결과 ZDC2 용해 유지 온도는 430℃가 권장된다. 예를 들면 430℃의 용탕이 그대로 금형 캐비티에 사출되면 응고까지 0.1초가 소요되며, 침적 시간 8시간으로 계산하면 288,000숏에 해당되므로 용탕 온도만 430℃를 맞춰서 쇼트할 수 있다면 거의 288,000개를 생산할 수 있으므로 이형제를 쓰지 않아도 괜찮다는 결론을 내렸다.
이어서 이형제를 사용하지 않고 연속주조 시험을 했다. 100숏 정도까지는 가능했지만, 금형에 냉각을 하지 않았기 때문에 제품 온도가 260℃를 넘으면 고정 다이에 제품이 남는 이른바 소착현상이 생겨서 충분한 연속주조가 불가능했다. 이에 이동 다이 중자에 냉각수를 순환시켜 250℃ 이하로 유지하면서 연속적으로 주조를 했다. 이동 다이의 코어 부분을 PCVD로 Ti 피막 처리하면 이형제 없이도 500숏까지 계속해서 연속주조가 가능했다. 150숏에 대해 연속 주조하여 이형력을 추이해 보았다. 150숏을 연속주조했을 때에 이형력 추이는 이형력의 최고·최저치가 큰 편차 없이 나타났으나, 80숏 이상부터는 최고치가 상당히 높아지고 최저치도 불안한 상태를 나타낸다는 것을 발견했다.

‌아연합금 다이캐스트의 시험 결과

결론적으로 직경이 45mm, 높이가 30mm 정도 되는 컵 모양을 아연 다이캐스팅할 때에 이형력은 빼기구배가 클수록 적어진다. 또한 이형제의 유무로 이형력은 달라지고, 이형제 도포에 비해 이형제를 도포하지 않은 경우에 2배 이상 높은 이형력이 나타난다. 용손 시험 결과, 실제 용탕 온도 430℃에서는 거의 소착이나 용손은 발생하지 않는 것으로 판단됐다. PCVD에 의한 Ti계 피막을 코팅한 중자는 이형제를 사용하지 않아도 500숏 정도까지 연속 주조하여 약간 이형력이 증가하는 경향을 보였지만 문제없이 주조할 수 있었다.

한국과학기술정보연구원  이원식 박사

<정리 : 김정아 기자>