다이캐스팅은 고정도로 표면이 우수한 주물을 하이사이클로 생산하는 주조방법이다. 환경 친화적인 프로세스로 주목받고 있어 더욱 확대될 분야로 기대받고 있다. 이와 관련 최근 개최된 다이캐스팅 전문기술 세미나에서 애니캐스팅 윤중묵 이사가 발표한 '슬리브 및 고진공과 변형불량 연결해석' 내용을 정리한다.

다이캐스팅 불량 종류 및 그 원인, 그리고 고진공 다이캐스팅의 가스 감소, 열응력 변형에 의한 불량에 대해 다루고, 실제 적용 사례 3가지를 소개한다. 다이캐스팅의 불량은 기포, 미성형, 수축 등 여러 가지가 있는데, 물리적으로 크게 용탕 충전과 열응고 불량으로 분류할 수 있다. 이러한 불량들은 주조 해석을 통해 원인을 파악, 핵심 대책을 세울 수 있다.

▲ 애니캐스팅  윤중묵 이사

다이캐스팅 불량 종류 및 원인

다이캐스팅의 불량은 여러 가지가 있는데, 크게 물리적으로 용탕 충전과 열응고로 분류할 수 있다. 용탕 충전으로 인한 불량은 불균일한 충전, 와류에 의한 산화물 혼입, 금형의 소착, 마모 등이 있다. 응고로 인한 불량으로는 제품의 형상이나 냉각채널의 설계가 부적합할 경우에 국부적으로 액상이 고립되서 수축공이 생기거나, 수지상에 급탕이 부족해서 미세한 수축이 생기거나 금형 온도 밸런스가 안 맞는 경우 등이 있다. 

이러한 물리적인 현상들만 정확히 파악한다면, 개선 방안은 이에 맞춰서 세우면 된다. 용탕 충전 대책으로는 게이트 시스템이나 진공, 장비 속도 조건 등을 변경할 수 있다. 열응고 대책으로는 냉각채널 위치나 종류, 그리고 경우에 따라서는 제트 쿨이나 슈퍼 쿨을 쓰기도 하고 장비 온도 조건 등을 바꿀 수 있다. 이것은 금형적인 측면이고, 보다 근본적으로는 제품 설계까지 변경할 수도 있다.

우선 해석이 가능한 부분을 먼저 살펴본다. 용탕 충전 불량은 금형 설계 러너 방안에 대해서 충전의 밸런스나 기포 고립 양상, 가스압, 수소가스 분포, 용탕 속도 분포 등을 해석을 통해 파악할 수 있어 개선이 가능하다. 응고 시에는 응고될 때의 용탕 온도, 액상 고립 양상, 그리고 리크의 원인이 되는 미세 수축도 예측할 수 있다. 

또한 사이클 시에 사이클이 계속 누적될 때 금형의 과열부나 금형 온도 분포 등도 해석할 수 있고, 최근에는 박육 제품과 고진공 제품이 많이 나와 변형이 크게 이슈가 되고 있다. 열변형에 따른 치수 변화나 응력이 집중해서 크랙이 생기거나 하는 부분도 해석으로 접근이 가능하다.

다이캐스팅의 가장 근본적이고 고질적인 불량은 가스라고 할 수 있다. 용탕 내 가스 발생 원인을 살펴보면, 용탕 그 자체에는 수소가스가 80%로, 대부분 수소가스가 고용되어 있다고 보면 된다. 제품 내 가스 분포를 보면 주입 온도에 따라 가스 분포가 다르고, 동일한 주입 온도라도 플런저 속도에 따라 다르다. 플런저 속도를 변화시켰을 때, 용탕 주입 온도에 관계없이 플런저 속도가 빠를수록 가스량이 많아진다. 

그리고 가스의 분포도 수소가스가 많았는데, 수소가스가 절반 이하이고 질소가스가 20% 가까이가 됐다. 이것은 용탕 내의 것도 중요하지만, 금형 내의 이형제나 수분, 그리고 슬리브에서 작업 조건에 따라 와류에 의해 대기 중의 공기가 포함되면서 다양한 가스가 제품에 존재하게 되는 것이다. 그리고 Zn의 함유량에 따라서도 가스량이 달라진다. 

동일한 주조 방안이라도 작업 조건을 어떻게 설정해 주는지에 따라 제품의 가스 함유량이 달라진다. 슬리브가 너무 빠르면 피스톤이 밀어주는 속도 때문에 앞부분에 와류가 발생해서 용탕 포집현상이 생긴다. 그러면 용탕 자체가 시작부터 가스를 포함하게 된다. 속도를 너무 낮춰도 에어포켓이 발생해서 제품 내에 가스가 들어갈 수 있어 안전하지 않다.
다음은 금형 내로 들어왔을 때 벤트나 오버플로, 그리고 진공 조건이 적절하지 않았을 때의 불량이다. 

금형 내 진공관에 가스들이 계속 압축되면서 가스압이 높아지는데, 이것을 배압이라고 한다. 계속 가스의 부피가 줄어들다 보면 압력이 높아지고 일정한 압력이 되면, 용탕이 들어가는 압력보다 가스의 압력이 더 강해진다. 이에 가스가 결국 용탕 내로 혼입되어 버리고, 제품의 말단 부위에 가스가 많이 발생하게 된다.

고진공 다이캐스팅의 가스 감소

이번에는 고진공 다이캐스팅에 대해 다루어 본다. 고진공은 일반적인 진공과 기본적인 개념은 유사한데, 금형의 실링을 강화해 진공도를 높여주는 것이다. 일정 진공도까지는 가스가 크게 줄어들지 않다가, 진공도가 95% 이상이 되면 가스가 급격히 작아진다. 이것은 가스의 양과 크기가 모두 작아지는 것이다. 

95%를 환산해 보면 보통 70mbar 정도로, 70mbar 이하가 되어야 고진공 효과가 나타나 가스량이 줄어든다. 이 때 가스량은 보통 100g당 3cc 정도가 제품에 함유된다. 일반 다이캐스팅은 진공도 150~200mbar이고, 가스량은 30~40cc가 된다. 그러므로 고진공 다이캐스팅은 가스량이 3cc로 일반 다이캐스팅에 비해 10분의 1로 줄어든다. 이렇게 되면 용접이나 열처리가 가능하게 된다.

열응력 변형에 의한 불량

다음은 변형에 의한 불량이다. 일반적으로 다이캐스팅 과정에서는 여러 가지 응력에 의한 굽힘, 뒤틀림 등의 변형 결함을 쉽게 볼 수 있다. 변형에 의한 결함은 주조 방안에서부터 기계적인 요소까지 여러 방면의 해결책이 요구된다. 변형의 원인은 여러 가지 많이 있는데, 기본적으로는 금형의 적절하지 못한 수치, 수축률을 고려하지 않은 금형 설계, 미세한 지역에 대한 충분한 검토 미비, 두껍거나 얇은 충전 지역에 대한 정확한 수치화 미비, 불균일한 온도 하의 취출, 사이클 중 부적절한 금형 온도 유지, 부적절한 취출핀 위치 등을 들 수 있다. 

변형을 최소화하기 위한 대책으로는 제품 생산 시 금형의 온도 확인, 취출 시 취출핀의 위치 적합성 판단, 취출 시 취출핀을 지지하는 플레이트 힘 등의 판단, 범퍼 핀의 위치 확인, 범퍼 플레이트의 굽힘 정도 판단, 각 슬라이드부의 동작 확인 등을 해야 한다.

적용 사례

첫 번째 제품은 리액션 샤프트 서포트이다. 앞에서 말한 가스가 고립된 지역에 계속 갇혀 있으면 배압이 생기게 된다. 이것을 해석 상으로 접근할 때, 갇히는 공기의 부피와 압력을 고려하지 않게 되면 해석할 때는 그냥 충전하는 것처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않다. 그러므로 이러한 것들을 고려하기 위해서는 해석 상에서도 빈 공간의 공기 압력까지 고려하면 배압 효과를 볼 수 있고 실제 제품에서도 좀 더 정확한 예측을 할 수 있는 기법이 된다. 

두 번째 사례는 핸드폰 케이스이다. 핸드폰 케이스는 자동차에 비해 굉장히 작은 양의 변형이지만, 매우 박판이고 치수공차가 굉장히 까다롭기 때문에 조금만 변형되어도 가공이나 조립 불량이 발생하게 된다. 충전이 완료되고 냉각이 진행되면 테두리 부분은 두껍고 가운데 배터리 부분은 얇기 때문에 온도편차가 극단적으로 많이 나게 된다. 이러한 것들을 해석으로 예측할 수 있다면 변형의 원인이 열적인 것이 가장 크므로 금형의 온도 분포나 게이트의 위치 등을 변경하면서 최대한 금형의 온도 밸런스를 균일하게 하면 변형량이 적은 제품을 만들 수 있다. 

세 번째 사례는 클러치 하우징이다. 슬리브에 관해 많이 이야기했는데, 진공의 구간도 중요하지만 속도 변화에 따른 와류도 중요하다. 이단사출로 하느냐, 다단사출로 해서 와류를 줄이느냐에 따라서도 남아있는 가스와 산화물의 양에 차이가 나타날 수 있다. 동일한 주조 방안에서도 진공도가 클수록 가스량이 줄어든다. 또한 제품 위치를 변경하거나 러너 위치를 변경하기도 하고, 진공 벤트 수를 늘리거나 하여 주조 방안을 개량하면 가스량을 많이 감소시킬 수 있다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)