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 자동차부품산업진흥재단 천정권 전문위원이 발표한 '다이캐스팅 제품의 품질 개선 사례' 내용을 정리한다.

다이캐스팅은 관리의 기술로 성공하든 실패하든 실제로 해보고 기록해 두어야 한다. 기록화·문서화는 매우 중요하여 작업의 지침이 될 수도 있고, 무엇보다 나중에 불량이 발생했을 때 원인 추적의 단서를 제공하게 된다. 여기서는 현장에서 직접 경험한 다양한 사례를 통해 다이캐스팅 품질 개선을 위해 필요한 관리 요소와 포인트를 짚어본다.

▲ 자동차부품산업진흥재단 천정권 전문위원

공정 관리 및 핵심 항목 표준화

SQ는 Supplier Quality의 약자로, 현대기아자동차에서 요구하는 협력사 품질관리 기준이다.
SQ 평가는 우선 사무실에서 검사협정서, 관리계획서, 사내외 품질 및 고객불만 현황 등 평가 아이템을 선정한다. 그리고 수입검증, 식별보관, 선입선출 등 소재·부자재 관리를 평가한다. 

이후 주조현장에서 금형/설비, 공정, 검사, 적재 등의 과정을 평가한다. 시험실을 운영하여 정기(신뢰성) 검사를 하고 포장, 식별보관, 선입선출 등 완제품 보관·출하를 평가하고, 사무실에서 현장 평가 결과를 근거로 추가 평가 사항을 확인한다.

SQ 평가 항목은 작업표준서 작성/게시 및 준수 상태, 용해로 조건관리 합리성 여부, 주조조건 작성/게시 및 준수 상태, 사탕 관리 상태, 사상 및 자주검사 작업표준 작성/게시/준수 상태, 추적성 가능 여부, 공정품질 문제 이력관리 상태, 작업장 3정5행 상태/주조기 주변 청결 상태/ 현장내 조명 상태, 캐비티 내 수분잔류/금형 냉각수 사용 여부 및 누수/작동유 유입 확인, 부자재 관리 상태 등이 있다.

이러한 평가 요구하는 부분들을 체크 관리하고 점검하며, 유지 관리하여 나중에 문제가 발생했을 때 추적해서 해결하는 방법을 이용한다. 이러한 것들이 제대로 지켜지는지가 중요하다. 

SQ 문서의 기록과 달리, 작업이 이루어지지 않아야 하는 경우에도 기계가 작동되고 불량이 양산되는 경우가 있다. 그래서 강제 조항으로 F/PROOF를 만들어 놓았다. F/PROOF는 Fool Proof를 말하며, 작업자의 실수를 예방하고 문제가 발생했을 때 알려주어 전수검사를 할 수 있는 시스템을 말한다. 이것도 중요한 핵심 항목을 표준화하고 기록해서 관리하는 것을 말한다.

주조 불량의 주요 원인

주조 불량의 원인은 여러 가지가 있는데, 문제는 답이 하나가 아니고 재발생하는 상황이 생긴다는 것이다. 여기서는 기포에 관한 사례들만 다루기로 한다. 기포의 발생 원인은 용탕의 청정화, 이형제, 형온, 용탕 온도, 속도, 압력 등으로 다양하다. 또한 어떤 경우에는 금형 온도를 올려야 하고, 어떤 경우에는 기포를 없애기 위해 온도를 내려야 하는 경우가 있다. 이렇게 공식화하기 어렵기 때문에 기록을 해두어야 하고, 이 기록에 따라 실행을 해야 한다.

용해 공정에서 가장 중요한 것은 청소로, 유지 관리를 해야 한다. 그렇기 때문에 용탕 온도, 출탕 온도를 표준으로 삼아 관리를 하는데, 매일 표준을 준수했는지를 기록해야 한다. 이 기록들이 실제로 올바르게, 그리고 실시간 요구되는 것들이 정확하게 되어 있어야 나중에 데이터로서 활용할 수 있다. 

용탕 청정화에 대해서 살펴보자. 용탕에는 개재물이나 기포가 들어가 있는데, 기포는 가스에 의해 발생한다. 기포는 용탕에서 30%, 주조 환경에서 나머지 70%가 발생하는데, 이 70%는 또한 수분과 유분에서 나오게 된다. 다이캐스팅에는 수분과 유분이 공존하므로 이들을 얼마나 잘 컨트롤하는지에 따라 품질의 양부가 결정된다.

공정별 관리 포인트

다이캐스팅의 공정별 관리 포인트를 알아본다. 우선 용해 공정 중에서 용해로 설비, 원자재 관리 및 출탕 온도 등을 관리한다. 이들은 주조성과 소재의 물리적 성질에 직접 영향을 미치며, 코론돔 등 개재물, 화학 성분 및 물성치 부족, 탕회 결함, 균열, 소착 기포 등을 발생시킨다. 관리 포인트는 로 청소, 화학 성분, 개재물 함유 상태, 보관 방법, 용해 온도, 출탕 온도 등이다. 또한 용탕 청정화 장치 및 방법, 보온로 등도 관리해야 한다.

고압주조의 공정별 관리 포인트는 우선 주입 공정 중에서 슬리브 청소장치 및 용탕공급장치를 관리해야 한다. 이들은 용탕 온도, 용탕 내 가스 함유, 사출간 스틱 현상, 파단칠층 발생, 플러저 팁 마모 등에 영향을 미친다. 계량 정도 및 주탕 정도, 래들의 아연화 도포 및 건조 상태, 작동 순서, 오일 및 에어 분사위치, 에어블로 압력 및 방향 등이 관리 포인트이다. 

사출장치의 경우는 사출 속도 및 탕구 속도, 충전 시간, 사출력, 증압, 충전성 등에 영향을 미치므로 관리해야 한다. 저속 및 고속 속도, 고속 및 감속 절환 위치, 증압, ACC 충전 압력 및 펌프 토출 압력, 팁/슬리브의 공차 및 냉각능력 등이 관리 포인트가 된다. 

주조기 본체 및 금형에서는 비산, 크랙, 변형, 표면불량, 수축, 소착, 기포 등이 발생하지 않도록 관리해야 하며, 이형제 분사장치의 경우에는 탕회, 기포, 탕경, 물흔, 소재부식, 뜯김 등의 불량이 생기지 않도록 관리해야 한다. 또한 후처리 공정에서는 소재의 외관 상태 및 상품성에 영향을 미치는 탕구 절단 및 버 제거와 소재의 외관 상태와 소재의 기밀유지성에 영향을 미치는 쇼트기 및 함침을 관리해야 한다.

품질 개선 사례

알루미늄하고 수분하고 반응했을 때는 항상 산화한다. 그러나 수소가스는 독립적으로 떠다닌다. 3개의 산소, 6개의 수소가스가 결합했을 때 산화물은 쉽게 알루미늄하고 반응하는데, 이들이 기포를 만드는 원인이 된다. 산화물들은 시간이 지나면 코론돔이 만들어진다. 이러한 알루미늄 용탕 내 가스를 없애기 위한 GBF(Gas Bubbling Filteration) 장치 사례를 소개한다. 

GBF는 탈가스 처리 효과가 매우 좋다. 그런데 GBF에 의해 역현상이 일어나는 경우도 있다. 질소가스 압력이 비정상일 때에는 표면의 산화물이 용탕에 흡수되어 용탕 품질이 나빠진다. 이것은 관리를 잘못해서 그렇다. 질소가스가 정상일 때는 용탕 내부의 산화물이 용탕 표면으로 부상하게 되어 용탕 품질이 개선된다. 

또한 탈가스가 제대로 됐는지를 검증하기 위해서 감암응고를 하고 있는데, 이것은 상대비교로 눈으로 확인하는 것이다. 이 방법도 가치는 있지만 탈가스를 했는지의 여부를 확인하기 위해서는 밀도(비중)을 구해 보면 차이를 확인할 수 있다. 탈가스 후에는 밀도가 증가한다. 슬러지 팩터(Sludge Factor)라는 것이 있는데, 오염도를 측정하는 지표로 1주일이나 1달에 한 번씩 해보는 것이 좋다. 

이렇게 사각지대의 개재물을 제거하지 않으면 제품에 들어가서 파손의 원인이 된다. 기포보다 개재물의 영향이 파손에 더 크게 작용하므로 청정 처리가 필요하다. 이러한 개재물들은 보온로 벽의 이물질로 추측된다. 산소의 존재는 알루미늄 산화물이 원인이며, 탄소의 존재는 내화벽돌이나 캐스터블의 원인으로 생성된 것으로 추정된다. 

또한 유압 작동유 관리가 중요한데, 성분 검사 결과 수분이 10배 이상 들어있는 경우도 있었다. 경각심을 가져야 할 사례이다. 이밖에도 게이트의 단면적이 넓어져서 품질이 떨어진 것을 게이트 속도를 바꾸어 해결한 사례, 진공장치의 유지관리, 응고수축을 최소화시키기 위한 국부 스퀴즈 사용, 이형제 관리 등의 사례가 있다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)