고압 다이캐스팅의 동작방식

1. 고압 다이캐스팅이란 무엇입니까?

고압 다이캐스팅은 다른 다이캐스팅 공정에 비해 속도와 재료 낭비가 적기 때문에 많은 제조업체에서 고려하는 공정입니다.  고압 다이캐스팅(HPDC - High pressure die casting)은 다이캐스팅 공정이라고 부르는 압력 다이캐스팅 공정입니다.

 

제조 공정은 알루미늄 및 아연과 같은 용융 금속을 고압에서 사전 설계된 금형에 주입하는 데 함께 작동하는 구성 요소가 있는 다이캐스팅 기계를 사용합니다. 냉각시 응고가 발생하고 다이캐스팅 부품이 금형에서 제거되고 사이클이 계속됩니다.

 

다이캐스팅 기계의 구성 요소는 주입 시스템(즉, 저온 또는 고온 챔버)에 따라 다릅니다. 그럼에도 불구하고 두 유형의 기계 모두 기능과 함께 아래에 소개된 거의 동일한 구성 요소를 사용합니다.

 

 

1) 다이 캐스트 금형

금형은 CNC 가공을 사용하여 녹는 점이 높기 때문에 강철과 같은 재료를 사용하여 만들어지며 용융 금속이 주입되는 곳입니다. 그것은 원하는 제품을 따라 디자인 모델을 가지고 있으며 두 부분으로 나뉘며, 하나는 움직일 수 있고 다른 하나는 다이캐스팅 기계에 고정되어 있습니다. 사출 과정에서 기계는 용융 금속의 유출을 방지하기 위해 양쪽 반쪽을 함께 클램프합니다.

 

2) 이젝터 핀

이젝터 핀은 대부분 다이캐스트 금형의 이동식 절반에 있습니다. 그들은 주물이 응고된 후 부품을 배출하는 기능을 합니다.

 

3) 피스톤

피스톤은 액체 금속을 다이 캐스트 금형에 주입하기 위한 압력을 생성하는 기능을 합니다. 반자동, 수동 또는 다이캐스팅 기계의 정교함에 따라 자동화될 수 있습니다.

 

4) 가열 구성 요소

가열 구성 요소는 용융 금속의 온도를 저장하고 유지하는 기능을 합니다. 여기에는 발열체, 열전대 및 블로우 챔버가 포함됩니다. 뜨거운 챔버 다이캐스팅 기계에서만 발견됩니다.

 

5) 라이저 튜브

이 구성 요소는 용융 금속이 다이캐스트 금형으로 들어가는 통로 역할을 합니다.

 

 

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2. 고압 다이캐스팅의 종류 

고압 다이캐스팅에는 기계의 분사 시스템 방법에 따라 콜드 챔버와 핫 챔버의 두 가지 유형이 있습니다.

 

1) 핫 챔버 주입 시스템

핫 챔버 다이캐스팅은 마그네슘, 알루미늄 및 납과 같은 재료에 적합합니다. 사출 시스템에서 용융 공정은 금형에 사출되기 전에 기계에서 이루어집니다.

 

 

 

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2) 콜드 챔버 주입

콜드 챔버 다이캐스팅에서 용융은 금형에 주입되기 전에 금속 국자를 사용하여 블로우 챔버에 붓기 전에 다이캐스팅 기계 외부에서 발생합니다. 콜드 챔버 다이캐스팅 시스템은 알루미늄과 같이 녹는점이 높은 재료에 적합합니다.

 

두 가지 유형의 고압 다이캐스팅 간의 차이점에 대한 요약은 다음과 같습니다.

• 고온 챔버 주입 시스템은 기계 외부의 금속을 녹이는 추가 단계가 없기 때문에 더 빠릅니다
• 콜드 챔버는 핫 챔버 (1,000 – 5,000 PSI)보다 더 많은 압력 (1500 - 25000 psi)을 사용합니다
• 핫 챔버는 수평 주입 공정을 사용하는 반면 콜드 챔버 시스템은 수평 또는 수직 주입을 모두 사용합니다
• 핫 챔버 주입 시스템은 기계의 크기 때문에 작고 복잡한 부품에 더 적합합니다.

 

 

 

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3. 고압 다이캐스팅 공정의 동작방식

다이캐스팅 모델은 네 가지 주요 프로세스로 구성됩니다. 

 

1) 금형 설계 및 준비

금형은 필요한 엄격한 공차, 정확성 및 정밀도를 달성할 수 있으므로 CNC 가공을 사용하여 제조됩니다. 그 후, 작업자는 최종 부품의 품질에 영향을 줄 수 있는 불순물을 제거하기 위해 금형을 청소합니다. 또한 금형의 내부 벽에 윤활유를 발라 온도를 조절하고 제품 배출을 개선해야 합니다.

 

2) 용융 금속 준비 및 주입

이전에 핫 챔버 대 콜드 챔버 주입 시스템에서 설명한 대로 다이캐스팅 기계의 주입 시스템에 따라 다릅니다. 콜드 챔버 주입 시스템의 경우 기계 외부에서 용융 금속 수프를 준비해야 합니다. 그 후, 주입 시스템을 기반으로 주입이 이루어집니다.

 

3) 냉각 및 응고

용융 금속은 냉각되고 응고됩니다. 그 후, 응고된 다이캐스팅 부품은 이젝터 핀을 사용하여 금형 캐비티에서 분리됩니다.

 

4) 포스트 캐스팅 공정

다이캐스팅 부품은 또한 부품에서 발견된 추가 재료를 제거하기 위해 트리밍과 같은 여러 주조 후 절차를 거칩니다. 트리밍은 일반적으로 트림 다이와 톱을 사용하여 발생합니다. 또한 부품의 추가 재료는 재사용 및 재활용이 가능하여 비용 효율적입니다.

 

 

 

 

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4. 고압 다이캐스팅의 재료

HPDC는 제조 세계에서 가장 일반적인 유형의 다이캐스팅 공정이며 가장 일반적인 재료는 알루미늄, 아연 및 마그네슘입니다. 각각에는 아래에 소개된 속성이 있으며 HPDC를 고수해야 하는지 아니면 다른 속성을 사용해야 하는지 알 수 있습니다.

 

1) 알루미늄

알루미늄은 자동차 및 항공 우주와 같은 부품 제조 산업에서 가장 다재다능한 다이캐스팅 재료입니다. 알루미늄 다이캐스팅 공정은 고품질 다이캐스팅 부품을 만들 때 높은 강도 대 중량 비율, 내식성, 내열성 및 우수한 용융 흐름과 같은 특성으로 인해 인기가 있습니다.

 

다이캐스팅 공정에 사용되는 여러 알루미늄 합금이 있으며 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 아래 표는 합금, 원소 조성, 특성, 산업 및 다이캐스팅 부품에 대한 요약을 보여줍니다.

 

합금	원소 구성	속성
ADC1	알루미늄, 규소(11-13%), 철(0.9최대), 구리(1.0최대), 망간(0.3최대), 마그네슘(0.3최대), 니켈, 아연, 주석(미량)	낮은 인장 강도 및 항복 강도, 내식성, 치수 안정성 및 가공성,
ADC3(A360)	알루미늄, 규소(9.0-11.0), 철(0.9Max), 구리(0.6Max), 망간(0.3Max), 마그네슘(0.4 – 0.6) 및 니켈, 아연 및 주석(미량)	높은 항복 강도, 내식성, 치수 안정성 및 가공성
ADC6	알루미늄, 규소(1.00%), 철(최대 1.10%), 구리(최대 0.2%), 망간(0.4-0.6%), 마그네슘(2.6-4.0%), 니켈, 아연 및 주석(미량)	내식성, 치수 안정성 및 가공성
ADC10	알루미늄, 규소 (7.5-9.5 %), 철 (최대 0.9 %), 구리 (2.0 – 4.0 %), 망간 (최대 0.5 %), 마그네슘 (최대 0.3 %), 니켈, 아연 및 주석 (미량)	고강도, 내식성, 치수 안정성 및 가공성
ADC12	알루미늄, 규소(9.6-12%), 철(최대 0.9), 구리(1.5-3.5%), 망간(최대 0.5%), 마그네슘(최대 0.3%), 니켈, 아연 및 주석(미량)	높은 인장 강도, 항복 강도 및 더 나은 유동성

 

다이캐스팅 공정과 호환되는 다른 알루미늄 합금에는 B390, AC43500 및 A413이 있습니다. 올바른 알루미늄 재료를 선택하는 것은 특정 요구 사항에 따라 다릅니다. 많은 다이캐스팅 제조업체는 비용 효율성, 우수한 기계적 특성 및 치수 안정성으로 인해 ADC12를 사용합니다.

 

2) 마그네슘 합금

마그네슘은 가볍고(알루미늄보다 가볍습니다) 가공성으로 인해 다이캐스팅 서비스에서 인기가 있습니다. 재료는 녹는 점이 낮기 때문에 핫 챔버 다이캐스팅 공정을 사용하여 다이캐스팅됩니다. 일반적인 마그네슘 다이캐스팅 합금은 다음과 같습니다.

 

합금	원소 구성	속성
AZ91D	마그네슘(90%), 알루미늄(8.3 – 9.7%), 아연(0.35 – 1%), 망간(≥ 0.13%), 규소(≤ 0.10%)		높은 강도 대 중량 비율, 우수한 내식성, 우수한 주조성
AM60	알루미늄, (5.5-6.5%), 망간(0.24-0.6%), 아연(0.22%), 규소(0.1%), 마그네슘(기타). 또한 철과 구리와 같은 다른 미량 원소도 포함되어 있습니다.		균형 잡힌 강도와 연성. 좋은 castability 및 weldability의 내식성,
AS41B	마그네슘(94.6%), 알루미늄(3.5-5%), 실리콘(0.5-1.5%), 망간(≥0.35%) 및 기타 미량 원소		우수한 주조성과 유동성, 복잡하고 얇은 벽 주물, 내식성
AE42	마그네슘(93.4%), 알루미늄(4%), 희토류(2.5%), 망간(≥ 0.10%)		크리프 저항, 고성능

 

3) 아연 합금

 

아연 합금은 냉간 및 고온 챔버 다이캐스팅 공정과 호환됩니다. 강력한 다이캐스팅 부품을 만드는 데 적합한 강하고 내구성이 뛰어나며 기계 가공이 가능한 재료입니다. 일반적인 아연 다이캐스팅 합금은 아래 표에 나와 있습니다.

 

합금	원소 구성	속성
Zamak2	염기 아연, 알루미늄 (3.8-4.2 %), 구리 (2.7-3.3 %), 마그네슘 (0.035-0.06 %),   철 (0.02 %) 및 미량의 실리콘, 납, 카드뮴, 주석 및 니켈과 같은 원소.		고강도, 경도, 우수한 주조성 및 크리프 저항.
Zamak3	96% 아연, 4% 알루미늄.		고강도, 우수한 캐스터빌리티 및 치수 안정성.
Zamak5	염기: 아연, 알루미늄(3.8-4.2%), 구리(2.7-3.3%), 마그네슘(0.035-0.06%), 철(0.02%)		우수한 주조성과 유동성, 복잡하고 얇은 벽 주물, 내식성

 

다이캐스팅 공정과 호환되는 다른 금속은 납, 구리 및 주석 합금입니다.

 

 

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5. 고압 다이캐스팅의 장점

여러 산업 분야에서 고압 다이캐스팅 공정의 광범위한 적용은 다음과 같은 몇 가지 장점 때문입니다.

1) 품질 주물

이 공정을 사용하여 만든 주물은 정확하고 균일합니다. 그들은 강하고 표면 마감이 좋기 때문에 기계 가공과 같은 추가 표면 후 마감 공정이 거의 필요하지 않습니다.

 

2) 높은 생산 속도

고압 다이캐스팅은 용융 금속의 압력과 높은 유속으로 인해 높은 생산 속도를 가지고 있습니다. 저압 및 중력 다이캐스팅과 같은 다른 다이캐스팅 공정보다 빠르기 때문에 대량 제조에서 최고의 선택입니다.

 

3) 얇은 벽 제품

다이캐스팅 공정은 벽 두께가 1.5mm – 12mm인 부품을 만드는 데 적합합니다. 또한 인서트(또는 코캐스트 부품)를 추가할 수 있어 부품 조립 중 부품 수를 줄일 수 있습니다.

 

4) 복잡한 설계 달성

금형 설계에는 높은 유연성이 있어 고압 다이캐스팅은 복잡한 설계의 제품에 적합합니다. 그 외에도 금형은 치수 정확도를 높이는 CNC 가공을 사용하여 만들어집니다.

 

5) 내구성 있는 다이

HPDC에 사용되는 다이캐스트 금형은 내구성이 뛰어나 여러 생산 주기에서 유용합니다. 그들의 내구성 때문에, 단가 당 거푸집 주물에 있는 감소가 있습니다.

 

 

 

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6. 고압 다이캐스팅의 단점

HPDC는 또한 고려하지 않을 경우 생산 공정에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 단점이 있습니다. 

 

1) 공기 포집

다이캐스팅 공정과 관련된 높은 압력은 사출 과정에서 공기 갇힘으로 이어질 수 있습니다. 이는 열처리 중에 다공성과 표면 물집을 더욱 유발할 수 있습니다. 결과적으로 고압 주조는 에어 포켓이 없어야 하는 제품에는 적합하지 않습니다. 더 나은 해결책은 저압 다이캐스팅으로 전환하는 것입니다.

 

2) 초기 시작 비용

개인용 고압 다이캐스팅 기계를 설치하려는 기업은 높은 초기 시작 비용에 주의해야 합니다. 기계는 비용이 많이 들고 금형 비용이 매우 높을 수 있습니다. 또한 다이 캐스트 금형은 복잡성과 발생하는 단위당 비용으로 인해 제작 비용이 매우 비쌀 수 있습니다. 이 막대한 투자는 많은 기업이 다이캐스팅 서비스 사용을 고려하는 이유입니다.

 

3) 높은 스크랩 비율

높은 스크랩 비율은 온도 및 압력과 같은 제어되지 않은 변수와 금속 흐름의 불일치로 인해 발생할 수 있습니다. 이는 부품 품질에 영향을 미치고 스크랩과 폐기물로 이어질 수 있습니다. 결과적으로 효율성이 저하되고 추가 원료가 필요하기 때문에 생산 비용이 높아집니다.

 

7. 고압 다이캐스팅과 저압 다이캐스팅의 차이점

고압 다이캐스팅이 부품에 적합하지 않은 경우 많은 다이캐스팅 서비스는 저압 다이캐스팅 공정을 사용하는 것을 권장합니다.

 

1) 사출 압력

고압과 저압 다이캐스팅의 주요 차이점은 압력입니다. 저압 주조는 약 0.08MPa에서 발생하며 0.15MPa에 도달할 수 있습니다. 반면에 다른 하나는 수백 MPa에서 발생합니다. 사출 압력과 유속의 차이는 LPDC의 낮은 생산 속도에 기여합니다.

 

2) 액체 금속의 유량

압력이 낮기 때문에 저압 다이캐스팅에서 액체 금속의 유속은 매끄럽고 150mm/s의 속도에 도달할 수 있습니다. 반면에 후자와 관련된 고압은 불안정하며 60m/s에서 120m/s의 속도에 도달할 수 있습니다. 또한 압력과 유속이 낮기 때문에 저압 주조에서 공기 포착을 줄입니다.

 

3) 금형 캐비티 재료

LPDC의 금형 캐비티에 필요한 재료는 금속 또는 모래일 수 있습니다. 그러나 HPDC에서 금형은 금속 다이만 사용하여 만들어집니다. 또한 LDPC를 사용하면 복잡한 디자인의 대형 또는 중형 주조 부품을 만들 수 있는 반면 HPDC는 중소형 주조용만 만들 수 있습니다.

 

4) 포스트 캐스팅 공정

저압 주물은 HPDC 부품과 달리 열처리가 가능합니다. 또한, 주물은 HDPC 부품보다 열등한 매끄러운 표면을 가지고 있습니다.

 

5) 비용 효율성

LDPC는 운영 비용이 낮아 소량 생산에 적합합니다. 반면에 고압 주조는 대량 주문 생산에 더 적합합니다

 

 

 

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8. 고압 다이캐스팅 공정의 응용

1) 자동차 산업

HPDC는 엔진 블록 및 기어박스 케이싱과 같은 구조용 자동차 부품을 만드는 데 적용할 수 있습니다. 자동차 산업에서 인기가 있는 것은 복잡한 설계와 광범위한 재료 호환성을 가진 부품을 만들 수 있는 능력 때문입니다.

 

2) 의료 산업

HPDC는 대량 생산 이미징 장비 및 주입 펌프를 포함하여 금속으로 만든 의료 부품을 만드는 데 적용할 수 있습니다. 높은 생산성, 재료 호환성 및 복잡한 설계 지원으로 인해 더 나은 프로세스가 됩니다.

 

3) 항공우주 산업

항공 우주 산업의 HPDC는 엔진 부품 제조에 사용됩니다. 항공 우주 산업은 아연, 마그네슘 및 알루미늄과 같은 특성으로 인해 재료로 작업하며 고압 다이캐스팅이 호환됩니다.