다이캐스팅의 개요와 공법

 다이캐스팅의 개요와 공법

국내의 다이캐스팅 공정기술은 최근에 급신장세를 보이고 있으나 중소기업형으로서 영세한 규모이기 때문에 기술개발 수준이 답보상태에 있는 실정이다. 향후 경량 주물재료의 특성과 주조품에 맞는 주조설계, 형상검토 및 FDM/FEM 해석(응고 및 유동 해석)을 통해 최적의 주조조건을 확보하여 수축결함, 기공, 산화물 혼입, 편석 등의 주조결함을 사전에 예측하는 기술개발이 절실히 요구된다.

박상봉 교수(동의공업대학 금형설계과/공학박사)
서영호 교수(동의공업대학 금형설계과/공학박사)

연재순서

1.	다이캐스팅의 개요와 공법
2.	다이캐스팅 성형재료
3.	성형가공특성
4.	다이캐스팅 금형설계 I, II, III, IV
5.	다이캐스팅 금형가공 I, II, III
6.	다이캐스팅 주조공정 I, II, III
7.	다이캐스팅 성형기와 주변기기 I, I
8.	제품설계 I, II
9.	성형불량 원인과 대책 I, II
10.	공정설계 I, II, III
11	응고 및 유동 해석 I, II

 

연재를 시작하며

국내 다이캐스팅업계에서는 특수다이캐스팅 기계를 일부 업체에서만 보유하고 있는 실정이며 대부분은 기존의 고속, 고압 다이캐스팅에 의존하고 있어 기밀성 및 내압성이 요구되는 고급의 기능소재부품 개발은 불가능한 실정이다. 또한 특수다이캐스팅을 하고 있는 업체에서도 금형제작기술의 낙후로 충분한 활용을 못하고 있다.
본 연재를 통해서 다이캐스팅에 대한 금형설계, 금형제작, 주조공정 및 공정설계에 대한 내용을 중점적으로 다루고자 한다.

다이캐스팅 개요

다이캐스팅법(pressure die casting)은 10∼200㎫의 고압으로 금형에 용탕을 주입·응고시키는 주조법이다.
금형비용이 높기 때문에 소량생산에는 적합하지 않지만 높은 생산성, 높은 치수정밀도, 미려한 주조표면, 두께가 얇은 주물품을 얻을 수 있는 등의 이점이 있어서 많은 종류의 자동차부품에서부터 전기부품·일용품에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다.
다만 금형의 수명문제 때문에 알루미늄합금, 아연합금, 황동 등 저융점합금의 양산품에 적용이 용이하다.
또한 보통의 다이캐스팅법에서는 다음과 같은 결점이 있다.
먼저 공기가 함입되어 내압성을 저하시키고, 열처리가 곤란하며, 두꺼운 부분에 수축결함이 발생하기 쉬운 점을 들 수 있다. 그러나 이러한 결점을 줄인 특수한 다이캐스팅법도 있다.

1. 다이캐스팅의 분류

다이캐스팅에서는 가압력 10㎏f/㎠ 이하를 저압주조법, 10∼500㎏f/㎠을 중압, 500㎏f/㎠ 이상을 고압으로 분류하고 충전속도는 0.05∼1.5m/sec를 저속, 10∼60m/sec를 고속으로 분류한다. 제품의 두께 및 형상과 요구품질에 따라서 적절한 다이캐스팅공법을 선택하여야 하는데 그 일반적인 선택방법은 <표 1>과 같다.

<표 1> 제품형상과 요구품질에 의한 다이캐스팅공법의 선택

	형상과 요구 품질	다이캐스팅의 공법	비고
1	박육일반 부품  (두께 2㎜∼10㎜)	일반다이캐스팅
2	박육 강도 부품   (두께 2㎜∼10㎜)	PF 다이캐스팅	열처리 가능
3	박육 기밀 부 품(두께 2㎜∼10㎜)	일반다이캐스팅(+국부스퀴즈)
4	초박육 부품   (두께 0.8㎜∼2㎜)	진공다이캐스팅(GF법 등)
5	대물 복잡형상 부품    실린더 블록(AT미션 등)	진공다이캐스팅(GF법 등)	열처리 가능 AC계 재료 사용 가능
6	후육 기밀 부품	스퀴즈캐스팅(VSC, HVSC, HSC 등)	AC계 재료 사용 가능
7	후육 기밀 부품	스퀴즈캐스팅(+국부스퀴즈)	AC계 재료 사용 가능
8	언더커트 부품	일반다이캐스팅+붕괴성중자 PF다이캐스팅, 스퀴즈캐스팅	용접 가능

2. 다이캐스팅의 공정흐름도 및 생산성

다이캐스팅은 수주에서부터 금형설계 및 금형제작, 용해, 주조, 후처리, 출하 등의 공정으로 구성된다. 주조공정은 <그림 1>과 같이 금형 청소에서 주물 추출까지의 1사이클로 이루어지며 1사이클의 소요시간은 주물의 크기에 따라서 다르나, 4초∼120초 정도이다. 따라서 1시간에 1대의 기계로 30∼1,000개의 주물을 얻을 수 있는 높은 생산성을 자랑한다.

 <그림 1> 다이캐스팅 공정도

3. 일반 다이캐스팅의 취약점

다이캐스팅은 고생산성을 자랑하나 종래의 일반 다이캐스팅방법에서는 내부함유 가스량 과다로 인한 내압성 결여, 파단칠층으로 인한 표면불량, 내부수축공으로 인한 강도 및 기밀성 저하, 언더컷처리 곤란 등의 취약점을 안고 있다. 특히 미려한 표면이 요구되는 제품에서 표면가공 후 육안으로 관찰되는 기포는 제거하기가 용이하지 않으며, 내기밀성이 요구되는 부품에서도 불량의 대부분은 기포결함이 차지한다.
고속고압에서 주입된 용탕은 슬리브(sleeve)와 캐버티 내에서 난류로 되어 공기를 혼입하게 된다. 가스량은 진공용융추출법에 의하면 20∼30cc/100g.Al의 값이 측정되어 있고 이것들은 균일하게 분포해 있는게 아니라 <그림 2>와 같이 오버 플로(over flow)와 비스킷(biscuit)부에 편재해 있다. 탕구속도가 60m/sec 이상, 슬리브충전율이 낮을수록 함유량은 급증하여 질소가스 비율이 높아지고 유성 이형제의 사용에 따라 H2, CO2 가스가 급증한다.
이상의 결과에서 다이캐스트에서 가스함유량을 10cc/100g.Al 이하로 하는 것이 목표이고 이 값이 열처리(용체화처리) 가능여부의 경계이다.
 

<그림 2> 다이캐스트의 함유 가스

<그림 3> 두께에 따른 기계적 성질(ADC12)

4. 다이캐스팅의 기계적 성질

다이캐스팅은 고속·고압에서 용탕을 금형으로 주입하는 주조조건이기 때문에 시험편의 단순한 형상과 복잡한 실제 물건과는 큰 차이가 생긴다. 즉 ADC12 합금을 사용하여 ASTM형 시험편에 의한 값을 구한 결과와 수십 종류의 다이캐스팅 양산품에서 잘라낸 시험편의 실측치를 <표 2>에 나타낸다.
일본 다이캐스팅협회에서 실제품의 강도에 가까운 값이 얻어지는 시험편을 개발하였는데 그것은 직경 100㎜, 폭 20㎜, 두께 4㎜의 링(ring)상으로 특별한 치구에 의해 인장과 압축강도를 구한 것이다. 다이캐스팅의 강도는 링시험편에 의한 값이 규격화될 가능성이 있다.
판의 두께가 2, 4, 6, 10㎜의 JIS 6호 시험편을 금형에서 다이캐스팅한 결과 <그림 3>과 같이 판두께의 증가와 함께 인장강도는 2㎜를 기준으로 할 때 10㎜에서는 20% 저하하고, 질량효과의 영향이 현저하다. 또 강도뿐 아니라 비중, 열팽창계수, 탄성계수 등도 2차 곡선적인 변화를 한다.

<표 2> ASTM시편과 제품시험편의 강도비교(ADC12)

	인장강도[㎏f/㎟]	0.2%내력[㎏f/㎟]	연신율[%]
ASTM참고치	33.6	16.8	2.5
ASTM시험편의 실측치	32.6	18.7	1.9
제품 실측치	25.8	15.1	2.3

5. 주조기의 사출방식

<그림 4> 충격압 유무에 의한 주물 지느러미(flash) 발생 상태

고속사출을 할 때 충전완료시에 급정지한 피스톤이 갖고 있던 운동에너지에 의해 주조압력의 1.5∼2.0배의 충격압이 발생한다. 충격압의 발생방지를 위해 특수한 실린더를 이용하여 완료 직전에 기계적 장치에 의한 수밀리 초의 단시간으로 감속하는 방식으로 주조압력의 상승시간을 제어한다. <그림 4>는 종래의 사출조건으로 주조했을 때 다이캐스팅의 주물 지느러미 결함발생 유무에 대해 비교하여 나타내었다.

다이캐스팅 공법

자동차산업의 발달과 더불어 다이캐스팅산업은 발전하여 왔는데, 일본의 경우 1960년을 기점으로 자동차 생산 대수의 증가에 따라서 다이캐스팅 생산량이 급격한 증가를 보이고 있으며, 이에 따라 신 다이캐스팅 공법의 개발도 활발하게 이루어지고 있다.

1. 열가압실기와 냉가압실기

다이캐스팅기계는 열가압실 다이캐스팅기(hot chamber die casting machine)와 냉가압실 다이캐스팅기(cold chamber die casting machine)로 크게 구분된다.
열가압실기는 아연합금, 마그네슘합금 등 저융점합금에 적용되며 용탕사출을 위하여 가압실이 용탕중에 잠겨져 있다(<그림 5> 참조). 가압실의 내구성에 따라 적용합금이 제한될 수 있다.
냉가압실기는 <그림 6>에서 보듯이 일정량의 용탕을 爐로부터 떠내어 사출 슬리브에 넣고 플런저로 주형공 틈새부로 주입하는 것이다. 이 냉가압실기에는 수평형<그림 7>과 수직형<그림 8>이 있다.
수평식은 기계의 높이가 낮고, 구조도 간단하여 고장도 작지만, 사출시에 공기가 함입될 가능성이 높다. 또한 용탕과 대기, 슬리브와의 접촉면적이 넓어서, 산화피막과 응고층이 생성되어 제품 속으로 들어가게 되면 강도를 저하시킬 우려가 있다.
그러므로 사출시에는 우선 저속으로 플런저를 이동시켜서 슬리브 내의 공기를 내보내어, 슬리브가 용탕으로 채워지도록 한 후 고속으로 주입하는 것이 보통이다.
수직식에서는 용탕과 대기, 슬리브의 접촉면적이 작아서, 탕온 저하 및 공기의 함입이 적어서 얇은 표면성상의 양호한 제품을 얻을 수 있다. 한편 기구가 복잡하여 보수비용은 높으며, 특수한 용도로 이용한다.
다이캐스팅 머신의 크기는 금형의 체결력으로 표시하며 냉가압실기에서는 20∼3300t, 열가압실기에서는 40∼600t이 많다. 또한 가압력은 통상 냉가압실기에서 알루미늄합금의 경우 30∼100㎫(70㎫ 정도가 많음), 열가압실기에서 10∼35㎫이다.
 

<그림 5> 열가압실기(Hot chamber die casting machine)
<그림 6> 다이캐스트용 자동주탕장치

<그림 7> 수평형 냉가압실기(cold chamber die casting machine)의 예

 

<그림 8> 수직형 스퀴즈주조기의 예

2. 진공 다이캐스팅법, 무공성 다이 캐스팅법  

진공 다이캐스팅법은 다양한 방법이 개발되어 실용화되어 왔는데, 이중 한 방법인 GF(Gas Free)법의 개요는 <그림 9>와 같다. <그림 9>는 용탕의 관성력을 이용하여 벤트를 폐쇄하고 용탕의 유출을 방지한 진공 다이캐스팅법(vacuum die casting)의 원리를 보이고 있다.
금형 내의 공기는 체크 밸브(check valve)를 통하여 대기중에 개방되고, 이 상태에서 주탕 플런저가 전진, 전자밸브를 절환시켜 진공 흡인한다. 일반적으로 금형은 0.2∼0.3초만에 150∼250torr의 감압도를 갖게 되고 이 시점에서 고속 사출하여 용탕을 금형 내에 충전시키고, 15∼40m/sec의 속도를 가진 용탕의 관성력에 의해 밸브가 닫히고 충전이 완료된다. 이 방법에 의해 제조된 제품은 보통법에 비해 매우 우수한 품질수준을 나타내었다. 용탕의 관성력을 이용하여 밸브를 닫는 자동에어벤트밸브를 특징으로 한다. 진공흡인시간과 진공도달시간이 짧아 진공효과가 큰 반면, 밸브막힘 등의 문제가 발생한다.

<그림 9> 용탕관성에 따른 밸브개폐를 이용한 진공 다이캐스트법의 원리

일본 宇部興産(株)에서는 용탕의 슬리브 충전도가 60%에서 진공도가 10-2∼10-1torr을 유지한 탱크의 밸브를 열어 0.2∼0.3초의 짧은 시간에 캐버티 내 진공도를 15torr로 뽑아주는 장치가 개발되어 효과를 보고 있다. 이 방법의 특징은 온도나 거리에 의해 밸브가 닫혀지지 않고, 알루미늄 용탕이 센서에 닿는 순간 닫혀지기 때문에 캐버티 내 가스를 최대한 배출시키므로 기포결함을 최소화시킬 수가 있는 것이 장점이다. 반면 용탕이 센서에 닿게 되므로 고장날 염려가 있다.
캐버티 내에 공기를 없애는 유일한 방법은, 무공성 다이캐스팅법(pore free die casting;PF법)이 있다. 산소를 이용하므로 산소 다이캐스팅법이라고도 불린다.
미국의 ILZRO(International Lead Zinc Research Organization Inc.)와 日本輕金屬(株)가 1968년에 공동 개발했다.

<그림 10> 무공성 다이캐스트법(PF법)의 원리도

그 원리는 <그림 10>에 나타낸 바와 같이 산소와 같은 활성가스를 금형 캐버티에 주입하여 공기와 치환시키고, 주입된 용탕이 산소와 반응을 일으켜 순간적으로 발생된 진공상태의 캐버티 내로 용탕을 충전시켜 제조하는 방법이다. 이때 Al 혹은 Mg 등의 용탕과 O2의 반응은 0.3초 이내로 완료시켜야 하며, 형성된 Al2O3, MgO 등의 산화피막은 주물중에 고용되지만 극히 미립(1㎛ 이하), 미량으로 기계적 성질에는 거의 영향이 없다고 보고되고 있다.

PF법의 특징은 가스함유량이 3cc/100g.Al 이하로 금형주조제품과 동수준으로 용체화처리가 가능하여, Mg 0.3%를 첨가한 ADC12 합금의 경우 T6, T7 처리로 강성과 신율 등의 기계적 성질의 개선효과가 크다. 또한 이형제나 윤활제가 용탕과 접촉하여 발생하는 가스를 방지하기 위하여 개체윤활에서도 작동하는 슬리브, 칩(chip) 시스템을 채용하고 있다.

보통 다이캐스팅법과의 차이는 <표 3>과 같다. 이 방법으로 생산되는 제품은 주로 자동차 휠 제품이며 그밖에 암(arm), 펌프 기화기, 파워 스티어링(power stearing), 기어 하우징(gear housing), 자동차 쿨러(cooler)용 실린더 등이다.

<표 3> PF법과 보통 다이캐스팅법의 비교

구분	비중	가스함유량(cc/100g Al)
PF 다이캐스팅	2.673∼2.675	1∼3
보통 다이캐스팅	2.529∼2.590	10∼50

 

3. 스퀴즈주조법, 저속저압 다이캐스팅법

스퀴즈주조법(squeeze casting)은 용탕단조법(forging cast process)이라고 부르며, 용탕에 50∼200㎫의 고압을 가한 상태에서 응고시키는 방법이다. 다이캐스팅법도 용탕주입시에는 고압이 가하여지지만, 응고 도중에는 충분히 가압되지 않는다.
스퀴즈주조법에는 다음과 같은 이점이 있다.
① 응고층과 금형이 밀착하기 때문에, 냉각속도가 빨라 응고조직이 미세화될 수 있다.
② 미세한 포로시티(porosity)가 생성된다.
③ 섬유상 혹은 분말상의 충전물이 있을 때 용탕이 충전물 속으로 침입할 수 있다.

한편 다음과 같은 결점이 있다.

① 금형수명이 짧다.
② 가압력이 주물 전체에 작용하는 형상 및 기구의 고안이 필요하다.
③ 조대한 편석이 생성될 수 있다.
<그림 8>은, 스퀴즈 주조기의 예를 보인 것이며, 가압이 보다 유효하게 작용하는 모양의 구조로 되어 있다. 플런저 팁을 상승시켜, 슬리브의 용탕을 40∼80㎜/s와 같은 저속(통상 다이캐스팅법에서는 30∼50m/s)으로 캐버티 내에 주입한다. 주입 후 85∼100㎫의 가압을 행한다. 알루미늄 호일 등의 생산이 행해질 수 있지만, 중력주조법과 비교해서 연신율과 샤르피충격력은 5배 이상으로 되며, 강도의 불균일이 적은 제품을 얻을 수 있다.
경전식 스퀴즈다이캐스트법은 1976년 일본 宇部興産(株)에 의해 개발되어 현재에 이르고 있다.
경전식 스퀴즈다이캐스트법은 금속 슬리브(metal sleeve)를 포함한 사출부를 경사지게 하여 주조기의 외부로부터 와류의 발생이 없도록 용탕을 주탕(宇部특허)하고, 초저속충전 및 고가압으로 성형하는 지향성 충전에 지향성 응고를 핵심 메커니즘으로 한다.

기존의 일반 다이캐스트법과 근본적으로 다른 점은 초저속충전(0.2m/s)으로 가스의 흡입을 없애고, 수직형 슬리브(sleeve) 주탕방식을 채용하여 용탕의 보온성을 유지시켜줌으로써 응고편의 발생, 흡입을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 게이트면적이 일반 다이캐스트법에 비해 약 30∼50배 정도로 제품부가 응고 완료될 때까지 가압되어 수축에 대한 용탕보충이 행해져 주조결함의 대폭 개선이 가능하다.
그러나 장비가 고가이고, 생산성이 떨어지며 후처리 공수가 과다하게 요구되는 단점이 있다.
VSC(vertical shot squeeze casting), HVSC(horizontal die clamping vertical shot squeeze casting) 등과 같은 스퀴즈 캐스팅한 제품의 가스함유량이 2∼4cc/100g.Al으로 종래 다이캐스팅뿐 아니라 사형주조, 저압주조보다 월등히 우수함을 알 수 있다.

<그림 11>은 FRM(fiber reinforced metal, 섬유강화금속)의 제조에 이용한 예이다. A부에 예비 성형된 섬유(preform)를 눌러서, 용탕주입구로부터 주입된 용탕을 플런저 팁으로 제품부를 가압(120∼200㎫) 주입하여, 섬유 사이로 용탕을 함침시킨다.(게이트부의 용탕유속은 150∼200㎜/s)
이밖에 금형온도 제어, 구조 및 금형을 고안하여 용탕주입 속도(gate부)를 150∼200㎜/s, 가압력을 25㎫ 정도로 한 저속·저압 다이캐스팅법이 있다.

 

<그림 11> FRM 제품제작용 가압기구의 예

Al용탕의 층류한계 1.5∼1.6m/sec로 알려져 있기 때문에 종래 20∼60m/sec의 탕구속도를 1/30 이하의 저속으로 하고 더구나 형 내의 충전시간을 종래의 0.1초 전후에서 0.3∼0.6초로 길게 하는 조건을 설정하였다. 이 때문에 탕구 단면적을 약 4배로 넓혔다.

 

이러한 저속충전 다이캐스팅의 대표적인 것이 아큐라드(Acurad)법으로서 사출플런저는 외부 플런저와 내부 플런저로 구성되어 있어 응고하는 단계에서 잔류하고 있는 용탕을 응고 수축부로 제 2단계로 저속가압하는 방식이기 때문에 금형캐버티에 용탕이 충전되어 금형벽에서부터 응고가 된다. 이때 내부 플런저를 다시 전진하여 잔류하고 있는 용탕에 압력을 가하여 수축공에 용탕을 주입하게 됨으로써 수축공을 없애는 효과를 주고 있다.
저속충전으로 만든 제품은 열처리가 가능하며 동일한 재료를 중력 주조한 제품보다 조직이

 미세하고 굽힘강도, 경도 등이 우수하다. 그 일례로서 ADC10합금을 사용한 실린더 블록(단중 6.2㎏, 사용주조기 1,200톤)은 탕구속도 2m/sec 이상, 충전시간 0.8초 이하이면 표면결함(blister)이 발생하였다.

4. 국부가압법

제품형상에 의해 포로시티의 발생이 쉬운 후육부의 품질을 개선하기 위한 공법으로 1984년경부터 일본京都다이캐스트(株), TOYOTA, HONDA, 日本電裝, 日本輕金屬(株) 등에서 각기 개발되어 보고되고 있다.

국부적으로 두꺼운 부위가 있는 다이캐스팅 주물에서는 통상의 방법으로는 가압경로 중간의 얇은 부위가 먼저 응고하여 가압력이 전달되기 어려운 두꺼운 부위에 수축결함이 나타나므로 이 부위를 용탕충전 완료 후에 국부적으로 가압하는 방법이다.
주조조건 등의 선택적 상황을 이용하여도 후육부는 1.5배 정도의 응고시간이 소요되므로 후육부의 수축공 등의 주조결함 발생은 필연적이라 할 수 있다.

이같은 문제점의 개선책으로는 수축공 발생이 쉬운 보스(boss)부나 후육부 등의 후가공되는 부위에 용탕충전 직후의 시간에 맞게 유압실린더 등에 의해 가압플런저를 압입하여, 용탕을 가압하여 줌으로써 수축공 등의 주조결함을 제어하는 방법이다.
가압효과를 높일 때에는 가압압력, 시간, 속도 등이 중요하며 적정조건 확립시 충분한 효과를 기대할 수 있지만, 제품에 혼입된 가스량의 근본적 제어는 어렵기 때문에 열처리는 불가능하다.

부분 스퀴즈 다이캐스팅기의 개요는 <그림 12>에 나타낸다. 이러한 방법은 자동차 에어컨 컴프레서의 실린더 블록에 적용할 수 있다.

<그림 12> 부분 스퀴즈 다이캐스팅 장치

5. 반고상주조법(Thixocasting;Semi Solid Casting)

반용융 다이캐스트법은 용탕에 전단응력을 주며 냉각시켜 반응고상태에서 주조하는 레오케스트(Rheocast)법<그림 13>과 교반 반용융상태의 것을 냉각시켜 빌릿(billet)으로 만든 다음 반응고상태까지 재가열하여 주조하는 딕소캐스트(Thixocast)법<그림 14>이 있다.
레오(Rheo)캐스팅법은 반용융상태의 금속을 교반하여 수지상(dendrite)조직을 파괴하여 고액혼합 슬러리상태로서 다이캐스팅하는 방법이다.

<그림 13> Reocast법 원리도
<그림 14> Thixocast법 원리도

1970년대 처음으로 제안된 방법으로 사출온도가 통상의 방법보다 100℃ 정도 낮고, 사출속도가 느리므로 주입중 가스의 혼입이 없으며, 주입시 이미 고상률이 60%를 넘으므로 수축공 결함이 적은 장점을 가지고 있어서 일부 자동차 부품(Fuel injection distributer, support bracket, brake master cylinder 등)의 생산에 이용되고 있다.
레오캐스팅의 응용으로서 슬러리에 비금속 입자와 섬유를 첨가하여 주조하는 콤포(compo)캐스팅도 보고되고 있다. 단 이 방법은 고액공존 영역이 넓은 합금에 적합하므로 ADC1, ADC12 등의 공정에 가까운 합금은 부적합하며, Al-Cu-Si계 다이캐스트용 Al합금에서는 ADC10이 적합하다.
 
6. 파라쇼트 시스템(Parashot system)

슬리브 내의 용탕이 저속으로 전진하기 시작할 때 용탕면 위에 주름이 생겨 공기가 휩쓸리기 쉽다. 파라쇼트 시스템은 저속-고압의 급격한 속도변화가 아니고 연속적으로 가속하면서 최후에 고속으로서 주조하는 방법이다. 이 때문에 공기는 탕구에서 배출하기 쉽고 또 지름이 작은 슬리브 사용에 의해 충전율을 높일 수 있다. 실제로 주조한 다이캐스팅은 밀도가 0.2% 상승하고 불량률도 저하하고 있으나 주조기의 기구가 다르므로 곧 적용은 할 수 없지만 서구에서는 차츰 보급하기 시작하고 있다.

7. 핫슬리브법

1984년 TOYOTA 중앙연구소에서 다이캐스트조직 내에 기계적 성질을 저하시키는 이상 조직의 층을 발견하고 조사 연구를 한 결과, 냉가압실 다이캐스트법의 금속 슬리브에 주탕된 용탕이 슬리브 표면에서 선행 응고하여 칠(chill)층의 응고편을 만들고 플런저사출에 의해 캐버티 내로 파단 분산되어 혼입한 파단 칠층임을 발견했다. 슬리브 내의 응고를 방지하기 위하여 슬리브를 가열하거나 열전도도가 나쁜 세라믹 슬리브를 사용하는 방법으로 슬리브 내의 온도를 550℃ 이상으로 유지하면 슬리브 내의 응고층이 생기지 않아서 파단칠층에 의한 결함을 방지할 수 있다.

8. 붕괴성중자 사용 다이캐스트법

진동이나 열에너지 등으로 분해 가능한 점결제로 이루어진 중자를 사용하여 제조하는 방법은 1971년 TOYOTA自動車(株)에 의해 식염에 α-Al2O3를 20% 첨가하여 950∼1,000℃에서 용융하여 중자 성형한 것이 특허로 되어 있으며, 1972년 TOSHIBA機械(株), 1986년에 (株)東京輕合金製作所에 의해 cold box법에 의해 성형한 중자의 특허기술 등 1990년에는 (株)RST 및 RYOBI(株)에 의해 shell중자와 금속중자를 이용한 기술이 특허로 개발되었다.
최근 일본의 根本金屬(株)에서는 plastic과 금형의 큰 열전달계수차(약 100배)에서 착안한 polycarbonate수지 등을 이용한 plastic중자가 개발되어 시제품 제조 및 개발을 확대해 나가고 있다.

9. Counter형 가압주조법

두께가 두꺼운 소형 부품에 유리한 공법으로 1983년 TOYOTA自動車(株)에서 개발하여 로커암(rocker arm), 피스톤 등을 주조하고 있다.
급탕 및 가압은 <그림 15>에 보인 바와 같이 금속 슬리브 내에 카운터 팁(counter tip)을 두고 그 위로 급탕하여 가압과 동시에 카운터 팁을 하강시켜 메탈 슬리브 내의 공기를 제거한 뒤 주조하도록 되어 있다.
이 방식의 특징은 저속충전과 안정된 용탕공급에 의해 공기제어 및 불순물, 산화물 등을 비스킷부에 포집시킬 수 있어 고품질을 얻을 수 있고, 주탕에서 가압 완료까지 3초 내외로 짧아 용탕온도 관리가 용이하여 소형부품의 양산법으로 주목된다.
그러나 상부 주탕식으로 주조장치의 소형화가 어렵고 사출가압 플런저와 카운터 플런저의 상대운동이 매우 정밀하고 효과적으로 조절되어야 하며, counter plunger 부위에서 선행 응고된 응고편의 캐버티 내 충전으로 품질저하를 초래할 수도 있는 단점이 있다.

 <그림 15> Counter 가압방식에 의한 용탕의 가압충전법

 TOYOTA에서 보고한 바에 의하면 주가압력이 최소 30㎫ 이상이면 주조결함이 크게 억제되고, 탕구 단면적/제품체적의 비가 3.5×10-3㎜ 이상이면 건전한 제품을 얻을 수 있다고 한다.
10. 분체 이형제
다이캐스팅 공장 환경오염의 주 원인은 이형제로, 현재는 수용성 이형제가 많이 사용되고 있다. 이형제를 분말로 대체하는 연구가 진행되고 있으며 일부 간단한 제품에 적용되고 있다. 분체 이형제의 효과는 <표 4>와 같다.

<표 4> 분체이형·윤활제의 효과

환경	(a) 금형의 분할면이 깨끗하다.(공장 내의 오염해소) (b) 수증기의 발생이 없다.(오일미스트의 저감) (c) 공장 내 소음의 저감(에어블로 불필요)
코스트	(a) 폐수처리가 불필요 (b) 버리는 불량의 저감 (c) 불량률의 저감(탕주름, 기포불량 등) (d) 용탕 유지 온도의 저하가 가능(에너지 절감)
품질	주조품 품질의 향상

자동차 경량 주조부품의 개발동향

자동차 왕국인 미국을 중심으로 법제화된 CAFE(Corporative Average Fuel Economy, 기업평균 연비, 1975년 12월 발표)법안, Bryan법안, 기후변화협약 등은 자동차 연비향상에 대한 연구를 더욱 가속화시키고 있으며, 자동차 소재의 경량화가 자동차 연비향상에 가장 유력한 방법으로 제기되고 있다.
현재 자동차부품 제조기술 중 주조법에 의한 자동차부품은 자동차중량의 약 15% 이상을 차지하고 있다. 이중 자동차의 핵심부품이라 할 수 있는 엔진, 미션, 섀시 등은 약 80% 이상이 주물로 제조되고 있다. 또한 자동차부품이 갈수록 고기능화, 경량화를 요구하고 있어 새로운 경량소재가 대두됨에 따라 주조기술도 기존의 기술을 보완하고 또 신기술의 개발이 요구되어지고 있다.

1. 알루미늄 주조부품

알루미늄은 자동차의 재료 중에서 철강 다음으로 많이 사용되는 자동차용 경량재료의 대표적인 재료로서 최근 그 사용량이 크게 증가되고 있다. 알루미늄은 철강소재에 비해 대략 60%의 경량화를 달성할 수 있으며, 충돌시 약 50% 이상의 에너지를 흡수하며, 아울러 우수한 내식성으로 인해 방식처리가 필요하지 않다는 장점이 있다.

현재 알루미늄합금의 자동차 주물부품에의 적용은 엔진부품 중 실린더 블록, 실린더헤드, 피스톤 등과 섀시 분야로 크게 나눌 수 있다.
실린더 블록은 엔진 전체 중량의 약 50% 정도를 점유하고 있어 알루미늄 대체시 경량화효과가 매우 크다고 할 수 있다. 자동차 경량화를 위해 국내외 각 자동차 제조업체에서는 알루미늄 엔진을 적용하고 있으며, 일본의 알루미늄업체에 따르면, 2000년까지 전 세계 25% 정도의 자동차가 알루미늄 엔진 블록을 채용할 것이라고 예상하고 있다.

엔진부품 중 피스톤은 현재 주철재(대형 디젤 엔진) 및 알루미늄 합금재료를 이용하여 중력사형 및 금형주조, 또는 복합재를 이용한 스퀴즈 캐스팅 공법으로 제조되고 있다. 알루미늄 피스톤의 소재는 내열성, 내마모성, 저열팽창성, 내크리프성을 보유하고 있는 AC8A합금이 가장 많이 사용되고 있으며 일부 과공정합금도 이용되고 있다. 이러한 알루미늄합금을 적용한 피스톤과 피스톤 로드는 자동차경량화효과와 그로 인한 엔진 스피드 향상을 가져올 수 있다.

이밖에도 실린더 헤드커버 및 오일팬, 타이밍 기어 케이스 등 각종 커버류 및 케이스는 대부분 고압 다이캐스팅 공법으로 제조되고 있으며, 재질은 알루미늄합금(ADC10, 12종) 및 마그네슘합금이 사용되고 있다.

2. 마그네슘 주조부품

마그네슘은 비중이 1.74g/㎤로 비교경량재인 Al의 약 2/3 수준이며 우수한 비강도, 비강성 그리고 진동흡수능이 우수하고 또 알루미늄합금에 비해 치수안정성이 우수할 뿐만 아니라 100% 재활용이 가능하여 차세대 경량자동차 재료로서 잠재력이 매우 크다 할 수 있다. 현재 마그네슘합금은 60% 이상이 다이캐스팅에 의해 제조되고 있으며, 이 경우 후가공처리가 필요함으로써 가격상승의 원인이 되고 있다. 그러나 최근 정형제조기술인 딕소-몰딩(Thixo-Molding)법이 개발되어 자동차부품 적용에 대한 제고가 이루어지고 있다.

일부 브레이크류, 케이스류 및 비교적 강도 등 특성을 요구하지 않는 부품에 현재 마그네슘 주물이 적용되고 있지만 앞으로 딕소-몰딩(Thixo-Molding)법 등의 개발로 브레이크 마스터 실린더(brake master cylinder) 등 내압성 부품의 적용도 가능할 것으로 기대된다.

3. 금속복합재료

1960년대 초기의 금속복합재료는 B/Al과 같이 화학증착법으로 제조된 고가의 B장섬유 강화재에다 단층 Al박판과의 튜브압연과 HIP으로 이루어지는 값비싼 제조방법으로 만들어졌기 때문에 타재료와 가격경쟁을 이루지 못하였다. 그러나 1980년대부터는 보다 값싼 세라믹 강화재의 개발과 near-net-shape제품의 생산기술, 그리고 신속하고 대량생산에 적응할 수 있는 제조공정 개발에 역점을 두어, 최근에는 용탕단조법과 같은 주조기술에 의한 금속복합재료 생산기술이 본격적으로 개발 적용되고 있다.

국내에서는 기아자동차가 금강사와 공동으로 AC8A기지에 저가격 Al2O3·SiO2-ZrO2 단섬유를 강화시킨 뎀퍼 풀리(damper pulley)와 피스톤 개발을 보고하고 있고, 현대자동차에서는 섬유강화 가솔린엔진 피스톤의 개발을 1992년 9월부터 시작하였으며, 용탕단조법으로 시제품 제조를 하고 엔진시험평가를 해본 바 엔진배기 가스, 특히 HC가스의 10∼20% 감소를 보고하고 있다. 또한 뎀퍼 풀리 허브(damper pulley hub)와 FRM 실린더 라이너(cylinder liner)의 개발도 보고하고 있다.

복합재의 기본이 되는 예비성형체(Preform)의 제조 및 평가기술이 중요한 과제로 되고 있고, 스퀴즈 캐스팅(Squeeze Casting)시 적절한 주조조건, 상대재와의 마모관계에 대한 필요한 기술도 이에 대한 개발노력이 요구된다.

결론
  
선진국을 중심으로 자동차산업의 눈부신 발전에 힘입어 다이캐스팅공정을 이용한 자동차부품의 수요는 급격히 성장하고 있다. 각종 자동차 경량재료와 주조기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만 아직까지는 많은 문제점을 내포하고 있는 실정이다.
국내의 다이캐스팅 공정기술도 최근에 급신장세를 보이고 있으나 중소기업형으로서 영세한 규모이기 때문에 기술개발 수준이 답보상태에 있는 실정이다.
향후 경량 주물재료의 특성과 주조품에 맞는 주조설계, 형상검토 및 FDM/FEM해석(응고 및 유동 해석)을 통해 최적의 주조조건을 확보하여 수축결함, 기공, 산화물 혼입, 편석 등의 주조결함을 사전에 예측하는 기술개발이 절실히 요구된다.
또한 일반 다이캐스팅과 동등 또는 그 이상의 높은 생산성이 유지되어야 할 것이며 재료비, 제조경비 등 제조원가를 줄임으로써 경제성이 확보되어야 할 것이다.