공정과 합금은 하나의 결정 사항입니다: 알루미늄 주조 도면의 절반이 제작 불가능한 사항을 명시하는 이유는 무엇일까요?

주조 합금에는 7~13%의 실리콘이 함유되어 있는데, 이는 실리콘이 두 가지 역할을 하기 때문입니다. 첫째, 유동성을 높여 금속이 굳기 전에 얇은 부분까지 도달할 수 있도록 하고, 둘째, 응고 범위를 좁혀 합금이 융해되지 않고 짧은 온도 범위에서 완전히 응고되도록 합니다.

6061 합금은 약 0.4~0.8%의 실리콘을 함유하고 있습니다. 주형 내에서 유동성이 떨어지고 응고 범위가 넓어 열 균열이 발생합니다. 열 균열이란 주형에 의해 구속된 상태에서 액체 상태로 수축하면서 주물이 갈라지는 현상을 말합니다.

이는 특정 알루미늄 다이캐스팅 공급업체의 역량 부족이 아닙니다. 합금의 야금학적 특성 때문입니다. 도면에 6061-T6의 특성이 요구되는 경우, 가장 합리적인 방법은 다음과 같습니다. CNC 가공 빌릿에서 얻거나 압출 프로파일에서 알루미늄을 가공하는 경우를 말합니다. 6061을 주조품으로 견적하는 공급업체는 도면을 잘못 이해했거나 A356으로 슬쩍 대체하려는 것인데, A356은 특성이 다른 재질입니다.

A380은 고압 사출 성형에 적합하게 설계되었습니다. 1,000bar의 가압력을 가하면 응고 수축으로 인한 기공 발생을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그러나 중력에 의해 금속 헤드에서만 압력이 가해지는 경우, 동일한 응고 범위에서 수지상 결정 사이의 수축 기공이 단면 전체에 걸쳐 발생합니다.

따라서 중력식 및 모래식 재배 방식에는 A356 또는 LM25가 사용됩니다. 이 제품들은 동결 범위가 더 좁고, 자연적인 영양 공급이 더 우수하며, 열처리가 가능합니다.

정밀 주조는 스테인리스강, 티타늄, 니켈 기반 합금과 같이 일반 주조로는 가공하기 어려운 합금에 미세한 디테일과 거의 최종 형상에 가까운 형태를 구현하기 위해 사용됩니다. 알루미늄의 경우, 고압 다이캐스팅(HPDC)은 소량 생산 이상에서 기존 방식보다 훨씬 저렴한 비용으로 우수한 치수 균일성을 제공합니다. 알루미늄 정밀 주조는 주로 T6 등급의 특성과 복잡한 형상이 모두 요구되는 A356/A357과 같은 항공우주 부품에 사용되며, 생산량은 적습니다.

고압 다이캐스팅 공정에서 금속은 30~60m/s의 속도로 캐비티에 유입됩니다. 이 속도는 본질적으로 난류 상태이며, 금속 전면이 파쇄되고 접히면서 대기 중의 공기와 기화된 다이 윤활제를 끌어들입니다. 이러한 기체들은 주조물 전체에 미세하고 분산된 고압 기공 형태로 존재하게 됩니다.

부품이 실온에 가까운 온도를 유지하는 동안에는 기공이 비활성 상태입니다. 기공은 피로 강도를 약간 감소시키지만 눈에 띄는 문제는 일으키지 않습니다.

T6 공정은 500~540°C에서 수 시간 동안 용액에 담그는 과정을 필요로 합니다. 이 온도에서 두 가지 현상이 동시에 발생합니다. 첫째, 내부에 갇힌 가스가 기체 법칙에 따라 급격히 팽창합니다. 둘째, 주변 알루미늄이 고상점 부근에서 연화됩니다. 가압된 가스가 연화된 표면을 바깥쪽으로 들어 올려 표면에 기포(돔 모양으로 솟아오른 결함)를 발생시키는데, 이는 수리가 불가능하여 부품을 폐기해야 합니다.

T5는 표준 HPDC 처리 방식으로, 용액 침지 없이 인공 시효만 거치므로 가스 팽창이 발생하지 않습니다. T5는 경도와 치수 안정성을 향상시키지만 T6 항복 강도에는 훨씬 못 미칩니다.

엔지니어링 측면에서 논의해 볼 만한 중요한 사항은 다음과 같습니다. 설계에 200MPa 이상의 항복강도가 정말로 필요한 것일까요, 아니면 T6 강재를 가공 부품 도면에서 그대로 복사한 것일까요? 만약 요구 조건이 실질적이라면 공정을 변경해야 합니다. 하지만 습관적으로 사용해 온 것이라면, 약 160MPa의 항복강도를 가진 주조 A380 강재로도 충분할 수 있으며, 비용 또한 훨씬 저렴합니다.

측정 가능한 지표는 이차 수지상 가지 간격(SDAS)으로, 응고된 수지상 결정의 측면 가지 사이의 거리입니다. 냉각 속도가 빠를수록 SDAS가 미세해지고, SDAS가 미세해지면 강도, 연신율 및 피로 수명이 향상됩니다.

구매자가 사양을 작성할 때 고려해야 할 두 가지 사항.

첫째, 데이터시트의 수치는 부품의 고유 속성이 아닙니다. 공개된 값은 특정 냉각 속도를 적용하여 별도로 주조한 테스트 바를 기준으로 산출된 값입니다. 하지만 귀사의 부품은 단면 두께가 가변적이므로, 동일한 주조물 내에서도 3mm 두께의 벽과 10mm 두께의 돌출부는 국부적인 특성이 현저히 다릅니다. 특정 강도가 중요한 경우에는 테스트 바가 아닌 실제 부품에서 절단한 재료로 시험을 진행해야 합니다.

둘째, HPDC는 다른 어떤 주조 방식보다 미세한 미세 구조를 가지고 있습니다. 급속 냉각된 바깥쪽 0.3~0.5mm 두께의 표면층은 중심부보다 밀도가 높고 강도가 강합니다. 기능적인 표면에서 이 표면층을 가공해 제거하면 해당 부분에서 가장 강한 재료가 제거되고 다공성인 중심부가 노출됩니다. 다이캐스팅 하우징에서 중요한 응력이 발생하는 면의 경우, 해당 면의 가공 여유를 최소화하는 것은 비용 문제가 아니라 설계상의 중요한 결정 사항입니다.

일반적으로 구매 논의에서는 부피가 가장 먼저 다뤄집니다. 벽 두께는 선택지를 완전히 배제하기 때문에 더 어려운 제약 조건입니다.

공칭 두께 2mm로 설계된 부품은 연간 생산량이 금형 제작 비용을 정당화하는지 여부와 관계없이 고압 다이캐스팅 방식을 채택합니다. 만약 생산량이 금형 제작 비용을 정당화하지 못한다면, 중력 주조를 위해 더 두꺼운 단면으로 형상을 재설계해야 하는데, 이는 무게, 냉각 성능, 그리고 제품 외형까지 변화시킬 수 있습니다.

이것이 바로 벽 두께가 초기 설계 검토 단계에 포함되어야 하며, 자재 조달 검토 단계에 포함되어서는 안 되는 이유입니다. 도면이 조달 단계에 도달할 때쯤이면 이미 조달 방식이 암묵적으로 그리고 돌이킬 수 없이 결정된 경우가 많기 때문입니다.

알아두면 유용한 두 가지 추가 연결 방식:

얇은 벽은 T6 공정과 상충됩니다. 얇은 벽을 유지하는 HPDC 공정은 T6 공정을 적용할 수 없습니다. 2mm 벽 두께와 200MPa 항복 강도를 모두 요구하는 사양은 설계 단계에서 재검토해야 합니다.

아연은 알루미늄이 도달할 수 없는 영역까지 가공할 수 있습니다. 약 1.2mm 이하의 두께에서는 알루미늄을 사용할 수 없으며, 아연 도금(ZAMAK)만이 유일한 생산 옵션입니다. 무게가 중요한 요소가 아닌 500g 미만의 소형 부품의 경우, 아연은 알루미늄의 20만~35만 회에 비해 50만 회 이상의 금형 수명을 제공하고, 더 빠른 가공 주기와 도금 준비가 완료된 표면을 제공합니다.

이 순서대로 작업하면 불일치를 방지할 수 있습니다.

• 1
  기계적 요구 사항을 먼저 해결하세요
  — 실제 항복강도 및 피로도 요구량 (이전 도면에서 계승된 것이 아님)
• 2
  T6가 정말로 필요한지 판단하십시오.
  — 이 단 하나의 해답으로 HPDC 또는 얇은 벽 중 하나를 배제할 수 있습니다.
• 3
  공칭 벽 두께를 설정하십시오.
  — 이렇게 하면 프로세스 목록이 한두 가지 옵션으로 좁혀집니다.
• 4
  생산량과 공구 감가상각비를 대조해 보십시오.
  — 벽 두께로 표시된 공정이 생산량에 맞춰 비용 효율적이지 않다면 지금 바로 형상을 재설계하십시오.
• 5
  기존 공정과 호환되는 합금 중에서 선택하십시오.
  — 일반 합금표에서 나온 것이 아닙니다
• 6
  해당 합금에 대한 외관 및 부식 요구 사항을 확인하십시오.
  — A380은 밝게 산화되지 않습니다. A360은 염분에 대한 저항성이 더 뛰어납니다.
• 7
  그런 다음 도면의 치수와 공차를 기입하십시오.

대부분의 도면 반려 사례는 이러한 순서를 거꾸로 진행한 결과입니다. 즉, 먼저 치수를 정하고, 재료 안내서에서 합금을 선택한 다음, 견적 요청 단계에서 해당 조합이 제조 불가능하다는 사실을 발견하는 것입니다.

주조가 전혀 적합하지 않은 경우, 즉 정밀 공차를 요구하는 200개 미만의 제품 생산에서는 빌릿을 CNC 가공하는 것이 금형 제작 없이 1~2주 내에 납품이 가능합니다. 평판 소재로 제작되는 브래킷, 프레임, 패널의 경우 맞춤 제작에 금형이 전혀 필요하지 않습니다. 많은 조립품은 분리하는 것이 가장 효율적입니다. 복잡한 밀봉 형상을 가진 주조 본체에 제작된 장착 부품을 부착하는 방식인데, 이는 금형의 측면 작용을 제거하고 금형 비용을 절감하는 효과도 있습니다.