KR20200083780A

KR20200083780A - 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법

Info

Publication number: KR20200083780A
Application number: KR1020180172571A
Authority: KR
Inventors: 정경; 김주행; 강슬기; 인귀승; 정인모; 조만영
Original assignee: 주식회사 만도; 주식회사 코다코
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-09

Abstract

본 실시예들에 의한 주조-전신재 겸용 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법은, 알루미늄 합금을 제 1 설정온도로 가열하여 마련된 알루미늄 합금 용융물을 슬리브에 공급하는 공급단계, 슬리브에 공급된 알루미늄 합금 용융물를 제 2 설정온도로 유지되는 다이캐스팅 금형의 캐비티에 주입하는 주입단계, 캐비티에서 알루미늄 합금 용융물이 응고되어 자동차 부품으로 성형되는 성형단계, 다이캐스팅 금형에서 자동차 부품을 분리하는 취출단계를 포함하여, 주조-전신재 합금주조시 용융물을 유동성을 향상시키고, 응고속도를 균일하게 하여 국부응고 및 탕도 막힘을 방지하고, 금형과의 소착에 의한 깨짐, 갈라짐 등을 방지하고, 응고 시 수축공 발생 확률과 기포함유량을 저하시켜 성형품의 품질을 개선함으로써 기계적 성질이 향상된 합금으로 고강도, 고신율을 가지며 내부식성이 향상된 자동차 부품을 생산할 수 있다.

Description

주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법{Manufacturing Method for Die-casting Vehicle Parts Using Aluminum Cast-Wrought Alloy}

본 실시예들은 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조-전신재 합금주조 시 용융물의 유동성을 향상시키고, 응고속도를 균일하게 하여 국부응고 및 탕도 막힘을 방지하고, 금형과의 소착에 의한 깨짐, 갈라짐 등을 방지하고, 응고 시 수축공 발생 확률과 기포함유량을 저하시켜 성형품의 품질을 개선함으로써 기계적 성질이 향상된 합금으로 고강도, 고신율을 가지며 내부식성이 향상된 자동차 부품을 생산할 수 있는 다이캐스팅 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 주조란 금속을 금형에 주입한 후 응고 시켜 소정의 형태로 만드는 공정을 말하며, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 구리(Cu), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 등을 첨가한 알루미늄 합금(Aluminum Alloy)을 소재로 하여 알루미늄 합금의 용융 금속을 금형에 고압으로 사출하여 주조하는 알루미늄 다이캐스팅(Aluminum alloy for die-casting)에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

자동차에는 경량화를 위하여 알루미늄 소재의 적용이 확대되고 있으며, 주조재와 전신재가 모두 사용되고 있다. 일반적으로 주조재용 알루미늄 합금의 경우 용질원소가 최대 30중량%까지 포함되고 전신재용 알루미늄 합금의 경우 용질원소가 10중량%이하 포함된다.

이와 같이 주조재용 합금과 전신재용 합금은 그 조성이 서로 달라, 주조재를 전신재로 활용할 경우에는 소성가공성이 낮아 가공물이 조잡하고, 전신재를 주조재로 활용할 경우에는 주조성이 낮아 성형품의 품질이 낮다.

한편, 최근에는 자동차의 탄소 배출 규제에 따른 연비 향상이 중요해지면서 강도 및 특수한 성능을 가지는 제품까지도 알루미늄 다이캐스팅을 활용하는 연구가 지속되고 있는데, 종래에는 높은 주조성을 가지는 ADC12를 일반적으로 사용하였으나 ADC12는 기계적 성질이 상대적으로 낮아 고강도, 고신율을 가지는 알루미늄 합금에 대한 요구가 한층 높아지고 있다.

그런데, 고강도, 고신율을 가지는 알루미늄 합금은 ADC12 대비 주조성이 낮아 종래의 다이캐스팅 제조방법으로 주조할 경우, 유동성이 낮고 금형과의 소착 등의 문제에 의해 성형이 어려워 새로운 다이캐스팅 제조방법에 대한 필요성이 대두되었다.

본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 주조-전신재 합금주조 시 용융물의 유동성을 향상시키고, 응고속도를 균일하게 하여 국부응고 및 탕도 막힘을 방지하고, 금형과의 소착에 의한 깨짐, 갈라짐 등을 방지하고, 응고 시 수축공 발생 확률과 기포함유량을 저하시켜 성형품의 품질을 개선함으로써 기계적 성질이 향상된 합금으로 고강도, 고신율을 가지며 내부식성이 향상된 자동차 부품을 생산할 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 실시예들에 의하면, 알루미늄 합금을 제 1 설정온도로 가열하여 마련된 알루미늄 합금 용융물을 슬리브에 공급하는 공급단계, 제 2 설정온도로 유지되는 다이캐스팅 금형의 캐비티에 알루미늄 합금 용융물을 주입하는 주입단계, 캐비티에서 알루미늄 합금 용융물이 응고되어 자동차 부품으로 성형되는 성형단계, 다이캐스팅 금형에서 자동차 부품을 분리하는 취출단계를 포함하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법이 제공될 수 있다.

본 실시예들에 의하면, 주조-전신재 합금주조 시 용융물의 유동성을 향상시키고, 응고속도를 균일하게 하여 국부응고 및 탕도 막힘을 방지하고, 금형과의 소착에 의한 깨짐, 갈라짐 등을 방지하고, 응고 시 수축공 발생 확률과 기포함유량을 저하시켜 성형품의 품질을 개선함으로써 기계적 성질이 향상된 합금으로 고강도, 고신율을 가지며 내부식성이 향상된 자동차 부품을 생산할 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 다이캐스팅 금형 및 슬리브의 단면도이다.
도 3 내지 도 4는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 가동금형의 정면도이다.
도 5는 본 실시예들에 의한 성형품의 내부식성을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시예들에 적용되는 알루미늄 합금 용융물의 유동성 시험결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 실시예들에 의한 성형품의 응고속도를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 8은 본 실시예들에 의한 성형품의 수축공 발생 확률을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 9는 200℃ 미만의 다이캐스팅 금형으로 성형된 성형품의 결함을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 실시예들에 의한 성형품의 기포함유량을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 11은 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 슬리브의 단면도이다.
도 12는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 링플런저의 단면도이다.
도 13은 본 실시예들에 의한 성형품의 기포함유량을 비교하여 나타내는 도면이다.

이하, 본 실시예들의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 실시예들의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1 내지 도 2는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 다이캐스팅 금형 및 슬리브의 단면도, 도 3 내지 도 4는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 가동금형의 정면도, 도 5는 본 실시예들에 의한 성형품의 내부식성을 비교하여 나타내는 도면, 도 6은 본 실시예들에 적용되는 알루미늄 합금 용융물의 유동성 시험결과를 보여주는 도면, 도 7은 본 실시예들에 의한 성형품의 응고속도를 비교하여 나타내는 도면, 도 8은 본 실시예들에 의한 성형품의 수축공 발생 확률을 비교하여 나타내는 도면, 도 9는 200℃ 미만의 다이캐스팅 금형으로 성형된 성형품의 결함을 보여주는 도면, 도 10은 본 실시예들에 의한 성형품의 기포함유량을 비교하여 나타내는 도면, 도 11은 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 슬리브의 단면도, 도 12는 본 실시예들에 의한 성형품을 성형하는 링플런저의 단면도, 도 13은 본 실시예들에 의한 성형품의 기포함유량을 비교하여 나타내는 도면이다.

본 실시예들에 의한 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법은, 알루미늄 합금을 제 1 설정온도로 가열하여 마련된 알루미늄 합금 용융물을 슬리브(130)에 공급하는 공급단계, 제 2 설정온도로 유지되는 다이캐스팅 금형(100,200)의 캐비티(C1,C2)에 알루미늄 합금 용융물을 주입하는 주입단계, 캐비티(C1,C2)에서 알루미늄 합금 용융물이 응고되어 자동차 부품으로 성형되는 성형단계, 다이캐스팅 금형(100,200)에서 자동차 부품을 분리하는 취출단계를 포함한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참고하여 다이캐스팅 금형(100,200), 슬리브(130) 및 다이캐스팅 공정에 대해 살펴보면, 다이캐스팅 금형(100,200)은 고정금형(110,210)과 가동금형(120,220)을 포함하여 고정금형(110,210)에 대해 가동금형(120,220)이 슬라이딩되며 다이캐스팅 금형(100,200)이 개폐된다.

고정금형(110,210)과 가동금형(120,220)에는 각각 음각과 양각이 형성되며 다이캐스팅 금형(100,200)에 캐비티(C1,C2)가 형성되고, 캐비티(C1,C2)는 고정금형(110,210)에 결합되어 있는 슬리브(130)와 연통되어 있다.

즉, 주입구(131)를 통해 용융물이 슬리브(130)로 공급되고, 공급된 용융물은 캐비티(C1,C2)로 주입되어 캐비티(C1,C2)에서 응고되며 성형되게 된다. 응고된 성형품은 다이캐스팅 금형(100,200)이 열린 후 취출되는데, 성형품은 고정금형(110,210)에서 가동금형(120,220)이 슬라이딩된 후 가동금형(120,220)에서 이젝터핀에 의해 분리된다.

캐비티(C1,C2)는 슬리브(130)와 연결되는 용융물유로(301,401) 및 진공펌프와 연결되는 가스유로(302,402)를 포함하는데, 즉 용융물유로(301,401)는 슬리브(130)에서 주입되는 용융물이 처음 충진되는 초기충진구간이며 가스유로(302,402)는 용융물이 최종적으로 충진되는 최종충진구간이다. 진공펌프는 도면번호 303,403으로 표시된 위치에 구비되어 캐비티(C1,C2) 내부의 압력을 저하시킨다.

성형품 취출 후에는 용융물유로(301,401), 가스유로(302,402) 등에 의해 형성되는 러너(Runner), 오버플로우(Overflow), 벤트라인(Vent line) 등을 제거하는 트리밍단계와, 성형품의 표면을 처리하여 버(Bur)를 제거하는 마무리단계 등이 수행된다.

가동금형(120,220)에는 슬라이드 코어(121,221)가 구비될 수 있는데, 슬라이드 코어(121,221)는 고정금형(110,210)과 가동금형(120,220)만으로 성형하기 어려운 형태의 성형품을 성형할 수 있게 한다.

또한, 가동금형(120,220)에는 제 1 실링부재(310,410)가 구비되어 다이캐스팅 금형(100,200)이 닫힐 때 고정금형(110,210)에 제 1 실링부재(310,410)가 지지되며 외부에서 캐비티(C1,C2)로 공기가 유입되는 것을 차단하게 되는데, 자세한 내용은 후술한다.

또한, 이하 본 실시예들의 설명 및 도면에 있어서는 다이캐스팅 공정에 의해 성형되는 자동차 부품으로서 모터 하우징과 랙하우징을 예시로 설명하기로 하며, 다이캐스팅 금형(100,200), 캐비티(C1,C2) 등 역시 모터하우징과 랙하우징을 성형하기 위해 제작된 예시로 설명한다. 다만 본 실시예들에 의한 다이캐스팅 제조방법으로 성형할 수 있는 자동차 부품이 반드시 이에 한정되는 것이 아님은 당연하며, 본 실시예들은 후술할 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금을 주조하기 위한 다이캐스팅 제조방법으로 이해하여야 할 것이다.

알루미늄 합금은, 6.0중량% 이상 7.0중량% 이하의 마그네슘(Mg), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 철(Fe), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 망간(Mn), 0중량% 초과 2.5중량% 이하의 규소(Si), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 붕소(B), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 티타늄(Ti), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 스트론튬(Sr), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 구리(Cu), 1.0중량% 이상 2.0중량% 이하의 아연(Zn)을 포함하고 나머지가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하여, 주조-전신재 겸용으로 사용될 수 있다.

주조재로서 일반적으로 사용되는 ADC12에는 마그네슘(Mg)이 약 0.3중량%, 규소(Si)가 약 10중량% 포함되었던 것에 비해, 본 실시예들이 적용되는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)의 함량을 높여 인장강도, 항복강도, 경도 등을 향상시키고 규소(Si)의 함량을 낮춰 연성을 향상시킴으로써 기계적 성질이 향상된다.

이와 같은 용질원소 함량을 가지는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금과 ADC12의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 비교하면, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금은 각각 280MPa, 180MPa 및 8%이고, ADC12는 각각 176MPa, 144MPa 및 0.7%로서, 기계적 성질이 크게 높아져 내충격성이 향상됨을 확인할 수 있다.

도 5를 참고하여 살펴보면, 내부식성을 시험하기 위해 성형된 모터하우징에 대해 SST(Salt spary test)를 실시한 결과, ADC12로 성형된 경우 72시간 이후 이미 표면의 100%가 부식되어 백녹이 발생하였고, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금으로 성형된 경우 72시간 이후에는 표면의 60%만이 부식되고 240시간 이후에도 80%만이 부식되어 백녹이 발생하여, 마그네슘(Mg)의 함량이 높아짐에 따라 성형품의 내부식성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.

또한, ADC12와 주조-전신재 겸용 합금으로 성형된 경우에 대해 랙하우징의 무게를 측정한 결과, ADC12의 경우 2323g이며 주조-전신재 겸용 합금의 경우 1915g으로 측정되어, 약 16%의 무게가 감량되었고 따라서 연비를 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

한편, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금은 0중량% 초과 0.005중량% 이하의 베릴륨(Be)를 더 포함할 수 있는데, 베릴륨(Be)은 마그네슘(Mg) 산화물 발생을 억제하여 주조성을 향상시킨다.

즉, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 함량이 높아 공기와 접촉 시 산화물 발생 확률이 증가하게 되는데, 마그네슘(Mg) 산화물은 용융물의 주조성과 성형품의 품질을 저하시키게 되므로 마그네슘(Mg)의 산화를 방지하는 베릴륨(Be)를 첨가함으로써 용융물의 주조성 및 성형품의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 규소(Si)의 함량이 낮아짐에 따라 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금의 주조성이 저하되는데, 주조성 저하로 인한 기포고립 등을 예방하기 위해 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금을 660℃ 이상 730℃ 이하의 범위를 가지는 제 1 설정온도로 가열하여 용융물을 마련한다.

도 6은 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금 용융물에 대한 유동성 평가 결과로서, 700℃~730℃에서 각각 시험하여 유동성을 평가하였다. 특히, 710℃를 기준으로 유동성이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.

위 평가 결과를 참고하여, 용융물의 온도가 660℃ 미만인 경우에는 유동성이 크게 저하되어 캐비티(C1,C2)로 주입되는 과정에서 용융물이 응고되기 시작하며 캐비티(C1,C2)의 탕도를 막아 주입을 방해하게 되어 성형이 이루어지지 못하거나 성형품의 품질이 저하됨을 확인하였고, 용융물의 온도가 730℃ 초과인 경우에는 용융물을 가열하기 위한 연료소모가 크고, 다이캐스트 금형(100,200)과의 큰 온도차에 의해 응고속도가 불균일해지게 되고 그 결과 액상고립에 의한 수축공 발생 확률이 커지며, 다이캐스트 금형(100,200)의 국부적 과열로 인한 수명단축 문제가 발생하게 되어, 660℃ 이상 730℃ 이하로 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금을 마련하는 것이 바람직하다.

또한, 후술할 바와 같이 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금의 액상선이 높아져 용융물의 응고속도가 빨라지게 되는데, 빠른 응고속도에 의해 국부적으로 응고되어 성형품의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위해 용융물을 더 높은 온도로 마련할 필요가 있는 것이다.

한편, 규소(Si)의 함량이 낮아짐에 따라 융점이 상승되어, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금의 고상선이 약 432℃에서 형성되고 액상선이 약 632℃에서 형성되게 되는데, 이는 ADC12보다 약 50℃~70℃ 높은 값이다.

도 7은 모터하우징의 응고속도를 비교하여 나타낸 도면으로써, 응고 시간에 따른 잔류용융물을 보여준다. 주조-전신재 겸용 합금의 응고속도가 ADC12보다 약 3~5초 빠른 것을 확인할 수 있으며, 이는 액상선이 더 높은 온도에서 형성되기 때문이다.

따라서, 빠른 응고속도에 의해 캐비티(C1,C2)에 용융물이 가득 충진되기 전에 국부적으로 응고되어 캐비티(C1,C2)의 탕도를 막으며 주입을 방해하여 성형이 이루어지지 못하거나 성형품의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위해, 전술한 바와 같이 용융물을 제 1 설정온도로 가열하여 마련하고 또한 다이캐스팅 금형의 온도와 주입속도를 조절할 필요가 있다.

먼저, 다이캐스팅 금형(100,200)의 온도를 ADC12를 성형하는 경우보다 더 높게 설정할 필요가 있는데, 다이캐스팅 금형(100,200)의 온도가 낮을 경우 응고속도가 빨라져 국부응고가 발생하게 되며 응고 시 금형과의 소착에 의해 깨짐, 갈라짐 등이 발생하여 성형품의 품질이 크게 저하되게 되는 문제가 발생한다.

그리고, 응고 시 체적이 변화하는 양을 나타내는 응고수축률이 클수록 치수변화가 크고 수축공 발생 확률이 높아지는데, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금은 약 7.5%~8.5%의 값을 가져 약 7.14%의 값을 가지는 ADC12보다 응고수축률이 크다.

도 8은 모터 하우징에 있어서 ADC12와 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금으로 성형된 경우 각각의 수축공 발생 예상분포도로서, 붉은 색으로 표시된 부분이 수축공 발생 확률이 매우 높은 부분을 표시한다.

주조-전신재 겸용 알루미늄 합금의 응고수축률이 ADC12보다 더 큰 값을 가짐에 따라 수축공 발생 확률이 높은 부분이 더 넓게 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 따라서 수축공에 의한 성형품 품질 저하를 방지하기 위해 다이캐스팅 금형(100,200)의 온도를 높게 설정하여 응고속도를 늦춰 응고속도를 균일하게 할 필요가 있다.

즉, 종래 ADC12 합금을 성형하는 다이캐스팅 금형은 수성 온도조절기를 사용하여 약 120℃의 온도로 유지되었는데, 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금을 품질저하 없이 성형하기 위해서는 유성 온도조절기를 사용하여 그보다 높은 온도를 가지는 200℃ 이상 300℃ 이하의 제 2 설정온도로 다이캐스팅 금형(100,200)을 유지하여야 한다.

다이캐스팅 금형(100,200)이 200℃ 미만의 온도로 유지되는 경우 도 9에 도시된 바와 같이 랙하우징 성형품에 수축공 및 금형과의 소착에 의한 깨짐, 갈라짐 등이 존재하여 성형품의 품질이 크게 저하되며, 300℃ 초과의 온도로 유지되는 경우에는 금형을 가열하기 위한 연료소모가 크고 용융물과의 온도차이가 작아 응고에 소요되는 시간이 증가하여 생산성이 저하되게 되므로, 200℃ 이상 300℃ 이하의 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

한편, 용융물을 다이캐스트 금형(100,200)에 주입하는 주입단계는, 알루미늄 합금을 제 1 주입속도로 주입하는 저속단계와, 제 1 주입속도보다 큰 값을 가지는 제 2 주입속도록 주입하는 고속단계를 포함한다.

즉, 초기에는 저속으로 용융물을 주입하고 그 후주입속도를 증가시켜 고속으로 용융물을 주입하는데, 제 1 주입속도는 0.5m/s 이상 0.8m/s 이하의 범위를 가지며, 제 2 주입속도는 2.0m/s 이상 3.8m/s 이하의 범위를 가지는 것이 바람직하다.

일반적으로 슬리브(130)의 약 40% 정도만을 채운 상태에서 주입을 하기 때문에 초기단계부터 고속으로 주입한다면 용융물의 유동에 의한 기포 발생가능성이 높아 성형품의 품질이 저하되게 되고, 초기단계부터 마무리단계까지 계속해서 저속으로 주입한다면 캐비티(C1,C2)에 용융물이 충진되기 전에 용융물이 응고되기 시작하여 용융물을 주입할 수 없게 되므로, 초기에는 저속으로 용융물을 주입하되 그후에는 고속으로 용융물을 주입하는 것이 바람직하다.

또한, 제 2 주입속도가 2.0m/s 미만의 값을 가지는 경우에는 캐비티(C1,C2)에 충진되기 전에 슬리브(130)에서부터 응고가 시작되고 캐비티(C1,C2)가 완전히 충진되기 전에 캐비티(C1,C2) 내부에서 국부적으로 응고되기 시작하는 것을 확인하였고, 3.0m/s 이상의 값을 가지는 경우에는 용융물의 유동에 의한 기포 발생량이 높은 것을 확인하여, 제 2 주입속도는 2.0m/s 이상 3.0m/s 이하의 값을 가지는 것이 바람직하다.

한편, 성형품에 기포 함유량이 높은 경우 조직의 치밀성이 낮아져 강도, 연성 등 기계적 성질이 저하되며, 고온이 가해질 때 기포가 팽창하며 기공을 형성하게 되어 높은 수준의 열처리를 할 수 없고 용접 시 접합력이 저하되는 문제가 있는데, 도 10에 도시된 바와 같이 종래의 다이캐스팅 제조방법에서는 기포함유량을 10~30cc/100g Al으로 관리하여 성형품의 품질이 낮았으나 본 실시예들에 의한 다이캐스팅 제조방법에서는 기포함유량을 3cc/100g Al 이하로 관리함으로써 성형품 조직의 치밀성을 높여 기계적 성질을 향상시키기 위해, 캐비티(C1,C2) 내부 압력을 낮추고, 제 1 실링부재(310,410) 및 제 2 실링부재(1102)를 구비하여 외부에서 캐비티(C1,C2)로 유입되는 공기를 차단한다.

우선, 다이캐스팅 금형에 구비되는 진공펌프는 캐비티 내부의 압력을 50mbar 이하로 유지하여 성형품의 기포함유량을 저하시킨다.

종래의 다이캐스팅 제조방법에서는 캐비티 내부의 압력을 120mbar~150mbar 수준으로 유지하였으나, 본 실시예들에 의한 다이캐스팅 제조방법에 있어서는 그보다 낮은 압력으로 유지함으로써 성형품의 기포함유량을 저하시킨다.

전술한 바와 같이 진공펌프는 가스유로(302,402)와 연결되는데, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 가동금형(120,220)에는 가스유로(302,402)를 둘 형성하고 각 가스유로(302,402)에 진공펌프를 구비함으로써 진공효율을 향상시켰다.

그리고, 외부에서 캐비티(C1,C2) 내부로 유입되는 공기를 최소화하기 위해 제 1 실링부재(310,410)와 제 2 실링부재(1102)가 구비되는데, 제 1 실링부재(310,410)는 가동금형(120,220)과 고정금형(110,210)의 서로 마주보는 면 중 적어도 어느 하나에 구비되어 다이캐스팅 금형(100,200)이 닫혔을 때 캐비티(C1,C2)를 둘러싸며 공기를 차단하게 되고, 제 2 실링부재(1102)는 슬리브(130)와 다이캐스팅 금형(100,200)의 결합부위에 구비되어 공기를 차단한다.

도 3 내지 도 4에는 가동금형(120,220)에 제 1 실링부재(310,410)가 구비되는 실시예가 도시되어 있는데, 도시된 바와 같이 제 1 실링부재(310,410)는 캐비티(C1,C2)를 둘러싸게 구비되어 다이캐스팅 금형(100,200)이 닫히며 고정금형(110,210)과 가동금형(120,220)이 지지되었을 때 제 1 실링부재(310,410)에 의해 외부에서 캐비티(C1,C2)로 공기가 유입되는 것이 차단된다.

도 11을 참고하여 살펴보면, 슬리브(130)에는 플랜지부(1101)가 구비되어 다이캐스팅 금형(100,200)의 고정금형(110,210)에 결합되며 스토퍼 역할을 하는데, 제 2 실링부재(1102)가 플랜지부(1101)의 외주면과 측면에 구비됨으로써 슬리브(130)가 고정금형(110,210)와 결합되었을 때 외부에서 공기가 유입되는 것을 차단한다.

특히, 플랜지부(1101)의 외주면에는 원주홈이 형성되어, 제 2 실링부재(1102)는 오링의 형태로 플랜지부(1101)의 외주면에 구비될 수 있다.

이러한 제 1 실링부재(310,410)와 제 2 실링부재(1102)는 바이턴(Viton) 고무로 구성할 수 있는데, 바이턴 고무는 종래에 널리 사용하던 NBR(Nutrilo butadian rubber)보다 내마모성이 높고 가스투과성이 낮아 공기를 차단하는 성능이 높으며, 특히 NBR의 상용온도가 약 100℃인 것에 비해 바이턴 고무는 NBR보다 내열성이 높아 200℃이상의 온도에서도 사용할 수 있어, 전술한 바와 같이 200℃ 이상 300℃ 이하의 제 2 설정온도로 유지되는 다이캐스팅 금형(100,200)에 사용하기에 적합하다.

한편, 슬리브(130)에 공급된 용융물은 링플런저에 의해 가압되어 캐비티(C1,C2)로 주입되는데, 링플런저는 로드(1201), 로드(1201)의 단부에 결합되는 플런저팁(1202) 및 플런저팁(1202)의 외주면에 결합되는 링부재(1203)와 부쉬부재(1204)를 포함하며, 링부재(1203)는 스틸 재질로 형성되고 부쉬부재(1204)는 구리 재질로 형성될 수 있다.

종래에 주물로 제작되어 일체로 형성되는 플런저팁을 사용하는 경우에는 열팽창을 고려하였을 때 슬리브의 내경과 플런저팁 사이의 공차를 관리하기 어려워 슬리브와 플런저 사이로 유입되는 공기를 차단하기 어려운 문제가 있었는데 반해, 링부재(1203)를 사용함으로써 슬리브(130)의 내경과 링부재(1203) 사이의 공차를 최소화하는 것이 용이해져 링플런저와 슬리브(130) 사이로 공기가 유입되는 것을 차단할 수 있다.

도 13은 주물 플런저팁을 사용하는 경우와 링플런저를 사용하는 경우에 있어 러너의 단면을 도시한 것으로써, 링플런저를 사용하는 경우에 기포가 현저하게 감소되었음을 확인할 수 있다.

또한, 주물 플런저팁은 전진 또는 후퇴시 긁힘에 의한 흠집인 스코어링(Scoring)이 발생하기 쉽고 따라서 수명이 짧았으나, 링플런저를 사용할 경우 공차가 최소화됨에 따라 스코어링 발생이 적고 따라서 수명이 연장되게 된다.

또한, 종래에는 플런저팁의 수명이 다했을 경우 이를 교체하기 번거롭고 교체하는데 많은 시간이 소요되었으나, 링부재(1203)를 사용하는 경우에는 수명이 다한 링부재(1203)만을 교체하며 간편하고 빠르게 교체할 수 있고 따라서 생산성이 향상되게 된다.

또한, 부쉬부재(1204)가 열전달계수가 높은 구리 재질로 형성되어 플런저팁(1202)에 결합됨에 따라 냉각수에 의한 냉각효율이 증대되므로 사이클타임이 단축되며 생산성이 향상되게 된다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나 슬리브(130)에는 플런저와의 마찰을 감소시키기 위해 윤활유를 도포하는 스프레이가 구비되는데, 링부재(1203)를 사용함으로써 종래에 주물 플런저팁을 사용하는 경우보다 윤활유를 소량 사용하더라도 충분한 마찰감소 효과를 얻을 수 있게 되고, 스프레이는 오일을 정량적으로 도포하게 구비되어 오일과다투입에 의한 탕구 그을음을 감소시키고 오일이 용융물과 혼합되거나 가스를 발생시켜 성형품의 품질을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

이러한 스프레이부는 플런저가 후퇴하여 슬리브의 끝단에 거치되었을 때 플런저의 외주면, 슬리브의 내주면 등에 윤활유를 도포하여 플런저가 전진 또는 후퇴할 때 슬리브 내주면과의 마찰력이 저하되는 것이다.

이와 같은 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법에 의하면, 알루미늄 합금의 마그네슘 함량이 높고 규소 함량이 낮아 인장강도, 항복강도, 경도 등의 기계적 성질이 향상되는 자동차 부품을 제작할 수 있으며, 제작된 자동차 부품은 내부식성이 향상되고 무게가 감소되어 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 알루미늄 합금에 베릴륨이 더 포함됨으로써 공기와의 접촉에 의한 마그네슘 산화물이 감소되고 따라서 주조성이 향상된다.

또한, 알루미늄 합금을 660℃ 이상 730℃ 이하의 제 1 설정온도로 가열하여 마련함으로써, 규소의 함량이 낮아짐에 따라 용융물의 유동성이 낮아져 주조성이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 용융물이 캐비티로 주입되는 과정에서 응고가 발생하며 탕도를 막아 성형을 방해하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 다이캐스팅 금형을 200℃ 이상 300℃ 이하의 제 2 설정온도로 유지하고 저속구간과 고속구간에 걸쳐 용융물을 주입함으로써, 빠른 응고속도와 높은 응고수축률을 가지는 알루미늄 합금을 국부응고 없이 원활히 슬리브에서 캐비티로 주입할 수 있고, 수축공 발생 또는 금형과의 소착에 의한 성형품의 품질 저하를 방지할 수 있고, 성형품에 포함되는 기포를 감소시켜 강도 등 기계적 성질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 캐비티 내부의 압력을 50mbar이하로 관리하고 제 1 실링부재 및 제 2 실링부재에 의해 외부에서 캐비티 내부로 공기가 유입되는 것을 차단함으로써, 성형품에 포함되는 기포를 감소시켜 강도 등 기계적 성질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 플런저의 플런저팁에 스틸 재질의 링부재 및 구리 재질의 부쉬부재가 구비됨으로써, 플런저와 슬리브 사이의 공차를 관리하기 용이해져 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 링부재의 수명이 다하더라도 링부재만을 간편하고 빠르게 교체할 수 있고 부쉬부재가 높은 열전달계수를 가져 냉각효율이 증대되므로 사이클타임이 단축되며 생산성이 향상될 수 있다.

이상에서, 본 실시예들의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 실시예들이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예들의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 실시예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 실시예들의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들에 개시된 실시예들은 본 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예들의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예들의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예들의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100,200: 다이캐스트 금형 110,210: 고정금형
120,220: 가동금형 130: 슬리브
C1,C2: 캐비티 310,410: 제 1 실링부재
1101: 플랜지부 1102: 제 2 실링부재
1201: 로드 1202: 플런저팁
1203: 링부재 1204: 부쉬부재

Claims

알루미늄 합금을 제 1 설정온도로 가열하여 마련된 알루미늄 합금 용융물을 슬리브에 공급하는 공급단계;
제 2 설정온도로 유지되는 다이캐스팅 금형의 캐비티에 상기 알루미늄 합금 용융물을 주입하는 주입단계;
상기 캐비티에서 상기 알루미늄 합금 용융물이 응고되어 자동차 부품으로 성형되는 성형단계;
상기 다이캐스팅 금형에서 상기 자동차 부품을 분리하는 취출단계;
를 포함하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은,
6.0중량% 이상 7.0중량% 이하의 마그네슘(Mg), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 철(Fe), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 망간(Mn), 0중량% 초과 2.5중량% 이하의 규소(Si), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 붕소(B), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 티타늄(Ti), 0중량% 초과 0.1중량% 이하의 스트론튬(Sr), 0.1중량% 이상 0.5중량% 이하의 구리(Cu), 1.0중량% 이상 2.0중량% 이하의 아연(Zn)을 포함하고 나머지가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 2 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은,
0중량% 초과 0.005중량% 이하의 베릴륨(Be)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 공급단계는,
상기 제 1 설정온도가 660℃ 이상 730℃ 이하인 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 주입단계는,
상기 제 2 설정온도가 200℃ 이상 300℃ 이하인 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 주입단계는,
상기 알루미늄 합금 용융물을 제 1 주입속도로 주입하는 저속단계;
상기 제 1 주입속도보다 큰 값을 가지는 제 2 주입속도로 주입하는 고속단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 주입속도는 0.5m/s 이상 0.8m/s 이하이고, 상기 제 2 주입속도는 2.0m/s 이상 3.8m/s 이하인 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 주입단계는,
상기 캐비티의 내부 압력이 50mbar 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 다이캐스팅 금형의 가동금형과 고정금형에는 서로 마주보는 면 중 적어도 어느 하나에 제 1 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 슬리브와 상기 다이캐스팅 금형의 결합부위에는 제 2 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 주조-전신재 겸용 알루미늄 합금이 적용된 자동차 부품의 다이캐스팅 제조방법.