영구 금형 주조란 무엇인가요? 공정, 재료 및 응용 분야

영구 금형 주조 는 재사용 가능한 금속 주형과 중력 주조를 사용하여 고강도 비철 부품을 생산하는 정밀 주조 공정입니다. 이 방법은 흔히 중력 다이 캐스팅는 내구성이 뛰어난 금속 다이를 사용하여 장시간 생산에도 우수한 기계적 특성과 치수 일관성을 달성합니다. 주로 알루미늄, 마그네슘, 구리 합금의 중간 규모 생산에 사용되며 주조 무결성과 비용 효율성 간의 균형을 제공합니다.

영구 금형 주조란?

영구 금형 주조 는 재사용 가능한 멀티피스 금속 금형을 사용하여 중력에 의존하여 캐비티를 채우고 최종 부품을 성형하는 금속 성형 기술입니다. 지정 "영구" 는 일반적으로 내구성이 강한 주철 또는 공구강으로 제작된 금형이 반복적인 열 순환을 견딜 수 있도록 설계되어 수천 번의 주조 사이클에도 파손되지 않고 견딜 수 있음을 의미합니다. 모래 주조나 인베스트먼트 주조와 같은 일회용 금형에 비해 금속 금형은 훨씬 더 높은 내구성과 일관성을 제공합니다. 이러한 안정성은 우수한 주조 정확도로 직결됩니다. 이 공정은 주로 주조에 최적화되어 있습니다. 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 녹는 온도가 낮기 때문입니다.

프로세스 작동 방식

영구 금형 주조의 특징인 정확성과 반복성은 엄격하고 세심하게 관리되는 다단계 사이클의 결과입니다:

금형 준비 및 예열

사이클은 금속 금형이 깨끗하고 예열되었는지 확인하는 것으로 시작됩니다. 금형은 일반적으로 150°C에서 300°C 사이의 정확한 작동 온도로 예열됩니다. 이 초기 단계는 냉각 속도를 제어하고 콜드 셧이나 크랙과 같은 결함을 방지하는 데 필요한 열 안정성을 확립하는 데 필수적입니다.

코팅 애플리케이션

다음과 같은 얇고 내화성인 코팅은 흑연 또는 질화 붕소를 금형 내부 표면에 도포합니다. 이 코팅은 용융 금속이 강철 금형에 융합되는 것을 방지하고(이형제 역할을 함) 열 전달 속도를 조절하는 열 장벽 역할을 하여 금속의 응고 속도를 제어하는 이중 기능을 수행합니다.

금속 주입 및 응고

용융 금속은 중력 하에서 금형 캐비티에 직접 부어지며, 일반적으로 외부 압력은 사용되지 않습니다. 금속 금형을 통한 빠른 열 발산으로 빠른 방향성 응고가 시작됩니다. 금형 온도와 적용된 코팅에 의해 좌우되는 냉각 속도는 부품의 최종 미세 입자 구조와 기계적 강도를 결정하는 주요 요인입니다.

금형 개봉 및 배출

금속이 완전히 굳으면 몰드가 열립니다. 경질 주물은 종종 통합된 이젝터 핀 또는 자동화된 시스템을 사용합니다. 이 제거 공정은 주물이 금형에서 수축되어 변형이 발생하지 않도록 정확한 타이밍에 맞춰 진행해야 합니다.

마무리 및 트리밍

마지막 단계에서는 게이트 및 라이저 시스템에서 주물을 절단하고 사소한 플래시를 제거합니다. 그런 다음 결과 구성 요소는 다음과 같은 2차 프로세스를 거칠 수 있습니다. 열처리 (알루미늄 합금의 T6 공정과 같은) 공정을 통해 경도 및 연성 등 최종 기계적 특성을 최적화합니다.

영구 금형 주조의 유형

표준 중력 주입 방식 외에도 금형 충진 개선, 결함 감소, 복잡한 부품에 대한 공정 기능 확장을 위해 영구 금형 주조의 여러 고급 변형이 발전해 왔습니다. 올바른 변형을 선택하는 것은 부품의 복잡성과 성능 요구 사항에 따라 엔지니어링적으로 중요한 결정을 내리는 경우가 많습니다.

1. 저압 영구 금형(LPPM)

이 방식에서는 용융 금속이 밀폐된 도가니에서 부드러운 공기 압력(보통 0.7bar 미만)으로 다이 캐비티로 위로 밀려 올라갑니다. 난기류 없이 제어된 충진으로 산화와 다공성을 최소화하여 매우 조밀하고 깨끗한 주조물을 얻을 수 있습니다. 따라서 자동차 휠과 같이 무결성이 높은 부품에 이상적입니다.

2. 틸트-부어 영구 금형

여기서 금형은 주입 중에 수평에서 수직으로 서서히 이동하는 틸팅 메커니즘에 장착됩니다. 이 부드러운 움직임은 금속 유량을 조절하고 난류를 최소화하여 흐름 불연속성에 민감한 얇은 벽이나 대형 주물에서 공기 혼입을 줄입니다.

3. 진공 보조 영구 금형

주입하는 동안 다이 캐비티에 진공을 적용하면 용융 금속을 복잡한 부분으로 적극적으로 끌어당기는 동시에 갇힌 가스를 제거할 수 있습니다. 그 결과 다공성을 최소화한 미세한 미세 구조가 만들어지며, 이는 결함 수준이 제로에 가까워야 하는 내압 부품 및 항공 우주 등급 알루미늄 합금에 매우 선호되는 방식입니다.

4. 반영구 금형 주조

이 하이브리드 접근 방식은 재사용 가능한 금속 다이를 다음과 결합합니다. 소모성 모래 코어 를 사용하여 복잡한 내부 캐비티나 언더컷을 만들 수 있습니다. 이 기술은 내부 형상에 모래를 사용함으로써 영구 금형 공정에서 완전 소모성 금형이 필요한 디자인을 성공적으로 처리하여 기하학적 유연성을 크게 확장할 수 있습니다.

5. 슬러시 캐스팅

슬러시 주조는 남은 액체 금속이 쏟아지기 전에 부어 넣은 금속의 외층만 응고되도록 하는 틈새 주조 방식입니다. 두께가 제어된 속이 비어 있고 벽이 얇은 주물을 생산하며, 일반적으로 장식용 제품이나 구조적 강도가 주요 요구 사항이 아닌 초경량 응용 분야에 사용됩니다.

영구 금형 주조에 사용되는 재료

영구 금형 주조에서 재료 선택은 매우 중요하며, 최종 제품 품질과 공정 효율성을 결정하기 위해 상호 작용하는 세 가지 재료 세트가 포함됩니다:

• 금형 금속: 금형 자체는 주로 열 피로 저항성이 높은 고급 재료로 제작됩니다. 주철 또는 특수 H13 공구강. 이러한 소재는 반복적이고 빠른 온도 순환에 대한 내성을 고려하여 선택되어 긴 금형 수명을 보장합니다.

• 주조 합금: 이 공정은 다음과 같은 비철 금속에 탁월합니다. 알루미늄 (예: A356, 319 시리즈), 마그네슘, 황동및 브론즈. 이러한 저융점 합금의 사용은 금속 금형의 열 부하를 관리하는 데 매우 중요합니다.

• 코팅: 내화 코팅, 주로 흑연 그리고 질화 붕소는 이형제 역할을 하는 이형제와 열 관리 모두에 필수적입니다. 이러한 코팅의 내구성과 균일성은 일관된 표면 품질을 달성하고 금속 다이의 수명을 연장하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

영구 금형 주조의 장점

영구 금형 주조는 특히 기계적 무결성과 생산 일관성 측면에서 소모품 주조 방식에 비해 여러 가지 공학적 이점을 제공합니다:

• 높은 기계적 강도: 금속 몰드의 높은 열전도율은 응고를 가속화하여 입자 구조를 개선하고 기계적 강도, 경도 및 내마모성을 향상시킵니다.

• 뛰어난 치수 정확도: 단단한 강철 또는 철제 금형은 일반적으로 뒤틀림이나 왜곡을 최소화하면서 ±0.25mm 내외의 공차를 유지하여 뛰어난 반복성을 제공합니다.

• 뛰어난 표면 마감: 매끄러운 캐비티 표면과 제어된 냉각으로 모래 주조보다 훨씬 우수한 Ra 3.2~6.3 µm 범위의 표면 거칠기 값을 얻을 수 있습니다.

• 가공 요구 사항 감소: 그물 모양에 가까운 정밀도로 주조 후 가공을 없애거나 최소화하여 부품당 생산 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

• 높은 반복성: 각 금형은 일관된 출력으로 수천 번 재사용할 수 있어 중대형 생산에 적합합니다.

• 향상된 금속 무결성: 방향성 응고는 다공성 및 수축 결함을 최소화하여 밀도가 높고 기밀성이 뛰어난 주물을 생산합니다.

영구 금형 주조의 한계

영구 금형 주조는 기계적 장점에도 불구하고 적용 적합성에 영향을 미치는 몇 가지 주요 제약이 있습니다:

• 제한된 부품 크기 범위: 크거나 매우 불규칙한 부품은 금형 무게, 취급 제한, 불균일한 냉각 동작으로 인해 비실용적입니다.

• 높은 툴링 비용: 금속 금형 가공 및 열처리를 위한 초기 투자 비용이 상당하기 때문에 단기 생산이나 프로토타입 제작에는 비경제적인 공정이 될 수 있습니다.

• 재료 제한: 이 공정은 주로 비철 합금(알루미늄, 마그네슘, 구리)으로 제한되며, 철 금속은 금형에 과도한 열 스트레스와 마모를 유발합니다.

• 기하학적 제약 조건: 복잡한 내부 기능과 깊은 언더컷은 소모성 코어나 하이브리드 설계 없이는 제작하기 어렵습니다.

• 열 피로 및 유지 관리: 지속적인 가열 및 냉각 사이클은 금형 표면을 점차적으로 열화시켜 품질을 유지하기 위해 정기적인 검사 및 재코팅이 필요합니다.

영구 금형 주조 사용 시기

영구 금형 주조는 성능과 비용 효율성 간의 균형을 추구하는 특정 생산 프로파일에 최적화된 솔루션입니다.

프로젝트에 다음이 필요한 경우 이 프로세스를 고려해야 합니다. 중간 생산량일반적으로 연간 수천 개에서 수만 개에 이르는 부품을 생산합니다. 제조 분야에서 선호되는 선택입니다. 고강도, 고반복성 알루미늄, 마그네슘 또는 구리 합금으로 부품을 제작할 수 있습니다. 이상적인 부품은 적당한 복잡성과 비교적 균일한 벽 두께를 가지며 모래 주조보다 더 나은 표면 품질을 필요로 합니다. 반대로 이 공정은 시제품 생산, 소량 배치, 철 금속 주조가 필요한 부품 또는 매우 불규칙하거나 거대한 형상을 가진 부품에는 권장되지 않습니다.

따라서 고압 다이 캐스팅의 과도한 툴링 비용 없이 강도, 반복성 및 표면 정밀도가 중요한 경우 영구 금형 주조가 이상적인 선택이 될 수 있습니다.

현대 산업에서의 애플리케이션

영구 금형 주조는 신뢰성과 우수한 기계적 특성으로 인해 적당한 양으로 생산되는 견고한 비철 부품을 필요로 하는 고신뢰성 분야에 필수적입니다:

• 자동차: 주요 애플리케이션에는 고성능 피스톤엔진 브래킷, 변속기 부품, 브레이크 부품 등 일관된 밀도와 강도가 가장 중요한 부품에 사용됩니다.

• 항공우주 및 해양: 크리티컬에 사용 밸브 본체펌프 하우징 및 높은 중량 대비 강도와 내식성을 모두 필요로 하는 구조용 피팅에 사용됩니다.

• 기계 및 전자 제품: 다음과 같은 구성 요소 유압 매니폴드특수 기어 하우징과 내구성이 뛰어난 전기 커넥터 인클로저는 공정의 정밀도와 밀도를 크게 향상시킵니다.

이 공정은 안정적이고 중간 정도의 생산량에서 신뢰할 수 있는 강도, 밀도 및 일관성을 중요시하는 애플리케이션에 탁월합니다.

엔지니어링 전망

영구 금형 주조는 제조 생태계에서 높은 무결성, 중간 규모 생산을 위한 솔루션으로 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 영구 주조는 저비용, 저공차 모래 주조와 고속, 고비용의 다이 주조 사이의 비용 및 공차 격차를 해소하는 강력하고 반복 가능한 대안으로 성공적으로 자리 잡았습니다. 향후 기술 발전은 다음을 확장하는 데 중점을 두고 있습니다. 다이 라이프 정교한 코팅 소재를 통해 다음과 같은 방법으로 효율성을 높입니다. 자동 주입 시스템및 개발 하이브리드 몰드 시스템 소모성 코어를 통합하여 기하학적 복잡성을 높입니다.

알루미늄 또는 구리 합금으로 제작된 엔지니어링 등급의 영구 금형 주조가 필요하신가요? 도면 보내기 를 통해 빠른 DFM 확인과 신뢰할 수 있는 견적을 받아보세요.