최근 알루미늄이나 아연, 마그네슘 등의 다이캐스트 제품은 자동차 부품 이외에도 산업기기나 OA 기기 등에 널리 사용되고 있다. 또한 앞으로 경량화 요구가 더욱 높아질 것은 분명하며, 다이캐스트 제품의 박육화·복잡형상화와 고품질·저코스트의 양립이 필수라고 생각된다. 박육화나 고품질 확보를 위해서는 우수한 용탕 충전성의 확보와 가스 권입이나 블로홀의 저감이 문제가 된다. 그 수단으로서는 일반적으로는 고진공화나 초고속 사출화 등 주조기의 하이스펙화가 생각되는데, 반대로 주조기의 가격 상승이나 유지 관리비의 증대, 금형 수명의 저하 등에 의한 고코스트가 과제가 된다. 

이 글에서는 앞에서 말한 과제를 해결할 수 있는 금형 기술로서 주목받고 있는, 토요다자동차(주) 등과 공동 개발한 획기적인 탕흐름성을 가지는 나노카본 재료를 이용한 다이캐스트 금형용 표면처리(이하 카본 코팅이라고 부른다) 기술에 대해 소개한다.

카본 코팅의 개요

 

카본 코팅(이하 CC라고 한다)은 카본 나노파이버와 풀러렌을 조합시킨 치밀한 카본 피막이다. 그림 1에 나노카본 재료의 사진과 모식도를 나타냈다. 카본 나노파이버는 가스 침류질화 처리의 과정에서 아세틸렌 가스를 넣음으로써 금형 표면의 침류질화층에서 석출된다. 그러나 카본 나노파이버만으로는 고속·고압으로 주조되는 다이캐스트의 과혹한 조건에서는 피막이 벗겨져 버리기 때문에 풀러렌을 침투시킴으로써 강고한 피막을 만드는 것이 가능해진다. CC 개발의 상세에 대해서 다음에 더 다루기로 한다.

▲ 그림 1. 나노카본 재료의 사진과 모식도

CC의 제원을 표에 나타냈다. 박막 타입은 표준 사양이고, 후막 타입은 고단열성 사양이다. 또한 CC는 고온으로 열화하기 때문에 최고 사용 온도를 무산소 분위기와 유산소 분위기에서 설정하고 있다. 금형 내에 알루미늄 용탕이 충전하고 있는 무산소 분위기에 가까운 상태에서는 금형 온도를 660℃ 이하로, 금형이 열린 후의 유산소 분위기에서는 금형 온도를 380℃ 이하로 할 필요가 있다.

▲ 표. 카본 코팅의 제원

카본 코팅의 특징

일반적으로 다이캐스트 금형의 표면처리에 기대되는 특성에는 내용손성이나 내버닝성, 내히트체크성 등이 있으며, 목적에 대응해 질화나 PVD, CVD 등의 여러 가지 표면처리가 사용되고 있다. CC는 기존 표면처리 피막으로는 실현할 수 없었던 전혀 새로운 특성인 저습윤성에 의한 우수한 탕흐름성을 실현한 세계 최초의 피막이다. 이하에 CC의 주된 특징을 소개한다.

1. 저습윤성에 의한 고탕흐름성

CC는 연꽃 입이 물을 튕기듯이 용융한 알루미늄 등의 금속을 튕기는 특성을 가지고 있다. 알루미늄 다이캐스트의 경우, 주탕 온도는 650~680℃ 정도인데, 금형 온도는 200~350℃ 정도이기 때문에 용탕이 금형에 접촉하면 순식간에 응고한다. 그림 2에 주조 중의 탕흐름 이미지를 나타냈다. 기존품에서는 금형과 접한 용탕이 급랭 응고해 틸층을 형성하기 때문에 용탕의 유동·보급 경로가 좁아지고 끝단까지 주조압이 잘 걸리지 않는다. 한편, CC 처리한 금형에서는 금형 내(CC 표면)를 용탕이 굴러가듯이 흐르기 때문에 탕흐름성이 대폭으로 향상된다. 사내 탕흐름 평가시험에서는 질화나 주름 등의 표면처리에 대해 유동 길이는 2배 이상이 되는 것을 확인했다. 또한 틸층이 잘 생기지 않기 때문에 기존품에 대해 끝단까지 주조압이 걸림으로써 블로홀을 미세화하는 효과도 기대할 수 있다.

▲ 그림 2. 주조 중의 탕흐름 이미지

2. 저친화성에 의한 내버닝성

버닝은 금형 표면에 알루미늄이 부착하는 현상인데, 일반적으로 철과 알루미늄의 금속간 화합물의 형성에 의한 것은 잘 알려져 있다. 금속간 화합물이 형성되는 것은 직접 금형과 알루미늄이 접촉하기 때문이다. 카본 피막으로 덮인 CC 처리의 금형 표면에서는 애초 앞에서 말한 반응은 잘 일어나지 않기 때문에 화합물 형성에 의한 버닝은 발생하지 않는다. 단, 이형 시의 금형 온도가 높고 알루미늄 자체의 강도가 낮은 경우에는 CC라도 알루미늄의 부착은 발생하므로 그와 같은 경우에는 금형 온도를 내리는 대책이 필요하다.

3. 함유성

CC의 피막 구조와 함유성에 대해 그림 3에서 설명한다. 그림 3 (a)는 주조 후의 CC 단면 사진이고, 그림 3 (b)는 그것을 캐비티면 측에서 본 사진이다. 그림 3 (c)는 CC 처리 직후의 모식도로, 처리 직후에는 비교적 빈틈새가 많은 상태로 카본 나노파이버 간에 풀러렌이 존재하고 있다. 그림 3 (d)는 주조 후의 함유 상태의 모식도로, CC는 열과 압력에 의해 눌러 굳혀지는데, 빈틈새부에 이형제가 유지된 상태로 되어 있다고 생각된다. 그림 3 (b)의 사진에서도 알 수 있듯이 주조 후의 CC 표면은 카본이 겹쳐진 비늘 모양으로 되어 있으며, 각 비늘의 틈새에서 이형제가 스며들어가 있다고 생각된다. 이와 같은 함유성을 가짐으로써 탕흐름을 보다 촉진하거나, 이형제의 알루미늄 용탕에 대한 침입을 경감하는 효과가 보고되어 있다.

▲ 그림 3.

4. 단열성과 전열성

다이캐스트의 탕흐름성을 위해서는 단열계의 특성이 요구되는데, 응고 단계에서는 반대로 빠르게 냉각하는 것이 필요하기 때문에 전열성이 요구된다. 지금까지의 표면처리 피막에서는 이 상반되는 특성을 가지는 것은 없었는데, CC는 저습윤성과 함유성을 겸비하고 있으며 탕흐름 시에는 피막 내의 이형제가 일부 가스화함으로써 용탕을 부상시켜 단열성을 나타낸다. 그러나 응고 시에는 용탕이 가압되면 함유 상태의 피막을 통해 금형에 밀착함으로써 카본 본래의 높은 전열성을 발휘한다. 따라서 CC는 탕흐름 시에는 단열계, 응고 시에는 전열계라는 상반된 특성을 가지는, 다른 예를 볼 수 없는 피막이라고 할 수 있다.

금형 적용에 의한 개선 사례

1. 밸브 보디에 대한 적용 사례

CC의 실형에 대한 전개에서는 탕흐름 기인의 만성 불량이 발생하고 있는 밸브 보디를 타깃으로 해 개발이 추진됐다. 자동차용 변속기의 유압회로인 밸브 보디는 복잡한 유로를 가지며, 틸층을 기인으로 하는 박리 불량이 가공 후에 여러 부위에서 발생하고 있었다. 또한 주조 공정에서는 발견할 수 없고 가공 후나 알루마이트 처리 후에 발생하기 때문에 많은 손실이 되고 있었다. CC의 적용에서는 이형제의 종류나 양의 최적화, 내부 냉각의 강화 등의 대응에 의해, 박리 발생률을 80% 저감할 수 있었다. 현재에는 밸브 보디 금형에 CC를 채용 또는 평가 중인 다이캐스터는 국내외를 합쳐 10사 이상 있으며, 앞으로 더욱 확대되어 갈 것으로 생각된다.

또한 각사의 주조 조건도 여러 가지이고, 유성 이형제만이 아니라 수용성 이형제도 효과를 내고 있는 다이캐스터도 증가하고 있다. 피막의 수명은 개발 당초에는 안전을 보아 2만숏으로 리코트하고 있었는데, 최근에는 10만숏 이상 리코트 없이 사용되고 있는 예도 있다.

2. 사출 슬리브 팁에 대한 적용 사례

CC의 알루미늄 용탕을 튕기는 특징을 이용해 사출 슬리브 팁에 적용한 사례를 소개한다. 그림 4에 사출 슬리브 팁 내면에 CC 처리한 것과, 미처리한 것의 급탕구 바로 아래의 슬리브 온도 변화를 측정한 결과를 나타냈다. 가로축은 숏 수이고, 세로축은 각 숏의 최대·최소 온도를 나타내고 있다. CC 처리를 한 쪽이 CC 처리를 하지 않은 것에 대해 안정 시의 최대 온도에서는 약 20℃, 최소 온도에서는 약 6℃ 낮은 온도로 되어 있으며, CC의 보온 효과를 확인할 수 있다. 이것에 의해 용탕 유지 온도를 내리는 것이 가능하고, 에너지절감 효과도 기대할 수 있다.

▲ 그림 4. 사출 슬리브 팁에 대한 적용 사례

그림 5는 슬리브 내의 초기 응고 조각량을 조사한 결과이다. 내경 ?60의 상온 슬리브 내에 690℃의 알루미늄 용탕을 330g 주탕, 순간적으로 슬리브를 기울이고 용탕을 배출한 후의 슬리브 내에 남아있는 응고 조각의 양을 조사했다. CC 처리한 슬리브 쪽이 분명하게 초기 응고 조각이 적다는 것을 알 수 있다. 이것으로부터 초기 응고 조각이 사출 시에 분쇄되어 제품 내에 들어가 버리는 파단 틸층의 저감 효과도 기대할 수 있다. 

▲ 그림 5. 슬리브 내의 초기 응고 조각량

앞으로의 전망

CC는 2012년경부터 적용이 증가해 최근에는 금형 부품을 중심으로 연간 약 4,000개의 부품에 적용되고 있다. 지금까지 여러 유저가 CC의 평가를 했는데, 그 중에서 새로운 효과와 과제가 보였으므로 이하에 소개한다.

새롭게 밝혀진 효과로서는 CC 적용에 의해 사출 속도나 주조 압력을 내리는 것이 가능하기 때문에 주조 버의 감소에 의한 버 제거 공수의 절감을 들 수 있다. 또한 버닝 불량 감소에 의한 금형 연마 공수의 저감이나 히트크랙의 발생이 억제되는 것에 의한 금형 메인티넌스 공수의 저감, 금형 수명의 향상 등의 효과가 나오고 있다.

과제로서는 다른 표면처리를 한 금형에 CC 처리를 한 경우, 몇 십 숏으로 피막이 벗겨지는 현상이 발생했다. 원인은 다른 표면처리의 영향으로 화합물층이 두껍고, 균열된 듯이 생성되어 열팽창이나 형체결 시의 응력 변형으로 피막이 벗겨진다는 것을 알 수 있었다. 대책으로서 다른 표면처리가 끝난 금형에 CC 처리는 원칙적으로 실시하지 않는 것으로 했다.

CC는 차세대 다이캐스트 기술로서 ‘저속·저압·저온화’를 가능하게 하는 기술이라고 생각한다. 저속·저압·저온화를 실현할 수 있으면, 하이 스펙의 다이캐스트 머신을 사용하지 않아도 머신의 다운사이징화나 금형의 열변형 저감에 의한 니어넷 셰이프화 등 여러 가지 효과를 기대할 수 있다. 

이것을 실현하기 위해서는 금형 내부 냉각 기술의 개발이 중요한 열쇠가 된다고 생각한다. CC의 금형 온도를 내려도 탕이 흐른다는 최대의 특징을 활용하기 위해서는 기존 드릴 구멍 냉각으로는 충분히 냉각할 수 없었던 부위를 3차원 냉각 구조로 냉각하는 것이 필요하다. 동사에서도 3차원 금속 적층조형에 의한 최적 냉각 구조의 연구나 벤딩 구멍 방전가공 기술의 개발에 대응하고 있다.

앞으로 자동차용 다이캐스트 부품은 보디 부품으로도 확대될 것으로 예상되는데, CC의 특징을 최대한으로 활용해 대형·박육·복잡형상화에 대응할 수 있는 고품질과 저코스트를 양립하는 새로운 다이캐스트 기술을 세계에 제안해 간다. 

시바타 츠토무 (柴田 勉) 멕인터내쇼날

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다