기술 동향
다이캐스트 생산 기술의 최신 동향
니시 나오미 (西直美) 일본다이캐스트협회 기술부 부장
다이캐스트는 알루미늄합금, 아연합금, 마그네슘합금, 동 합금 등의 용융 합금을 정밀한 금형 속에 충전·가압 응고하 여 고정도이며 표면이 우수한 주물을 단시간에 대량 생산하 는 주조 방식이다. 다이캐스트는 우수한 치수 정도, 아름답 고 매끄러운 주물 표면, 높은 생산성 등의 특징을 가지며, 자 동차에서 말하면 실린더 블록, 트랜스미션 케이스, 오일펌프 케이스, 로커 커버 등의 파워트레인 케이스류·커버류를 중 심으로 사용되어 왔다.
한편 주조에 의한 결함이 많아 신뢰성이 떨어지고, 가스 함유량이 많아 T6 열처리·용접이 어렵기 때문에 자동차의 선회나 보디 부품 등 높은 품질이 요구되는 부품에는 적용이 어려웠다. 그러나 최근 고진공 다이캐스트나 저속 충전 다이 캐스트 등의 특수 다이캐스트 기술이 비약적으로 개발·실 용화되어 난이도 높은 제품에도 적용이 추진되고 있다. 또한 경량화를 목표로 한 다이캐스트의 박육화, 코스트 다운을 목 표로 한 하이사이클화, 환경부하 절감을 목표로 한 에너지절 감화·자원절감화에도 대응하고 있다.
이 글에서는 빠른 속도로 발전하고 있는 다이캐스트의 생 산 기술에 대해서 앞으로의 전망과 함께 소개한다.
다이캐스트의 생산량 추이 
그림 1은 1990년 이후의 일본 다이캐스트 생산량을 나타낸 것이다. 1990년의전체다이캐스트생산량은752,035t으로, 버 블붕괴이후10년간의다이캐스트생산량은미량이었다. 그러 나2002년부터2007년까지다이캐스트는비약적으로그생산 량이 증가하였다. 그 견인차가 된 것이 자동차의 수출 증가였 다. 그러나 또 다시 위기가 찾아왔다. 2007년 미국에서 발생 한 서브 프라임론 문제, 2008년 가을 리먼 브라더스의 경영 파탄에 의한 세계적인 금융 위기로 세계 경제는 급속한 축소 를 피할 수 없게 되면서 2009년의 생산량이 현저하게 감소 했다. 2010년에는 자동차 생산의 회복에 의해 다이캐스트 생산량이 97만t을 넘었을 것으로 예상된다. 2011년 이후에 는 서서히 세계 경제가 안정되어 수요가 회복되어 가면 다이 캐스트의 생산량도 증가할 것으로 생각된다.
최근의 다이캐스트 기술
1. 다이캐스트법
일반적인 다이캐스트의 살두께는 2∼5mm의 범위에 있 으며, 용탕은 금형 캐비티에 게이트 통과 속도 20∼70m/s, 충전 시간 100ms 이하의 단시간에 충전을 완료해야 한다. 그 결과, 대부분의 가스가 제품 내에 갇히게 된다. 그 양은 실온 1기압 환산으로 10∼50mL/100gAl에 달한다. 갇힌 가스는 20∼70MPa의 고압력으로 압축된다.
이들 가스는 T6 열처리나 용접 등의 후가공을 할 때에 팽창하여 블리스터나 용접 불량 등의 원인이 된다. 이들 문제점을 극복하기 위해 예전부터 여러 가지 고품질 다이캐스트법이 개발되어 왔다. 1994년에 다이캐스트가 사 용된 아우디 A8의 올 알루미늄 스페이스 프레임이 등장했을 때에는 유럽과의 기술 레벨 차이가 컸지만, 최근에는 일본 이 유럽을 따라잡아 오히려 코스트 면에서는 우위에 서 있다 고 생각된다.
특히 빠르게 발전한 것이 고진공 다이캐스트법이다. 이것 은 금형 캐비티의 진공도를 10kPa 이하로 하여 다이캐스트 의 가스량을 5mL/100gAl 이하로 할 수 있고, T6 열처리나 용접을 가능하게 한다. 적용 예로서는 그림 2에 나타낸 자 동차의 보디 부품이나 그림 3에 나타낸 프레임 부품 등 많 은 중요 보안 부품이 다이캐스트화되었다. 
저속 충전 다이캐스트법은 사출 속도 0.1m/s 이하, 게이 트 속도 1m/s 이하로 하여, 사출 슬리브 및 금형 캐비티의 가스를 금형 외부로 배출하고 제품 내에 들어오는 것을 방지 할 수 있는 두꺼운 게이트에서 높은 주조 압력을 부하하는 방법으로, 고진공 다이캐스트법과 동일하게 가스 함유량을 5mL/100gAl 이하로할수있고 T6 열처리나 용접이 가능하 다. 이것은 1970년대부터 개발·실용화가 추진되고 있던 기 술인데, 최근에는 사출 속도의 다단 제어가 가능해지고 품질 이 높은 다이캐스트 생산이 가능해졌다. 또한 에어 가압에 의해 직접 금형 캐비티 내에 용탕을 충전, 가압자에 의해 가 압하는 NI법(New Injection Die Casting Process)이 개발 되어 그림 4에 나타낸 너클 암 등의 기계적 성질이 우수한 다이캐스트가 생산되고 있다.
저속으로 충전하는 다이캐스트법의 일종으로 초정을 입 상화하여 고체 액체 공존 상태의 유동성을 확보한 세미 솔리 드 다이캐스트법이 있다. 이것은 1970년 경부터 연구되고 있던 방법인데, 1993년에 SSM법이 발표되어 실용화되었기 때문에 빠르게 주목받게 되었다. 이 다이캐스트법은 응고수 축량이 적어 블로홀이 잘 발생하지 않는다, 점성 유동 때문 에 가스의 침입이 적다, 잠열량이 적어 금형 수명이 길다 등 의 특징이 있다.
이 방법에는 합금을 액체 상태로부터 교반하면서 냉각하 여 초정을 입자 모양으로 성장시켜 소정의 고상률에 도달한 시점에서 성형하는 레오캐스트법과 함금을 용융한 후 교반 하면서 고체 액체 공존 상태까지 냉각하고 일단 응고시켜 빌릿을 제작하고 주조시에 다시 빌릿을 가열한 후 고체 액체 공존 상태로 한 다음에 성형하는 틱소캐스트법이 있는데, 코스트 등의 문제로 인해 현재는 레오캐스트법이 주로 사용된 다. 최근에는 보다 간편하게 고체 액체 공존 상태의 슬러리 를 생성할 수 있는 방법이 개발되어 그림 5와 같이 자동 이 륜차의 암 등이 생산되고 있다. 그러나 현 시점에서 세미솔 리드법을 일본 국내에서 도입하고 있는 기업은 10사 정도밖 에 없다. 이것은 다른 고품질 다이캐스트에 비교하여 코스트 가 상승되는 것이 그 하나의 원인으로 생각되지만, 제품의 품질이나 금형 수명 등 토털 코스트로는 충분한 메리트가 있 다고 생각되며 앞으로의 적용이 기대된다. 
2. 다이캐스트 머신
기존 일본 국내 다이캐스트 머신의 고속 사출 속도는 겨 우 3m/s 정도였지만, 1990년대 중반부터 공 블랭킹에서 10m/s라고 하는 고속(이것을 업계에서는 초고속이라고 부 른다)으로, 더구나 복잡한 사출 속도 제어가 가능한 다이캐 스트 머신이 개발되어 최근 10년간 일본 국내에 상당히 보급 되어 왔다. 현재 일본 국내의 다이캐스트 메이커에서는 40 사 이상이 채용하고 있다.
이 다이캐스트머신에 의해 그림 6과 같이290×220mm로 비교적 대형의 제품으로 살두께가 1.5mm인 박육 다이캐스트 의 생산이 가능해졌다. 5m/s를 넘는 고속을 유지하면서 충전 을 완료하면, 충격압에 의해 캐스팅 핀이 발생하는데 최종 충 전시에 사출 속도를 감속하여 충격압을 저하시키는 방식이 채 용되고있다. 최근에는최종충전시에감속하는대신에충전력 을 제어하여 충격압을 저하시키는 방법이 개발·실용화되고 있다. 이것에 의해 충전성을 잃지 않고 충격압을 저하할 수 있 고, 캐스팅핀의발생을억제하는것이가능해졌다.
알루미늄용 핫챔버는 이전부터 대응해 온 과제였지만, 사 출 부재의 용손·내구성 문제로부터 실용화에는 이르지 못 했다. 그러나 2000년에 사출 부재로 세라믹스를 사용한 다 이캐스트 머신이 개발·실용화되었다. 10년 경과한 현재에 도 그다지 보급은 진전되지 않았지만, 일본 국내에서는 여러 회사에서 생산이 이루어지고 있다.
주조 압력의 저압화는 주조 가능 면적의 증가, 금형 수명 의 향상, 캐스팅 핀 발생의 절감 등을 목적으로 최근에는 상 당히 보급되어 있다. 일반적으로 주조 압력은 70∼100MPa 정도가 사용되는데, 최근에는 40MPa 이하의 저압으로 다 이캐스트하는 경우도 있다.
기존 다이캐스트 머신은 형체결 및 사출·증압을 유압에 의해 구동하는 방식이 중심이었지만, 최근에는 형체결과 저 속 사출 및 증압을 전동 서보로 하여 고속 사출을 유압 서보 로 하는 하이브리드형 다이캐스트 머신이 개발되어 하이사 이클화, 공간절감화, 에너지절감화가 추진되어 왔다.
3. 합금 재료
(1) 알루미늄합금
알루미늄합금 다이캐스트는 JIS 규격에 20종류가 규정되 어 있지만, 일본 국내의 알루미늄합금 다이캐스트 생산량의 약 95%가 ADC 12이다. ADC 12는 함동 실루민합금에서 Al- Si 공정에가까운조성을기본으로Cu가1.5∼3.5% 첨가된것 으로, 주조성이나 기계적 성질이 우수한 균형 잡힌 재료이다. 다이캐스트용 JIS 합금에는 금형과의 버닝이나 용손을 방지 할목적으로Fe가0.7∼1.0% 첨가 되어 있으며, 그렇기 때문에 신연이나 충격값등의 연성·인성이 저해된다. 그러나 앞에서 설명했듯이 고품질 다이캐스트법으로 제조되는 대부분의 부 품에는 강도 이외에도 연성·인성이 우수한 것이 요구된다. 최근에는 Fe 함유량을 가급적 절감하여 금형에 대한 버닝을 방지하기 위해 Mn을 첨가한 Al-Si-Mg계의 합금이나 비열 처리형의Al-Mg계합금등이개발·실용화되고있다. 
현재의 자동차 제어는 전자 제어가 주체로 좁은 장소에 전자 디바이스를 집적하기 때문에 방열 특성이 문제가 된다. 또한 차세대 조명으로서 주목받고 있는 LED는 온도가 높으 면 발광 특성이 악화하거나 수명이 짧아지거나 하기 때문에 유닛으로서는 LED에서 발생하는 열을 배출하는 우수한 방 열성이 요구된다. 이들을 해결하는 방법으로서 그림 7에 나 타낸 케이스류의 방열 특성을 향상시키기 위해 고열전도성 다이캐스트용 합금이 개발·실용화되어 왔다. ADC 12의 열 전도율이 96W/(m·K) 정도인 것에 대해서, 개발된 재료는 130∼170W/(m·K)로 35∼77% 높다.
이들 새로운 용도에 대응한 다이캐스트용 합금에 대한 관 심은 아직 낮고 앞으로의 개발이 기대된다.
(2) 아연합금
아연합금 다이캐스트는 알루미늄합금이나 마그네슘합금 다이캐스트에 비해 탕흐름성과 치수 정도가 우수하기 때문 에 박육 부품에 적용되고 있다. 또한 재료적인 면에서는 도 금성이 우수하기 때문에 고내부식성 부품에 적용할 수 있다. 더구나 소재 자체의 특징으로서 고영률, 고인성, 높은 신연 성 등을 들 수 있다. 그러나‘생산량의 추이’에서 말했듯이 밀도가 높기 때문에 경량화를 지향하는 자동차 등의 운송기 부품에 대해서는 위의 장점을 활용한 부품 이외에는 그다지 적용되지 않고 있다.
그래서 박육화를 지향하여 일본다이캐스트협회와 일본광업 협회 납아연수요개발센터가 공동으로 설립한‘다이캐스트용 아연합금위원회’에서는 초박육 아연합금 다이캐스트의 연구 를 실시했다. 그 결과, 원액 이형제를 스프레이 도모하여 용탕 이금형캐비티를유동할때에이형제가가스화하여단열피막 을형성하여유동성이대폭으로개선되고, 살두께가0.2mm인 다이캐스트가 가능한 것과 Al과 Cu를 각각 8%, 3% 첨가한 합 금을 0.2mm의 박육 다이캐스트하여 인장강도 500MPa, 파단 신연 5%의 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있다는 것을 보고하 고있다. 이것에의해비강도는알루미늄합금다이캐스트에가 까운값이얻어지고, 새로운용도확대가기대된다.
(3) 마그네슘합금
마그네슘합금의 밀도는 1.7∼1.8g/cm3 정도로 알루미늄 의 2/3, 철의 1/4이고, 실용 합금 중 가장 경량인 금속이며 비강도, 비강성이 높기 때문에 AV 기기, 휴대전화, 노트북 퍼스널컴퓨터 케이스 등의 약전 분야의 용도나 스테어링 휠, 로커 커버 등의 자동차 부품에 적용되고 있다. 그러나 재료 가격의 불안정과 해외와의 가격 경쟁 등으로부터 일본 국내 의 생산량이 감소하고 있다. 
다이캐스트에 가장 많이 사용되는 AZ 91 D는 내열성이 떨 어지기 때문에 자동차의 엔진 선회에 사용하는 것이 어렵고, 사용 온도가 낮은 인테크 매니폴드나 실린더 헤드 커버에 사 용되는정도였다. 그러나최근에는내열성의Mg-Al-Ca-RE 계 합금이나 Mg-Al-Ca-Sr계의 합금이 개발되어 미션 케이 스, 클러치하우징케이스, 그림 8에나타낸오일팬등의파워 트레인 관계 부품의 다이캐스트화가 진전되고 있다. 차체 관 계에서는 인스트루먼트 패널이나 시트 프레임 등이 AM 60 B 등으로생산되고있는데, 앞에서소개한알루미늄합금다이캐 스트에서 사용되는 고진공 다이캐스트를 마그네슘합금에 적 용하여자동이륜차의리어프레임등도생산되고있다.
앞으로 차체의 경량화가 요구될 것으로 예상됨에 따라 마 그네슘의 적용이 확대될 것으로 생각된다.
4. 다이캐스트
금형 1990년이후에일본국내에서생산된다이캐스트금형생산 수(세트수)의추이를그림 9에나타냈다. 1990년에는5,930세 트, 2000년에는 8,529세트, 2006년에는 12,061세트로 점차로 증가해왔는데, 2009년에는7,563세트로대폭 감소했다. 
다이캐스트 금형의 재료는 일반적으로 모형에는 주철이나 주강이, 인서트에는SKD 61 혹은그개량합금이사용된다. 최 근에는 사이클 타임의 단축이나 특수 다이캐스트법이 보급되 고 있기 때문에 기존 다이캐스트에 비해 금형에 대한 부하가 커지고 있다. 그렇기 때문에 보다 고성능인 금형 재료가 개 발·실용화되고 있다. 예를들면 기존의 SKD 개량재료에서는 고온강도와인성이상반하는관계에있었지만, 양자의특성을 동시에 만족시켜 형 표면의 히트 크랙, 대균열, 냉각구멍의 크 랙 발생을 억제할 수 있는 재료가 개발되었다. 또한 기존의 SKD 61 상당합금에비해열전도율을1.6배높게하여금형온 도를낮게할수있기때문에버닝이나 용손을 절감할 수 있고 열응력을 작게하여 히트 체크를 억제할 수 있는 등 금형 수명 향상이가능한재료가개발되었다.
다이캐스트금형에는금형수명을향상시키기위해일반적 으로 질화 등의 확산처리나 PVD, CVD 등의 코팅 처리라고 하는 표면처리가 이루어진다. 확산처리에서는 산화처리가 가 장 주목받고 있으며, 질화와 산화를 복합처리하여 질화처리 만 했을 때보다 내용손성, 내버닝성, 내스커핑성을 향상시킬 수 있다. 또한 코팅에서는 플라즈마 CVD(PCVD)법이 주목되 고 있다. 이것은 원료로서 가스를 이용하여 플라즈마 화학반 응에 의해 피막을 형성하는 방법으로, 그림 10에 나타낸 다 층막을 용이하게 형성할 수 있고 내산화성, 내용손성, 이형성 이 우수한 처리를 할 수 있어 이형제리스 다이캐스트에 대한 기대가 높아지고 있다. 앞으로 금형 재료나 표면처리뿐만 아 니라 단납기·소로트 대응 금형의 제조 기술 개발과 언더컷 등의형상자유도가높은금형기술개발이기대된다.
지금까지 다이캐스트는 많은 발전을 이루어 왔다. 2008 년에 발생한 세계적인 경제 위기의 영향을 받아 2009년에는 큰 폭의 생산량 저하를 초래했지만, 2010년에는 다시금 회 복세를 보였다. 그러나 자동차나 가전 등 공업제품의 일본 국내 수요는 포화 상태에 있으며, 신규 수요의 개척이나 해 외 전개가 큰 과제로 되어 있다.
또한 다이캐스트의 주된 용도인 자동차도 화석연료로부 터 전기로 바뀌어 앞으로 10∼20년 사이에 큰 변혁을 맞이 할 가능성이 있으며, 경우에 따라서는 다이캐스트 시장이 축 소될 가능성도 있다. 그러나 다행이도 다이캐스트는 3R(Re-duce, Re-use, Re-cycle)에 대응하기 쉬운 프로세 스로, 지금까지 자동차 관련에서 축적해 온 고품질화 기술, 새로운 재료, 열처리·용접 등의 고도화 기술, 금형 기술을 발전시켜 더욱 확대되어 갈 것으로 기대된다.
