알루미늄 합금 주조: 공정 및 특성에 대한 완벽한 가이드

주조 알루미늄 합금에 대해 알아야 할 사항

주조 알루미늄 합금은 액체 형태로 잘 흐르고, 최소한의 결함으로 응고되며, 완성된 부품에 신뢰할 수 있는 기계적 특성을 제공하도록 특별히 고안된 알루미늄 기반 재료 그룹입니다. 압연 또는 단조를 통해 성형되는 단조 합금과 달리 주조 합금은 금형에 붓거나 주입되어 냉각 시 최종 형태를 갖습니다. 2023년 전 세계 알루미늄 주조 시장 500억 달러 돌파 가볍고 내구성이 뛰어난 부품을 추구하는 자동차, 항공우주, 가전제품 부문을 중심으로 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.

가장 중요한 결론: 모든 알루미늄 합금이 주조에 적합한 것은 아닙니다. 가장 잘 작동하는 합금은 특정 특성, 특히 유동성을 향상시키고 수축을 줄이는 실리콘 함량을 공유합니다. 특정 주조 방법에 대해 잘못된 합금을 선택하면 다공성, 열간 균열 및 사후 수정이 어렵고 비용이 많이 드는 치수 부정확성이 발생합니다.

이 기사에서는 산업 규모에서 알루미늄 주조 작업을 할 때 엔지니어와 구매자가 직면하게 되는 주요 합금 제품군, 주조 공정, 기계적 성능 데이터, 결함 원인 및 실제 결정을 다룹니다.

주조 알루미늄 합금의 분류 방법

알루미늄 협회는 주조 알루미늄 합금을 분류하기 위해 4자리 시스템을 사용합니다. 첫 번째 숫자는 주요 합금 원소를 식별하고 나머지 숫자는 해당 그룹 내의 개별 합금을 구별합니다. 소수점 뒤에 숫자가 오면 제품 형태를 나타냅니다. 주조의 경우 .0, 주괴의 경우 .1 및 .2입니다.

• 1xx.x 시리즈: 거의 순수한 알루미늄(99%), 우수한 내식성, 낮은 강도, 주로 전기 및 화학 응용 분야에 사용됩니다.
• 2xx.x 시리즈: 알루미늄-구리 합금. 강도는 높으나 주조성과 내식성이 저하됩니다. 일반적인 예: 201.0, 206.0.
• 3xx.x 시리즈: 알루미늄-실리콘-구리 또는 알루미늄-실리콘-마그네슘. 이것은 상업적으로 가장 중요한 그룹입니다. 예: A356.0, 319.0, 380.0. 유동성이 우수하고 기계적 성질이 우수합니다.
• 4xx.x 시리즈: 구리가 없는 알루미늄-실리콘. 내마모성과 유동성이 좋습니다. 예: 413.0.
• 5xx.x 시리즈: 알루미늄-마그네슘. 내식성과 기계 가공성이 우수하지만 유동성이 낮아 주조가 더 까다롭습니다. 예: 514.0.
• 7xx.x 시리즈: 알루미늄-아연. 열처리 후 강도는 매우 높으나 주조가 어렵다. 예: 771.0.
• 8xx.x 시리즈: 알루미늄-주석. 낮은 마찰이 중요한 베어링 응용 분야에 사용됩니다. 예: 850.0.

실제로, 3xx.x 시리즈는 전 세계 알루미늄 주조 생산량의 약 80~85%를 차지합니다. . 이 그룹의 지배력은 응고 중 수축을 줄이면서 용융 유동성을 향상시키는 실리콘의 독특한 능력에서 직접적으로 유래합니다.

합금 원소의 역할 알루미늄 주조 성능

각각의 주요 합금 원소는 최종 알루미늄 주조에 뚜렷한 특성을 부여합니다. 합금을 선택하거나 생산 문제를 해결할 때 이러한 기여를 이해하는 것이 필수적입니다.

실리콘(Si)

실리콘은 알루미늄 주조에 있어서 가장 중요한 합금 원소입니다. 5%에서 13% 사이의 농도에서는 유동성이 극적으로 향상되어 순수 알루미늄이 응고되기 전에 도달할 수 없는 얇은 부분과 복잡한 형상을 용융물로 채울 수 있습니다. 실리콘은 또한 액체에서 고체로의 전체 수축을 줄여 다공성과 열간 찢어짐을 최소화합니다. 공융 조성(~12.6% Si)에서는 수축이 가장 낮습니다. 나트륨이나 스트론튬을 이용한 실리콘 형태의 변형(거친 침상 실리콘을 미세한 섬유 형태로 전환)은 A356.0과 같은 합금에서 인장 강도를 10~15% 높이고 연신율을 대략 두 배로 높일 수 있습니다.

구리(Cu)

구리는 특히 열처리 후에 강도와 경도를 증가시킵니다. 319.0(3~4% Cu 함유)과 같은 합금은 높은 온도 성능으로 인해 엔진 블록과 실린더 헤드에 널리 사용됩니다. 단점은 내식성이 감소한다는 것입니다. 구리 함유 알루미늄 주물은 염분 환경에서 구멍 부식에 더 취약합니다. 0.3% 이상의 구리 함량도 용접성을 감소시킵니다.

마그네슘(Mg)

마그네슘은 3xx.x 시리즈의 T6 열처리 반응에 매우 중요합니다. A356.0에서는 0.25~0.45%의 마그네슘이 실리콘과 결합하여 시효 과정에서 Mg2Si 침전물을 형성하여 석출 경화를 제공합니다. 적절하게 열처리된 A356.0-T6 주물은 280-310MPa의 인장 강도를 달성할 수 있습니다. , 주조 상태에서 대략 160 MPa와 비교됩니다. 마그네슘이 너무 많으면(~0.6% 이상) 열간 찢어짐의 위험이 증가하고 유동성이 감소합니다.

철(에프e)

철은 일반적으로 알루미늄 주조에서 원치 않는 불순물이지만 다이 캐스팅에서는 중요한 실제 역할을 합니다. 철은 다이 납땜(알루미늄이 강철 다이에 달라붙는 경향)을 줄여줍니다. 이러한 이유로 380.0과 같은 대부분의 다이캐스팅 합금에는 0.8~1.2%의 에프e가 포함되어 있습니다. 모래 및 영구 주형 주조에서 철은 연성 및 피로 저항을 감소시키는 부서지기 쉬운 철이 풍부한 금속간 상(β-Al에프eSi "바늘" 상)의 형성을 방지하기 위해 0.5% 미만으로 유지됩니다.

아연(Zn) 및 티타늄(Ti)

아연은 7xx.x 시리즈의 강도에 기여하지만 일반적으로 다른 합금에서는 오염 물질입니다. 소량(0.1~0.2%)의 티타늄은 붕소(TiB2 핵물질)와 결합하여 결정립 미세화제 역할을 하며, 알루미늄 주조의 강도와 연성을 모두 향상시키는 더 미세한 등축 결정립을 생성합니다. 입자를 정제한 주조품은 일반적으로 정제되지 않은 주조품보다 연신율이 10~20% 더 높습니다.

주요 알루미늄 주조 공정 비교

알루미늄을 주조하는 데 사용되는 방법에 따라 어떤 합금이 적합한지, 달성 가능한 표면 마감 및 치수 공차, 관련된 툴링 비용, 예상할 수 있는 내부 품질(다공성 수준)이 직접적으로 결정됩니다. 4가지 주요 공정은 사형 주조, 영구 주형 주조, 다이 주조 및 인베스트먼트 주조입니다.

모래 주조

샌드 캐스팅은 가장 오래되고 가장 유연한 알루미늄 주조 방법입니다. 금형은 패턴 주위에 결합된 모래를 압축하여 형성되므로 사실상 무제한의 부품 크기와 복잡성을 허용합니다. 모래로 만든 코어는 내부 구멍을 만들 수 있습니다. 툴링 비용은 최소화됩니다. 간단한 패턴을 수백 달러에 생산할 수 있으므로 샌드 캐스팅은 프로토타입 및 연간 1~500개 부품의 소량 생산 실행에 이상적입니다. 단점은 치수 정확도가 낮고 표면 마감이 거칠다는 것입니다. 일반적인 사형 주조 합금에는 319.0, 356.0 및 A356.0이 포함됩니다.

영구주형주조(중력다이캐스팅)

영구 주형 주조에서는 용융된 알루미늄을 중력에 의해 재사용 가능한 강철 또는 주철 주형에 붓습니다. 금형은 모래보다 훨씬 빠르게 열을 전도하여 더 미세한 입자 구조와 더 나은 기계적 특성을 생성합니다. 영구 금형의 A356.0-T6은 일반적으로 사형 주조의 동일한 합금보다 인장 강도가 10~15% 더 높습니다. 응고가 빨라지기 때문입니다. 툴링 비용은 보통 $5,000~$50,000로 적당하므로 이 프로세스는 500~50,000개의 부품을 실행하는 데 경제적입니다. 자동차 바퀴, 펌프 하우징, 변속기 케이스는 이러한 방식으로 생산되는 경우가 많습니다.

고압 다이캐스팅(HPDC)

고압 다이캐스팅은 용융된 알루미늄을 10~175 MPa의 압력으로 경화된 강철 다이에 주입합니다. 사이클 시간은 15~60초로 짧아 시간당 수백에서 수천 개의 부품을 생산할 수 있습니다. 이로 인해 HPDC는 자동차 엔진 블록, 변속기 하우징, 차체 구조 부품 등 대량 생산 부품에 선호되는 공정이 되었습니다. 다이캐스팅은 전체 알루미늄 주조 생산량의 중량 기준으로 약 45~50%를 차지합니다. 주요 제한 사항은 갇힌 가스로 인한 다공성으로, 이는 진공 보조 다이캐스팅(VADC)을 사용하지 않는 한 열처리를 방지하고 구조적 응용 분야에서 HPDC 부품의 사용을 제한합니다. 합금 380.0은 주조성, 강도 및 비용의 탁월한 조합으로 인해 HPDC 산업의 주력 제품입니다.

저압 다이캐스팅(LPDC)

LPDC에서는 용융물을 담는 용광로에 낮은 압력(0.05~0.1MPa)을 가하여 알루미늄을 영구 다이로 밀어 올립니다. 이러한 제어된 바닥 충진 방식은 난류와 산화물 형성을 최소화하여 HPDC보다 다공성이 낮은 주조물을 생산합니다. LPDC는 자동차 휠에 널리 사용됩니다. 단일 생산 셀에서는 매우 일관된 품질로 교대당 200~400개의 휠을 생산할 수 있습니다. A356.0은 이 응용 분야에서 지배적인 합금입니다.

투자 주조

인베스트먼트 주조(분실 왁스 주조)는 세라믹에 코팅된 소모성 왁스 패턴을 사용하여 매우 미세한 디테일을 포착할 수 있는 주형을 제작합니다. 이는 치수 정확성과 내부 청결도가 가장 중요한 복잡한 항공우주 및 방위 부품에 사용됩니다. 합금 356.0 및 A357.0(보다 엄격한 마그네슘 제어를 갖춘 고순도 변형)이 일반적으로 지정됩니다. 인베스트먼트 주조는 부품당 비용이 많이 듭니다. 첫 번째 부품이 배송되기 전에 툴링 및 처리 비용이 20,000~200,000달러에 달할 수 있지만 거의 순 모양에 가까운 출력과 높은 구조적 완전성은 중요한 응용 분야에 대한 비용을 정당화합니다.

일반적으로 사용되는 주조 알루미늄 합금의 기계적 성질

올바른 주조 알루미늄 합금을 선택하려면 사용 가능한 모든 합금 및 조질 조건에 걸쳐 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 경도를 비교해야 합니다. 아래 데이터는 확립된 상업용 합금의 일반적인 값을 반영합니다.

이 데이터에서 몇 가지 실용적인 점이 드러납니다. 첫째, 합금 206.0은 일반적인 주조 합금 중에서 가장 높은 연신율(T4 조건에서 8%)을 제공하므로 항복 강도보다 내충격성과 인성이 중요한 경우 탁월한 선택이 됩니다. 그러나 실리콘 함량이 낮기 때문에(최대 0.1%) 고온 균열이 발생하기 쉬우며 성공적으로 주조하려면 신중한 게이트 및 라이저 설계가 필요합니다. 둘째, 380.0은 열처리 없이 317 MPa의 강력한 주조(F 템퍼) 인장 강도를 제공하므로 대부분의 HPDC 생산에서 기본 선택으로 남아 있습니다. 셋째, A356.0-T6은 알루미늄 주조 포트폴리오의 거의 모든 합금보다 강도, 연성 및 내식성의 균형이 우수합니다. 이는 자동차 또는 항공우주 부품의 구조적 응용 분야를 평가한 최초의 합금입니다.

알루미늄 주물의 열처리

많은 주조 알루미늄 합금은 열처리에 반응하여 주조 상태를 넘어 기계적 특성을 크게 높일 수 있습니다. 주조에 대한 표준 열처리 지정은 단조 합금에 사용되는 것과 동일한 T 코드 시스템을 따릅니다.

• T4(용체열처리 자연시효): 주조물은 합금 원소를 알루미늄 매트릭스에 용해시키기 위해 몇 시간 동안 510~540°C에서 용체화 처리된 다음 담금질되고 실온에서 숙성됩니다. 좋은 연성과 적당한 강도를 생성합니다.
• T5(인공 노화만 해당): 주조 공정에서 급속 냉각된 주조물에 직접 적용됩니다(LPDC 또는 영구 금형에서와 같이). 용액 처리 단계를 건너뜁니다. 왜곡 위험을 최소화하면서 적당한 강화 효과를 제공합니다. 평탄도가 중요한 휠 캐스팅에 유용합니다.
• T6(용체열처리 인공시효): 구조용 알루미늄 주물의 가장 일반적인 열처리입니다. 용액 온도에서 담금질한 후 부품은 155~175°C에서 6~12시간 동안 인위적으로 노화됩니다. 이는 최고 석출 경화를 생성합니다.
• T7(용체열 처리 과시효): 치수 안정성과 응력 부식 저항성을 향상시키기 위해 일부 강도를 희생하면서 노화가 최고 경도 이상으로 진행됩니다. 엔진 부품과 같은 고온 응용 분야에 사용됩니다.

용체화 처리 후 담금질 속도는 가장 중요한 공정 변수 중 하나입니다. 알루미늄 주조 열처리 중. 냉수에서의 신속한 담금질은 효과적인 노화에 필요한 과포화를 최대화하지만 벽이 얇은 주물을 변형시킬 수 있는 담금질로 인한 잔류 응력을 발생시킵니다. 폴리머 담금질 용액 또는 온수 담금질(60~80°C)은 대부분의 기계적 특성 이득을 유지하면서 왜곡을 40~60%까지 줄일 수 있습니다.

기존 HPDC 부품은 용체화 처리 온도(500°C)에서 주조물에 용해된 가스가 팽창하여 표면 기포 및 내부 공극 성장을 유발하기 때문에 용체화 열처리할 수 없다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이러한 제한으로 인해 업계에서는 진공 다이 캐스팅, 스퀴즈 캐스팅, 반고체 캐스팅(틱소캐스팅, 레오캐스팅) 등 저다공성 HPDC 변형에 상당한 투자를 하게 되었습니다. 이 모두는 열처리를 견딜 수 있을 만큼 낮은 다공성 수준의 부품을 생산합니다.

알루미늄 주조의 일반적인 결함과 이를 방지하는 방법

알루미늄 주조의 결함은 기계적 특성을 감소시키고, 누출 경로를 생성하며, 외관 불량을 유발하고 폐기율을 높입니다. 각 결함 범주의 근본 원인을 이해하는 것이 이를 제어할 수 있는 유일하고 신뢰할 수 있는 방법입니다.

다공성

다공성은 알루미늄 주조에서 가장 흔한 결함입니다. 이는 두 가지 형태로 발생합니다: 기체 다공성(응고 중 용액에서 나오는 용융물에 용해된 수소로 인해 발생하는 구형 공극)과 수축 다공성(응고되는 금속이 부피 감소를 보상하기 위해 액체 금속을 공급할 수 없는 곳에 형성된 불규칙한 공극). 수소 픽업은 주로 용광로 충전재의 수분, 금형 코팅 및 대기 습도에서 발생합니다. 회전식 탈기 장치를 사용하여 용융물을 0.1ml H2/100g Al 미만으로 탈기하면 가스 다공성이 70~90% 감소합니다. 수축 기공률은 적절한 라이저 및 게이트 설계를 통해 제어되어 응고가 완료될 때까지 액체 금속이 모든 응고 영역에 공급될 수 있도록 합니다.

열간 찢어짐(열간 균열)

열간 인열은 반고체 주조 네트워크가 응고의 최종 단계에서 발생하는 열 수축 응력을 수용할 수 없을 때 발생합니다. 동결 범위가 넓은 합금, 특히 206.0 및 319.0과 같은 구리 함유 합금이 가장 취약합니다. 예방 조치에는 응고가 방향성을 가지도록 금형 온도와 구배를 최적화하고, 적절한 금형 설계를 통해 주조에 대한 제약을 줄이고, 때때로 합금 조성을 조정하는 것(실리콘 높이기, 구리 줄이기)이 포함됩니다.

산화물 함유물

알루미늄은 용융 상태에서 빠르게 산화되어 용융 표면에 얇고 견고한 Al2O₃ 막을 형성합니다. 특히 래들링, 주입 또는 다이 주입 중 난류 금속 흐름은 이 산화막을 주물 안으로 접어 내부 균열로 작용하는 이중막 결함을 생성할 수 있습니다. 이중필름 결함은 알루미늄 주물의 피로 수명 산란의 대부분을 담당합니다. —동일한 합금과 공정으로 산화물 함량에 따라 피로 성능이 10배 변하는 부품을 생산할 수 있습니다. 바닥 채우기 게이팅 시스템을 통해 난류를 제어하고, 금속 낙하 높이를 최소화하고, 게이팅 시스템에 세라믹 필터를 사용하는 것이 주요 대책입니다.

콜드 셧다운 및 잘못된 실행

콜드 셧은 두 개의 금속 흐름이 금형에서 만나지만 융합되지 않아 이음새 같은 결함이 남을 때 발생합니다. 잘못된 실행은 캐비티를 완전히 채우기 전에 금속이 응고될 때 발생합니다. 두 가지 결함 모두 금속 온도가 부족하거나 충전 속도가 느리거나 환기가 불충분하여 발생합니다. 주입 온도를 10~20°C 높이고, 충전 속도를 높이기 위해 게이트를 재설계하고, 마지막 충전 위치에 통풍구를 추가하면 대부분의 콜드 셧 및 오작동 문제가 해결됩니다.

다이 솔더링(HPDC에서)

다이 솔더링은 강철 다이 표면에 알루미늄이 접착되어 다이에 금속 픽업이 발생하고 캐스팅의 표면이 찢어지는 현상입니다. 이는 다이 표면의 철-알루미늄 금속간 화합물 형성에 의해 구동됩니다. 합금의 철 함량을 0.7% 이상으로 유지하고, 다이 코팅(질화붕소, 흑연 기반 릴리스)을 사용하고, 다이 온도를 150~250°C 범위로 제어하고, 다이 스프레이 타이밍을 적절하게 적용하면 납땜 발생률이 크게 줄어듭니다.

알루미늄 주조 작업의 용융 품질 관리

금형에 들어가기 전 액체 알루미늄의 품질에 따라 주조가 달성할 수 있는 한계가 결정됩니다. 아무리 다운스트림 공정을 최적화해도 제대로 준비되지 않은 용융물을 보상할 수는 없습니다. 산업용 알루미늄 주조 작업에서는 여러 표준 도구를 사용하여 용융 품질을 평가하고 제어합니다.

• 감압 테스트(RPT): 작은 용융 샘플이 진공 하에서 응고됩니다. 생성된 샘플의 밀도를 대기압 하에서 응고된 샘플과 비교합니다. 밀도 지수(DI) = [(ρ_atm – ρ_vac)/ρ_atm] × 100. 2% 미만의 DI는 일반적으로 대부분의 구조 주조 응용 분야에 허용됩니다. 항공우주 등급 요구 사항은 DI를 1% 미만으로 지정하는 경우가 많습니다.
• 회전식 탈기: 불활성 가스(질소 또는 아르곤)가 회전하는 임펠러를 통해 용융물에 주입되어 용해된 수소를 표면으로 운반하는 미세한 기포가 생성됩니다. 10~15분 동안 회전식 탈기를 적절하게 실행하면 수소 수준이 일반적인 값인 0.2~0.4ml/100g에서 0.1ml/100g 미만으로 감소합니다.
• 세라믹 폼 여과: 용융물은 산화물 함유물, 금속간 입자 및 내화 잔해를 포착하는 망상형 세라믹 폼 필터(일반적으로 30~50ppi, 중력 응용 분야의 경우 10~20ppi)를 통해 부어집니다. 여과는 함유물 함량을 60~90%까지 줄일 수 있으며 여러 연구에서 피로 수명을 2~5배 증가시키는 것으로 나타났습니다.
• 분광학적 구성 검증: 응고된 버튼 샘플의 광학 방출 분광법(OES)은 생산이 시작되기 전에 합금 구성이 사양 내에 있는지 확인합니다. 중요한 용도의 경우 2~4시간마다 또는 새 금속이 많이 추가될 때마다 확인이 반복됩니다.
• 곡물 정제 및 수정: 티타늄-붕소(Al-5Ti-1B)를 함유한 모합금을 0.05~0.15% 첨가하여 입자 크기를 미세화합니다. 0.008~0.015%의 스트론튬 마스터 합금(Al-10Sr)은 공융 실리콘 형태를 거친 판에서 미세한 섬유로 변형하여 연성 및 피로 저항을 크게 향상시킵니다.

자동차 산업의 알루미늄 주조

자동차 부문은 알루미늄 주조의 가장 큰 소비자이며, 다른 어떤 최종 시장보다 공정 혁신과 합금 개발을 주도하고 있습니다. 2024년에 제조된 일반적인 승용차에는 150~200kg의 알루미늄이 포함되어 있습니다. , 그 중 상당 부분이 주조 형태입니다. 엔진 블록, 실린더 헤드, 변속기 케이스, 차동 하우징, 서스펜션 너클, 서브프레임 및 차체 구조 노드는 모두 다양한 알루미늄 주조 방법으로 생산됩니다.

전기 자동차(EV)로의 전환은 알루미늄 주조 환경을 중요한 방식으로 재편했습니다. EV는 가장 큰 주조 응용 분야 중 두 가지인 내연 기관 블록과 실린더 헤드를 제거하지만 배터리 인클로저, 전기 모터 하우징, 인버터 하우징 및 대형 구조 주조와 같은 새로운 응용 분야를 도입합니다. 6,000~9,000톤 다이캐스팅 기계를 사용하여 단일 주조로 전체 후면 및 전면 하부 섹션을 생산하는 Tesla의 Gigacast 공정은 알루미늄 주조가 부품 수와 조립 복잡성을 근본적으로 줄일 수 있는 방법을 보여주었습니다. 단일 Gigacast 후면 하부 차체는 약 70개의 개별 스탬프 및 용접 구성 요소를 대체합니다.

이러한 구조용 EV 주조에 사용되는 합금은 충돌 하중 시 제어된 변형이 필요한 응용 분야를 위해 특별히 개발된 차세대 고연성 HPDC 재료("비열처리 다이캐스트" 합금이라고도 함)입니다. Silafont-36(AlSi10MnMg), Aural-2 및 Magsimal-59(AlMg5Si2Mn)와 같은 이러한 합금은 열처리 없이 주조 상태에서 10~15%의 연신율을 달성합니다. 이는 380.0과 같은 기존 HPDC 합금이 접근할 수 없는 수치입니다.

주조 알루미늄 합금의 항공우주 응용

항공우주 알루미늄 주조는 모든 부문에서 가장 엄격한 품질 요구 사항을 충족합니다. 내부 다공성은 X선 및 컴퓨터 단층 촬영(CT)으로 측정되고, 기계적 특성은 통계적으로 인증되며, 잉곳에서 완제품까지 추적성이 필수입니다. 이러한 요구에도 불구하고 주조는 빌렛 기계 가공으로 경제적으로 형상을 생산할 수 없는 복잡한 구조 및 비구조 항공우주 부품에 대한 선택 방법으로 남아 있습니다.

일반적으로 지정되는 항공우주 주조 합금은 다음과 같습니다.

• A357.0-T6: 더 엄격한 마그네슘 제어(0.45–0.60%)를 갖춘 A356.0의 고순도 변형입니다. 항공기의 주요 구조 주조에 사용됩니다. 인장 강도 345MPa, 수율 276MPa, 인베스트먼트 주조 형태에서 최소 연신율 5%.
• 201.0-T7: 주조 알루미늄 합금 중 강도가 가장 높은 알루미늄-구리 합금(최대 485MPa 인장 강도). 중량 감소로 주조성이 어려운 고하중 피팅 및 브래킷에 사용됩니다.
• C355.0-T6: A356.0과 유사하지만 강도 향상을 위해 구리를 추가했습니다. 기체 피팅 및 기어 하우징에 사용됩니다.

불활성 분위기에서 주조물에 고온(500~520°C)과 고압(100~200MPa)을 동시에 가하는 열간 등압 성형(HIP)이 항공우주 알루미늄 주조에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. HIP는 내부 다공성을 막아 피로 수명을 2~3배 늘리고 훨씬 더 일관된 기계적 테스트 결과를 제공합니다. 생산 배치 전반에 걸쳐. 이 프로세스는 비용을 추가하지만 비행에 중요한 부품의 경우 대부분의 항공우주 주조 공급업체의 표준 관행입니다.

현대 알루미늄 주조의 시뮬레이션 및 디지털 도구

주조 시뮬레이션 소프트웨어는 주조소와 고객이 새로운 알루미늄 주조 공정을 개발하는 방식을 변화시켰습니다. MAGMASOFT, ProCAST, AnyCasting 및 Flow-3D와 같은 프로그램을 통해 엔지니어는 단일 금형을 가공하기 전에 금형 충진, 응고, 열 전달, 열 응력 및 다공성 형성을 모델링할 수 있습니다.

알루미늄 주조 개발에 대한 시뮬레이션의 실질적인 영향은 상당합니다. 주요 자동차 공급업체의 연구에 따르면 주조 시뮬레이션을 사용하면 물리적 시험이 40~60% 줄어들고 첫 번째 좋은 부품을 만드는 데 걸리는 시간이 30~50% 단축됩니다. . 복잡한 자동차 구조 주조의 경우 각 물리적 시험에는 툴링 수정, 금속, 기계 시간 및 엔지니어링 시간에 $20,000~$100,000의 비용이 소요될 수 있습니다. 더 나은 사전 시뮬레이션을 통해 두 번의 시험이라도 없애면 수년간의 소프트웨어 라이센스 비용을 지불할 수 있습니다.

다공성 예측 외에도 최신 시뮬레이션 도구는 다음을 모델링할 수 있습니다.

• 결정립 구조 진화(기둥형 대 등축 전이, 결정립 크기 분포)
• CALPHAD 열역학 데이터베이스를 사용한 미세 구조-특성 상관 관계
• 담금질 후 잔류 응력 및 변형
• HPDC 툴링의 다이 열피로 수명 예측
• 자동화된 검색 알고리즘을 사용한 러너 및 게이트 치수 최적화

실시간 프로세스 모니터링과 시뮬레이션 모델의 통합은 다음 개척지입니다. 다이에 내장된 센서는 밀리초 분해능으로 온도, 압력 및 충전 전면 위치를 측정합니다. 적응형 제어 시스템에 다시 공급되면 샷 속도와 강화 압력을 실시간으로 조정하여 용융 온도나 다이 온도의 변화를 보상할 수 있습니다. 이는 역사적으로 알루미늄 주조의 지속적인 과제 중 하나였던 부품 간 변화를 줄여줍니다.

주조 알루미늄 합금의 지속 가능성 및 재활용

알루미늄의 재활용성은 알루미늄의 주요 장점 중 하나입니다. 알루미늄을 재활용하려면 보크사이트 광석에서 1차 알루미늄을 생산하는 데 필요한 에너지의 약 5%만 필요합니다. 2차(재활용) 알루미늄은 이미 주조 분야에 사용되는 전체 알루미늄의 약 75~80%를 차지합니다. , 알루미늄 주조는 중공업에서 가장 순환적인 제조 공정 중 하나입니다.

알루미늄 주조 합금을 재활용할 때의 과제는 조성 제어입니다. 다양한 합금이 스크랩 스트림에 혼합되면 실리콘, 구리, 철 및 아연이 기본 합금의 사양 한계를 초과할 수 있는 수준으로 축적됩니다. 업계의 반응은 성능 저하 없이 더 높은 불순물 수준을 수용할 수 있도록 특별히 HPDC용으로 설계된 2차 합금을 만드는 것이었습니다. 합금 380.0은 그 자체로 특히 2차 금속을 수용하기 위해 넓은 조성 범위를 견딜 수 있는 합금입니다. 이 사양에서는 최대 3.0%의 Zn과 1.3%의 Fe를 허용하는데, 이는 중력 주조 합금에서는 허용되지 않습니다.

유럽의 자동차 산업은 생산 시설의 주조 스크랩을 일반 스크랩 풀에 넣지 않고 분류하고 재용해하여 동일한 응용 분야로 반환하는 폐쇄 루프 합금 재활용 시스템의 개발을 주도해 왔습니다. 예를 들어 BMW의 Landshut 주조 공장은 폐쇄 루프에서 연간 50,000톤 이상의 알루미늄 주조 스크랩을 재활용합니다. , 재활용 금속을 품질 저하 없이 구조용 주조에 다시 사용할 수 있도록 합금 순도를 유지합니다.

EV 전환이 가속화됨에 따라 알루미늄 주조 스크랩의 구성은 엔진 관련 합금(319.0, 390.0)이 줄어들고 구조용 본체 합금 및 배터리 인클로저 합금이 많아질 것입니다. 주조업체와 합금 생산업체는 현재 재활용 재료의 가치를 떨어뜨리지 않고 이러한 구성 변화를 처리하기 위해 분류 기술(레이저 유도 분해 분광법, X선 형광 자동 분류)에 투자하고 있습니다.

귀하의 응용 분야에 적합한 주조 알루미늄 합금을 선택하는 방법

알루미늄 주조를 위한 합금 선택은 검색 연습이 아니며 여러 경쟁 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다. 다음 의사결정 프레임워크는 선택 프로세스를 추진해야 하는 주요 변수를 다룹니다.

1. 먼저 주조 공정을 정의하십시오. 합금 선택은 공정에 따라 제한됩니다. 생산량을 위해 HPDC가 필요한 경우 합금은 우수한 유동성과 다이 분리 특성을 가져야 하며 이는 의미 있는 선택을 3xx.x 및 4xx.x 시리즈로 효과적으로 제한합니다. 복잡성과 정확성을 위해 매몰 주조를 사용하는 경우 합금 풀은 2xx.x 및 7xx.x 시리즈 옵션을 포함하도록 열립니다.
2. 지배적인 기계적 요구 사항을 식별합니다. 부품이 피로에 민감한가요(A356.0-T6 또는 HIP가 있는 A357.0-T6 선택)? 상온에서 고강도가 필요합니까(206.0-T4 또는 201.0-T7)? 높은 온도 강도(319.0-T6 또는 390.0-T6)가 필요합니까? 충돌 에너지 흡수를 위해 최대 연성이 필요합니까(Silafont-36 또는 Alusil)? 합금의 문서화된 특성 프로필을 요구 사항과 일치시킵니다.
3. 부식 환경을 평가합니다. 부품이 표면 처리 없이 염분 조건에 노출될 경우 구리 함유 합금을 사용하지 마십시오. 5xx.x 및 4xx.x 시리즈는 최고의 고유 내식성을 제공합니다.
4. 가공성과 2차 작업을 고려하세요. 일부 합금은 아름답게 가공되는 반면(319.0은 가공하기 가장 쉬운 알루미늄 주조 합금 중 하나로 종종 인용됨), 다른 합금은 빠르게 가공 경화되고 절삭 공구가 빨리 마모됩니다(5xx.x 시리즈). 광범위한 가공이 계획된 경우 이를 합금 비용 모델링에 고려하십시오.
5. 용접성 및 수리성을 평가합니다. 생산 또는 현장 서비스 시 용접 수리가 필요할 수 있는 주물의 경우 일반적으로 5% 이상의 실리콘 함량이 적절한 용접성을 제공합니다. Cu 함량이 4%를 초과하는 구리 함유 합금은 균열 없이 용접하기 어렵습니다.
6. 합금 가용성 및 공급망을 확인하세요. 일반적이지 않은 합금을 지정하면 리드 타임이 길어지고, 최소 주문량이 늘어나고 자격을 갖춘 공급업체가 적어지는 대신에 한계 자산 이점을 제공할 수 있습니다. A356.0, 380.0 및 319.0은 기본적으로 전 세계 모든 알루미늄 주조 주조소에서 구입할 수 있습니다. 201.0 또는 771.0과 같은 보다 이국적인 합금에는 전문 공급업체가 필요합니다.

의심스러울 때, 영구 주형 주조의 A356.0-T6은 대부분의 구조용 알루미늄 주조 응용 분야의 올바른 시작점입니다. . 주조성, 기계적 특성, 내식성 및 전 세계 공급업체 가용성이 결합되어 업계의 벤치마크 합금이 되는 데에는 이유가 있습니다. A356.0-T6이 명백히 특정 요구 사항을 충족하지 못하는 경우에만 보다 특수한 합금으로 전환하십시오.