KR101502341B1 - 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고열전도성 금형주조용 알루미늄 합금에 관한 발명으로, 상세하게는 높은 열 전도성을 가지면서 주조성이 향상되고, 금형으로의 소착이 방지되는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금은, 0.96 ~ 1.02 중량%로 함유되는 실리콘과, 1.03 ~ 1.11 중량%로 함유되는 철과, 0.23 ~ 0.92 중량%로 함유되는 니켈 및 잔부인 알루미늄과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 177.96W/mK ~ 178.51W/mK의 열전도도를 가지고, ADC12합금 대비 69.50% ~ 79.30%의 유동도를 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의해 열 전도성이 높으면서 유동도를 가지는 알루미늄 합금의 구성이 가능하여, 다양하고 복잡한 형상의 방열 제품을 알루미늄 합금을 이용하여 제작할 수 있게 되는 장점을 가지게 되고, 이로 인해, 제품의 방열성이 향상되어 발열로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있으며, 제품의 수명을 연장할 수 있는 장점을 가지게 된다.

Description

고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금 {Aluminum alloy for permanent mould casting having high thermal conductivity}

본 발명은 고열전도성 금형주조용 알루미늄 합금에 관한 발명으로, 상세하게는 높은 열 전도성을 가지면서 주조성이 향상되고, 금형으로의 소착이 방지되는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

알루미늄은 은백색의 부드러운 금속으로 전성과 연성이 커서 얇은 박막이나 철사로도 제조가 가능하여 다양하게 활용되고 있으며, 양도체이고 전형적인 경금속으로 전기 전도성이 좋아 고압 전선의 재료로도 많이 활용되고 있다.

또한, 알루미늄은 가볍고 내구성이 큰 특성을 가지므로 항공기, 선박, 차량의 주요 재료로도 널리 활용되고 있으며, 산소와 쉽게 반응하지만 산화 피막이 형성된 후에는 피막에 의해 산소와의 접촉이 차단되어 녹이 잘 발생되지 않아 광택이 오래 지속될 필요가 있는 부분에 많이 사용된다.

그리고, 알루미늄은 다양한 합금으로도 널리 활용되고 있으며, 구리 또는 마그네슘 등 다양한 금속을 첨가하여 그 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 알루미늄 합금은 선택적으로 다양한 금속을 첨가하여 알루미늄이 우수한 특성을 가지도록 개량함으로써 다양한 분야에 활용 가능하도록 알루미늄의 활용성을 향상시킬 수 있게 된다.

예를 들어, 알루미늄에 구리를 첨가하게 되면, 두랄루민이라는 강도가 큰 알루미늄 합금이 형성되고, 알루미늄에 마그네슘과 아연 등을 첨가하여 합금을 형성하게 되면, 내식성이 우수하여 철도차량, 교량 등에 사용될 수 있는 알루미늄 합금이 형성된다.

알루미늄에 규소를 첨가하게 되면 주물용으로 사용되는 알루미늄 합금이 형성되고, 내열, 광휘 등의 목적에 따라 다른 금속을 배합하여 다양한 알루미늄 합금의 제조가 가능할 수 있다.

알루미늄 캐스팅 합금은 알루미늄과 실리콘, 마그네슘을 혼합하는 합금이며, 이는 알루미늄의 강도 및 연성을 증가시켜 주며, 합금의 청결한 유지와 고순도 성분의 사용에 의해 다양한 강도와 연성을 나타낼 수 있게 된다.

이러한 알루미늄 캐스팅 합금에 의해 알루미늄 주조품의 성질은 동등한 조성의 단조 제품의 성질에 접근할 수 있게 된다. 이로 인해 경량 방열 부품에도 알루미늄이 활용될 수 있게 된다.

기존의 방열 부품의 경우 주로 A6061, A6063 등과 같은 가공재 알루미늄 합금이 사용되고 있으며, 이들 가공재 알루미늄 합금의 경우 180W/mK에 이르는 높은 열전도도 특성에도 불구하고 낮은 주조성으로 인해 방열판 내부에 다량의 수축공을 생성시키고 표면에 열 균열 등을 발생시켜 소형 또는 단순 형상의 부품 등으로 그 활용이 제한적이고, 제조단가가 높은 단점을 가지게 된다.

최근 요구되고 있는 고출력형 방열부품의 경우 높은 열전도도 특성과 더불어 방열 성능을 극대화할 수 있는 복잡한 형상이나 얇은 박막 형태 등 최적의 외형 구조를 요구하고 있으며, 이를 구현하기 위하여서는 높은 주조성을 가지는 방열 소재가 필수적으로 요구되고 있는 실정이다.

상용적으로 사용되고 있는 주조용 ADC12(A383) 합금 또는 A356 합금 등은 열전도도가 현저히 낮아 이를 개선시킬 수 있는 방열 전용 소재의 개발이 우선적으로 요구되고 있다.

그리고, 실리콘의 중량％가 8∼10인 알루미늄과 실리콘의 합금은 우수한 주조성을 바탕으로 중력 주조 및 다이캐스팅 등에 널리 이용되고 있으나, 높은 실리콘 함량으로 인하여 주조 후 방열 특성의 향상을 위해 필수적으로 수행되는 표면 처리의 공정을 불가능하게 하는 단점을 가지며, 이로 인해 표면 처리가 가능하도록 실리콘의 첨가량을 감소시킴과 동시에 저하된 주조성은 대체 합금원소 첨가에 의해 보완할 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 대한민국 공개특허 제2011-0019045호에는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초 합금에 관한 발명이 개시되며, 상기 공개특허에는 취성이 생기지도 않고 열전도성이 뛰어나 사용이 용이한 다이캐스팅용 합금의 구성이 개시되고, 중량％로 나타낸 조성비는 마그네슘 0.2∼2.0 : 철 0.1∼0.3 : 코발트 0.1∼1.0 을 함유하고 잔부는 알루미늄으로 이루어지는 합금이 개시된다.

그리고, 대한민국 공개특허 제2012-0020406호에는 열처리를 하지 않고도 고강도를 유지하면서 주조성이 좋은 알루미늄과 아연 합금을 제공하기 위하여 중량％로 실리콘 0.35∼0.5 : 마그네슘 0.55∼0.9 : 구리 2.0∼2.1 : 아연 19.5∼40.5 : 철 최대 0.6 : 망간 최대 0.2 : 니켈 최대 0.05 : 티타늄 0.03∼0.05 : 기타 불순물 최대 0.05 및 잔부는 알루미늄으로 이루어지는 합금이 개시된다.

다만, 상기되는 대한민국 공개특허와 같은 선행기술에서는 표면 처리가 가능하면서 주조성이 향상되는 알루미늄 합금에 대한 다양한 기술의 개발이 진행되고 있음을 나타내고 있으며, 이처럼, 다양한 기술의 개발에 따라 표면 처리와 주조성이 동시에 만족되는 알루미늄 합금의 필요성이 대두되고 있는 현 실정이 잘 나타나고 있다.

본 발명은 표면 처리의 불가능한 문제점을 해결하면서 다양한 형태의 제조가 어려운 문제점을 해결하기 위한 발명으로,

본 발명의 목적은, 높은 방열 특성을 가지면서 주조성의 향상을 위하여 실리콘과 니켈의 첨가량을 제한하는 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 주물의 금형 소착이 방지되는 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금은, 0.96 ~ 1.02 중량%로 함유되는 실리콘과, 1.03 ~ 1.11 중량%로 함유되는 철과, 0.23 ~ 0.92 중량%로 함유되는 니켈 및 잔부인 알루미늄과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 177.96W/mK ~ 178.51W/mK의 열전도도를 가지고, ADC12합금 대비 69.50% ~ 79.30%의 유동도를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 니켈의 중량%가 0.42일 때, 유동도가 가장 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금은, 실리콘과 니켈, 철 및 알루미늄과 기타 필수 불가결한 불순물을 포함하는 구성을 가지도록 조성된다.

상세하게는 실리콘의 최대 중량％가 1.02 이하로 함유되는 알루미늄-실리콘 합금에 최대 중량％가 0.92 이하의 니켈과 최대 중량％가 1.11 이하의 철이 함유되면, 상온에서 일정 정도의 높은 열 전도성을 유지하면서 유동이 향상되고, 금형과의 소착이 방지되는 효과를 기대할 수 있게 된다.

유동성이 향상되면서 일정 정도 이상의 열전도도를 유지하므로 높은 열 전도성을 가지면서 주조성이 향상되는 효과를 기대할 수 있으며, 주조성의 향상으로 인해 알루미늄 합금의 주조가 용이하여 복잡하고 다양한 형상의 알루미늄 합금 제품의 제조가 가능한 효과를 기대할 수 있게 된다.

또한, 복잡하고 다양한 형상의 알루미늄 합금 제품의 제조가 가능함에 따라 알루미늄 합금의 활용성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.

그리고, 알루미늄 합금의 활용성 향상으로 인해 알루미늄 합금 재질의 방열 부품 제조가 가능해지는 효과를 기대할 수 있으며, 이에 따라 방열 부품의 무게를 감소시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있게 된다.

경량화된 방열 부품에 의해 제품의 수명이 증가하고, 운반 등에 따른 방열 부품의 제조 및 생산과 이송 등의 비용이 절감되고, 제품의 수명이 증가하는 효과를 기대할 수 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 화학 조성 및 열전도도와 유동도를 나타낸 도표.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 열전도도 변화를 나타낸 그래프.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 유동도의 변화를 나타낸 그래프.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 미세 조직에 미치는 영향을 나타낸 광학 사진.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금과 상용 합금의 유동도 및 열전도도를 나타낸 그래프.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 구성을 첨부되는 도면을 참조하여 실시 예를 들어 살펴보기로 한다.

다만, 본 발명의 사상은 이하에서 살펴보는 실시 예에 의해 그 실시 가능 상태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 이용하여 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 할 것이다.

그리고, 본 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 개념으로, 본 발명의 기술적 내용을 파악함에 있어서 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
본 발명에서는 상용 합금인 A6061과 유사한 수준의 높은 방열 특성을 가지면서 주조성을 동시에 확보할 수 있도록 실리콘의 첨가량을 1.02 중량 이하로 제한하는 대신 니켈을 최대 0.92 중량까지 첨가하면서 다수의 실험을 진행하여 이러한 실험을 통해 합금을 설계하고자 한다.
이때, 근래에 개발된 방열소재 합금과 비교하였을 때, 합금의 유동성을 향상시키기 위하여 알루미늄 합금에 포함되는 아연을 제거한 상태에서, 나선형 몰드를 이용하여 유동도를 측정하면서 주조용 상용 합금인 ADC12의 유동도에 대한 상대 값으로 나타내면서 진행하게 된다.
먼저, 도 1에는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 화학 조성 및 열전도도와 유동도를 나타낸 도표가 도시되며, 도 2에는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 열전도도 변화를 나타낸 그래프가 도시된다.
또한, 도 3에는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 유동도 변화를 나타낸 주조용 상용 합금인 ADC12의 유동도에 대한 상대 값을 나타낸 그래프가 도시된다.
먼저, 도 1을 참조하여 보면, 알루미늄과 실리콘 및 철로 이루어지는 알루미늄 합금에 주조성 향상을 위한 니켈의 중량를 점차적으로 증가시키면서 유동도를 측정하게 된다.
이때, 알루미늄과 실리콘 및 철의 합금에 니켈을 0.23 ~ 0.92 중량까지 첨가하게 되며, 알루미늄과 철 및 실리콘을 포함하는 알루미늄 합금에 열 전도성을 유지하기 위하여 니켈의 중량를 소정의 변동 값으로 변화시키면서 열전도도를 측정하게 될 수 있다.
도 1을 보면, 실리콘과 철을 포함하는 알루미늄 합금(Al-1Si-1Fe)에 니켈을 0.23, 0.42, 0.92 중량 첨가하면, 열전도도는 177.96W/mK, 177.98W/mK, 178.51W/mK의 순서로 변화하고 ADC12대비 유동도는 69.50%, 79.30%, 71.94%의 순서로 변화하는 것을 알 수 있다.
즉, 니켈을 최대 0.95 중량%까지 첨가하면 열전도도는 177.96 ~ 178.51W/mK 범위를 가지고, ADC12대비 유동도는 69.50 ~ 79.30%의 범위를 가지는 것을 알 수 있다.
이는 아연을 첨가하는 종래의 알루미늄-실리콘-철-아연 합금에서 니켈의 첨가에 의해 열전도도가 174.50 W/mK에서 157.94 W/mK로 크게 저하되는 상태와 비교하여 볼 때, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 니켈을 첨가하더라도 열전도도가 급격히 떨어지지 않고 거의 일정 범위를 유지하는 특성이 있는 것을 나타낸다.
또한, 니켈을 첨가하지 않은 Al-1Si-1Fe 합금(0.004 중량%의 니켈은 자연적으로 존재하는 극미량의 불순물이며 이를 완전하게 제거하는 것은 불가능하다)과 비교하였을 때 니켈을 0.23 ~ 0.92 중량%로 첨가한 합금의 ADC12대비 유동도가 더 높은 것을 확인할 수 있으며, 특히 니켈의 첨가량이 0.42 중량%일 때 유동도 값이 가장 높은 것을 알 수 있다.
도 4에는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금의 니켈 첨가에 따른 미세 조직 변화를 나타낸 광학 사진이 도시되어 있으며, (a)는 니켈이 첨가되지 않은 상태, (b)는 0.42 중량%의 니켈이 첨가된 상태, (c)는 0.95 중량%의 니켈이 첨가된 상태를 나타낸다.
도 4를 통해 알루미늄-실리콘-철 합금에 니켈을 첨가하면 미세조직을 이루고 있는 금속간 화합물이 미세화되는 것을 알 수 있다.
즉, 알루미늄 수지 상간에 분포하는 공정상 특히, 그 공정상을 이루고 있는 알루미늄-철-실리콘 금속 화합물의 미세 조직이 0.42 중량의 니켈 첨가에 의하여 미세화되는 동시에 그 형상이 개량화 된 것을 확인할 수 있다. 이러한 공정조직 미세화가 유동도에 미치는 영향은 아직 정확하게 규명되지 않고 있는 상태이다.
다만, 알루미늄-실리콘-철-니켈의 합금이 금형 주조용 합금으로서 용도를 고려하였을 때 공정 조직의 미세화 및 형상의 개량화는 인장 물성, 상세하게는 연성을 개선할 수 있을 것으로 예상된다.
도 5에는 본 발명의 실시 예에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금과 상용 합금의 유동도 및 열전도도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 5를 참조하여 보면, 상용합금인 A6061은 180W/mK의 높은 열전도도를 가져 방열효과가 뛰어나지만 ADC12대비 유동도가 62%로 매우 낮아 주조성이 나쁜 것을 알 수 있고, A356 합금은 ADC12대비 유동도가 70%로 매우 높아 주조성이 뛰어나지만 150W/mK의 매우 낮은 열전도도를 가지기 때문에 방열효과가 매우 나쁜 것을 알 수 있다.

하지만, 본 발명에 따른 Al-1Si-1Fe-0.25Ni, Al-1Si-1Fe-0.5Ni, Al-1Si-1Fe-1.0Ni 합금은 각각 177.96W/mK, 177.98W/mK. 178.51W/mK의 열전도도와 69.50%, 79.30%, 71.94%의 ADC12대비 유동도를 가지므로 방열효과뿐만 아니라 주조성 역시 매우 우수한 것을 알 수 있으며, 상용합금인 A6061과 A356 합금의 장점을 모두 가지고 있는 것을 알 수 있다.

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전술한 바와 같은 본 발명의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위로 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

본 발명에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금은, 실리콘과 니켈 및 철의 각 요소별 최대 중량％가 1.0 이하이면서, 나머지 잔부가 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄으로 이루어지도록 구성된다.

이러한 구성에 의해 상온에서 일정 정도 이상의 열전도도를 가지면서 높은 유동도를 유지하는 장점을 가지게 되고, 이에 따라, 다양하고 복잡한 형상의 방열 제품을 알루미늄 합금을 이용하여 제작할 수 있게 되는 장점을 가지게 된다.

이로 인해, 제품의 방열성이 향상되어 발열로 인한 제품의 손상을 방지할 수 있으며, 제품의 수명을 연장할 수 있는 장점을 가지게 된다.

이러한 많은 장점들로 인해 본 발명에 의한 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 생산 산업뿐만 아니라, 이와 관련된 다양한 산업에 그 이용 가능성이 크다 할 것이다.

Claims (6)

1. 0.96 ~ 1.02 중량%로 함유되는 실리콘;
   1.03 ~ 1.11 중량%로 함유되는 철;
   0.23 ~ 0.92 중량%로 함유되는 니켈; 및
   잔부인 알루미늄과 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
   177.96W/mK ~ 178.51W/mK의 열전도도를 가지고, ADC12합금 대비 69.50% ~ 79.30%의 유동도를 가지는 것을 특징으로 하는 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금.
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3. 제 1 항에 있어서,
   상기 니켈의 중량%가 0.42일 때, 유동도가 가장 높은 것을 특징으로 하는 고열전도성 금형 주조용 알루미늄 합금.
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