KR101589035B1 - 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn-Mg-Cu계 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 주조성과 양호한 기계적 특성을 가지면서 동시에 우수한 열전도도를 얻을 수 있어, 방열특성이 요구되는 각종 구조용 제품에 적용될 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량%, 구리(Cu) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.0중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn-Mg-Cu계 합금 {Al-Zn-Mg-Cu BASED ALLOY HAVING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY FOR DIE CASTING}

본 발명은 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금에 관한 것으로서 특히, 다이캐스팅이 가능한 우수한 주조성과 양호한 인장강도를 가지면서 동시에 우수한 열전도도를 얻을 수 있는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

다이캐스팅은 다이 주조라고도 한다. 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형(金型)에 용융금속(熔融金屬)을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이며, 이 주조법을 통해 제조한 제품을 다이캐스트 주물이라고 한다.

다이캐스트 주물은 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다. 한편, 다이캐스팅 주조에 이용되는 금속은 일반적으로 아연, 알루미늄, 주석, 구리, 마그네슘 등의 합금이며, 이들 합금은 용융되어 용탕으로 만들어진 후, 공기압, 수압, 유압 등의 가압장치를 통해 다이캐스트 장치의 금형에 주입되어 급속하게 냉각되어 응고된다.

이러한 과정을 통해 만들어진 다이캐스트 주물은 여러 분야에 사용되고 있으며, 특히 자동차부품에 많이 적용되고 있고, 전기기기, 광학기기, 차량, 방직기, 건축, 계측기 등의 부품 제작 등에도 널리 사용되고 있다.

한편, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로는 주조성이 우수한 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 주로 사용되고 있다. 그런데 Al-Si계 합금 또는 Al-Mg계 합금의 경우, 주조성은 우수하나 열전도도가 90~130W/mK로 낮기 때문에, 160W/mK 이상의 높은 열전도도를 필요로 하는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품에는 사용이 제한되어 왔다.

이와 같은 높은 열전도도를 요구하는 방열부품에는, 종래 열전도도가 220W/mK 이상으로 매우 높은 순 알루미늄을 그대로 다이캐스팅한 제품이 전기, 전자제품용 로터 등에 일부 사용되고 있는데, 순 알루미늄은 열전도도는 매우 우수하지만 인장 강도가 낮고 주조성이 좋지 않기 때문에, 복잡한 주조가 가능하고 양호한 열전도도와 함께 우수한 기계적 특성을 요구하는 구조용 부품에까지 적용하기에는 한계가 있다.

이에 따라, 전기, 전자 및 자동차용 방열부품 등에 사용하기 위하여 우수한 주조성과 인장강도를 가지면서 동시에 160W/mK 이상의 높은 열전도도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 개발에 대한 필요성이 절실히 요구되고 있다.

이와 관련하여 본 발명자들은 하기 특허문헌에 개시된 바와 같이 Al-Mg-Fe-Si계 합금으로 160W/mK 이상의 열전도도를 가지면서 다이캐스팅이 가능한 주조성을 얻을 수 있는 알루미늄 합금을 제시하였으나, 이 합금계는 열전도도와 인장강도를 겸비하고 있으나 연신율이 낮은 편이어서 보다 높은 연신율이 요구되는 용도에 적용되기에는 한계가 있다.

한국 특허등록공보 제1357050호 (2014년 2월 4일 공고)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 아연(Zn)을 주 합금원소로 첨가하고 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 및 철(Fe)의 함량을 조절하여, 다이캐스팅을 가능하게 하는 주조성과, 150MPa 이상의 인장강도를 가지면서 동시에 170W/mK 이상의 열전도도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량%, 구리(Cu) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.0중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열전도도는 170W/mK 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 인장강도는 150MPa 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 연신율은 20% 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 주조성을 나타내는 한 지표인 유동장은 710mm 이상일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 미세조직내에 분산된 MgZn₂ 화합물, Al₂CuMg 화합물과 Al-Fe화합물 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 아연(Zn)을 주 합금원소로 하면서 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 및 철(Fe)의 성분 제어를 통해, 다이캐스팅 주조법에서 건전한 주물을 얻을 수 있는데 요구되는 충분한 주조성을 확보함과 동시에, 170W/mK 이상의 열전도도와 150MPa 이상의 인장강도와 20% 이상의 연신율을 가져서, 높은 열전도도를 요구하면서 상당한 수준의 기계적 특성이 요구되는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품의 제조에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 주조성을 평가하기 위한 유동장 측정장치의 사진이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금에 대하여 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 및 철(Fe)이 합금되어 구성된 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금으로서, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량%, 구리(Cu) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.0중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 구성된다.

본 발명은 상기 각각의 조성량에 따라서 알루미늄의 주조성을 향상시킬 수 있는 합금원소, 알루미늄 기지 금속에 고용되어 고용강화 효과를 얻을 수 있는 합금원소, 알루미늄 기지 금속에 석출되어 석출강화 효과를 얻을 수 있는 합금원소, 그리고 알루미늄 기지 금속에의 고용도가 매우 낮아서 열전도도 저하를 최소화할 수 있는 합금원소를 복합적으로 첨가함으로써, 우수한 주조성과 150MPa 이상의 인장강도를 나타내면서 동시에 170W/mK 이상의 양호한 열전도도를 나타낼 수 있는 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금이다.

상기 각 합금원소의 첨가 및 함량의 한정 이유는 다음과 같다.

아연(Zn)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 및 석출강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명의 합금에는 아연이 1.5~3.0중량% 첨가되는데, 이는 아연의 함량이 1.5중량% 미만이면 주조성이 떨어져 일부 미성형부가 발생하는 주조 결함이 생기기 쉽고 또한 고용강화 및 석출강화 효과가 저하되어 150MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 없으며, 아연의 함량이 3.0중량% 초과하면, 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 170W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다. 보다 바람직한 아연의 함량은 2.0~2.5중량%이다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 및 석출강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명의 합금에는 마그네슘이 0.1~1.5중량% 첨가되는데, 이는 상기 마그네슘의 함량이 0.1중량% 미만이면 주조성이 저하되어 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 미성형부가 발생하는 주조결함이 생기기 쉽고 또한 고용강화 및 석출강화 효과가 저하되어 150MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 없으며, 상기 마그네슘의 함량이 1.5중량% 초과하면 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 170W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.

구리(Cu)는 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 열전도도 저하는 적으면서 고용강화 및 석출강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명의 합금에는 구리가 0.1~1.5중량% 첨가되는데, 이는 구리의 함량이 0.1중량% 미만이면 주조된 합금의 고용강화 및 석출강화 효과가 저하되어 150MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 없고, 구리의 함량이 1.5중량% 초과하면, 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 170W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.

철(Fe)은 상온에서 알루미늄에의 고용도가 0.052중량%로서 매우 낮아 주조 후에는 대부분 Al₃Fe 등의 금속간화합물로 정출되기 때문에 알루미늄에 첨가되어 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화하면서 강도를 증가시킬 수 있고, 동시에 다이캐스팅에 의하여 알루미늄 합금 제품을 성형할 때에 금형소착을 줄일 수 있도록 하는 합금원소이다. 본 발명의 합금에는 철이 0.5~1.0중량% 첨가되는데, 이는, 상기 철의 함량이 0.5중량% 미만이면 금형소착 방지 효과가 낮아져 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 금형부위에 제품의 소착현상이 발생하고 기계적 강도도 충분하지 못하게 되고, 상기 철의 함량이 1.0중량% 초과하면 주조 합금내에서 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어, 합금의 주조성을 저하시키기 때문이다.

불가피한 불순물이란, 본 발명에 의한 합금을 제조하는 과정에서 원료 또는 제조 장치에 의해 의도하지 않게 혼입된 불순물을 의미하며, 이들 불순물 각 성분은 합금 특성에 영향을 주지 않도록 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0.01중량% 이하가 되도록 유지한다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn 합금에 대하여 하기 표 1 및 2를 참조하여, 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn 합금을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금을, 다이캐스팅용 합금 제조시에 통상적으로 사용되는 용융 교반식 알루미늄 합금 제조 방법으로 시험편을 제조하였다.

합금		조성(중량%)
		Zn	Mg	Cu	Fe	Si	Al
실시예	1	2.30	1.11	0.12	0.53		bal.
	2	2.14	0.83	0.36	0.67		bal.
	3	2.36	0.53	0.62	0.59		bal.
	4	2.26	0.21	0.86	0.54		bal.
	5	2.14	0.12	1.07	0.56		bal.
	6	2.18	0.40	0.77	0.59		bal.
비교예	7	0.92	0.21		0.97	10.20	bal.
	8	1.98	0.41		0.97		bal.
	9	1.90	0.67		0.52		bal.
	10	1.95	1.11		0.52		bal.
	11	2.18	1.15		0.62		bal.
	12	4.05	0.83		1.02		bal.
	13	3.91	1.08		0.60		bal.
	14	3.82	1.35		0.56		bal.

구체적으로, 상기 표 1과 같은 조성이 되도록 알루미늄 합금의 원료를 준비한 후, 전기저항식 용해로에 장입하여 대기 중에서 원료를 용해하여 용탕을 제조한 후에, 금형을 이용하여 주조성 평가를 위한 유동성 시험편을 제조하였고 또한 열전도도 및 인장특성 등을 측정하기 위한 특성평가용 시험편을 제조하였다.

본 발명의 실시예에 따른 합금의 주목적 중 하나인 열전도도에 대해서는, 먼저 제조한 시편을 도전율 측정기를 이용하여 상온에서 도전율을 측정한 후, 하기 [식 1]의 환산식으로 환산하는 방식을 통해 열전도도를 얻었다.

[식 1]

K = 5.02σT × 10^-9 + 0.03

(여기서, K는 열전도도, σ는 도전율, T는 절대온도임)

또한, 다이캐스팅 주조에 필수적인 주조성 평가를 위해서는, 일반적으로 이 업계에서 널리 알려진 방식으로 수행한 유동장 평가(유동장 평가방법은 합금 용탕을 200℃의 온도로 유지된 도 1과 같은 유동성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 일정한 거리를 유동한 후에 응고된 길이를 측정하는 것임. 도 1에서 유동장 시험편 크기는 폭 12mm, 두께 5mm, 최대길이 780mm 임)를 수행하였다.

하기 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 각 합금과 비교예에 따른 각 합금의 인장특성, 열전도도 및 유동장 등을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

합금 (중량%)		Zn	Mg	Cu	Fe	Si	Al	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)	연신율 (%)	열전도도 (W/mK)	유동장 (mm)
실시예	1	2.30	1.11	0.12	0.53		bal.	162	110	22	171	750
	2	2.14	0.83	0.36	0.67		bal.	186	125	25	171	750
	3	2.36	0.53	0.62	0.59		bal.	154	115	24	179	720
	4	2.26	0.21	0.86	0.54		bal.	155	112	22	186	710
	5	2.14	0.12	1.07	0.56		bal.	158	118	20	182	710
	6	2.18	0.40	0.77	0.59		bal.	178	119	22	179	720
비교예	7	0.92	0.21		0.97	10.20	bal.	134	120	3	95	780
	8	1.98	0.41		0.97		bal.	125	91	22	186
	9	1.90	0.67		0.52		bal.	127	91	26	186
	10	1.95	1.11		0.52		bal.	141	103	30	175
	11	4.05	0.83		1.02		bal.	213	173	11	167	780
	12	3.91	1.08		0.60		bal.	214	186	12	167	780
	13	3.82	1.35		0.56		bal.	225	165	12	163	780

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ~ 6에 따른 알루미늄 합금들의 열전도도는 171 ~ 186W/mK로서, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 7)의 열전도도 95W/mK와 비교하여 월등히 우수한 열전도도를 나타냄을 알 수 있다.

또한, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ~ 6에 따른 합금들의 인장강도는 154 ~ 186MPa로서, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 기존의 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 7)의 인장강도 134MPa 비해서 우수한 인장강도를 가지고 있다.

또한, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ~ 6에 따른 알루미늄 합금들은 유동장은 710 ~ 750mm로서, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 7)의 유동장 780mm와 비교하여 90% 이상의 유동장을 나타냄을 알 수 있다.

한편, 비교예 8 ~ 10에 따른 합금은 본 발명의 실시예들에 비해, 아연 함량이 1.90 ~ 1.98중량%이고 마그네슘 함량은 0.41 ~ 1.11중량%로 비슷한 수준이나 구리가 함유되어있지 않은데, 그 결과 열전도도는 170W/mK 이상이지만 인장강도는 125~141MPa로 150MPa 이하의 인장강도를 나타내, 본 발명의 실시예들의 인장강도(154 ~ 186MPa)에 비해 낮다.

또한, 비교예 11 ~ 13에 따른 합금은 본 발명의 실시예들에 비해, 마그네슘 함량은 0.41 ~ 1.11중량%로 비슷한 수준이나 아연 함량은 3.82 ~ 4.05중량%로 높고 구리가 함유되어있지 않은데, 그 결과 인장강도는 200MPa 이상이지만 열전도도는 170W/mK 이하로서, 본 발명의 실시예들의 열전도도(171 ~ 186W/mK)에 비해 낮다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 다이캐스팅을 할 수 있는 정도의 주조성과 함께 일정한 수준의 인장 강도와 우수한 열전도 특성이 요구되는 방열부품용 다이캐스팅용 알루미늄 재료로 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (3)

1. 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량%, 구리(Cu) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.0중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 열전도도는 170W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 인장강도는 150MPa 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
   

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