KR101691001B1 - 내식성과 강도가 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면의 산화층이 안정적이고 치밀하게 형성되어 염수 환경이나 물이나 대기 상태에서 우수한 내부식성을 지니며 높은 인장강도와 항복강도가 발현되어 내식성과 내구성이 요구되는 전자기기 부품이나 자동차 부품의 제조가 가능한 다이캐스팅용 합금 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 5.0~12.0 중량% 실리콘(Si), 0.3~5.5 중량% 마그네슘(Mg), 0.15~0.5 중량% 크롬(Cr), 0.01~3.0 중량% 지르코늄(Zr), 0.1~1.5 중량% 망간(Mn), 0.05 중량% 니켈(Ni), 0.01~5.0 중량% 아연(Zn), 0.1~1.5 중량% 티타늄(Ti), 0.1~1.0 중량% 철(Fe), 0.001~0.7 중량% 주석(Sn), 0.5 중량% 구리(Cu) 및 나머지 알루미늄(Al)으로 이루어진다.

Description

내식성과 강도가 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 {Die-cast aluminum alloy composition with excellent corrosion resistance and strength}

본 발명은 알루미늄에 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 실리콘(Si)을 첨가하여 표면의 산화층이 안정적이고 치밀하게 형성되어 염수 환경이나 물이나 대기 상태에서 우수한 내부식성을 지니며 높은 인장강도와 항복강도가 발현되어 내식성과 내구성이 요구되는 전자기기 부품이나 자동차 부품의 제조가 가능한 다이캐스팅용 합금 조성물에 관한 것이다.

알루미늄으로 제품을 제조하는 방법으로 알루미늄 판재를 프레스 가공하여 원하는 형상으로 제조하는 소성가공법과, 제품 형상으로 기계가공된 금형에 알루미늄 용융물을 주입하여 금형과 동일한 주물을 제조하는 다이캐스팅법이 있다.

다이캐스팅법에 의해 생산되는 제품은 치수가 정확하다는 장점이 있어, 비교적 복잡한 디자인이 요구되는 자동차 또는 항공기 부품, 전자기기, 광학기기 등에 널리 사용되고 있는데, 제품의 고기능화에 따라 알루미늄계 합금의 고유의 특징인 경량성 이외에 내식성, 내마모성, 고강도 등이 추가적으로 요구되고 있다.

다이캐스팅 합금으로 사용되는 대표적인 알루미늄계 합금은 ALDC12와 AZ91D이다. ALDC12 합금은 165MPa의 항복강도와 331MPa의 인장강도를 가지며, AZ91D 합금은 이보다 더 낮은 150MPa의 항복강도와 230MPa의 인장강도를 가지는데, 스마트폰 또는 태블릿 케이스와 같이 강도가 요구되는 슬림화된 제품에 적용하기 어렵다. 그리고, 아연계인 ZA27 합금은 365MPa의 항복강도와 426MPa의 인장강도를 나타내어 강도면에서는 우수하나, 비중이 5g/cc로 알루미늄 합금 보다 무거워 경량화에 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 한국 등록특허공보 제1133103호에 "다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금"을 제안하고 있다. 제안된 알루미늄 합금은 알루미늄 베이스에 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)을 첨가하여 강도를 향상시키고 있다. 하지만, 상기 합금은 120℃에서 24시간 이상의 시효처리가 필요함에 따라 생산성이 저하될 뿐만 아니라, 고속으로 금형내로 주입된 합금 용융물이 금형 내벽에 소착되는 문제가 있다.

다른 예로, 한국 공개특허공보 제2012-0129458호에 "박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금"을 제안하고 있는데, 알루미늄 베이스에 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 철(Fe), 망간(Mn), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti)을 첨가하여, 강도는 물론, 합금 용융물과 금형과의 소착성을 줄여 주조성도 개선하고 있다. 하지만, 상기 합금은 내식성이 취약하여 수분 또는 습기에 의해 표면이 산화되어 부식되는 단점이 있다.

1. 한국 등록특허공보 제1133103호 (발명의 명칭: 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금. 2010.04.22) 2. 한국 공개특허공보 제2012-0129458호 (발명의 명칭: 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금. 2012.11.28)

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 표면의 산화층이 안정적이고 치밀하게 형성되어 염수 환경이나 물이나 대기 상태에서 우수한 내부식성을 지니며 높은 인장강도와 항복강도를 가지는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 제공하는 데 있다.

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상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물은 5.0~12.0 중량% 실리콘(Si), 0.3~5.5 중량% 마그네슘(Mg), 0.15~0.5 중량% 크롬(Cr), 0.01~3.0 중량% 지르코늄(Zr), 0.1~1.5 중량% 망간(Mn), 0.05 중량% 니켈(Ni), 0.01~5.0 중량% 아연(Zn), 0.1~1.5 중량% 티타늄(Ti), 0.1~1.0 중량% 철(Fe), 0.001~0.7 중량% 주석(Sn), 0.5 중량% 구리(Cu) 및 나머지 알루미늄(Al)으로 이루어져 280MPa의 인장강도와 200MPa의 항복강도를 가지고, 연신율은 4%인 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물은 알루미늄 베이스에 유효한 조성의 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 실리콘(Si)의 첨가로 표면의 산화층이 안정적이고 치밀하게 형성되어 염수 환경이나 물이나 대기 상태에서 우수한 내부식성은 물론, 우수한 항복강도와 인장강도가 발현되고 전기 및 열 전도성도 상당함에 따라 내부식성, 내구성 및 전기 및 열전도성이 요구되는 전자기기 부품이나 자동차 부품으로 제조될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 일면은 내식성과 우수한 강도를 겸비하도록 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 철(Fe), 주석(Sn), 구리(Cu) 및 나머지 알루미늄(Al)으로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성물은 총 중량 대비 5.0~12.0 중량% 실리콘(Si), 0.3~5.5 중량% 마그네슘(Mg), 0.15~0.5 중량% 크롬(Cr), 0.01~3.0 중량% 지르코늄(Zr), 0.1~1.5 중량% 망간(Mn), 0.05 중량% 니켈(Ni), 0.01~5.0 중량% 아연(Zn), 0.1~1.5 중량% 티타늄(Ti), 0.1~1.0 중량% 철(Fe), 0.001~0.7 중량% 주석(Sn), 0.5 중량% 구리(Cu) 및 나머지로 알루미늄(Al)이 첨가된다.

실리콘(Si)은 유동성과 강도를 향상하도록 첨가되는데, 12.0 중량%를 초과하면 열처리가 약하여 깨짐이 발생하고, 5.0 중량% 미만이면 유동성이 저하되어 금형내부로 합금 용융물의 충진성이 저하된다. 따라서, 실리콘(Si)은 금형 내 유동성과 강도 및 열처리를 모두 향상할 수 있도록 8.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 치밀한 표면 산화층(MgO)을 급격하게 성장시켜 내부 부식을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가된다. 조성비율이 5.5 중량% 초과하면 유동성이 저하되고, 0.3 중량% 미만이면 내식성 향상이라는 본래의 목적을 달성할 수가 없어, 내부식성과 강도향상 및 적절한 유동성을 위해서 3.0 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 내식성을 향상하도록 첨가되는 것으로, 조성비율이 0.5 중량%를 초과하여 첨가되면 강도가 저하되고 0.15 중량% 미만이면 내식성 향상 효과를 기대하기 어려워, 바람직하게 0.3 중량%로 첨가된다.

지르코늄(Zr)은 내부식성과 함께 고온에서 강도를 향상하도록 첨가된다. 지르코늄(Zr)이 3.0중량%를 초과하면 크랙이나 깨짐이 발생함에 따라, 내부식성과 강도향상 및 취성을 보완할 수 있도록 0.15 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 내식성을 증진하고 고온에서 연화 저항을 크게 하며 표면처리 특성을 개선하도록 첨가된다. 첨가되는 조성비율이 1.5 중량%를 초과하면 주조성이 저하됨에 따라, 내식성과 연화저항 및 표면처리 그리고 주조성을 모두 향상할 수 있도록 1.0 중량%로 첨가하는 것이 적절하다.

니켈(Ni)은 유해원소로 사용이 금지되고 있는 추세이지만, 합금의 부식성을 향상하는 역할을 수행한다. 니켈(Mi)의 조성비율이 0.05~0.1 중량%가 바람직한데, 니켈을 0.1 중량%를 초과하여 첨가하여도 내부식성이 두드러지게 향상되지 않는다.

아연(Zn)은 주조성과 강도의 향상을 극대화하도록 첨가된다. 조성비율이 5.0 중량%를 초과하여 첨가되면 내식성과 인성이 저하됨에 따라, 주조성과 강도향상 및 내식성과 인성을 함께 충족시킬 수 있도록 2.5 중량%로 첨가되는 것이 적절하다.

티타늄(Ti)은 결정립의 미세화를 통하여 성형성과 강도를 향상하도록 첨가된다. 첨가 조성비율이 1.5 중량%를 초과하면 용탕의 흐름을 저하시켜 불량이 촉진됨에 따라, 성형성과 강도향상 및 불량을 방지할 수 있도록 1.0 중량%로 첨가되는 것이 적절하다.

철(Fe)은 합금 용융물의 금형내벽에 소착되는 것을 방지하고 강도를 향상시키도록 첨가된다. 첨가 조성비율이 1.0 중량%를 초과하면 내식성의 저하와 침전물이 발생하므로, 고착성 방지와 강도 향상 및 내식성을 고루 지닐 수 있도록 0.6 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

주석(Sn)은 성형성과 절삭가공성을 향상하도록 첨가된다. 첨가 조성비율이 0.7 중량%를 초과하면 내식성이 저하됨에 따라, 성형성과 절삭가공성 및 내식성을 모두 겸비하도록 0.4 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

구리(Cu)는 경화 효과에 따른 합금의 강도를 향상시키는 역할을 수행한다. 첨가 조성비율이 1.0 중량%를 초과하면 내부식성이 저하됨에 따라 0.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일면은 전술한 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 주조품을 제조하는 방법이다. 먼저, 전술한 금속원소의 조성비로 알루미늄 합금 조성물을 준비한다. 즉. 총 중량 대비 5.0~12.0 중량% 실리콘(Si), 0.3~5.5 중량% 마그네슘(Mg), 0.15~0.5 중량% 크롬(Cr), 0.01~3.0 중량% 지르코늄(Zr), 0.1~1.5 중량% 망간(Mn), 0.05 중량% 니켈(Ni), 0.01~5.0 중량% 아연(Zn), 0.1~1.5 중량% 티타늄(Ti), 0.1~1.0 중량% 철(Fe), 0.001~0.7 중량% 주석(Sn), 0.5 중량% 구리(Cu) 및 나머지로 알루미늄(Al)을 준비한다.

이어서 준비된 알루미늄 합금을 용해로에서 용융하고, 용융된 합금물을 다이캐스팅 금형에 공급하여 주조품을 완성한다. 이때, 다이캐스팅의 주조온도가 낮으면 유동성 저하에 따른 금형 충전성에 문제가 발생하고, 높은 온도이면 응고시 수축율이 증대하기 때문에 크랙이 발생할 우려가 있어, 바람하게는 680~750℃이다. 그런 다음, 75Mpa의 주조압력으로 주조품을 제조한다.

이와 같이 완성된 주조품은 알루미늄에 적정 조성으로 금속원소가 첨가됨에 따라, 표면의 산화층이 안정적이고 치밀하게 형성되어 염수 환경이나 물이나 대기 상태에서 우수한 내부식성을 지니며 높은 인장강도와 항복강도가 발현되고, 또한 주조시 합금 용융물이 금형 내벽에 소착되지 않고 합금 용융물의 금형 충전성이 향상되어 박판 형태 주조품의 제조가 가능하다. 본 발명에 따른 주조품은 강도와 함께 전기 및 열전도도가 우수하여 전기기기 외장재, 스마트폰 케이스, 백라이트 유닛 커버, 방열판과 같은 전기기기 부품이나 엔진팬, 브라켓, 랙 하우징과 같은 자동차 부품에 적용이 가능하다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.

<알루미늄 합금 준비>

본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성물(실시예1)과 이와 비교되는 알루미늄 합금 조성물(비교예1,2)을 아래와 같은 조성비율로 준비하였다.

<시험편 제작>

준비된 3종류의 합금을 전술한 제조방법에 따라, 아래와 같은 ASTM Subsize 규격의 시험편을 각각 제작하였다.

<내부식성 측정>

제작된 3종류의 시험편을 표면처리를 거치지 않고 염수분무 실험방법인 KS D 9502에 따라 아래와 같은 조건으로 표면에 분무하였다.

- Nacl(Sodium Chloride): 99.5%, 삼전순약공업 社

- 염수농도: 5%

- 물: 탈이온수 및 증류수

- 시험온도: 35℃ ± 1℃

- 분무액 pH(35℃): pH6.5~7.2

- 분무압력: 0.07~0.17 MPa

- 분무방법: 연속분무

- 분무량: 1.5 ± 0.5 ml/hr

분무 24h 후에 육안관찰과 함께 주사전자현미경을 이용하여 250㎛의 표면 상태와 5㎛의 산화막 상태를 관찰하였다.

<강도 및 연신율 측정>

3종류의 시험편을 만능재료시험기(Instron 5982)를 사용하여 인장강도와 항복강도 및 연신율을 측정하였다.

<실험결과>

육안관찰에서 실시예1이 비교예1,2에 비해서 색상이 뚜렷하고 표면이 치밀한 것을 확인할 수가 있었다. 그리고 확대관찰1에서는 실시예1에 나타나지 않는 크랙이 비교예1,2에서 각각 관찰되었으며, 확대관찰2에서는 표면에 부식으로 인한 산화층의 두께가 실시예1에 비해 비교예1,2가 월등히 높게 관찰되었다. 또한, 강도측정에서도 실시예1이 비교예1,2에 비해서 높은 항복강도와 인장강도 및 연신율을 확인할 수가 있다. 따라서, 실시예 1은 비교예1,2에 비해 내식성은 물론 강도가 우수한 것으로 판명되었다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (14)

1. 내식성과 강도가 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물에 있어서,
   5.0~12.0 중량% 실리콘(Si), 0.3~5.5 중량% 마그네슘(Mg), 0.15~0.5 중량% 크롬(Cr), 0.01~3.0 중량% 지르코늄(Zr), 0.1~1.5 중량% 망간(Mn), 0.05 중량% 니켈(Ni), 0.01~5.0 중량% 아연(Zn), 0.1~1.5 중량% 티타늄(Ti), 0.1~1.0 중량% 철(Fe), 0.001~0.7 중량% 주석(Sn), 0.5 중량% 구리(Cu) 및 나머지 알루미늄(Al)으로 이루어져 280MPa의 인장강도와 200MPa의 항복강도를 가지고, 연신율은 4%인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물.
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