KR101794583B1 - 강도가 향상된 아노다이징용 알루미늄 합금 및 개선된 아노다이징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 아노다이징 구현을 위해 아노다이징에 악영향을 미치는 원소를 최소화하고 인체 유해 원소를 배제한 상태에서 그 강도가 향상된 아노다이징용 알루미늄 합금에 관한 것이다. 본 발명에 따른 아노다이징용 알루미늄 합금은 아연(Zn) 5.0 내지 6.0중량%, 마그네슘(Mg) 1.0 내지 2.5중량%, 구리(Cu) 0.01 내지 0.6중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.2중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함한다.

Description

강도가 향상된 아노다이징용 알루미늄 합금 및 개선된 아노다이징 방법 {Strength enhanced anodizable aluminum alloy and improved anodizing process}

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 물리적 강도가 향상됨과 동시에 아노다이징의 품질도 우수한 아노다이징용 알루미늄 합금 및 개선된 아노다이징 방법에 관한 것이다.

최근에는 스마트폰 등과 같은 휴대단말기를 대화면 박형화하여 제작하고 있다. 이러한 대화면 박형화된 구조를 적용하기 위해서는 구조의 강도를 확보할 필요가 있으며, 구조의 강도를 확보하기 위하여 휴대단말기의 내/외장재로서 금속재를 적용하고 있다.

특히 휴대단말기의 외장 부품은 사용자들의 촉각 또는 시각에 의해 직접적으로 인지되는 부분으로, 심미적 기능, 감성품질 향상, 타제품과의 차별화를 위하여 다양한 소재를 적용할 수 있다.

대표적으로, 대한민국 등록특허 제10-0703491호(2007.03.28. 등록, 발명의 명칭 "휴대 단말기의 금속 케이스 및 그 제조 방법") 및 대한민국 공개특허 제10-2008-0112848호(2008.12.26. 공개, 발명의 명칭 "휴대 단말기용 케이스와 그 제조 방법 및 이를 구비하는 휴대 단말기")에는 휴대단말기 케이스를 금속으로 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허문헌에는 금속으로 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 철(Fe) 등이 언급되어 있다. 그러나 외장재의 특성에 따라 가공조건 및 가공방법이 틀려 제조원가 상승, 품질 저하 등이 발생할 수 있기 때문에 다양한 외장재를 적용하는데 제약이 있다. 다양한 색상을 구현할 수 있는 PVD 공법도 있으나 색상 구현에 한계가 있고 제조 공정이 복잡하고 그 비용이 많이 들며 제품의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

그리하여, 전자기기 외장부품에 알루미늄 소재로 아노다이징 기술이 적용되기 시작하였다. 그러나, 알루미늄(Al)의 경우 아노다이징 처리를 위하여 높은 순도가 요구되지만, 순도가 높은 알루미늄은 강도가 약하여 휴대단말기 몸체의 일부 또는 전부를 구성하는 케이스로는 적합하지 않아 합금 형태로 사용되고 있다.

아노다이징 구현은 순도가 높은 Al 압연재나 압출재 등의 가공재를 CNC 가공을 통해 구현하며 주로 순도가 높은 알루미늄 6000계열 합금이 사용되고 있다.

그러나, 알루미늄 6000계열은 아노다이징에 의해 우수한 표면 품질 구현이 가능하나 낮은 강도로 인해 다양한 두께의 제품, 특히 얇은 제품에 적용하기 어려운 한계가 있다.

반면, 고강도 합금으로 알루미늄 7000계 합금도 있으나 아노다이징 품질이 좋지 않고 열간 가공성도 좋지 않아 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-0703491호(2007.03.28. 등록, 발명의 명칭 "휴대 단말기의 금속 케이스 및 그 제조 방법") 대한민국 공개특허 제10-2008-0112848호(2008.12.26. 공개, 발명의 명칭 "휴대 단말기용 케이스와 그 제조 방법 및 이를 구비하는 휴대 단말기")

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 알루미늄 합금의 강도를 향상시키면서도 아노다이징의 품질이 우수한 아노다이징용 알루미늄 합금을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 생산성의 문제를 극복하기 위하여 압출 공정을 통해 품질이 우수한 형상을 구현하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 예를 들어 기존 7000계열의 아노다이징 문제를 해소할 수 있는 신규한 아노다이징 공정을 제공하는 데에 있다.

상기 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

아연(Zn) 5.0 내지 6.0중량%, 마그네슘(Mg) 1.0 내지 2.5중량%, 구리(Cu) 0.01 내지 0.6중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.2 중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는 강도가 개선된 아노다이징용 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명에 있어, 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)이 포함되되, 상기 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)의 중량합은 합금의 총중량을 기준으로 하여 0.4중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 알루미늄 합금은 연속 주조 공정을 통한 빌렛 형태로 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 연속주조 공정을 통해 제조된 빌렛을 일정한 크기로 절단한 후 420도 내지 470도(섭씨)의 온도 조건 및 고력 압출설비에서 압출 진행하여 제조됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 생성되는 아노다이징용 알루미늄 합금의 물리적 특성, 특히 물리적 강도가 향상될 뿐만 아니라 아노다이징 품질 또한 개선되게 한다.

또한, 본 발명에 의하면, 연속 주조된 빌렛의 압출 조건을 개선하여 웰드 라인 등의 부정적인 요소를 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 낮은 알루미늄 순도로 인해 발생하는 변색 등의 아노다이징 불량을 개선된 아노다이징 공정을 통해 그 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예 1의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 2는 실시예 2의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 3은 실시예 3의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예 4의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 5는 비교예 1의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 6은 비교예 2의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 7은 비교예 3의 아노다이징 결과를 보여주는 사진이다.
도 8은 공정 조적의 개선 전에 금형의 압출 시 웰드 라인이 생기는 것을 보여주는 사진이다.
도 9는 공정 조건을 개선한 후에 금형의 압출 시 웰드 라인이 생기지 않는 모습을 보여주는 사진이다.
도 10 내지 도 13은 日자형 금형과 판재 형상 금형으로 압출 등의 공정을 진행하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 14는 개선된 아노다이징 공정을 보여주는 공정도이다.
도 15는 개선된 아노다이징 공정을 적용하여 아노다이징한 물품의 외관 사진이다.

이하, 본 발명은 첨부된 예시 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.

본 발명은 아노다이징에 부정적인 영향을 미치는 불순물의 양을 제한하고 인체에 유해한 원소를 사용하지 않으면서도 물리적 강도가 향상된 알루미늄 합금에 관한 것이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은 소정량의 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 및 잔부의 알루미늄을 포함한다.

아연(Zn)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 강화 원소로 작용하며, 고용 범위 내에서 첨가 시 강화 효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 합금 총중량에 대해 5.0 내지 6.0중량%의 양으로 사용된다. 아연이 5.0중량% 미만으로 함유되면 고용 강화 효과가 미비하며, 6.0중량%를 초과하는 양으로 함유되면 편석 발생의 요인이 되어 균일한 외관을 얻을 수 없게 된다.

마그네슘(Mg)은 아연과 함께 Mg-Zn 석출상을 생성하여 합금의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 이러한 마그네슘이 합금 총중량에 대해 1.0 내지 2.5중량%의 양으로 사용된다. 마그네슘이 1.0중량% 미만으로 함유되면 생성되는 합금의 강도 향상이 크게 되지 않고, 2.5중량%를 초과하여 함유되면 아노다이징에 의해 형성하는 산화피막의 광택이 저하되어 제품의 외관이 열화된다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의한 강도를 확보하기 위하여 사용될 수 있는 원소이다. 본 발명에서, 이러한 구리는 0.01중량% 내지 0.6중량%의 양으로 제한된다. 구리의 양이 0.01중량% 미만이면 강도 향상에 도움을 주지 못하고 0.6중량%를 초과하면 부식성이 증가하고 아노다이징에 악영향을 미치게 된다.

철(Fe)은 연신율을 감소시키고 부식성을 높이기 때문에 본 발명에서는 0.1 내지 0.2중량%의 양으로 제한하였다.

이외에, 본 발명의 아노다이징용 알루미늄 합금에는 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)이 포함된다.

규소(Si)는 마그네슘(Mg)과 함께 Mg₂Si를 생성하여 강도를 증가시킬 수 있는 원소다. 규소의 양이 일정량을 초과하면 아노다이징 시 부분적인 산화반응이 일어나 균일하고 우수한 외관을 얻기가 곤란하다.

망간(Mn)은 조직의 미세화 및 강도 개선에 도움을 주는 원소로서 균질화 처리 이후에도 높은 물성을 유지해주는 원소이다. Mn 함량이 증가하면 Fe, Mn등과 결합하여 금속간 화합물을 형성하여 연신율에 악영향을 미치기 때문에 함량 제한이 필요하다.

크롬(Cr)은 조직의 미세화 및 강도 개선에 도움을 주는 원소이다. 크롬은 일정량 이상으로 함유되면 아노다이징 이후 황변 현상이 발생하게 되므로 그 양이 제한되어야 한다.

티타늄(Ti)은 조직의 미세화 및 강도 개선에 도움을 주는 원소이다. 본 발명에서, 이러한 티타늄(Ti)은 0.03중량%까지로 제한하였다. Ti 함량이 높으면 소재내에서 편석되어 존재하여 압출 가공시에 결함 발생의 원인이 되기도 한다.

본 발명에서는, 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)의 중량합은 합금의 총중량을 기준으로 하여 0.4중량%를 초과하지 않는 범위 내로 제한된다.

압출을 진행하기 위해 연속 주조 공정을 통해 빌렛을 생산한다. 연속 주조시 용탕 필터나 GBF 장치 등 일반적으로 양질의 빌렛을 얻을 수 있는 주조 공정을 적용하여 연속 주조를 진행한다(7인치 빌렛)

연속 주조된 빌렛은 400 내지 600mm 길이로 절단한 후 고력 압출기로 압출을 진행한다. 기존 6000계열 합금보다 융점이 낮아 압출 온도도 낮고 강도는 강하기 때문에 고력 압출기로 압출진행이 필요하다.

알루미늄 6000 계열보다 낮은 온도에서 액상이 생성되기 때문에 압출 온도는 420 내지 470도 (섭씨)의 온도로 진행한다. 압출 온도가 470도(섭씨)를 초과하게 되면 액상이 발생하여 압출 소재의 표면 불량을 야기하게 된다.

압출은 형상에 따라 다양하게 진행 가능하며 日 자 형상 금형과 판재 형상 금형으로 진행한다. (도 10 내지 도 13 참조) 日 금형의 경우 압출시 웰드 라인(Weld line)이 발생하게 된다(도 8 참조). 이러한 웰드 라인을 제거하기 위해서는 낮은 온도에서 강한 압출 압력을 가해야만 웰드 라인이 발생하지 않게 된다. 압출 온도는 액상이 발생하기 전인 420 내지 470도 (섭씨)의 온도 조건과 고력압출기에서 압출이 진행되어야 한다(도 9 참조).

또한, 본 발명에서는 개선된 아노다이징 공정을 제공한다.

본 발명의 개선된 아노다이징 공정은 도 14에 도시된 바와 같이 탈지 공정, 에칭 공정, 디스머트 공정, 화학 연마 공정, 초음파 디스머트 공정, 중조 공정, 탕세 공정, 아노다이징 공정, 초음파 중화 공정, 활성화 공정, 착색 공정, 실링 공정, 초음파 세척 공정, 니켈 제거 공정, 열풍 건조 공정을 포함한다.

이들 공정 중에 디스머트 공정, 화학 연마 공정, 아노다이징 공정, 착색 공정, 실링 공정, 니켈 제거 공정, 열풍 건조 공정은 종래의 공정과 동일하며 따라서 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

추가 공정으로써의 에칭 공정은 샌딩처리가 된 표면 상태의 질감을 더 고운 질감과 화학연마 후 70소재 특유의 Pit(검은 점) 현상을 개선하기 위함과 CNC 가공결의 잔상을 제거하기 위한 공정이다. 이 공정에서는 산성 불화암모늄 50~200g/L의 농도에서 상온 ~ 100℃의 조건으로 10초에서 3분까지 침적하여 처리하는 공정으로 이루어진다.

추가 공정으로써의 초음파 디스머트 공정은 에칭 및 화학 연마 후 소재 표면의 불순물에 의해 생성된 스머트(Smut)를 제거하는 공정이다. 약품에 의한 침적만으로 행해지는 디스머트 공정은 제거 시간이 길어지고, 금속과 접합된 수지에 데미지를 줄 수 있다. 본 발명에서는 이를 개선하기 위해 황산 5~10%와 과산화수소수 1~5%농도에서 상온~50℃의 조건으로 20초에 2분까지 초음파 디스머트하는 공정으로 이루어진다.

전처리 공정에서 수세를 통한 제품과 랙(Rack)의 세척이 행해지나, 랙(Rack)의 틈새나 제품 표면에 묻어 미세 산/알카리의 약품의 잔존이 피막 공정에서 얼룩불량을 유발 할 수 있어 추가 공정으로써의 중조 공정은 탄산수소나트륨 1~10%의 농도에서 상온~50℃의 조건으로 10초에서 1분까지 침적하여 제품 표면을 중화 시키는 공정으로 이루어진다.

아노다이징 공정은 전처리가 완료된 제품을 황산 10~15% 농도 및 욕온 15~25℃ 조건하에 제품을 양극으로 하여 전압 12V~18V로 피막을 형성하는 공정이다.

추가 공정으로써의 초음파 중화 공정은 형성된 피막의 기공 내에 잔존하는 황산이온(SO4)를 제거하는 공정이다. 형성된 피막은 다공성의 셀 구조로 되어 있고, 셀벽은 상당량의 황산 알루미늄과 무정형의 산화 알루미늄으로 구성되어 있으며 황산 이온의 완전 제거로 실링을 용이하게 하고, 다양한 색상 착색시 미착색 불량을 개선한다.

추가 공정으로써의 활성화 공정은 7000 계열의 알루미늄 합금의 특성상 아노다이징 공정에서 피막의 두께가 형성이 될 때 소재에 대한 황변이 일어나며 이를 제거하는 공정이다. 이러한 공정은 메탄 설폰산 1~10%농도에서 30~60℃의 온도 조건으로 1분에서 5분까지 침적 하는 공정으로 이루어진다. 본 발명의 개선된 아노다이징 공정을 적용하여 7000 계열의 알루미늄 합금을 아노다이징한 결과는 도 15에 제시되어 있다.

이하, 본 발명의 하기의 실시예로 설명된다. 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 하기 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-4

실시예 1 내지 4에서는 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 규소, 철, 망간, 크롬 및 티타늄의 양을 하기 표 1에 제시된 바와 같이 하여 통상의 알루미늄 합금 제조 방법에 따라 알루미늄 합금을 제조한 후, 항복강도(YTS), 인장강도(UTS) 및 연신율(El)을 측정하고 아노다이징 품질을 평가하여 표 2에 제시하였다. 아노다이징 품질에 대해서는 도 1 내지 도 4에 제시되어 있다.

비교예 1-3

비교예 1 및 2는 별도의 제조 없이 각각 A6061 T6, A7075 T6을 사용하였다(표 1 참조). 이에 대한 함량(표 1 참조) 및 열처리 조건, 항복 강도, 인장 강도, 연신율(표 2 참조)에 대해서는 데이터베이스에 기록된 것을 그대로 활용하였고, 아노다이징 품질에 대해서는 별도로 평가하여 표 2 및 도 5 내지 도 6에 제시하였다.

비교예 3에서는 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 규소, 철, 망간, 크롬 및 티타늄의 양을 하기 표 1에 제시된 바와 같이 하여 통상의 알루미늄 합금 제조 방법에 따라 알루미늄 합금을 제조한 후, 항복강도(YTS), 인장강도(UTS) 및 연신율(El)을 측정하고 아노다이징 품질을 평가하여 표 2 및 도 7에 제시하였다.

상기 표 1 및 도 1 내지 도 7을 통해, 구리(Cu)의 함량이 1.2% 이상 (비교예 2 및 3)일 때에는 아노다이징에서 광택이 떨어졌고, 구리의 함량이 적은 다른 샘플은 양호한 품질이 구현됨을 알 수 있다.

또한, T6 처리한 경우가 물성이 우수하다는 것을 알 수 있으며, 실시예 4의 경우 T5, T6 모두 항복 강도 400MPa 이상을 달성하여 기존 6000 계열의 알루미늄 합금 대비 1.5배 이상 높은 강도가 구현됨을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 구체예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 아연(Zn) 5.0 내지 6.0중량%, 마그네슘(Mg) 1.0 내지 2.5중량%, 구리(Cu) 0.01 내지 0.6중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.2중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함하는 알루미늄 합금을 아노다이징하는 공정으로써, 탈지 공정, 에칭 공정, 디스머트 공정, 화학 연마 공정, 초음파 디스머트 공정, 중조 공정, 탕세 공정, 아노다이징 공정, 초음파 중화 공정, 활성화 공정, 착색 공정, 실링 공정, 초음파 세척 공정, 니켈 제거 공정 및 열풍 건조 공정을 포함하여 이루어지되,
   상기 에칭 공정은 산성 불화암모늄 50~200g/L의 농도에서 상온 ~ 100℃의 조건으로 10초에서 3분까지 침적하여 처리하는 공정으로 이루어지고,
   상기 초음파 디스머트 공정은 황산 5~10%와 과산화수소수 1~5%농도에서 상온~50℃의 조건으로 20초에 2분까지 초음파 디스머트하는 공정으로 이루어지며, 상기 중조 공정은 탄산수소나트륨 1~10%의 농도에서 상온~50℃의 조건으로 10초에서 1분까지 침적하여 아노다이징 대상물을 중화시키는 공정으로 이루어지고, 상기 아노다이징 공정은 황산 10~15% 농도 및 욕온 15~25℃ 조건하에 아노다이징 대상물을 전압 12V~18V로 피막을 형성하는 공정으로 이루어지며, 상기 초음파 중화 공정은 형성된 피막의 기공 내에 잔존하는 황산이온(SO₄)을 초음파 처리하여 제거하는 공정으로 이루어지고, 상기 활성화 공정은 메탄 설폰산 1~10%농도에서 30~60℃의 온도 조건으로 1분에서 5분까지 침적하는 공정으로 이루어지는 아노다이징 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금에 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)이 포함되되, 상기 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)의 중량합은 합금의 총중량을 기준으로 하여 0.4중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 아노다이징 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 연속 주조 공정을 통해 빌렛 형태로 제조된 것임을 특징으로 하는 아노다이징 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연속 주조 공정을 통해 제조된 빌렛은 일정한 크기로 절단한 후 420 내지 470도(섭씨)의 온도 조건 및 고력압출기에서 압출 진행하여 제조된 것임을 특징으로 하는 아노다이징 방법.
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