KR101887941B1 - 경질산화 아노다이징용 Ａｌ－Ｓｉ합금 주조방법 - Google Patents

Abstract

경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법을 제공한다.
본 발명은 Al-Si 합금제품을 주조하는 방법에 있어서, 적어도 하나의 제1용탕주입구를 갖는 하부금형과, 적어도 하나의 제2용탕주입구를 갖는 상부금형을 제공하는 단계; 상기 하부금형과 상부금형간의 합형시 형성되는 캐비티내에 적어도 하나의 다공성 초정컬렉터를 배치하는 단계; 상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 통하여 반응고 알루미늄용탕을 주입하고, 상기 초정컬렉터가 완전 침지되면서 상기 다공성 초정컬렉터의 상부영역에 공간부를 형성하도록 상기 캐비티에 용탕을 채우는 단계; 상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 폐쇄한 상태에서 규소성분 함량이 포함된 용탕을 다공성 초정 컬렉터의 공극으로 통과시키도록 가압라인을 통하여 상기 공간부에 일정세기의 압력을 가하는 단계 ; 및 상기 공간부와 대응하는 초정 컬렉터 표면에 규소 성분함량이 낮은 구형 알루미늄 초정입자층을 형성하고, 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에 규소성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성하는 주조제품을 제조하도록 용탕을 응고하는 단계를 포함한다.

Description

경질산화 아노다이징용 Ａｌ－Ｓｉ합금 주조방법{Method for Casting the Al-Si Alloy for Hard Oxidation Anodizing}

본 발명은 경질산화 아노다이징을 위한 Al-Si계 합금을 주조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 Al-Si계 알루미늄 주조합금의 양극산화 반응속도를 저해하고 양극산화피막 내에 결함을 발생시키는 Si 석출물이 알루미늄 합금 주조제품 표면에 발생하는 것을 최소화할 수 있는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 주조합금 중 주조성이 뛰어난 가장 대표적인 주조합금인 Al-Si계 주조합금은 알루미늄 주물의 심미성, 내마모성, 내전압특성 등 표면특성을 향상시켜 동작특성 및 부가가치를 향상시키는데 핵심인 아노다이징 공정을 적용하기에 어려움이 따른다.

이는 기지 내에 초정 또는 공정 실리콘 상태로 존재하는 비금속상의 실리콘으로 인해 전기반응의 일종인 아노다이징 공정특성이 크게 떨어지기 때문이다.

특히 아노다이징 공정에 의해 얻어지는 양극산화피막 층을 수십마이크로 미터 이상 올리는 경질산화특성이 현격히 훼손되는데 실리콘 입자가 양극산화피막의 성장을 방해하여 다양한 색상을 내기 위한 충분한 층두께를 얻기 힘들고, 산화피막 성장속도가 현격히 떨어지게 되고, 더욱이 양국산화피막 내에 실리콘 입자가 개재되거나 균열 등과 같은 결함발생을 유발하게 된다.

최근 엘이디의 출력이 증가하게 됨에 따라 엘이디 칩의 방열성능을 향상시키고, 계면 열저항을 최소화하기 위하여 히트싱크의 표면에 전기회로를 구성하여 칩을 탑재하는 COH(Chip On Heatsink) 패키징 기술이 시도되고 있으며, 이를 위해서는 알루미늄 재질의 히트싱크가 충분한 두께의 유전층을 확보하여야 가능하게 된다.

이때, 알루미늄 히트싱크의 양극산화피막층이 고내전압 특성을 확보할 수 있도록 수십 마이크로미터 이상 형성되면, 별도의 유전층 코팅공정의 필요없이 공정수 감소 및 계면 열저항 감소에 효과적인 장점을 얻을 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 노력들이 시도되었지만 Al-Si계 주조합금의 경질산화능에 대한 궁극적인 해결책을 제시하지는 못하고 있는 실정이다.

즉, Al-Si계 주물제품의 표면을 기계가공한 후 아노다이징을 하는 방법이 시도되었는데, 이는 표면의 산화결함을 제거함으로써 산화피막 성장속도가 향상되는 효과를 얻을 수 있으나 실리콘 입자의 존재로 피막층에 균열이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, Al-Si 주물의 표면을 순 알루미늄이나 Si-free 알루미늄 합금용탕에 침지하는 방법으로 코팅하여 아노다이징하는 침지법이 시도되었으나 우선 산화피막층의 존재로 주물과 코팅층간의 계면 결함이 존재하여 아노다이징 특성이 떨어지게 되며, 더욱이 생산하고자 하는 제품의 형상이 미세하거나 복잡한 경우에는 알루미늄 용탕의 계면장력 및 모세관 효과로 인하여 침지법으로 순 알루미늄이나 Si-free 알루미늄 합금 주물제품의 형상을 유지하면서 균일하게 코팅하는 것이 근본적으로 불가능하였다.

또한, PEO(Plasma Electrolyte Oxidation)공정을 적용하여 양극산화피막층을 얻는 방법이 시도되었으나 표면부위에 고 에너지가 투입되어 국부용융후 아노다이징이 일어나 실리콘 입자의 존재에도 불구하고 균일한 양극산화피막을 얻을 수 있지만 별도의 설비가 필요하고, 특히 대형주물에는 적용성이 떨어지는 문제점이 있었다.

Si 를 첨가하지 않거나 Si 함유량을 현격히 낮추는 등 주조성이 비교적 뛰어난 알루미늄 합금을 개발하여 적용하고자 하는 노력이 이루어져 경질산화공정이 성공적으로 적용될 수 있지만 이 또한 Al-Si계 알루미늄 합금보다 주조성이 떨어져 LED용 히트싱크의 방열성능 향상을 위한 3차원 복잡형상 구조를 주조공정으로 구현할 수 없어 양극산화능의 향상효과를 상쇄하여 수율이 낮아지는 단점이 발생하는 것을 피할 수 없었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 주조성이 뛰어난 Al-Si계 알루미늄 주조합금을 이용하여 제조된 주물부품을 통상의 아노다이징 공정을 적용하는 경우에도 뛰어난 양극산화능, 특히 경질산화능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, Al-Si 합금제품을 주조하는 방법에 있어서, 적어도 하나의 제1용탕주입구를 갖는 하부금형과, 적어도 하나의 제2용탕주입구를 갖는 상부금형을 제공하는 단계; 상기 하부금형과 상부금형간의 합형시 형성되는 캐비티내에 적어도 하나의 다공성 초정컬렉터를 배치하는 단계; 상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 통하여 반응고 알루미늄용탕을 주입하고, 상기 초정컬렉터가 완전 침지되면서 상기 다공성 초정컬렉터의 상부영역에 공간부를 형성하도록 상기 캐비티에 용탕을 채우는 단계; 상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 폐쇄한 상태에서 규소성분 함량이 포함된 용탕을 다공성 초정 컬렉터의 공극으로 통과시키도록 가압라인을 통하여 상기 공간부에 일정세기의 압력을 가하는 단계 ; 및 상기 공간부와 대응하는 초정 컬렉터 표면에 규소 성분함량이 낮은 구형 알루미늄 초정입자층을 형성하고, 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에 규소성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성하는 주조제품을 제조하도록 용탕을 응고하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 상,하부 금형의 합형시 형성되는 캐비티 내에 다공성 초정컬렉터를 배치한 상태에서 상,하부 금형의 제1,2용탕주입구를 통하여 액상의 알루미늄용탕과 고상의 알루미늄 용탕이 혼재하는 반응고 알루미늄용탕을 주입하고, 반응고 용탕에 다공성 초정컬렉터가 완전 침지되면서 다공성 초정컬렉터의 상부영역에 공간부를 형성하도록 용탕을 캐비티에 채운 다음, 상부금형에 형성된 가압라인을 통하여 공간부에 일정세기의 압력을 제공함으로서, 다공성 초정 컬렉터의 공극을 통과하는 초정 알루미늄용탕에 의해서 공간부와 대응하는 표면에 규소성분 함량이 낮은 구형 초정입자층을 형성하고, 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에 규소성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성한 상태에서 응고하여 알루미늄 합금제품을 주조할 수 있다.

(2) Al-Si계 알루미늄 주조합금의 주요 합금원소인 Si 석출물이 주조제품 표면에 발생하는 것을 최소화함으로써 양극산화피막 내에 결함 생성을 억제하고 수십 마이크로 미터 이상으로 두껍게 양극산화피막을 형성시킬 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법을 도시한 순서도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상,하부금형을 제공하는 단계, 다공성 초정컬렉터를 배치하는 단계, 캐비티에 용탕을 채우는 단계, 공간부에 압력을 가하는 단계, 용탕을 응고하는 단계를 포함한다.

상기 상,하부금형을 제공하는 단계는 일측면에 용탕이 주입되는 적어도 하나의 제1용탕주입구(11)를 구비하고, 상부로 개방된 공간을 갖는 하부금형(10)과, 일측면에 용탕이 주입되는 적어도 하나의 제2용탕주입구(21)를 구비하고, 하부로 개방된 공간을 갖는 상부금형(20)을 각각 제공하는 것이다.

상기 다공성 초정컬렉터(30)를 배치하는 단계는 상기 하부금형(10)과 상부금형(20)간의 상하 합형 형성되는 캐비티(C)내에 별도로 제작된 다공성 초정컬렉터(30)를 위치고정하여 배치하는 것이다.

이때, 상기 다공성 초정컬렉터(30)는 몸체 전체에 일정크기의 개기공을 가지고, 전기전도성이 우수한 비금속재 또는 고융점 금속재로 이루어질 수 있다.

이러한 다공성 초정컬렉터(30)에 형성되는 개기공의 크기에 의해서 초정입자이 통과여부를 제어할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 다공성 초정컬렉터(30)는 상기 상,하부금형(10,20)사이의 캐비티내에 별도의 고정지지부재(미도시)에 의해서 착탈가능하게 위치고정될 수 있으며, 이러한 고정지지부재는 상기 캐비티내로 주입되는 고온의 용탕에 의해서 용해되어 제거되는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. .

상기 용탕을 주입하는 단계는 상기 하부금형(10)의 제1용탕주입구(11)와 상기 상부금형(20)의 제2용탕주입구(21)를 통하여 반응고 알루미늄용탕을 주입하여 상기 초정 컬렉터(30)가 배치된 캐비티를 채우게 된다.

이때, 상기 캐비티의 내부공간에는 반응고 용탕이 채워지지 않는 공간부(40)를 형성하도록 용탕공급량을 제어하게 되며, 이러한 공간부(40)는 가압라인(23)과 대응하는 영역에 구비되는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 제1,2용탕주입구(11,21)를 통한 반응고 알루미늄용탕이 주입이 종료되면, 상기 제1,2용탕주입구(11,21)의 용탕주입라인을 차단하고, 상기 상,하부금형(10,20) 중 어느 하나에 구비되는 가압라인(23)을 개방하게 된다.

상기 공간부(40)를 가압하는 단계는 상기 제1용탕주입구(11)와 제2용탕주입구(21)를 폐쇄한 상태에서 상부금형에 구비된 가압라인(23)을 통하여 상기 공간부에 일정세기의 압력을 가하는 것이다.

이러한 경우, 규소성분 함량이 포함된 반응고 알루미늄 용탕 중 액상의 용탕이 상기 다공성 초정 컬렉터(30)에 형성된 공극을 통하여 그 내부로 진입되어 통과하게 되면서 상기 공간부(40)오 대응하는 다공성 초정 컬렉터(30)의 표면으로 노출다.

즉, 규소성분 함량이 많은 용탕이 채워진 캐비티에서 용탕이 채워지지 않는공간부(40)의 내부압력이 증가하게 되면, 반응고 용탕 중 액상성분이 다공성 초정 컬렉터(30)에 형성된 공극을 통하여 초정 컬렉터(30)의 내부로 진입하게 되어 통과되는 과정에서 입자크기가 수십 마이크로미터로 작은 알루미늄 초정입자만이 초정컬렉터를 통과하여 공간부에 대응하는 표면으로 노출되고, 상대적으로 입자크기가 크고 규소성분함량이 높고 입자크기가 큰 액상 및 고상 용탕은 초정컬렉터 내부 및 나머지에 잔류하게 되는 것이다.

이에 따라, 상기 공간부(40)와 대응하는 다공성 초정 컬렉터(30)의 표면에는 규소 성분함량이 낮은 구형 알루미늄 초정입자층을 형성하게 되고, 상기 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에는 규소 성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성하게 되는 것이다.

또한, 상기 가압라인(23)을 통하여 공간부의 내부압력을 증가시키는 공정에서 압력세기 및 가압시간을 조절함으로써 상기 다공성 초정컬렉터(30)의 표면에 형성되는 초정입자층의 두께를 가변시킬 수 있다.

상기 용탕을 응고하는 단계는 상기 공간부(40)와 대응하는 초정 컬렉터(30)표면에 규소 성분함량이 낮은 구형 알루미늄 초정입자층을 형성하고, 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에 규소성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성하는 주조제품을 얻을 수 있도록 용탕을 응고하는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

11 : 제1용탕주입구 10 : 하부금형
21 : 제2용탕주입구 20 : 상부금형
23 : 가압라인 30 : 다공성 초정 컬렉터
40 : 공간부

Claims (5)

1. Al-Si 합금제품을 주조하는 방법에 있어서,
   적어도 하나의 제1용탕주입구를 갖는 하부금형과, 적어도 하나의 제2용탕주입구를 갖는 상부금형을 제공하는 단계;
   상기 하부금형과 상부금형간의 합형시 형성되는 캐비티내에 적어도 하나의 다공성 초정컬렉터를 배치하는 단계;
   상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 통하여 반응고 알루미늄용탕을 주입하고, 상기 초정컬렉터가 완전 침지되면서 상기 다공성 초정컬렉터의 상부영역에 공간부를 형성하도록 상기 캐비티에 용탕을 채우는 단계;
   상기 제1용탕주입구와 제2용탕주입구를 폐쇄한 상태에서 규소성분 함량이 포함된 용탕을 다공성 초정 컬렉터의 공극으로 통과시키도록 가압라인을 통하여 상기 공간부에 일정세기의 압력을 가하는 단계 ; 및
   상기 공간부와 대응하는 초정 컬렉터 표면에 규소 성분함량이 낮은 구형 알루미늄 초정입자층을 형성하고, 다공성 초정 컬렉터를 포함하는 나머지에 규소성분함량이 높은 액상 알루미늄층을 형성하는 주조제품을 제조하도록 용탕을 응고하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공간부는 상기 가압라인과 대응하는 캐비티에 형성되는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 초정컬렉터는 상기 상,하부금형사이의 캐비티내에 고정지지부재 의해서 착탈가능하게 위치고정되는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 고정지지부재는 상기 캐비티내로 주입되는 용탕에 의해서 용해되어 제거되는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 공간부에 일정세기의 압력을 가하는 단계는 상기 다공성 초정컬렉터의 표면에 형성되는 초정입자층의 두께를 가변시킬 수 있도록 압력세기 및 가압시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 경질산화 아노다이징용 Al-Si 합금 주조방법.

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