KR102217940B1 - 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서, 총 중량 대비 7~9 중량부의 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.

Description

고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법{ALUMINUM ALLOY FOR DIE CASTING HAVING AN EXCELLENT HEAT RELEASING PROPERTY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동성 및 열전도도가 향상된 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상 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.
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.
다이캐스팅 주물은 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다. 한편, 다이캐스팅 주조에 이용되는 금속은 일반적으로 아연, 알루미늄, 마그네슘 등의 합금이며, 이들 합금은 용융되어 용탕으로 만들어진 후, 공기압, 수압, 유압 등의 가압장치를 통해 다이캐스트 장치의 금형에 주입되어 금속 냉각 응고된다.
이러한 과정을 통해 만들어진 다이캐스팅 주조품은 여러 분야에 사용되고 있으며, 특히 자동차부품에 많이 적용되고 있고, 전기기기, 광학기기, 차량, 방직기, 건축, 계측기 등의 부품 제작 등에도 널리 사용되고 있다.
한편, ALDC12 합금이 종래 알루미늄 다이캐스팅 공정에서 90% 이상을 차지할 정도로 높은 활용도를 보이고 있으나, ALDC12는 최근 전자부품의 소형화 및 집적화에 따른 방열 효율에 대한 시장요구에 뒤처지고 있는 실정이다.
최근 이러한 시장요구에 부합하기 위해 관련된 기술들이 개발되고 있으나, 종래 기술들은 기계적 강도나 방열 효율을 향상시킬 수는 있지만 유동성이 현저하게 열악해지는 문제점들을 간과하였다.
따라서, 현대의 전자부품 시장의 요구에 부합하는 고방열특성을 갖추면서도 알루미늄 합금 조성의 유동성도 높은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 대한 개발이 시급하다.
발명의 배경이 되는 종래기술: 한국 등록특허 제10-1375671호 (2014.03.12) 및 한국 등록특허 제10-1800548호 (2017.11.16)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고방열특성을 가지면서도 유동성이 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서, 총 중량 대비 7~9 중량부의 실리콘(Si)을 포함하는, 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공한다.
이때, 총 중량 대비 0.4~0.6 중량부의 구리(Cu), 0.1~0.3 중량부의 마그네슘(Mg), 1~1.6 중량부의 철(Fe), 0.1~0.3 중량부의 망간(Mn), 0.3~0.5 중량부의 니켈(Ni), 0.3~0.5 중량부의 아연(Zn), 0.1~0.3 중량부의 주석(Sn), 및 0.1~0.3 중량부의 티타늄(TI)을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, (a) 총 중량 대비 7~9 중량부의 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 구성된 재료들을 준비하는 제1 단계; (b) 상기 준비된 알루미늄, 실리콘, 구리, 철, 망간, 니켈, 및 티타늄을 600~800℃로 가열하여 용해하는 제2 단계; (c) 상기 제2 단계의 용해물을 850~950℃로 승온하여 0.5~1시간 동안 가열하는 제3 단계; (d) 상기 제3 단계의 혼합물을 730~830℃로 감온한 후, 탈가스를 수행하는 제4 단계; (e) 상기 제4 단계의 혼합물에 아연, 주석, 및 마그네슘을 장입한 후 스터링(stirring)하는 제5 단계; (f) 상기 제5 단계의 혼합물을 600~700℃로 감온한 후, 0.5~1시간 동안 유지하는 제6 단계; 및 (g) 상기 제6 단계의 혼합물에서 불순물을 제거하고, 잉곳으로 출탕시켜 합금을 완성하는 제7단계;를 포함하는, 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 제1 단계는, 총 중량 대비 0.4~0.6 중량부의 구리(Cu), 0.1~0.3 중량부의 마그네슘(Mg), 1~1.6 중량부의 철(Fe), 0.1~0.3 중량부의 망간(Mn), 0.3~0.5 중량부의 니켈(Ni), 0.3~0.5 중량부의 아연(Zn), 0.1~0.3 중량부의 주석(Sn), 및 0.1~0.3 중량부의 티타늄(TI)을 준비하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 비해 방열특성이 크게 향상되면서도, 주조성이 우수하다.
이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예는, 종래의 알루미늄 합금에 비해 열전도도가 크게 향상되면서도 유동성이 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하며, 상기 다이캐스팅 알루미늄 합금은 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지로 알루미늄(Al)과 제조 공정 상 불가피한 불순물을 포함한다.
실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금(이하, '상기 알루미늄 합금'이라 지칭함)의 유동성과 인장강도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 실리콘이 상기 알루미늄 합금 주조에 사용되는 경우, 응고시간(Solidification Time)이 길어지고, 액화온도(liquidus temperature)가 감소됨에 따라, 상기 알루미늄 합금의 주조성이 향상된다. 또한, 석출된 실리콘(pure Si)은 마찰 저항을 향상시킬 수 있다. 실리콘은 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 7~9 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 유동성, 주조성, 열전도성, 인장강도가 향상된다.
구리는 상기 알루미늄 합금의 경도, 강도, 부식 저항에 영향을 미친다. 구리는 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 0.4~0.6중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 부식 저항을 감소시키지 않으면서도 강도를 향상시킬 수 있다.
마그네슘은 상기 알루미늄 합금의 주조성을 향상시키고 고용, 석출 강화 효과에 따라서 기계적 물성을 향상시키며, 열전도도에 영향을 미친다. 예를 들어, 마그네슘은 실리콘과 결합하여 Mg2Si로 석출되어 기계적 성질에 영향을 미치며, 마그네슘과 결합하고 남은 잔류 실리콘은 단독으로 석출되어 기계적 성질, 일 예로, 강도를 향상시킨다. 마그네슘은 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 0.1~0.3 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 강도를 향상시키면서도 부식저항을 상승시킬 수 있다.
철은 주조 후 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 있다. 철은 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 1~1.6 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 열전도도가 저하되지 않고, 주조품에 기공이 발생하는 것을 방지하면서도 강도를 향상시킬 수 있다.
망간은 상기 알루미늄 합금의 총 중량 대비 0.1~0.3 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 부식저항 및 인장강도를 향상시킬 수 있다.
니켈은 알루미늄 합금의 총 중량 대비 0.3~0.5 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 열간경도(hot hardness)를 향상시킬 수 있다.
아연은 상기 알루미늄 합금의 주조성 및 전기화학 특성을 향상시키고, 고용, 석출 강화 효과에 의해 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 아연은 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 0.3~0.5 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 주조성, 전기화학 특성 및 인장 강도를 향상시킬 수 있다.
주석은 베어링 및 부싱 등 마찰이 수반되는 기계부품의 윤활성을 향상시킬 수 있다. 주석은 상기 알루미늄 합금의 총 중량 대비 0.1~0.3 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 열전도도를 감소시키지 않으면서도 주조품의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
티타늄은 석출경화 열처리에 의하여 Al3Ti 등의 금속간 화합물로 알루미늄기지 금속에 석출되어 기계적 물성 및 부식 저항을 향상시킬 수 있고, 상기 알루미늄에 합금의 결정립 미세화를 가능하게 하며, 주조재의 크랙을 방지할 수 있다. 티타늄은 상기 알루미늄 합금 총 중량 대비 0.1~0.3 중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 상기 알루미늄 합금의 주조성을 저하시키지 않으면서, 기계적 물성 및 부식 저항을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 종래의 알루미늄 합금에 비해 유동성 및 열전도도가 크게 향상된 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.
먼저, 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 구성된 재료들을 준비하는 제1 단계를 거친다.
예를 들어, 상기 재료들로, 총 중량 대비 7~9 중량부의 실리콘(Si), 0.4~0.6 중량부의 구리(Cu), 0.1~0.3 중량부의 마그네슘(Mg), 1~1.6 중량부의 철(Fe), 0.1~0.3 중량부의 망간(Mn), 0.3~0.5 중량부의 니켈(Ni), 0.3~0.5 중량부의 아연(Zn), 0.1~0.3 중량부의 주석(Sn), 및 0.1~0.3 중량부의 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 준비된 알루미늄, 실리콘, 구리, 철, 망간, 니켈, 및 티타늄을 600~800℃, 예를 들어, 680~720℃로 가열하여 용해하는 제2 단계를 거치고, 상기 제2 단계의 용해물을 850~950℃, 예를 들어, 900~930℃로 승온하여 0.5~1 시간 동안 가열하는 제3 단계를 거친다.
이어서, 상기 제3 단계의 혼합물을 730~830℃, 예를 들어, 750~800℃로 감온한 후, 탈가스를 수행하는 제4 단계를 거치고, 상기 제4 단계의 혼합물에 아연, 주석, 및 마그네슘을 장입한 후 스터링(stirring)하는 제5 단계를 거친다. 아연, 주석, 및 마그네슘은 기화점이 낮기 때문에, 이를 초기에 첨가하는 경우 기화될 수 있기 때문에, 상기 제5 단계에서 첨가하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제5 단계의 혼합물을 600~700℃, 예를 들어, 650~700℃로 감온한 후, 0.5~1시간 동안 유지하는 제6 단계를 거치고, 상기 제6 단계의 혼합물에서 불순물을 제거하고, 잉곳으로 출탕시켜 합금을 완성하는 제7단계를 거친다.
상기 불순물로는 산화물, 탄화물, 금속간화합물로 크게 수소가스 및 나트륨이 포함될 수 있다. 수소가스는 합금의 기계적 성질 저하와 성형 가공성 저하 및 부식이나 균열 따위의 표면결합을 발생시키고, 나트륨은 유동성과 주조성을 저하시킬 수 있으므로, 상기 제7 단계에서 이를 제거한다.
이하, 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
<준비예>
본 발명의 실시예에 따른 조성을 갖는 실시예 1 내지 3의 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 조성을 갖는 비교예 1 내지 3을 아래의 표 1과 같은 조성으로부터 제조하였다. 특히, 비교예 1로 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금인 ALDC12를 적용하였다.
Si Cu Mg Fe Mn Ni Zn Sn Ti Al
실시예 1 8.1 0.5 0.3 1.5 0.3 0.5 0.5 0.1 0.1 Bal.
실시예 2 8.1 0.5 0.3 1.5 0.3 0.5 0.5 0.1 0.2 Bal.
실시예 3 8.3 0.5 0.3 1.5 0.3 0.5 0.5 0.1 0.3 Bal.
비교예 1 11.5 1.7 0.4 0.9 0.2 0.1 1.1 0 0 Bal.
비교예 2 5 0.5 0.1 1.3 0.1 0.5 0.5 0.1 0.1 Bal.
비교예 3 10 0.5 0.1 1.3 0.1 0.5 0.5 0.1 0.1 Bal.
<실험예>
실험예 1: 열전도도 평가
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열전도도를 ASTME 1461에 따라 측정하여, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다(소수점 둘째 자리에서 반올림).
열전도도(WmK) 평가 결과
실시예 1 121.8 O
실시예 2 113.4 O
실시예 3 111.3 O
비교예 1 96 X
비교예 2 126.1 O
비교예 3 97.2 X
O: 열전도도가 110 WmK 이상X: 열전도도가 110 WmK 미만
측정 결과, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 열전도도가 크게 향상되어 고방열특성을 가짐을 확인할 수 있다.
실험예 2: 유동성 평가
위 실시예 및 비교예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 유동성 평가는 Spiral Mold에 680℃로 온도가 제어된 용탕을 부어 응고된 합금의 길이를 측정하여 유동성을 평가하였고, 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다(소수점 첫째 자리에서 반올림).
유동성(cm) 평가 결과
1회 2회 3회 4회 평균
실시예 1 22 24 25 25 24 O
실시예 2 23 23 25 28 25 O
실시예 3 25 26 27 27 26 O
비교예 1 27 30 30 27 29 O
비교예 2 20 21 22 22 21 X
비교예 3 23 25 25 27 25 O
O: 유동성 측정 결과 ALDC12 대비 80% 이상 X: 유동성 측정 결과 ALDC12 대비 80% 미만
상기 유동성은 상기 알루미늄 합금의 응고 온도에 영향을 받는 것으로, 주조 시 상온에 용탕이 노출되었을 때의 점성에 영향을 미친다. 즉, 상기 유동성은 주조 시 상온에 용탕이 노출되었을 때의 점성에 영향을 미치는 것으로, 상기 유동성이 높게 측정되는 경우 점성이 낮아지게 되어 탕로나 주물에 대한 침투가 용이하게 됨으로써, 상기 알루미늄 합금의 주조성이 향상된다. 본 실험예에서는, ALDC12 대비 80% 이상인 경우 주조품의 물성의 결함을 유발하지 않는 것으로 평가하였다.
측정 결과, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 유동성이 83%(실시예 1), 86%(실시예 2), 90%(실시예 3), 72%(비교예 2), 86%(비교예 3)으로 나타났다.
즉, 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 경우, 열전도도 및 유동성 특성을 모두 만족하기 어려웠던 반면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금 대비 방열특성이 크게 향상되면서도 주조성이 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 실리콘의 화학적 거동의 특성 상, 실리콘 함량이 제조된 합금의 열전도도와 유동성에 영향을 미치는데, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 구성하는 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)의 함량이 전술한 수치범위에 해당하는 동시에, 실리콘 함량이 총 중량 대비 7~9 중량부로 포함되는 경우, 우수한 방열특성 및 주조성을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
위에서 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 및 티타늄(TI)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서,
    총 중량 대비 0.4~0.6 중량부의 구리(Cu), 0.1~0.3 중량부의 마그네슘(Mg), 1~1.6 중량부의 철(Fe), 0.1~0.3 중량부의 망간(Mn), 0.3~0.5 중량부의 니켈(Ni), 0.3~0.5 중량부의 아연(Zn), 0.1~0.3 중량부의 주석(Sn), 0.1~0.3 중량부의 티타늄(TI), 및 8.1~9 중량부의 실리콘(Si)을 포함하고,
    ASTME 1461에 따라 측정된 열전도도가 111.3 WmK 이상 인, 전자부품 용 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  2. 삭제
  3. 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 총 중량 대비 0.4~0.6 중량부의 구리(Cu), 0.1~0.3 중량부의 마그네슘(Mg), 1~1.6 중량부의 철(Fe), 0.1~0.3 중량부의 망간(Mn), 0.3~0.5 중량부의 니켈(Ni), 0.3~0.5 중량부의 아연(Zn), 0.1~0.3 중량부의 주석(Sn), 0.1~0.3 중량부의 티타늄(TI), 및 8.1~9 중량부의 실리콘(Si)을 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)으로 구성된 재료들을 준비하는 제1 단계;
    (b) 상기 준비된 알루미늄, 실리콘, 구리, 철, 망간, 니켈, 및 티타늄을 600~800℃로 가열하여 용해하는 제2 단계;
    (c) 상기 제2 단계의 용해물을 850~950℃로 승온하여 0.5~1시간 동안 가열하는 제3 단계;
    (d) 상기 제3 단계의 혼합물을 730~830℃로 감온한 후, 탈가스를 수행하는 제4 단계;
    (e) 상기 제4 단계의 혼합물에 아연, 주석, 및 마그네슘을 장입한 후 스터링(stirring)하는 제5 단계;
    (f) 상기 제5 단계의 혼합물을 600~700℃로 감온한 후, 0.5~1시간 동안 유지하는 제6 단계; 및
    (g) 상기 제6 단계의 혼합물에서 불순물을 제거하고, 잉곳으로 출탕시켜 합금을 완성하는 제7단계;
    를 포함하고,
    ASTME 1461에 따라 측정된 열전도도가 111.3 WmK 이상 인, 전자부품 용 고방열특성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법.
  4. 삭제
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