KR102374306B1 - 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

철과 같은 금속 원소의 첨가를 필요로 하지 않고 고열전도율이 달성될 수 있는 알루미늄 합금과 이 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공된다. 이 알루미늄 합금은 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고 있고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재로부터 얻어진다. 이 알루미늄 합금은 반용융소재를 얻는 가열공정(S1), 가열공정(S1)에서 얻은 반용융소재에 대해서 반용융성형을 행하는 반용융성형 공정(S2) 및 반용융성형 공정후에 열처리를 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 행하는 열처리 공정(S3)을 거쳐서 제조된다.

Description

알루미늄 합금으로 형성된 방열핀의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING RADIATING FIN FORMED OF ALUMINUM ALLOY}
본 발명은 고열전도율과 고강도를 가지고 있는 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀(fin) 과 방열핀의 제조방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량과 전기자동차 등 차세대 자동차에 있어서, 축전지와 파워 디바이스의 출력을 증가시키고 그 크기를 감소시킴에 따라 발열밀도가 상승하고, 이 발열에 대한 방열 대책이 필요하게 된다. 이와 같은 차세대 자동차에 추가하여, 동일한 문제가 항공기 등의 수송용 기기, LED조명, 퍼스널 컴퓨터, 냉장고 등의 가전제품, 기타 전력을 필요로 하는 기기에 있어서도 발생한다.
이와 같은 최근의 실정 때문에, 히트 싱크 등의 방열성능에 있어서의 성능향상이 중요시되고 있다. 통상적으로, 구리 또는 알루미늄이 히트 싱크용 금속 방열재료로서 사용되고, 압출 성형 또는 단조가 제조 방법으로서 채용된다. 그러나, 이제까지 행하여진 히트 싱크의 핀부분의 치밀화에 의한 성능의 향상책은 예컨대 가공성과 열저항의 관점으로부터 보면 실질적으로 그 한계에 도달했다. 더욱이, 압출 성형과 단조는 그 제조 방법에서 기인하는 문제 때문에 형상의 자유도가 작고 높은 코스트를 요하므로, 압출 성형과 단조를 채용하는 것은 곤란하게 된다.
따라서, 히트 싱크의 핀용으로 사용되는, 열전도율이 높고 우수한 방열효과를 내는 다양한 재료가 제안되었다. 예컨대, 특허문헌 1에 개시된 것처럼, 높은 강도와 높은 열전도율을 가지고 있고, 첨가물로서 규소(Si), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 및 붕소(B)를 함유하고 있고 잔부가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물로 이루어진 재료를 다이 캐스팅에 의해 주조한 후 시효열처리함으로써 얻어진 알루미늄 합금이 제안되어 있다.
특허문헌 1 : 일본특허공개 2006-63420호 공보
그러나, 상기 관련선행기술에 있어서, 다이 캐스팅법이 요구되는데, 이 다이 캐스팅법은 열전도율이 충분하게 향상될 수 없다는 점에서 문제가 있다. 즉, 다이 캐스팅법은 용융금속이 고속과 고압으로 금형내로 분사되는 제조 방법이다. 따라서, 공기와 산화물의 혼입이 종종 일어나고 마이크로포로시티라고 불리우는 미소 결함이 많이 형성되므로, 열전도율의 저하가 초래된다. 이로 인해, 다이 캐스팅에 의한 제품의 실제 열전도율은 공칭값에 비해 아주 낮다. 더욱이, 철(Fe)과 같은 금속 원소의 첨가가 알루미늄이 금형에 소부(seizure)되는 것을 방지하기 위해 요구된다. 그러나, 철(Fe)과 같은 금속 원소가 알루미늄에 함유된 상태에서 합금이 형성되면, 열전도율은 합금 성분량에 비례해서 저하된다. 합금 성분량이 다이 캐스팅법에서 감소되면, 주조성이 악화되어, 불량율이 증가되고 수율이 저하된다.
위와 같은 사정을 감안하여, 본 발명의 목적은 철과 같은 금속 원소의 첨가를 필요로 하지 않고 성형성이 높고 고열전도율을 달성할 수 있는 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀과 이 방열핀의 제조 방법을 제공하는 것이다.
청구항 제1항에 따른 본 발명에 있어서, 방열핀은, 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고있고, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)만을 첨가물로서 함유하고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재를 0.15 내지 0.4(m/s)의 속도와 15 내지 30(Mpa)의 압력으로 금형내로 주입하여 반용융성형을 행하고, 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리함으로써 얻어진 알루미늄 합금으로 형성된다.
청구항 제2항에 따른 본 발명에 있어서, 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀의 제조 방법은, 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고 있고, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)만을 첨가물로서 함유하고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재를 0.15 내지 0.4(m/s)의 속도와 15 내지 30(Mpa)의 압력으로 금형내로 주입하여 반용융성형을 행하는 공정과, 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리하는 공정을 포함한다
청구항 제1항 또는 제2항에 따른 본 발명에 있어서, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재가 사용된다. 따라서, 성형시 이 반용융소재를 금형내로 주입할 때 양호한 유동성이 달성될 수 있다. 이 반용융소재가 저온, 저속 및 저압으로 금형내로 주입되더라도, 금형은 이 반용융소재로 양호하게 충전될 수 있다. 이는 철과 같은 금속 원소의 첨가를 배제하고 고열전도율을 제공한다. 그 결과, 강도와 열전도율이 실제 다이 캐스팅법에 의한 제품과 달리 저하되지 않는다.
더욱이, 반용융소재는 반용융성형되어 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리되기 때문에, 열전도율은 철과 같은 금속 원소를 첨가하지 않으면서 더욱 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조공정을 도시하는 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 있어서의 규소(Si)의 함유량에 대한 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 있어서의 어닐링 온도에 대한 열전도율과 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다.
본 실시예에 따른 알루미늄 합금은 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고, 성형성을 향상시키기 위해 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재로부터 얻어진다. 이 알루미늄 합금은 180 W(m·K)이상의 열전도율을 가지고 있다.
구체적으로 설명하면, 이 알루미늄 합금은 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고 있고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재를 반용융성형하고, 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리함으로써 얻는 것이 바람직하다. 이 반용융소재는 규소(Si)와 마그네슘(Mg)만을 첨가물로서 함유하고 철(Fe)은 전혀 함유하지 않은 소재인 것이 바람직하다. 그러나, 코스트 등의 실용상 이유 또는 강도 등의 필요요건의 견지에서 보면, 반용융소재는 열전도율이 저하되지 않는 범위내에서, 마그네슘(Mg)을 함유하지 않은 소재 또는 철(Fe)을 불가피한 불순물로서 함유하는 소재일 수 있다.
즉, 순알루미늄은 가장 높은 열전도율을 가지고 있고, 알루미늄의 열전도율은 첨가되는 원소량이 증가함에 따라 비례적으로 저하된다. 그러나, 순알루미늄은 낮은 강도를 가지고 있고, 반용융성형을 하기 위한 고액공존영역을 가지고 있지 않기 때문에, 반용융성형하는 것이 불가능하다. 따라서, 고강도를 달성하면서 열전도율을 향상시키기 위해서, 첨가되는 원소의 양은 반용융성형을 하는 것이 가능한 성분범위내에서 극력 감소시킬 필요가 있다.
따라서, 본 실시예에서 순알루미늄에 첨가되는 첨가물(원소)은 적어도 규소(Si)만이다. 마그네슘(Mg)이 첨가되는 겅우, 첨가되는 마그네슘의 양은 0.7중량% 이하이다. 마그네슘(Mg)의 첨가는 반드시 필요한 것은 아니지만, 마그네슘(Mg)의 첨가는 성형품의 강도를 향상시킬 수 있다. 규소(Si)는 가열시 고액공존상태로 하여 반용융성형을 가능하게 하고, 이로써 유동성(fluidity)(금형에 대한 용탕의 유동성)을 향상시킨다. 마그네슘(Mg)은 성형품의 강도를 향상시키기 위해 필요하다. 종래 다이 캐스팅 합금에서 요구되어 왔던 철(Fe)을 첨가할 필요는 없다. 그 이유는 다음과 같다. 다이 캐스팅 합금에 첨가된 철(Fe)은 알루미늄이 금형에 소부되는 것을 방지하기 위해 필요하다. 그러나, 본 실시예처럼 반용융성형이 채용되는 경우, 주조 온도가 다이 캐스팅법보다 약 100℃ 낮으므로, 반용융소재를 저속과 저압으로 주입할 수 있기 때문에 철(Fe)을 첨가할 필요가 없다.
반용융소재는 금속을 고상과 액상이 공존하는 상태까지 용융하여 얻은 소재(티소캐스팅(thixocasting))와 용융 금속을 고상과 액상이 공존하는 상태까지 냉각하여 얻은 소재(레오캐스팅(rheocasting)) 모두를 포함한다. 본 발명에서는 반용융소재는 두 형태(세미-솔리드)를 다 포함한다. 이와 같은 반용융소재를 사용하는 성형법(반용융성형법)에서, 성형시의 냉각 속도가 빨라서 미세한 결정이 형성되고, 따라서, 고강도의 성형품이 생산되어, 기계적 성질이 향상된다. 더욱이, 균일한 조직이 저압으로 형성되므로, 수축 구멍(shrinkage hole)과 편석의 형성이 거의 일어나지 않아, 실제 강도가 저하되지 않는 고품질의 성형품이 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 반용융소재는 예컨대, 용융 금속을 기계적으로 또는 전자적으로 교반하는 방법, 스트레인을 부여하여서 재결정시에 입상으로 하는 방법 또는 응고 제어를 사용하는 방법에 의해 얻어진다. 이 반용융소재는 입상화한 초정을 포함한다. 반용융소재를 성형하면, 성형이 고액공존영역으로부터 얻어지므로, 냉각 속도가 증가해서(빨라져서) 제품의 기계적 성질이 향상된다. 더욱이, 반용융소재는 입상화한 초정을 함유하기 때문에, 이 반용융소재는 용융 금속보다 더 양호한 유동성을 가지고 있다. 반용융소재가 저속과 저압으로 주입되더라도, 금형은 반용융소재로 양호하게 충전될 수 있다. 즉, 양호한 유동성을 가지고 있는 반용융소재를 사용함으로써, 복잡한 형상을 가지고 있는 성형품과 두께가 얇은 성형품이 높은 정밀도로 제조될 수 있다.
반용융성형은 반용융상태를 가지고 있는 재료를 사용함으로써 실행될 수 있다. 따라서, 다양한 재료가 사용될 수 있고, 예컨대, 높은 열전도율을 가지고 있는 재료가 사용될 수 있다. 반용융성형법은 열처리를 실행할 수 있고 낮은 마이크로포로시티를 달성할 수 있으므로 열전도율을 더욱 향상시킬 수 있다는 점에서 특징이 있다. 따라서, 반용융소재를 저속과 저압으로 금형 내로 주입함으로써, 알루미늄 합금이 금형 내에서 양호하게 생성될 수 있다.
본 실시예에 따른 알루미늄 합금에서, 열전도율과 강도는 반용융성형후에 열처리를 행함으로써 향상된다. 열처리 온도는 190℃ 내지 290℃이고 열처리 시간은 1 내지 5시간이다. 열처리의 결과로서, 초정α-Al상에서의 규소(Si)의 용해도는 저하하기 때문에, 알루미늄(Al)의 농도는 높아져서 열전도율이 향상된다. 열처리 온도가 190℃ 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만이면, 열처리가 불충분해져서 높은 강도가 달성되지 않는다. 열처리 온도가 290℃를 넘으면, 과시효가 초래되어 강도가 저하한다. 열처리 시간이 5시간을 초과하면 강도가 저하하고 생산성이 나빠진다.
열전도율을 향상시키기 위해, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)이외의 성분의 양은 가능한 한 감소시킬 필요가 있다. 그러나, 이는 코스트를 증가시킨다. 따라서, 불순물(불가피한 불순물)의 함유는 예컨대, 열전도율이 180 W/(m·K)를 하회하지 않는 한 허용된다. 불가피한 불순물의 예는 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 납(Pb), 주석(Sn) 및 크롬(Cr)이 있다. 그러나, 반용융소재로서 재생괴(secondary ingot)를 사용한 경우에는, 철(Fe)의 함유량을 저하시키는 것이 곤란하므로, 0.3%의 이하의 철(Fe)이 함유될 수 있다. 망간(Mn)과 티타늄(Ti)은 열전도율을 상당히 저하시키므로, 0.05% 이하의 망간(Mn) 또는 티타늄(Ti)이 함유될 수 있다. 기타 다른 원소는 0.1% 이하의 양으로 함유될 수 있다.
다음으로, 본 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 공정을 도 1의 플로우 차트와 관련해서 설명한다.
*본 실시예에 따른 알루미늄 합금은 순차적으로 가열공정(S1), 반용융성형 공정(S2) 및 열처리 공정(S3)을 행하여 얻어진다. 가열공정(S1)은 규소(Si) 및 마그네슘(Mg)을 알루미늄에 첨가하여 제조된 합금을 소정 조건하에 가열해서 입상화한 결정조직을 가지고 있고, 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하(바람직하게는 0.2 내지 0.7중량%)의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고 있는 반용융소재를 얻는 공정이다.
반용융성형 공정(S2)은 가열공정(S1)에서 얻은 반용융소재에 대해 반용융성형을 행하는 공정이다. 반용융소재를 소망의 금형 내에 저속과 저압으로 주입(0.15 내지 0.4(m/s)의 속도와 15 내지 30(Mpa)의 압력으로 주입)한다. 열처리 공정(S3)은 반용융성형 공정(S2)에서 얻어진 성형품을 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리를 행하는 공정이다.
다음으로, 본 발명의 기술적 우위성을 실시예와 비교예에 기초해서 설명한다.
아래 표 1에 표시한 조성을 가지고 있는 알루미늄 합금을 가열해서 소정의 용기에 주탕했다. 입상화한 초정 α-Al을 얻기 위해 응고 제어를 행하여 빌렛을 제조했다. 제조된 빌렛을 반용융상태까지 재가열해서 디스크 형상으로 가압성형(반용융성형)했다. 용해시 0.5%의 마그네슘(Mg)이 첨가된 성형품과 마그네슘(Mg)이 첨가되지 않은 성형품을 제조했다.
[표 1]
Figure 112016115107309-pct00001
디스크 형상의 성형품에 대해 다음의 처리를 했다: 열처리를 하지 않음, 540℃에서 6시간 동안의 열처리 및 160℃에서 6시간 동안의 열처리(T6) 및 250℃에서 2시간 동안의 열처리(T5). 이렇게 해서 얻은 성형품의 열전도율(W/(m·K))과 브리넬 경도(HBW)를 측정했다. 규소(Si)의 함유량이 7%와 8%인 성형품은 비교예에 해당된다.
[표 2]
Figure 112016115107309-pct00002
상기 표 2와 도 2로부터 명백한 것처럼, 열전도율은 규소(Si)의 함유량이 감소함에 따라 높아지고, 마그네슘(Mg)의 첨가는 열처리 효과를 발현하여 경도가 향상된다. 즉, 성형품이 공지 다이 캐스팅법을 통해 얻어진 경우, 용융 온도는 규소(Si)의 함유량이 감소함에 따라 상승하고, 마그네슘(Mg)의 첨가는 용융 금속의 유동성을 저하시킨다. 이에 반하여, 본 발명처럼 성형품이 반용융성형을 통해서 얻어진 경우에는, 입상화한 초정 α-Al로 인하여 용융 금속의 양호한 유동성이 달성되어서 성형이 양호하게 실행될 수 있다.
T6의 열처리(540℃에서 6시간 동안의 열처리 및 160℃에서 6시간 동안의 열처리)는 용체화 처리를 포함한다. 표 2로부터 명백한 것처럼, T6의 열처리는 강도를 향상시키기 위해 필요하다. 그러나, 성형품은 고온에서 유지되고 나서 급냉(quenched)되므로, 조직 내의 불순물이 용입된 채로 알루미늄 내에서 트랩핑되어서 열전도율이 저하된다. 따라서, T5의 열처리(250℃에서 2시간 동안의 열처리)(즉, 어닐링)가 실행되는 것이 바람직하다.
도 3에는 4%의 규소(Si)를 함유하는 성형품에서 어닐링 온도가 열전도율과 경도에 미치는 영향에 관한 실험결과가 표시되어 있다. 규소(Si)의 함유량이 4%이고 마그네슘(Mg)의 함유량이 0.5%인 실시예에서 어느 정도의 경도를 확보하면서 열전도율을 향상시키기 위해 어닐링 온도는 190℃ 내지 290℃로 설정되는 것이 바람직하다는 것은 실험 결과로부터 명백하다.
이제까지 본 발명의 실시예를 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 반용융성형을 통해 얻은 제품은 고열전도율(본 실시예에서 처럼 180 W/(m·K)이상)을 가지고 있고 양호한 열방열 효과가 요구되는 방열핀에 적용할 수 있다.
2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)만을 첨가물로서 함유하고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재를 0.15 내지 0.4(m/s)의 속도와 15 내지 30(Mpa)의 압력으로 금형내로 주입하여 반용융성형을 행하고, 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리함으로써 얻어진 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀과 이 방열핀의 제조방법에 대해서, 다른 실시예도 채용될 수 있다.
S1 가열공정
S2 반용융성형 공정
S3 열처리 공정

Claims (2)

  1. 2 내지 6중량%의 규소(Si)와 0.7중량% 이하의 마그네슘(Mg)을 포함하고 잔부가 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성을 가지고 있고, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)만을 첨가물로서 함유하고, 입상 결정조직을 가지고 있는 반용융소재를 0.15 내지 0.4(m/s)의 속도와 15 내지 30(Mpa)의 압력으로 금형내로 주입하여 반용융성형을 행하는 공정과, 190℃ 내지 290℃에서 1 내지 5시간 동안 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금으로 형성된 방열핀의 제조방법.
  2. 삭제
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