KR102577077B1 - 열 전도도 및 강도가 우수한 재생 알루미늄 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 버려진 폐자원을 활용하여 열 전도도와 강도가 우수한 재생 알루미늄 합금을 제조하는 방법으로, 버려지는 폐 알루미늄 자원으로부터 회수한 알루미늄에 다양한 금속 원소를 첨가하여 열전도도와 강도가 우수한 합금을 제조할 수 있어, 자원 재활용에 따른 환경을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하면서도 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

열 전도도 및 강도가 우수한 재생 알루미늄 합금의 제조방법{Method for manufacturing recycle aluminum alloy with high thermal conductivity and strength}

본 발명은 버려진 폐자원을 활용하여 열 전도도와 강도가 우수한 재생 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.

알루미늄은 가벼우면서 주조가 용이하며 다른 금속과 잘 합금되고 상온 및 고온가공이 용이하며, 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다. 특히 최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용된다.

이러한 알루미늄 합금으로 제품을 제조하는 방법은 프레스 성형에 의하여 케이스를 형성하고 케이스의 표면에 양극 산화 피막을 형성하는 것인데 이 방법에 따르면 장시간 사용하여도 손상되지 않고 미려한 색상의 표면을 갖는 케이스를 얻을 수 있으나 프레스 가공에 의해 성형할 수 없는 형상이 있기 때문에 케이스의 디자인이 제한적이라는 문제점이 있다.

따라서 알루미늄 합금으로 제품을 제조하는 방법으로서 다이캐스팅(die casting) 방법이 많이 사용되는데, 다이캐스팅은 필요한 주조형상에 맞추어 정확하게 기계가공된 금형에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이다. 이와 같은 다이캐스팅 방법에 따르면, 생산되는 제품의 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없고 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하고 생산 비용이 저렴하기 때문에 높은 양산성을 가지고 자동차부품, 전기기기, 광학기기, 계측기 등 여러 분야에서 가장 많이 이용되고 있는 실정이다.

한편, 환경보호와 에너지 절감이 전 세계적인 이슈로 대두됨에 따라 버려지는 자원을 활용하는 기술이 다양한 분야에서 개발되고 있다. 알루미늄은 상술한 바와 같이 다양한 분야의 제품에 사용되고 있는데, 이에 따라 이들 제품이 버려져 폐기되면 환경오염을 유발함에 따라, 버려지는 폐 알루미늄을 회수하여 보다 유용하게 활용할 필요가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0039805호 (발명의 명칭: 고온강도가 향상된 알루미늄합금) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0070902호 (발명의 명칭: 알루미늄합금 제조방법)

따라서, 본 발명은 버려지는 폐 알루미늄을 활용하여 강도와 내식성이 우수한 재생 알루미늄 합금의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 폐 알루미늄 제품을 수거하여 절단 파쇄하여 알루미늄을 선별하는 단계, 선별된 알루미늄을 가열하여 불순물을 제거하는 단계, 불순물이 제거된 알루미늄 용탕을 냉각시켜 재생 알루미늄을 수득하는 단계, 재생 알루미늄에 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 혼합하여 재생 알루미늄 조성물을 조성하는 단계 및, 재생 알루미늄 조성물을 가열 용융시켜 냉각시켜 재생 알루미늄 합금을 수득하는 단계를 포함하는 재생 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 재생 알루미늄 조성물은, 조성물의 총 중량 대비, 7~7.5 중량% 실리콘(Si), 0.9~1 중량% 철(Fe), 3~3.2 중량% 구리(Cu), 0.15~0.25 중량% 망간(Mn), 0.15~0.2 중량% 마그네슘(Mg), 0.01~0.07 중량% 니켈(Ni), 0.9~11.1 중량% 아연(Zn), 0.01~0.05 중량% 티타늄(Ti), 0.01~0.03 중량% 주석(Sn)이 혼합되어 조성된다.

또한 본 발명에 있어서, 재생 알루미늄 합금의 열전도도는 155 W/m-k이다.

또한 본 발명에 있어서, 재생 알루미늄 합금의 인장강도는 334 Mpa이고, 항복강도는 235 Mpa이다.

본 발명에 따르면, 버려지는 폐 알루미늄 자원으로부터 회수한 알루미늄과 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 니켈, 티타늄 그리고 마그네슘, 아연, 주석이 첨가되어 강도와 내식성이 우수한 합금을 제조할 수 있어, 자원 재활용에 따른 환경을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하면서도 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품 재료로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 재생 알루미늄 합금 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 재생 알루미늄 합금 조성물로 제조된 시험편을 도시한 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 도면에서의 요소의 형상, 요소의 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되거나 축소되어 표현될 수 있다.

또한, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 재생 알루미늄 합금 제조방법의 순서도로, 이를 참조하면 본 발명은 수거한 폐 알루미늄 제품을 절단 파쇄하여 알루미늄을 선별하는 단계(S110), 선별된 알루미늄을 가열하여 불순물을 제거하는 단계(S120), 불순물이 제거된 알루미늄 용탕을 냉각시켜 재생 알루미늄을 수득하는 단계(S130), 수득된 재생 알루미늄을 이종의 금소원소와 혼합하여 재생 알루미늄 조성물을 조성하는 단계(S140), 상기 재생 알루미늄 조성물을 가열하여 용융시키고 주형에 주입 냉각하여 재생 알루미늄 합금을 완성하는 단계(S150)로 이루어진다.

먼저, 폐 알루미늄 제품을 수거하여 절단 파쇄하여 알루미늄을 선별한다.(S110). 폐 알루미늄 제품은 전자제품, 자동차, 건축소재로부터 발생되는 각종 판또는 관 형태의 조각, 창호 새시 또는 알루미늄 캔과 같은 제품이다. 수거된 폐 알루미늄 제품을 소정의 크기로 절단하여 표면에 부착된 다른 소재를 분리하여 알루미늄만을 선별한다.

다음으로, 선별된 알루미늄을 가열하여 불순물을 제거하는데(S120), 우선 알루미늄의 용융온도 보다 낮은 온도로 가열하여 알루미늄 제품 표면에 남은 필름이나 도료와 같은 유기물질을 연소시킨다. 그런 다음, 가열온도는 높여 알루미늄을 용융시킨 후, 알루미늄 보다 높은 녹는점을 가지는 철(Fe)과 같은 다른 금속 불순물을 제거한다. 알루미늄 용탕에 고상으로 존재하는 다른 금속 불순물은 용탕을 교반하는 자기력 막대와 같은 수단으로 제거될 수 있다. 이와 같은 유기물질과 다른 금속 불순물이 제거된 알루미늄 용탕을 주형으로 주입 냉각하여 재생 알루미늄이 수득된다(S130).

전술한 바와 같이 수득된 재생 알루미늄에 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 혼합하여 재생 알루미늄 조성물을 조성한다. (S140). 재생 알루미늄에 혼합되는 금속원소는 합금의 성형성, 가공성, 내식성, 강도 등을 고르게 향상하기 위하여 다양한 조성으로 첨가되는데, 이하 자세히 설명한다.

먼저, 실리콘(Si)은 합금의 유동성과 강도를 향상하기 위하여 조성물의 총 중량 대비 7~7.5 중량%로 첨가되는 것이 좋은데, 유동성과 강도향상을 위하여 7 중량% 이상은 첨가되어야 하나, 7.5 중량% 초과하면 열처리가 약하여 깨짐이 발생함에 따라 7.3 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

철(Fe)은 합금의 고착성을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가된다. 철(Fe)은 조성물의 총 중량 대비 0.9 중량% 이상은 첨가되어야 하나, 1 중량%를 초과하면 내식성의 저하와 침전물을 발생시킴에 따라 0.95 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

구리(Cu)는 경화 효과에 따른 합금의 강도를 향상시키기 위하여 첨가되는데, 많은 양이 첨가되면 내 부식성이 저하됨에 따라, 조성물의 총 중량 대비 3~3.2 중량%로 첨가된다.

망간(Mn)은 내식성을 증진하고 고온에서 연화 저항을 크게 하며 표면처리 특성을 개선하도록 첨가된다. 망간(Mn)의 첨가량은 조성물의 총 중량 대비 0.15~0.25 중량%로, 첨가되는 양이 0.2 중량%를 초과하면 주조성이 저하됨에 따라, 내식성과 연화저항 및 표면처리 그리고 주조성을 모두 향상할 수 있도록 0.2 중량%로 첨가하는 것이 적절하다.

마그네슘(Mg)은 치밀한 표면 산화층(MgO)을 급격하게 성장시켜 내부 부식을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가되는데, 과량으로 첨가되면 유동성이 저하되어 복잡한 형상의 제품을 성형하기 어려워 조성물의 총 중량 대비 0.15~0.2 중량%로 첨가된다.

니켈(Ni)은 유해성이 있어 사용이 지양되는 추세지만, 내식성을 향상하도록 조성물의 총 중량 대비 0.01~0.07 중량%로 첨가되는데, 유해성이 높지 않으면서 내식성을 향상하도록 0.04 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

아연(Zn)은 주조성과 강도를 향상하도록 첨가되는데, 과량으로 첨가되면 내식성과 인성이 저하됨에 따라, 조성물의 총 중량 대비 0.9~11.1 중량%로 첨가된다.

티타늄(Ti)은 결정립의 미세화를 통하여 성형성과 내식성 및 강도를 향상하도록 첨가된다. 티타늄(Ti)은 조성물의 총 중량 대비 0.01~0.05 중량%로 첨가되는데, 0.05 중량%을 초과하면 용탕의 흐름을 저하시켜 성형성 불량을 촉진함에 따라 0.03 중량%로 첨가되는 것이 좋다.

주석(Sn)은 성형성과 절삭가공성을 향상하고, 티타늄(Ti)에 의해 저하되는 열전도도를 보상하도록 첨가되는 것으로, 조성물의 총 중량 대비 0.01~0.03 중량%로 첨가된다. 주석(Sn) 함량이 0.03 중량%를 초과하면 내식성이 저하됨에 따라 0.02 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

이와 같이 조성된 재생 알루미늄 조성물을 4~8 시간동안 700~1,200℃로 가열하여 완전히 용용시킨 후, 주형에 주입하여 냉각시키면 재생 알루미늄 합금이 제조된다.

이와 같은 본 발명에 따라 제조되는 재생 알루미늄 합금에 대한 구체적인 실시 예를 이하 살펴보기로 한다.

<알루미늄 합금 제조>

1. 재생 알루미늄 수득

버려진 알루미늄 창호 새시와 알루미늄 판을 수거하여 절단기로 절단한 후, 표면에 부착된 필름시트와 같은 이물질을 제거하였다. 이물질이 제거된 알루미늄 프로파일과 알루미늄 판을 400~600℃로 2시간 동안 용융시켜 표면에 도료와 같은 유기 불순물을 기화시켜 제거하였다. 그런 다음, 알루미늄 프로파일과 알루미늄 판을 700℃로 가열하여 알루미늄을 용융한 후, 알루미늄 용탕을 자기력 막대로 교반하여 녹지 않고 고상으로 존재하는 철(Fe)과 같은 이종의 금속 불순물을 제거하였다. 금속 불순물이 제거된 알루미늄을 용탕을 주형에 주입 냉각하여 재생 알루미늄을 수득하였다.

2. 재생 알루미늄 합금 조성물 제조

수득한 재생 알루미늄에 다수의 금속원소를 아래와 같이 첨가시켜 재생 알루미늄 합금 조성물을 제조하였다.

<재생 알루미늄 합금 조성>

3. 시험편 제작

조성된 알루미늄 조성물을 용융시켜 TOYO125 다이캐스팅 설비를 이용하여도 2와 같은 시험편을 제작하였다.

4. 열전도 및 강도 측정

시험편을 Netzsch社 LFA467 장비를 이용하여 열전도도를 측정하였고, 만능재료시험기(Instron 5982)를 이용하여 인장강도, 항복강도, 및 연신율을 측정하였다. 측정한 결과는 아래와 같다.

<열전도도 시험결과>

<강도 시험결과>

위 시험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 재생 알루미늄 합금은 열전도도가 137W/m-k 로 매우 우수할 뿐만 아니라, 인장강도(334Mpa), 항복강도(235Mpa)도 매우 높음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 버려지는 폐 알루미늄 자원으로부터 회수한 알루미늄에 다양한 금속 원소를 첨가하여 열전도도와 강도가 우수한 합금을 제조할 수 있어, 자원 재활용에 따른 환경을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하면서도 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품 재료로 사용될 수 있다.

이상 설명한 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 (4)

1. 재생 알루미늄 합금의 제조방법에 있어서,
   폐 알루미늄 제품을 수거하여 절단 파쇄하고 알루미늄 표면에 부착된 이물질을 제거하여 알루미늄을 선별하는 단계;
   상기 선별된 알루미늄을 가열하여 불순물을 제거하여 알루미늄 용탕을 제조하는 단계;
   상기 알루미늄 용탕을 냉각시켜 재생 알루미늄을 수득하는 단계;
   상기 재생 알루미늄에 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 혼합하여 재생 알루미늄 조성물을 조성하는 단계; 및
   상기 재생 알루미늄 조성물을 가열 용융시켜 냉각시켜 재생 알루미늄 합금을 수득하는 단계;를 포함하며,
   상기 알루미늄 용탕을 제조하는 단계는,
   상기 선별된 알루미늄을 400~600℃로 2시간 동안 용융시켜 상기 선별된 알루미늄 표면의 유기불순물을 연소시키는 단계; 및
   가열온도를 높여 상기 선별된 알루미늄을 700℃로 가열하여 알루미늄을 용융한 후, 교반용 자기력 막대로 알루미늄보다 높은 녹는점을 가져 녹지 않고 고상으로 존재하는 금속 불순물을 제거하여 상기 알루미늄 용탕을 제조하는 단계;를 포함하며,
   상기 재생 알루미늄 조성물은, 조성물의 총 중량 대비
   7~7.5 중량% 실리콘(Si), 0.9~1 중량% 철(Fe), 3~3.2 중량% 구리(Cu), 0.15~0.25 중량% 망간(Mn), 0.15~0.2 중량% 마그네슘(Mg), 0.01~0.07 중량% 니켈(Ni), 0.9~11.1 중량% 아연(Zn), 0.01~0.05 중량% 티타늄(Ti), 0.01~0.03 중량% 주석(Sn)이 혼합되어 조성되며,
   상기 재생 알루미늄 합금의 열전도도는,
   137 W/m-k이며,
   상기 재생 알루미늄 합금의 인장강도는 334 Mpa이고, 항복강도는 235 Mpa인 것을 특징으로 하는 재생 알루미늄 합금의 제조방법.
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