KR102633119B1 - 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 합금 기지에 분산된 구리와 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 a) 알루미늄 합금 용탕을 얻는 단계와, b) 상기 용탕에 고체상 구리를 투입하는 단계와, c) 투입된 상기 고체상 구리의 일부가 미용융 상태로 잔존하는 상태에서 상기 용탕을 금형에 투입하여 냉각하는 주조 단계를 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.

Description

알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법{Aluminum-copper Composite and Manufacturing Method of the Same}
본 발명은 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 합금 기지에 분산된 구리와 알루미늄과 구리의 금속간 화합물을 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고집적화된 전자기기와 배터리 등에서 발생하는 열은 제품의 기능에 큰 영향을 미치기 때문에, 이러한 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 소재의 개발이 요구된다.
특정 소재로 이루어진 판을 통해서 이동하는 열량은 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112023044733583-pat00001
Q는 열량, t는 시간, k는 소재의 열전도도, A는 판의 단면적, ΔT는 판 양측의 온도차, d는 판의 두께를 나타낸다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 열을 효율적으로 방출하기 위해서는 판의 두께가 얇아야 하며, 소재의 열전도도가 높아야 한다. 판의 두께를 얇게 하기 위해서는 소성가공이 필수적이며, 재료의 신율(Elongation)이 중요하다. 또한, 판이 얇아도 강도를 유지할 수 있도록 재료의 강도가 높아야 한다.
일본등록특허 JP3556863
본 발명은 상술한 요구에 대응하기 위한 것으로서, 가공성이 뛰어나고, 열전도도가 큰 새로운 알루미늄 구리 복합 재료 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 a) 알루미늄 합금 용탕을 얻는 단계와, b) 상기 용탕에 고체상 구리를 투입하는 단계와, c) 투입된 상기 고체상 구리의 일부가 미용융 상태로 잔존하는 상태에서 상기 용탕을 금형에 투입하여 냉각하는 주조 단계를 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 c) 단계에서의 냉각은 미용융 상태로 잔존하는 상기 고체상 구리의 적어도 일부가 고체상을 유지하도록 상기 용탕을 급냉하는 단계인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 c) 단계는 상기 b) 단계 직후인 10분 이내에 진행되는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 b) 단계에서 상기 고체상 구리는 구리 선, 구리 볼, 구리 칩 형태로 투입되는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 고체상 구리는 순도 99% 이상의 구리인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 c) 단계에서 얻은 주물을 소성 가공하여, 상기 주물에 잔존하는 미용융 상태의 상기 고체상 구리를 서로 연결하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 고체상 구리 중에서 용융된 구리의 적어도 일부는 알루미늄과 금속간 화합물을 형성하는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 금속간 화합물은 Al2Cu인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 고체상 구리의 투입량은 상기 c) 단계에서 얻은 주물의 중량을 기준으로 2 내지 7 중량%인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 알루미늄 합금 기지와, 상기 기지에 분산된 고체상 구리와, 상기 기지에 분산된 구리와 알루미늄의 금속간 화합물을 포함하는 알루미늄 구리 복합 재료를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 구리 복합 재료는 가공성이 뛰어나고, 열전도도가 크다. 따라서 광범위한 분야에서 본 발명에 따른 알루미늄 구리 복합 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 배터리, 노트북 컴퓨터, 휴대용 통신기기 등의 케이스와 방열판 소재로 사용할 수 있다. 또한, 항균성 알루미늄, 건축용 외장재, 금속 조형물의 소재로도 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 주조 단계를 통해서 획득된 알루미늄 구리 복합 재료의 개략도이다.
도 3은 도 1의 소성 가공 단계를 거친 알루미늄 구리 복합 재료의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 측면으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법의 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법은 알루미늄 합금 용탕을 얻는 단계(S1)와, 용탕에 고체상 구리를 투입하는 단계(S2)와, 투입된 고체상 구리의 일부가 미용융 상태로 잔존하는 상태에서 용탕을 금형에 투입하여 냉각하는 주조 단계(S3)와, 주조 단계에서 얻은 주물을 소성 가공하여, 주물에 잔존하는 미용융 상태의 고체상 구리를 서로 연결하는 단계(S4)를 포함한다.
먼저, 알루미늄 합금 용탕을 얻는 단계(S1)에 대해서 설명한다.
본 단계는 알루미늄 합금 스크랩을 용해시켜서 용탕을 얻는 단계일 수 있다.
알루미늄 합금 스크랩으로는 6000 계열, 3000 계열, 1000 계열 스크랩을 사용할 수 있다. 6000 계열 스크랩은 주물의 기지 강도를 높이기 사용된다. 3000 계열와 1000 계열 스크랩은 주물의 소송 가공성을 증대시키기 위해서 사용된다.
알루미늄 합금 스크랩은 여러 종류의 알루미늄 합금 스크랩을 사용할 수도 있으나, 한 가지 종류의 알루미늄 합금 스크랩을 사용하는 것이 성분 조절에 용이하다는 장점이 있다. 오염물질을 제거하기 위해서, 알루미늄 합금 스크랩을 알카리수로 세척하고, 300℃ 정도에서 1시간 정도 건조할 수 있다. 필요한 경우에는 가열 및 분쇄 단계를 더 거칠 수도 있다.
또한, 알루미늄 합금 스크랩과 필요한 금속 성분을 함께 용해시켜서 설계된 조성의 용탕을 얻는 단계일 수 있다.
금속 성분으로는 규소(Si), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속 성분이 사용될 수 있다.
사용되는 금속 성분의 종류와 함량은 용도에 따른 물성을 얻기 위해서 설계된 용탕의 조성에 따라서 조절될 수 있다.
알루미늄 합금 스크랩에 포함된 금속 성분들에 따라서 함께 투입되는 금속 성분의 종류와 함량이 조절될 수 있다. 금속 성분의 함량은 주조 후에 얻어지는 알루미늄 합금의 조성이 목표 조성에 이르도록 회수율을 고려하여 조절된다.
용탕은 알루미늄 합금 스크랩과 금속 성분들을 용해로에 투입한 후에 650~700℃ 정도의 온도로 1시간 정도 가열하여 얻을 수 있다. 용탕을 얻기 위해서 사용되는 용해로는 고주파 유도로일 수 있다. 고주파 유도로는 온도 조절이 용이하다는 장점이 있다.
고주파 유도로는 고주파 전류를 이용하여 물질을 가열하고, 용해시키는 금속 용융로이다. 고주파 유도로는 코일에 교류전류를 흘려서 피가열물에 유도전류(와전류)를 발생시키고, 이 유도전류의 저항에 의해 열을 발생시키는 방식의 고주파 가열로 이다. 고주파 유도로의 코일에 흐르는 교류전류의 주파수는 1000㎐ 정도일 수 있다.
고주파 유도로를 통해서 얻어진 용탕은 보온로(Holding furnace)로 이동시킬 수도 있다. 생산량을 높이기 위해서는 보온로를 고주파 유도로와 보온로를 함께 사용하는 것이 유리하다.
보온로는 용탕의 온도를 유지하면서 보관하거나 유지하는 역할을 한다. 보온로는 일반적으로 전기나 가스를 이용하여 열을 발생시키고, 그 열을 용탕에 전달하여 용탕의 온도를 유지한다.
필요한 경우에는 용탕에서 가스를 제거하는 탈가스 단계가 진행될 수 있다. 탈가스 단계는 용탕에서 수소가스를 제거하는 단계이다. 수소가스는 주물 결함의 원인이 될 수 있으므로, 제거가 필요하다.
탈가스 단계는 다양한 방법으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 질소(N2) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스를 건조시켜 용탕에 취입시키는 방법, 염소(Cl2) 가스를 용탕에 취입시키는 방법, 분해되어 염소 가스를 발생시키는 염화물이나 불화물을 첨가하는 방법, 한번 응고시킨 후에 신속하게 재용해하는 방법 등이 있다.
다음, 용탕에 고체상 구리를 투입하는 단계(S2)에 대해서 설명한다.
본 단계에서는 구리 선, 구리 볼, 구리 칩 형태의 고체상 구리를 용탕에 투입한다. 고체상 구리는 알코올과 함께 볼 밀에 투입하여 세척한 후 사용할 수 있다. 고체상 구리의 순도는 99% 이상인 것이 바람직하다.
구리 선의 지름은 0.5 내지 1.5㎜이고, 길이는 5 내지 10㎜인 것이 바람직하다. 구리 선의 지름이 0.5㎜ 미만이거나, 1.5㎜를 초과하면, 용탕 내에서 구리 선의 분산성이 떨어진다.
고체상 구리의 투입량은 용탕을 이용하여 얻을 주물의 중량을 기준으로 2 내지 7 중량%인 것이 바람직하다. 2 중량% 미만이면 열전달 효과가 감소될 수 있다. 7 중량% 초과이면 제조비용이 크게 증가한다.
고체상 구리는 완전히 용해되지 않도록, 주조를 위한 출탕 직전에 투입된다. 고체상 구리는 출탕하기 10분 이내에 용탕에 투입되는 것이 바람직하다. 10분을 초과하면 투입된 고체상 구리가 용융되어 알루미늄과 합금화되는 정도가 지나쳐서, 주조성이 급격하게 떨어진다. 투입된 고체상 구리는 출탕 전까지 용탕 내에서 고르게 분산된다. 용탕이 고주파 유도로에 보관된 경우에는 전자기장에 의해 교반될 수 있다.
투입된 고체상 구리의 일부는 용융되어 알루미늄과 함께 Al2Cu 금속간 화합물(Intermetallic compound)을 형성한다. 그리고 일부는 용융되지 않고 고체상 구리 상태 그대로 남는다.
다음, 투입된 고체상 구리의 일부가 미용융 상태로 잔존하는 상태에서 용탕을 금형에 투입하여 냉각하는 주조 단계(S3)에 대해서 설명한다.
본 단계에서는 사용되는 금형의 형태에 따라서 슬라브(Slab), 잉곳(Ingot), 빌렛(Billet) 등 다양한 형태의 알루미늄 구리 복합 재료 주물을 제조할 수 있다. 주물에 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해서 금형은 미리 예열될 수 있다.
본 단계에서의 용탕에 잔존하는 고체상 구리가 최대한 고체상을 유지할 수 있도록 용탕을 급냉하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 주조 단계를 통해서 획득된 알루미늄 구리 복합 재료 주물의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 알루미늄 구리 복합 재료(1)는 알루미늄 합금 기지(3)와, 알루미늄 합금 기지(3)에 분산된 고체상 구리(5)와, 알루미늄 합금 기지에 분산된 Al2Cu 금속간 화합물(7)을 포함한다.
Al2Cu 금속간 화합물은 알루미늄 구리 복합 재료(1)의 강도를 높이는 역할을 한다. 고체상 구리(5)는 열전도도를 향상시키는 역할을 한다.
다음, 주조 단계에서 얻은 주물을 소성 가공하여, 주물에 잔존하는 미용융 상태의 고체상 구리를 서로 연결하는 단계(S4)에 대해서 설명한다.
본 단계에서는 주조 단계에서 얻은 주물에 외력을 가하여 다양한 형태로 가공한다. 예를 들어, 슬라브 형태의 주물을 열간 압연한 후 냉각 압연하여 원하는 두께의 플레이트를 제조할 수 있다. 또한, 빌렛 형태의 주물을 열간 압출하여 다양한 형상으로 가공할 수 있다.
도 3은 도 1의 소성 가공 단계를 거친 알루미늄 구리 복합 재료의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소성 가공 단계를 거치면, 알루미늄 합금 기지(3)에 분산된 고체상 구리(5)들이 서로 물리적으로 연결된다. 물리적으로 연결된 고체상 구리(5)들은 알루미늄 구리 복합 재료(1)의 열전도도를 더욱 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 알루미늄 구리 복합 재료에 대하여 본 발명의 실시예를 통해 더욱 구체적으로 설명한다.
<실시예>
3003 알루미늄 합금 스크랩 2kg을 알칼리수로 세정하고, 300℃에서 1시간 건조하였다. 유도로에 세정된 알루미늄 합금 스크랩을 장입한 후에 700℃에서 1시간 가열하여 용융하였다.
지름 0.5㎜인 구리 선 100g을 5mm 길이로 절단한 후 알코올로 세척하였다. 이렇게 준비한 구리 선을 200℃로 예열한 후 용탕에 투입하고 10분 이내로 교반하였다. 일부 구리 선은 용융되어, 알루미늄과 함께 Al2Cu 금속간 화합물을 형성하고, 나머지는 구리 선 형태를 유지하였다.
구리 선 투입 후 10분이 경과하기 전에 용탕을 금속 금형에 투입하여, 두께 20mm, 폭 100mm, 길이 150mm의 판 형태의 주물을 제조하였다.
제조된 판을 열간 압연 및 냉간 압연하여 두께 1mm의 얇은 판을 제조하였다. 제조된 얇은 판 형태의 시편의 물리적 특성은 아래의 표 1과 같았다. 비교예로는 동일한 형태의 3003 알루미늄 합금 판을 사용하였다.
인장강도(N/㎟) 신율(%) 전기전도도(% IACS)
실시예 200 10 48
비교예 170 5 40
위의 표에서 알 수 있듯이, 실시예의 시편이 비교예의 시편에 비해서 인장강도, 신율, 전기전도도가 모두 높음을 알 수 있다. 재료의 열전도도는 전기전도도에 비례하므로, 본 실시예가 비교예에 비해서 열전달 특성도 우수함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
1: 알루미늄 구리 복합 재료
3: 알루미늄 합금 기지
5: 고체상 구리
7: 금속간 화합물

Claims (13)

  1. a) 알루미늄 합금 용탕을 얻는 단계와,
    b) 상기 용탕에 고체상 구리를 투입하는 단계와,
    c) 투입된 상기 고체상 구리의 일부가 미용융 상태로 잔존하는 상태에서 상기 용탕을 금형에 투입하여 냉각하는 주조 단계와,
    d) 상기 주조 단계에서 얻은 주물을 소성 가공하여, 상기 주물에 잔존하는 미용융 상태의 상기 고체상 구리를 서로 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 b) 단계에서 상기 고체상 구리는 지름은 0.5 내지 1.5㎜이고, 길이는 5 내지 10㎜인 구리 선이며,
    상기 고체상 구리의 투입량은 상기 c) 단계에서 얻은 주물의 중량을 기준으로 5 내지 7 중량%이며,
    상기 c) 단계에서 얻은 주물은 상기 d) 단계의 소성 가공을 통해서 95%의 변형률로 변형할 수 있는 주물인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계에서의 냉각은 미용융 상태로 잔존하는 상기 고체상 구리의 적어도 일부가 고체상을 유지하도록 상기 용탕을 급냉하는 단계인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 b) 단계 직후인 10분 이내에 진행되는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고체상 구리는 순도 99% 이상의 구리인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체상 구리 중에서 용융된 구리의 적어도 일부는 알루미늄과 금속간 화합물을 형성하는 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 Al2Cu인 알루미늄 구리 복합 재료의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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