KR20110097547A - 다이캐스팅용 아연-알루미늄 합금 - Google Patents

다이캐스팅용 아연-알루미늄 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 경량 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노트북이나 휴대폰 케이스의 외장재 및 경첩(hinge) 등의 부품을 제조하기 위한 다이캐스팅 합금으로 사용되는 아연 합금(예: ZA27)을 대체하기 위해, 합금 원소의 적절한 첨가를 통하여 다이캐스팅이 가능하며, 기존의 아연 합금(예: ZA27)보다 가볍우면서도 강도를 향상시킨 고강도 경량 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si), 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu) 및 27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al)을 함유하고, 잔부가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 다이캐스팅용 합금을 제공한다.

Description

다이캐스팅용 아연-알루미늄 합금{Zn-Al alloy for die-casting}
본 발명은 다이캐스팅에 사용되는 합금, 더욱 상세하게는 아연(Zn)와 알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 고강도 경량 다이캐스팅 합금에 관한 것이다.
오늘날 다이캐스팅 기술은 고품질의 제품을 제조할 수 있을 정도로 개발되었다. 그러나 다이캐스팅의 품질은 기계설비와 선택된 공정뿐만 아니라 사용된 합금의 화학성분 및 구조에 따라서 크게 달라질 수 있다. 후자의 두 파라메타는 가주성(可鑄性), 피드특성(feed behaviour), 기계적인 특성과, 특히 다이캐스팅에서 중요한 주조공구의 수명에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
종래에는 노트북이나 휴대폰 케이스의 외장재 및 경첩(hinge) 등의 부품에 적합한 다이캐스팅용 합금의 개발에 거의 주의를 기울이지 않았다. 그러나 제품의 외형이나 기능적인 면에서 복잡해지므로 좀 더 변형에 견딜 수 있는 다이캐스팅용 합금을 개발할 필요성이 증가하고 있다. 특히, LCD 판넬 부분을 지지해 주는 부품이나, 얇고 복합한 형상의 경첩 등과 같은 부품은 고강도의 합금이 필요하다.
한편, 고강도를 요구하는 부품을 제조할 때에는, 알루미늄 다이캐스팅 합금보다는 고강도의 아연 다이캐스팅 합금을 사용하여왔지만, 아연 다이캐스팅 합금(예: ZA27)의 경우 비중이 약 4.9 g/cm3으로 무겁기 때문에 휴대용 노트북이나 휴대폰 케이스의 외장재 및 경첩(hinge) 등의 부품을 제조하기 위해서는 경량 고강도 다이캐스팅용 합금이 크게 요구되는 실정이다.
본 발명은 앞에서 설명한 것과 같이 종래의 아연 다이캐스팅 합금(예: ZA27)에 비해 유사한 비중을 가지거나 더 낮은 비중을 가지면서도 더 높은 강도를 가지는 고강도 경량 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금을 제공하는데 그 목적이 있다. 이러한 본 발명의 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 양상에 의하면, 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si), 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu) 및 27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al)을 함유하고, 잔부가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금이 제공된다.
또한 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 양상에 의하면, 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si), 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu), 27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al) 및 각각 0.1 중량%(0 제외) 이하인 베릴륨(Be) 및 티타늄(Ti) 중 선택된 적어도 하나를 포함하고, 잔부가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금이 제공된다.
이러한 본 발명의 제 1 양상 또는 제 2 양상을 따르는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 특징으로 구리(Cu)는 1.4 중량% 보다 크고 5 중량% 이하일 수 있으며, 나아가 2.0 중량% 이상 9 중량% 인 것을 다른 특징으로 할 수 있으며, 더 나아가 2.0 중량% 이상 5 중량% 이하인 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.
이러한 구리(Cu)의 조성 범위에서 실리콘(Si)은 0.1 중량% 이상이고 1.0 중량% 이하인 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.
또한 이러한 본 발명의 제 1 양상 또는 제 2 양상을 따르는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 또 다른 특징으로서, 알루미늄(Al)은 45 중량% 이상이고 55 중량% 이하일 수 있다.
이러한 본 발명의 제 1 양상 또는 제 2 양상을 따른 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 또 다른 특징으로서, 알루미늄(Al)은 47 중량% 이상이고 51 중량% 이하일 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 3 양상에 의하면, 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si), 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu), 27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al) 및 16 중량% 이상이고 68.6 중량% 이하인 아연(Zn)을 포함하는 다이캐스팅용 합금이 제공된다.
이러한 본 발명의 제 3 양상을 따르는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 특징으로, 구리(Cu)는 1.4 중량% 보다 크고 5 중량% 이하이고, 실리콘(Si)은 0.1 중량% 이상이고 1.0 중량% 이하이며, 알루미늄(Al)은 45 중량% 이상이고 55 중량% 이하일 수 있으며, 이러한 경우 베릴륨(Be) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 이상을 각각 0.1 중량 % 이하(0 제외)의 범위로 더 포함하는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.
이러한 본 발명의 제 3 양상을 따르는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 또 다른 특징으로, 베릴륨(Be), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 바나듐(V), 주석(Sn), 철(Fe), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr),스칸듐(Sc) 및 망간(Mn) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 총 3 중량% 이하(0제외)의 범위로 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 합금원소의 적절한 첨가로 인해 기존의 아연 다이캐스팅 합금에 비해 약 18% 이상 가볍고, 20% 이상의 강도를 향상시킨 고강도 경량 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금은 경량성 및 고강도가 요구되는 부품, 예를 들면 노트북이나 휴대폰 케이스의 외장재 및 경첩(hinge) 등의 부품 등에 활용될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 일축 인장 시험 결과를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 3점 굽힘 시험 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예를 따르는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금은 아연 및 알루미늄을 포함하며, 이때 아연의 조성이 알루미늄의 조성에 비해 높은 경우만을 한정하는 것이 아니며, 아연 또는 알루미늄 중 어느 하나의 조성이 다른 어느 하나의 조성보다 높게 함유되어 있는 경우와 그렇지 않은 경우를 모두 포함한다.
또한 본 발명의 실시예들에 있어서, 아연-알루미늄 합금은 제조를 위해 마련된 각 합금원소가 제련 또는 정련 과정에서 불가피하게 포함될 수 밖에 없는 불가피한 불순물들을 포함할 수 있으며, 또한 합금화 과정에서 불순문들이 불가피하게 더 함유될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 있어서, 불가피한 불순물이라 함은 상술한 이유에 의해 의도적으로 포함시킨 합금원소 외의 불순물을 의미한다.
표 1에는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6의 합금조성과 비교예 1 내지 비교예 6의 합금조성을 나타내었다. 이러한 실시예 1 내지 실시예 6과 비교예 1 내지 비교예 6의 합금은 아연, 알루미늄, 구리, 실리콘, 티타늄 및 알루미륨-베릴륨 합금(Al-Be) 준비한 후, 이러한 금속들을 용해로에서 용해하여 다이캐스팅 방법으로 제조되었다.
이때 비교예 1은 상용 아연 다이캐스팅용 합금인 ZA27 이었다. 또한 표 1에는 각 실시예 및 비교예의 성형성에 대한 결과를 같이 나타내었다.
표 1에서 볼 수 있듯이 실시예 1 내지 실시예 6은 모두 알루미늄의 조성이 27 중량% 이상을 함유하고 있었으며, 성형성이 우수한 것으로 나타났다. 그러나 알루미늄의 함량이 높은 비교예 4 내지 비교예 6의 경우에는 소착이 발생하였다. 이로부터 알루미늄의 함량이 70 중량% 보다 높게 함량되는 경우에는 소착발생으로 인해 합금의 성형성이 열화되는 것을 알 수 있다.
합금 조성 비중
(Approx.)		 성형성
Zn Al Cu Si 기타 양호
실시예 1 Bal. 27.3 5.0 - - 양호
실시예 2 Bal. 28.3 4.9 0.5 - 양호
실시예 3 Bal. 45.8 5.0 1.0 - 4.0 g/ 양호
실시예 4 Bal. 49.3 3.0 0.1 - 4.0 g/ 양호
실시예 5 Bal. 49.9 2.9 0.5 - 3.9 g/ 양호
실시예 6 Bal. 50.9 2.9 0.5 Ti: 0.05, Be: 0.06 3.9 g/ 양호
비교예 1 Bal. 28.2 2.0 - - 4.9 g/ 양호
비교예 2 Bal. 50.1 1.4 0.1 - 3.9 g/ 양호
비교예 3 Bal. 55.5 3.0 0.5 - 3.7 g/ 양호
비교예 4 Bal. 78.7 3.77 2.0 - - 소착발생
비교예 5 Bal. 78.9 3.95 0.01 - - 소착발생
비교예 6 Bal. 81.73 0.5 0.01 - 4.0 g/ 소착발생
실시예 3 내지 실시예 6의 경우에는 비교예 1에 비해 합금내 알루미늄의 조성이 더 높아 비중은 더 낮은 값을 나타내었다. 즉, 표 1에서 보듯이 계산에 의한 밀도를 비교해보면, 실시예 3 내지 실시예 6 에 따른 합금은 4 g/cm3 이하의 밀도를 갖는 것을 볼 수 있지만, 비교예 1의 ZA27 합금은 4.9 g/cm3의 밀도를 갖는 것을 볼 수 있다.
한편, 앞에서 설명한 방법에 의하여 제조된 제품의 기계적 성질을 확인하기 위해 1.5 mm/min의 속도로 일축 인장 시험을 행하였으며, 도 1에는 실시예 3 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 3의 일축 인장 시험 결과가 도시되어 있다.
도 1에서 보듯이, 실시예 3 내지 실시예 6에 따른 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 인장력이 상용 아연 다이캐스팅용 합금인 ZA27(비교예 1)에 비해 더 우수하였으나, 비교예 2 및 비교예 3의 경우에는 비교예 1에 비해 더 낮은 인장력을 나타내었다.
실시예 3 내지 실시예 6의 인장력이 비교예 1에 비해 우수한 것은 구리 및 실리콘의 함량이 높은 것에 기인한 것으로 판단되었다. 즉, 실시예 3 내지 실시예 6의 경우 알루미늄의 함량이 모두 비교예 1에 비해 높았으나, 구리의 조성이 2.9 중량% ~ 5.0 중량% 범위에 있고, 실리콘의 조성이 0.1 중량% ~1.0 중량% 범위로서 2.0 중량%의 구리만을 포함하는 비교예 1에 비해 높은 조성범위를 가지고 있었다.
이러한 구리와 실리콘의 효과는 비교예 2 및 비교예 3에서 유추할 수 있는바, 비교예 2에 비해 구리 및 실리콘의 함량이 더 높은 비교예 3이 상대적으로 높은 인장력을 나타내었다.
일반적으로 이는 Al-Cu-Zn 3원계 상태도에서 알 수 있듯이, 알루미늄의 첨가량이 많아지게 되면 연한 알루미늄 초정상의 부피 분율이 증가하므로 비중의 감소와 함께 강도가 감소하게 된다. 그러나 표 1 및 도 1로부터 알 수 있듯이 일정 범위의 구리 또는 구리 및 실리콘의 첨가로 인해 알루미늄의 함량이 증가함에도 오히려 강도가 증가되는 현상을 나타내었다.
구리는 아연-알루미늄 합금에서 아연 및 알루미늄과 반응하여 Al4Cu3Zn상의 금속간 화합물을 형성하며, 이러한 금속간 화합물은 합금의 변형 시 전위의 이동을 방해하는 배리어(barrier)로 작용하기 때문에 합금의 강도 향상에 바람직하다. 비교예 2로부터 구리의 함량은 최소한 1.4 중량%을 초과하여야 함을 알 수 있다. 비교예 1을 고려할때, 2 중량% 이상일 경우 강도향상에 더욱 바람직하다. 다만 그 양이 너무 많으면, 취성이 증가하여 기계적 성질이 저하되며, 무거운 원소이므로 비중 감소에 효과적이지 않다. 따라서 구리의 함량은 최대 9 중량% 이상을 초과하지 않는 것이 바람직하며, 특히 5 중량%을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 예를들어 구리의 함량은 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하일 수 있고, 특히 1.4 중량% 보다 크고 5 중량% 이하 일 수 있고, 나아가 2 중량 % 이상 9 중량% 이하일 수 있고, 더나아가 2 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 실리콘(Si)의 경우 알루미늄 합금의 흐름성을 증가시켜 주는 원소로서 본 발명의 실시예의 경우에 강도 증가에 기여하나, 2.0 중량%을 초과하여 첨가하는 경우에는 합금의 취성이 증가하여 기계적 성질이 저하되기 때문에 다이캐스팅 과정 중 몰드에서 제품 분리 시, 제품이 파손되어 건전한 제품을 제조하기 어려운 문제가 있다. 따라서 실리콘의 경우, 2.0 중량%을 초과하지 않은 것이 바람직하며, 0.1 ~ 1.0 중량% 범위를 가지는 것이 특히 바람직하다.
이러한 합금원소에 따른 기계적 특성은 도 2에 도시된 3점 굽힘 시험 결과를 통해서도 유추할 수 있다. 도 2에는 본 발명의 실시예와 비교예의 굽힘성을 측정하기 위해 60 mm/min의 속도로 3점 굽힘 시험을 행한 결과가 도시되어 있다.
도 2에서 보듯이, 굽힘 시험에서도 인장 시험 결과 유사하게 실시예 1 내지 실시예 6(실시예 3 제외)의 굽힘력이 비교예 1에 비해 더 크게 나타난 것을 알 수 있었다.
특히 실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1를 대비할 시, 유사한 알루미늄 및 아연의 조성을 가지고 있음에도, 실시예 1 및 실시예 2의 굽힘력이 비교예 1에 비해 더 높게 나타났다. 이는 상술한 바와 같이, 구리 및/또는 실리콘의 함량이 비교예 1에 비해 더 높았기 때문으로 유추되었다. 구체적으로 실시예 1 및 실시예 2의 경우 구리의 조성이 5 중량%로서 2 중량%인 비교예 1에 비해 더 높은 함량을 가지고 있었으며, 실시예2의 경우에는 비교예 1에는 첨가되지 않은 실리콘이 0.5 중량% 첨가되어 있었다.
한편, 실리콘이 0.5 중량% 포함된 실시예 2의 경우에는 실시예 1에 비해서도 상대적으로 더 우수한 굽힘력을 나타냈으며, 이로부터 구리 및/또는 실리콘의 첨가로 인해 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금의 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있었다.
한편, 알루미늄의 경우 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 알루미늄의 함량이 45% 이상인 경우 인장력 또는 굽힘력이 비교예 1에 비해 우수하였으나, 비교예 3으로부터 구리와 실리콘이 각각 3.0 중량%와 1.4 중량%를 가짐에도 알루미늄의 함량이 55 중량%을 초과하면 굽힘력이 감소됨을 알 수 있었다. 이로부터 알루미늄은 45 ~ 55 중량% 범위을 가지는 것이 바람직하였다. 또한 실시예 3과 실시예 4로부터 연신의 측면에서는 알루미늄의 함량이 47 ~ 51 중량% 범위를 가지는 것이 바람직하였다.
한편, 티타늄(Ti) 및 베릴륨(Be)이 각각 0.1 중량% 이하로 더 첨가됨에 따라 합금의 인성이 향상될 수 있었다. 일예로서 실시예 6의 경우 아연, 알루미늄, 구리 및 실리콘의 조성은 실시예 5와 실질적으로 동일하였으나, 티타늄 및 베릴륨이 각각 0.05 중량%, 0.06 중량% 더 첨가됨에 따라 실시예 5에 비해 강도의 저하없이 연신이 향상되는 특성을 나타내었다.
한편, 아연, 알루미늄, 구리 및 실리콘의 총 중량이 97% 이상을 차지하고 나머지 부분을 합금원소를 첨가함으로써 합금의 강도를 높일 수 있다. 이때 첨가될 수 있는 합금원소는 티타늄(Ti), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 바나듐(V), 주석(Sn), 철(Fe), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr),스칸듐(Sc) 및 망간(Mn) 중에서 선택되는 하나 이상의 합금원소일 수 있다.
일예로서 1.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘, 1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리, 27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄 및 16 중량% 이상이고 68.6 중량% 이하인 아연을 포함하는 합금에 상술한 합금원소 중 하나 이상을 3 중량% 이하의 범위로 더 포함할 수 있다.
이상 언급한 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 예증하는 것이며, 이 분야의 당업자라면 첨부한 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이, 많은 다른 실시예를 설계할 수 있다. 이러한 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si);
    1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu);
    27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al); 및
    잔부가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  2. 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si);
    1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu);
    27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al);
    각각 0.1 중량%(0 제외) 이하인 티타늄(Ti) 및 베릴륨(Be) 중 선택된 하나 이상; 및
    잔부가 아연(Zn) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 1.4 중량% 보다 크고 5 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 2.0 중량% 이상 9 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 2.0 중량% 이상 5 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 실리콘(Si)은 0.1 중량% 이상이고 1.0 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄(Al)은 45 중량% 이상이고 55 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 알루미늄(Al)은 47 중량% 이상이고 51 중량% 이하인 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  9. 2.0 중량% 이하(0 제외)인 실리콘(Si);
    1.4 중량% 보다 크고 9 중량% 이하인 구리(Cu);
    27 중량% 이상이고 70 중량% 이하인 알루미늄(Al); 및
    16 중량% 이상이고 68.6 중량% 이하인 아연(Zn)을 포함하는 아연-알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 구리(Cu)는 1.4 중량% 보다 크고 5 중량% 이하이고, 상기 실리콘(Si)은 0.1 중량% 이상이고 1.0 중량% 이하이며, 상기 알루미늄(Al)은 45 중량% 이상이고 55 중량% 이하인 아연- 알루미늄 다이캐스팅용 합금.
  11. 제 10 항에 있어서, 베릴륨(Be) 및 티타늄(Ti) 중 어느 하나 이상을 각각 0.1 중량 % 이하(0 제외)의 범위로 더 포함하는 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금.
  12. 제 9 항에 있어서, 티타늄(Ti), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 바나듐(V), 주석(Sn), 철(Fe), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr),스칸듐(Sc) 및 망간(Mn) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 총 3 중량% 이하(0 제외)의 범위로 더 포함하는 아연-알루미늄 다이캐스팅 합금.
KR1020100019053A 2010-02-23 2010-03-03 다이캐스팅용 아연-알루미늄 합금 KR20110097547A (ko)

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