KR20120128769A - 착색 아노다이징이 가능한 고강도 다이캐스팅용 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서 알루미늄을 주원소로 하며 또 착색 아노다이징 처리가 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 합금은 구리(Cu) 0.1 wt% max, 실리콘(Si) 0.1 wt% max, 마그네슘(Mg) 0.5~2.2 wt%, 철(Fe) 0.4 wt% max, 망간(Mn) 1.0~2.5 wt%, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.1~1.0 wt% , 스트론튬(Sr) 0.02 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max을 포함하는 것을 특징으로 하며, 실시예에 따라서는 지르코늄(Zr) 0.5~1.6 wt%를 더 포함할 수 있다.

Description

착색 아노다이징이 가능한 고강도 다이캐스팅용 합금{HIGH STRENGTH DIECASTING ALLOY FOR COLOR ANODIZING}

본 발명은 다이캐스팅용 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다이캐스팅 제품에 대해 착색 아노다이징 처리를 할 수 있도록 하고 복잡한 형상의 이동통신 단말기 등 전기/전자기기의 외장재에 적합한 내구성을 얻을 수 있도록 해주는 조성으로 이루어진 착색 아노다이징이 가능한 고강도 다이캐스팅용 합금에 관한 것이다.

알루미늄 아노다이징 공정은 부식저항성, 내마모성, 전기절연성, 미적 특성을 위해 사용되는 전기화학적 공정으로, 이 공정에 의해 제조된 산화물층은 강도가 매우 우수하며 착색이 가능한 공극 구조를 가지고 있다. 아노다이징은 페인팅이나 물리적 증착(PVD)과 비교했을 때 다음과 같은 장점이 있다. 페인팅은 지속성이 약하며, 유럽 연합에 의해 규정되어 있는 중금속과 독성 물질을 규제하는 유해물질 제한 지침(RoHS: Restriction of Hazardous Substances)에 부합하지 못한다. 또한 PVD는 색상 선택의 자유도가 매우 떨어지며 대량 생산시 요구되는 공정안정성이 매우 약하다.

따라서, 양극에서 발생하는 산소에 의해 소지금속과 높은 밀착력을 갖는 산화피막을 형성하는 양극산화, 즉 아노다이징이 널리 활용되고 있다. 아노다이징에 의해 형성한 산화피막은 내식성, 내마모성이 우수하고, 소지 금속과의 밀착성이 뛰어나 오랜 내구성을 가진다. 또 산화피막의 특징적인 다공성층에 염료를 봉입하고 봉공처리(sealing)하는 저비용의 착색과정(coloring)을 통해 미려한 장식성 외관을 얻을 수 있는 장점으로 인해 특히 알루미늄 및 그 합금과 관련하여 그 사용이 증대되고 있다. 그러나, 아노다이징은 다음과 같은 한계 역시 갖고 있다.

아노다이징은 현재 그 적용하는 금속(및 그 합금)이 판재로 되어 있는 경우에만 주로 적용하고 있다. 즉 일반적으로 알루미늄 합금 제품은 복잡한 형상을 성형할 수 있고, 또 뛰어난 제조성 등으로 인해 많은 다이캐스팅 주조 공정을 통해 성형하고 있으나, 이와 같이 다이캐스팅에 의해 성형한 제품에 대해서는 아노다이징을 적용하지 못하고 있는 것이 현재의 실정이다. 즉 다이캐스팅을 이용하여 제품을 성형하는 경우, 그 고속의 흐름으로 인해 응고 편차가 발생하고, 응고 과정 중의 합금 조성 변화에 따라 국부적인 편석대가 발생할 수 있는데, 이러한 편석대는 용질의 종류에 따라 제품 표면에 흐름 자국(flow mark)으로서 발현되며, 이러한 흐름 자국은 폴리싱에 의해서도 지워지지 않는다. 따라서, 용질 편석에 의한 흐름 자국이 형성된 제품에 대해 아노다이징을 수행하는 경우, 그에 따라 형성되는 산화피막에도 여전히 흐름 자국이 남게 되어, 아노다이징의 장점, 즉 우수한 장식성 외관의 장점이 사라지는 문제점이 있다.

또한, 기존의 다이캐스팅용 합금으로 제품을 성형할 경우, 제품 표면에 특정 조성 및 합금성분이 포함된 편석이 발생하고, 이 편석은 아노다이징 공정에 따른 산화피막 형성시, 알루미늄의 반응과 상이한 반응을 하는 불순물의 역할을 하여 산화피막에 흑화현상을 야기함으로써, 예컨대 붉은 색의 산화피막이 붉은 색 자체를 띄지 못하고 약간 검은 색을 띄는 붉은 산화피막이 형성되어, 피막에 광택이 없어 외관이 현저하게 떨어지는 문제점이 있다. 특히 산화피막 형성능에 대한 지표인 Pilling-Bedworth ratio (P-B ratio)가 대략 2.2 이상인 Si, Fe 등의 원소는 일반적인 다이캐스팅용 알루미늄 소재에 포함되는 원소이나, 알루미늄 기지의 P-B ratio(1.3)에 비해 현저히 높기 때문에, 아노다이징에 의한 산화피막 형성시 불균일하게 형성되므로, 착색 처리시 산란에 의한 흑화 현상이 두드러지게 나타난다.

또한, 다이캐스팅용 합금에 포함되어 있는 Si, Fe, Mg, Zn 등은 응고시, Al(Fe₆Si), Al-Mg₂Si, AlFe₃, AlFe₆, Al-Mg₂Zn 등 무수히 많은 합금화 과정이 수반되기 때문에, 균질한 산화피막 형성의 제어가 현실적으로 불가능한 것으로 평가되고 있다.

또한, 다이캐스팅의 공정 중에는 고속사출에 의해 기포 포집을 피하기가 어렵기 때문에 내부에 있던 기포들이 아노다이징 처리시 소재의 표면으로 올라와서 하얀 자국(백화현상)을 만든다. 또한, 다이캐스팅 제품에 아노다이징으로 산화피막을 형성한다 하여도 그 두께를 3~4 ㎛ 정도로만 할 수 있어, 내구성에 있어서도 문제점을 야기한다. 이러한 문제점으로 인해, 아노다이징은 다이캐스팅 제품에 대해서는 수행하지 않고, 용질이 매우 적거나 P-B ratio가 비슷한 원소가 함유된 알루미늄 1000, 5000, 7000 계열 등의 판재에 대해서만 수행되고 있으며, 다이캐스팅시 상기 문제점을 해결할 수 있는 합금에 대한 요구가 있지만 그 요구를 충족시키는 합금이 개발되지 못하고 있다.

이와 같이 다이캐스팅 제품과 아노다이징을 결합할 수 있는 기술에 대한 요구가 있지만, 상기와 같은 문제점으로 인해, 다이캐스팅 제품(예컨대, 휴대폰, 스마트폰, 노트북 등의 외장재)에 대해서는 일반적으로 도장에 의해 피막을 형성한다. 그러나, 도장에 의해 피막을 형성하는 경우, 통상 3번 정도의 코팅을 수행하고 있어 비용이 증가할 뿐만 아니라 환경 문제도 야기하고 있으며, 밀착력이 떨어져 크로스커팅 시험, 진동 바렐 시험을 수행하는 경우, 그 피막이 벗겨지는 문제, 즉 내구성이 떨어지는 문제점이 야기되고 있다.

상기와 같은 문제점과 관련하여, 기존의 주조용 합금(예컨대, 고 Si 첨가 합금)을 활용하는 시도가 있다. 이 방법에 따르면, 합금의 높은 잠열로 주조성이 우수하고 핫 크랙 등의 결함이 없으나, 과량의 Si으로 인하여, 응고 중 편석 및 석출물이 발생하여 아노다이징 적용시 부분적인 산화반응으로 인한 흑화 현상이 발생하여, 뛰어난 외관을 갖는 제품을 제조할 수 없는 문제가 있다. 또 미량의 원소만이 함유된 다이캐스팅용 합금(예컨대, 소량의 Mn이 함유된 합금)을 활용하려는 시도도 있다. 이 방법에 따르면, 상기 문제가 되는 원소의 배제를 통해 건전한 착색 효과가 나타날 수 있을 것이라 기대되지만, 용질의 양이 현저히 적어 복잡한 형상의 제품에 적용시 국부적인 응고 수축에 의한 치수 불안정성이 야기되고, 또 기계적 물성치가 순수 알루미늄과 비긋하여, 내구성이 요구되는 제품군에 적용하는 데에는 많은 한계를 노출하고 있다. 또한, 기존의 ADC10 합금계의 원소를 저감시키는 방법으로 흑화 현상 및 흐름 무늬를 억제하고자 하는 시도가 행해지고 있으나, 응고시 금속간 화합물의 형성 및 편석의 발생에 따른 아노다이징 산화피막의 불안정한 형성을 피할 수 없어, 다양한 색상의 착색처리에 있어서 효과를 달성하지 못하고 있다.

또한, 아노다이징시 흑화 현상 및 흐름 무늬 발생을 막기 위해 용질량을 최소로 한 10계열 알루미늄 합금을 이용하는 시도가 행해지고 있으나, 이들 10계열 알루미늄은 순 알루미늄에 준하는 Al base에 1% 미만의 원소들을 이용하여 만든 합금으로 지나치게 물러서 제품사용에 한계가 있고, 따라서 실질적인 효과를 이루지 못하고 있으며, 또한 합금의 고용 및 석출 등 강화기구가 전무하여 제품의 강도가 충분하지 못하고 융점이 높아서 금형 소착 및 금형수명저하가 발생하는 등의 문제가 있다. 근래에는 DM3나 DX24라는 합금이 다이캐스팅 용으로 개발되어 사용되는 사례가 있으나 이들은 다이캐스팅 시 유동도 저하로 수율이 매우 떨어질 뿐만 아니라 강도가 약해서 두꺼운 제품을 만드는 것은 가능하나 이동통신 단말기나 IT부품과 같은 박육제품에는 강도와 평탄도 등을 만족시킬 수 없기 때문에 적용하는 것이 불가능하다.

상기한 바와 같이, 일반적으로 휴대폰 등의 IT 제품의 케이스는 프레스나 다이캐스팅 방법으로 제조된다. 프레스의 경우에는 휴대폰의 밧데리 케이스나 단순형상의 경우에 사용되며, 복잡형상이나 나사등에 의한 조립이 필요한 보스(boss)가 존재하는 경우에는 다이캐스팅 방법에 의해서 제조된다. 프레스에 사용되는 재질(알루미늄 5000, 6000, 7000계열) 등은 일반적으로 아노다이징이 가능하여 도장이나 도금에 비해 저렴한 가격으로 착색이 가능하다. 하지만 이들 재질은 단조용 합금계열로 유동성이 현저히 떨어져서 다이캐스팅과 같은 주조의 방법을 이용해서는 제품의 제조가 불가능하다. 또한 다이캐스팅과 같은 고압 고속주조의 경우에는 금형의 소착을 방지하기 위한 이형제의 사용과 사출시 난류(turbulent flow)에 의해 제품에 흐름자국이 존재하여 아노다이징 이후에도 이들 흐름자국과 이형제 자국이 그대로 존재함으로써 다이캐스팅과 같은 주조품에서는 상품성 있는 아노다이징이 불가능한 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 다이캐스팅으로 성형할 수 있으면서도, 즉 기존 다이캐스팅 재질과 유사한 강도의 제품을 주조함과 동시에 그 다이캐스팅에 의해 성형한 제품에 대해 특별한 문제점 없이 아노다이징에 의한 착색처리를 할 수 있도록 해주는 조성으로 이루어진 착색 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다이캐스팅 제품에 대해 별도의 처리를 수행하지 않고도 착색 아노다이징 처리가 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 다이캐스팅 제품에 대해 아노다이징 처리시 나타나는 흑화 현상, 밀착력 저하에 따른 내구성 감소와 같은 문제점을 야기하지 않으면서 착색 아노다이징에 의해 산화피막을 형성할 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 아노다이징에 의해 형성한 산화피막이 테이프 탈부착과 같은 시험에 의해서도 잘 벗겨지지 않는, 즉 내구성이 우수한 산화피막을 형성할 수 있는 착색 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 복잡한 형상의 이동통신 단말기 등 전지/전자기기의 외장재에 적합한 내구성을 얻을 수 있는 착색 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 알루미늄 합금을 이용하여 제조한 외장재를 구비하고 있는 이동 통신 단말기 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 알루미늄을 주원소로 하며 또 착색 아노다이징 처리가 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 합금은 구리(Cu) 0.1 wt% max, 실리콘(Si) 0.1 wt% max, 마그네슘(Mg) 0.5~2.2 wt%, 철(Fe) 0.4 wt% max, 망간(Mn) 1.0~2.5 wt%, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.1~1.0 wt% , 스트론튬(Sr) 0.02 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 마그네슘(Mg) 1.5~2.0 wt%, 망간(Mn) 1.3~1.8 wt%, 티타늄(Ti) 0.3~1.3 wt%의 함량으로 포함될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 합금은 지르코늄(Zr) 0.5~1.6 wt%를 더 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 지르코늄과 티타늄의 합계 합량은 2 wt%를 초과하지 않도록 구성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 마그네슘(Mg) 0.8~2.1 wt%, 망간(Mn) 1.5~2.5 wt% 및 지르코늄(Zr) 0.7~1.6 wt%의 함량으로 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서 상기 알루미늄 합금을 다이캐스팅을 이용하여 성형한 제품이 제공되는데, 상기 제품에는 아노다이징 처리에 의한 소정 색상의 피막이 형성되어 있고, 상기 피막에는 상기 다이캐스팅으로 인한 흐름 자국이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 피막의 색상은 상기 아노다이징으로 인한 착색 현상 없이 원래의 색상 그대로일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 제품은 이동 통신 단말기의 본체를 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, (A) 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금을 다이캐스팅을 이용하여 소정 형상의 제품으로 성형하는 단계와; (B) 상기 성형된 제품에 대하여 아노다이징 처리를 하여 상기 제품 표면에 소정 색상의 피막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법이 제공된다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 (B)의 단계를 통해 형성한 피막에는 상기 (1)의 다이캐스팅 결과 야기되는 제품 표면의 흐름 자국이 형성되어 있지 않고, 상기 피막의 색상은 상기 아노다이징으로 인한 착색 현상 없이 원래의 색상 그대로일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 (B)의 단계를 수행하기 전에, 상기 (A)의 단계를 통해 성형한 제품의 표면에 대해 균질화 처리를 수행하여, 금속간 화합물이 표면 전체에 걸쳐 고르게 분포되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 균질화 처리는 상기 (A)의 단계를 통해 성형한 제품을 200~300℃의 온도에서 유지하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 그 합금을 다이캐스팅에 의해 제품으로 성형한 경우, 아노다이징에 의해 피막을 제품 표면에 형성할 수 있도록 해준다. 종래의 합금과 달리, 본 발명의 합금을 이용하면, 아노다이징에 의한 피막에 흐름 자국이 형성되지 않으며, 더욱이 원래의 의도한 색이 흑화 현상에 의해 바래지는 착색 현상도 일어나지 않아, 색을 있는 그대로 발현시킬 수 있다. 또한, 피막과 제품 사이의 밀착력도 우수하여 오랜 기간 외관 저하 없이 제품을 사용할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 알루미늄 합금에서 Ti 또는 Zr 프라이머리 상이 초정 정출되어 기지 중에 분포되어, 정출물에 의한 분산 강화가 이루어지는 것을 보여주는 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 알루미늄 합금의 본체에 대하여 통상의 과정에 따라 아노다이징 처리를 하여 균일한 층을 형성한 것을 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 알루미늄 합금과, 일반 주조 합금(알루미늄 다이캐스팅 10종 합금(ADC10; Al-9Si-3Cu)) 및 원소가 과량 함유된 알루미늄 합금에 대하여 통상의 과정에 따라 아노다이징 처리를 하여 산화피막을 형성한 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용하여 제작한 이동통신 단말기 본체에 대하여 아노다이징 처리를 이용하여 다양한 색상의 흠결 없는 피막을 형성한 예를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술적 구성, 예컨대 아노다이징 처리, 다이캐스팅 방법 등에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따라서 알루미늄을 주원소로 하며 또 착색 아노다이징 처리가 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 알루미늄 합금은 구리(Cu) 0.1 wt% max, 실리콘(Si) 0.1 wt% max, 마그네슘(Mg) 0.5~2.2 wt%, 철(Fe) 0.4 wt% max, 망간(Mn) 1.0~2.5 wt%, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.1~1.0 wt% , 스트론튬(Sr) 0.02 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 설명하는 바와 같이, 상기 조성 범위의 알루미늄 합금은 다이캐스팅에 의해 제품을 성형할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 그 제품에 대해 아노다이징에 의해 산화피막을 형성하여도, 그 산화피막에 흑화현상이나 기포에 의한 백화현상이 발생하지 않아 광택이 뛰어나고, 내구성도 우수하여, 종래 기술과는 달리 다이캐스팅과 아노다이징을 결합하여 이동 통신 단말기의 본체와 같은 제품을 저비용으로 그리고 편리하게 제조할 수 있도록 해준다. 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 다이캐스팅에 의해 성형한 제품에 대해서는 아노다이징에 의해 산화피막을 형성하는 것이 곤란하였고, 혹 형성하였다 하더라도 그 산화피막은 흑화 현상, 그에 따른 광택 저하, 내구성 감소 등의 문제를 갖고 있어, 다이캐스팅 제품에 대해서는 도장에 의해 피막을 형성하였고 아노다이징은 판재에 대해서만 주로 적용하였다. 그러나, 본 발명에 따라 제공되는 알루미늄 합금은 다이캐스팅에 의해 제품을 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 상기와 같은 종래 기술의 문제를 갖지 않는 아노다이징에 의한 산화피막 형성을 가능하게 한다.

이하에서는, 본 발명의 알루미늄 합금에 첨가되는 상기 각 합금 원소의 함량을 한정한 본 발명의 기술적 의미를 설명한다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의한 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 원소로서, 석출 변태의 속도를 조절하여, 입계 주변의 고용된 Zn, Mg의 급격한 감소를 방지하여(즉, 무석출물대(PFZ)의 생성을 방해), 응력부식균열(SCC) 특성을 개선한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 구리가 최대 0.1 wt% 첨가되는데, 0.1 wt%를 초과하면, 부식환경에서 민감하게 반응하여, 아노다이징 과정 중 급격한 반응을 일으켜, 예기치 못한 부작용을 야기하므로, 가능한 한 최소로 포함시키되 최대 0.1 wt% 함유시킨다.

실리콘(Si)은 초정 고용시 마그네슘(Mg)과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여, 강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에 따른 합금에서는 실리콘이 최대 0.1 wt% 첨가하여, 열간 크랙을 방지하고 또 최소 유동성을 확보한다. 그러나, 표면층에 Si이 정출될 경우, 표면 방향으로의 산화 피막은 두껍게 형성되나,하지층 방향으로의 산화피막은 형성되지 아니하여, 착색 처리시 산란효과를 유발하여, 색상이 어둡게 나와 균일하고도 우수한 외관(광택)을 얻을 수 없으므로, 가능한 한 최소로 포함시키되, 0.1 wt%를 초과하지 않도록 한다.

마그네슘(Mg)은 실리콘과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여 강도를 증가시킬 수 있는 원소이며, 이때 Mg:Si의 비율이 3:2에서 정량반응하여 최대 Mg₂Si를 생성할 수 있고 또는 Mg의 고용 강화를 통해 합금의 강도를 향상시킨다. 본 발명에 따른 합금에서는 마그네슘이 0.5~2.2 wt% 첨가되는데, 최소 0.5 wt%의 첨가로, Mg₂Si 및 추가적인 고용상을 생성하여 강도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 마그네슘 함량이 2.2 wt%를 초과하면, 다이캐스팅 제품 내 최종 응고상인 Al₁₇Mg₁₂ 금속간 화합물의 형성이 야기될 수 있으며, 이는 흐름 자국으로 발현될 수 있으므로, 상기 함량 범위에서 첨가한다.

철(Fe)은 β-Al₅FeSi 상에 의해 연신을 저하시키는 원소이지만, 금형 소착 개선을 위해 미량첨가한다. 그러나, 철이 0.4 wt%를 초과하여 과량 첨가되면 특별히 소착 개선 효과가 증대하지 않을뿐만 아니라, 구리와 마찬가지로 부식환경에서 활성화되므로, 아노다이징 중 급격한 산화가 발생하여 균일한 착색효과를 얻을 수 없으므로, 최대 0.4 wt% 첨가한다.

망간(Mn)은 α 초정 내 고용되어 강화 효과를 나타내며, 비열처리 환경에서도 제품의 인장/항복강도를 높이는 원소이며, 균질화 처리 이후에도 높은 물성을 유지할 수 있도록 해주는 원소이고, β-Al₅FeSi 상을 α-Al(FeMn)Si 상으로 변화시켜 연신 능력을 향상시키고, 소착을 개선시킨다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 망간이 1.0~2.5 wt% 첨가되는데, 1.0 wt%보다 적게 첨가하게 되면 제품의 특성에 충분한 강도를 얻기 어려우며, 2.5 wt%를 초과하여 첨가하면 공정반응을 통한 과공정 석출물이 발생하여, 산란효과를 유발하거나 하여 원하는 착색효과를 얻을 수 없으므로, 상기 범위에서 첨가한다.

니켈(Ni)은 아노다이징시 알루미늄과 동등한 수준으로 산화피막이 형성되고 특히 아노다이징 표면층의 빛의 광택을 유발하는 원소이다. 합금 외적으로는 아노다이징 공정시 발생하는 미세한 다공성층에 대한 봉공처리시 봉공재료로 활용한다. 그러나, 인체에 알레르기 반응을 야기할 수 있고, 특히 유럽에서는 환경유해 물질로 제한하므로, 선택적으로 최대 0.05 wt% max까지만 첨가한다.

티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 합금에 첨가되어, 결정립을 미세화하여 열간 크랙을 방지해주는 원소로서, 본 발명에 따른 합금에서는 0.1~1.0 wt% 범위에서 첨가된다. Al과의 고용이 매우 적은 원소로서, 포정반응에 의한 핵생성처로 활용되며, 1차 정출된 Ti가 분산강화 요소로 작용하여, 제품의 물성, 특히 경도를 높일 수 있다. 그러나, 1.0 wt%를 초과하여 과량 첨가되더라도, 추가적인 결정립 미세화 효과 및 추가 물성 향상 효과가 일어나지 않으므로, 최대 1.0 wt% 첨가한다. 한편, 0.1 wt% 미만으로 첨가되면, 결정립 미세화 효과를 얻기가 어려우므로, 티타늄은 0.1~1.0 wt% 범위에서 첨가한다.

스트론튬(Sr)은 본 발명에 따른 합금에서, 입계에서 생성되는 공정 Si의 미세화 및 구상화에 효과적으로 사용되며, 강도특성을 증가시키고 미세조직내의 편석을 방지하여 균일분포를 달성시킨다. 그러나, 0.02 wt%를 초과하여 첨가하면 균일 분포 효과를 크게 증대시키지 못할 뿐 아니라 공정 Si의 효과적인 분리현상이 발생하지 않아 재료의 연성이 저하되므로, 스트론튬은 최대 0.02 wt% 첨가한다.

아연(Zn)은 본 발명에 따른 합금에서 강화 원소로 작용하며, α 초정 내의 고용 범위 내에서 첨가시 강화 효과를 나타낸다. 그러나, 아연이 0.5 wt%를 초과하여 첨가되면, 편석 발생의 요인이 되어 균일한 외관을 얻을 수 없으므로, 최대 0.5 wt% 첨가한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 지르코늄(Zr)이 0.5~1.6 wt%의 범위에서 추가로 첨가될 수 있다. 지르코늄은 아노다이징시 Ti과 비슷한 화학적 반응을 하는 원소로서, 고용된 Al-Zr 또는 정출된 Zr은 모두 Al과 동등한 수준으로 양극산화 반응하여 균일한 다공성층을 형성한다. 특히, 고용시 기지 내에 매우 작은 미립원소로 고용되므로, 합금의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 0.5 wt% 미만으로 첨가하는 경우, 기계적 물성의 향상이 없고 또 1.6 wt%를 초과하여 첨가하면, 물성이 떨어지므로(예컨대, 미세조직상 편석대 생성에 의한 제품 내의 hard spot 발생 및 인장 특성중 연신률의 저하), 상기 범위 내에서 추가 첨가한다. 이에 대해서는 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.

실험예

본 발명에 따른 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 대하여, 본 발명의 바람직한 실험예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명자는 표 1에 나타낸 조성을 갖는 본 발명의 여러 가지 알루미늄 합금을 통상의 알루미늄 합금 제조 방법에 따라 제조하여, 각 합금의 특성을 평가하였다.

아울러, 본 발명자는 상기와 같은 조성을 갖는 알루미늄 합금을 이용하여 통상의 다이캐스팅 과정에 따라 이동 통신 단말기의 본체를 제작하였다.

구체적으로, 상기 조성을 갖는 합금을 흑연 도가니에서 750℃로 설정된 전기 저항로 내에서 용해시켰다. 용해 후, 용탕 내 기공 함유량을 낮추기 위한 용탕 청정화를 실시하였다. 즉 용탕 온도를 750℃로 유지한 후, Cl 계열 탈가스 처리제를 이용하여 탈가스 처리를 수행한 후 30분간의 안정화 과정을 거친 후 사출하였다. 85 ton 다이캐스터 KDK85CT-10을 이용하여 복수 개의 시편, 즉 이동통신 단말기의 본체를 제작하였다. 이때, Mg의 함량을 본 발명의 범위를 벗어나 구성한 알루미늄 합금을 이용하여 이동통신 단말기의 본체(실험예 1, 6 참조)도 제작하였다. 이러한 시편 제작시 길이 135 mm, 가로 20 mm, 두께 2~10 mm인 계단형 금형을 이용하였고, 금형의 온도는 온도 조절 장치를 이용하여 200℃로 예열하였다. 한편, 사출 온도는 각 합금의 액상선 50~100℃ 직상으로 설정하였다.

한편, 사출된 시편을 30초간 화학연마처리하여 다이캐스팅에서의 흐름 자국(flow-mark) 및 산화반응에 의한 yellow 침전이 있는지 확인하였다. 구체적으로, 아노다이징 공정에는 통상 다음과 같은 공정이 포함된다. 즉 부착된 유지분을 제거하는 탈지 공정과, 피처리물의 표면을 부식시키는 에칭 공정(화학연마나 전해연마)과, 황산이나 인산을 이용한 양극산화 피막을 입히는 공정과(이 공정을 통해 산화피막에 나노스케일의 구멍(기공)이 형성된다), 상기 피막의 기공에 기공막을 형성하는 봉공공정(기공을 여러 가지 염료를 이용하여 막아서 원하는 표면 색을 만든다)을 포함한다. 이때, 화학연마처리를 해보면 표면이 하얗게 되는 경우와 표면이 뿌옇게 되는 경우가 나타나는데, 표면이 하얗게 되면 양극산화 피막을 입혀도 바탕이 하얗기 때문에 색이 자신의 색으로 나타나지만, 표면이 누렇거나(yellow 침전) 검게 나타나면 양극산화 피막도 색이 죽어서 나타나게 된다(흑화 현상). 따라서 화학연마 공정을 해보면 실제 아노다이징이 잘 될지 안될지를 판단할 수 있다. 즉 아노다이징 처리 전 상기와 같은 화학연마처리로 인한 표면 특성(흐름 자국 및 침전 발생 정도)의 변화는 아노다이징 이후의 피막 균일성과 유사하기 때문에, 표면 품질의 평가에 활용할 수 있는 바, 상기 실험예에 대한 이러한 화학 연마 처리를 한 후, 흐름자국과 침전반응이 없는 경우를 아노다이징이 가능한 합금 조성으로 분류하였다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 아노다이징 처리 이전 일반적인 다이캐스팅에서 발생하는 편석에 의한 전기화학 반응의 불균일성을 제거하기 위하여 열 및 충격에 의한 전처리, 즉 균질화 처리를 수행할 수도 있다. 즉 이러한 균질화 처리는 본 발명의 과정에서 발견한 처리로서, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 다이캐스팅은 고속사출이기 때문에 입자들이 전체적으로 고르게 분포하지 않는다는 문제점을 야기한다. 따라서 강도와 관련하여 첨가한 원소들이 금속간 화합물을 형성하거나 석출되었을 때 한쪽에 치우치게 나타나면 양극산화 반응시 한쪽으로 색이 번져 보이는 경향을 띄게 된다. 따라서 이들 화합물이 제품 전체적으로 고르게 분포할 수 있도록, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 비교적 낮은 온도(200-300℃)에서 짧은 시간 동안 제품을 유지하는 균질화 처리를 수행하며, 이를 통해 제품의 품질을 더욱 향상시킬 수가 있다. 상기 균질화 처리 실시 후, 계단형 시편의 10 mm 부분에서 경도 시편을 취출하여, HRF scale로 경도를 평가하였다.

상기 실험의 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 실험예 1 내지 5, 7 내지 15 모두 착색결과는 양호하게 나타났다. 그러나, 실험예 1의 경우 그 경도가 현저히 낮다는 것을 알 수 있다. 표 2에 나타낸 실험예 1의 기계적 강도는 손으로 가볍게 휘어질 수 있는 강도에 불과하다. 따라서, 실험예 1의 조성으로 이루어진 합금을 이동통신 단말기 본체를 제조하는 데에 사용하기에는 부적합하다는 것을 알 수 있다. 이와 비교하여, 실험예 3 내지 실험예 5의 경우(Mg 1.5~2.0 wt%, Mn 1.3~1.8 wt%, Ti 0.3~1.3 wt%), 높은 경도를 나타내었으며, 실험예 5가 그 중 가장 높은 경도를 나타내었다.

실험예 6 및 16의 경우 흐름무늬가 발생하였으며, 이는 상기한 본 발명의 합금에서 Mg, Mn이 과량 첨가되어 나타나는 결과로 보인다.

한편, 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금은 Zr을 선택적으로 포함하고 있다. 본 발명에 있어서, Ti, Zr은 모두 아노다이징 착색에 영향을 주지 않으면서 기계적 물성을 높이는 작용을 하는 원소이다. 표 2에 나타낸 바와 같이, Zr을 첨가하지 않은 경우와 비교하여, Zr을 대략 1.6 wt%까지 첨가하는 경우, 경도가 향상된다는 것을 알 수 있다. 특히, 실험예 9, 10, 11, 14 및 15(Mg 0.8~2.1 wt%, Mn 1.5~25. wt%, Zr 0.7~1.6 wt%)는 높은 기계적 경도를 나타내었으며, 그 중 실험예 15가 가장 높은 경도를 나타내었다. 아노다이징과 관련하여, 다른 원소를 첨가하여 기계적 물성의 한계를 극복하고자 하는 시도가 있었으나, 모두 아노다이징 착색시 Al 기지와 상이한 부식 반응을 일으켜, 착색시 빛의 산란효과로 인해 검은색 또는 검은 갈색으로 나타나 아노다이징 착색이 불가능하였다. 이와 관련하여, 알루미늄 기지와 동일한 효과를 가지면서 기계적 성질을 높이기 위해 Ti을 첨가하고, 선택적으로 Zr을 첨가한다. Ti과 Zr은 알루미늄 모합금에서 과공정으로 정출하여 표면 경도를 높이는데, 이때 상호 독립적으로 정출한다(도 1 참조). 도 1에 나타낸 바와 같이, 초정 정출된 Ti 또는 Zr 프라이머리 상이 기지 중에 분포되어, 정출물에 의한 분산 강화가 이루어저져 기계적 물성을 향상시킨다. 또한, 표 2에 나타낸 바와 같이, Ti 첨가에 의해 강도 향상을 높일 수 있으며, Zr을 첨가하는 경우 추가적인 강도 향상을 이룰 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, Zr도 첨가하는 경우, Ti과 Zr의 총량이 2 wt%를 넘지 않도록 그 함량을 제한하는데, 이는 국부 편석 발생에 의한 조직 불안정, 사출 표면층 결함 발생, 아노다이징 불균일의 문제를 방지하기 위함이다.

이어서, 상기 제작한 실험예 중 실험예 10과, 일반 주조 합금(알루미늄 다이캐스팅 10종 합금(ADC10; Al-9Si-3Cu)) 및 실험예 6의 합금의 본체에 대하여 통상의 과정에 따라 아노다이징 처리를 하여 산화피막을 형성하였고, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. 도 2는 실험예 10의 본체에 대해 아노다이징 처리를 한 것을 보여주는데, 균일한 아노다이징층이 형성되었다는 것을 알 수 있으며, 이는 광택/색상 구현을 위한 선결조건이 충족됨을 보여준다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 일반 주조 합금으로 제작한 본체에 대해 아노다이징을 적용한 결과, 원래의 붉은 색이 흑화 현상으로 색이 바랜 것을 볼 수 있으며, 그 결과 광택이 떨어져 색상구현에 실패하였으며, 무광택 흑색만 구현할 수 있어, 이동통신 단말기와 같은 본체에는 적용할 수 없다는 것을 알 수 있다.

한편, 실험예 6의 경우 일반주조합금의 경우와 비교하여, 어느 정도 원래의 의도한 색이 구현되었으나, 흐름 자국이 형성되어, 미려한 표면을 구현하는 데에는 실패하였고, 따라서 이동통신 단말기의 본체에 적용할 수는 없다. 그러나, 도 3의 하단에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 가지 실시예에 대해 아노다이징을 적용한 결과, 색이 특별히 바래지는 일이 없이 원래의 의도한 붉은 색을 명확히 띄고 있고(즉 광택이 뛰어나다), 다이캐스팅으로 인한 흐름 자국이 없다는 것을 알 수 있다. 따라서, 외관상 저하가 없어 본 실시예를 이동통신 단말기의 본체로 적용하여도 아무런 문제가 없다.

또한, 실험예 11의 본체에 대해 다양한 색상으로 아노다이징 처리를 하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 원래의 의도한 각각의 색이 바래지는 일이 없이 명확히 본연의 색을 띄고 있음을 알 수 있다. 즉 본 발명의 합금을 이용하는 경우, 다양한 색상을 아노다이징 처리를 이용하여 입힐 수 있다는 것을 다시 한 번 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실험예에 따라 제작한 아노다이징 샘플에 대하여, 이동 통신 단말기 본체에 대해 요구되는 특성과 관련하여, 다음과 같이 여러 가지 시험을 수행하였다.

먼저, 이동 통신 단말기 본체에 피막을 형성하는 경우, 그 피막을 내열탕에 넣고 피막의 밀착성을 평가한다. 본 발명의 실험예에 대해서도 동일한 평가를 수행하였는데, 먼저 아노다이징에 의해 형성한 피막에 대해 크로스 커팅을 한 후, 뜨거운 물에 넣은 후 테이프를 부착한 후 다시 탈착하였는데, 테이프에는 피막이 붙어 떨어지지 않았음을 확인하였다. 즉 본 발명의 합금에 아노다이징에 의해 피막을 형성한 경우, 밀착력이 높아 그 피막이 잘 벗겨지지 않는다는 것을 확인하였다.

또한, 염수 분무 시험을 수행하였다. 즉 염수(소금물) 분무 전 결함부를 확인한 후 염수 분무 테스트를 수행하였는데, 진행 결과 염수 분문 전후 형상부에 아무런 영향이 없다는 것을 확인하였다.

마지막으로, 실험예의 샘플을 통(바렐)에 작은 돌맹이와 함께 넣은 후 진동을 인가하는 진동 바렐 시험을 수행하였다. 그 결과, 전체적인 외관에 미치는 영향은 없었으며, 이 경우 진동 바렐 시험 결과는 우수한 것으로 판단한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 알루미늄 합금은 다이캐스팅을 이용하여 소정 형태의 제품으로 성형될 수 있을 뿐만 아니라, 그 제품에 대해 아노다이징을 이용하여 피막을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성한 피막에는 다이캐스팅으로 인한 흐름 자국이 남지 않고, 상기 피막은 적용한 색상을 있는 그대로, 즉 흑화 현상에 의한 착색 없이 원래의 의도한 색을 그대로 발현하였다. 더욱이, 내열탕 시험, 염수 분무 시험 및 진동 바렐 시험을 통해서, 피막과 제품 본체와의 밀착력이 아주 높아 내구성이 높다는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 합금을 다이캐스팅 제품에 적용하는 경우, 기존에는 거의 불가능했던 아노다이징 처리를 할 수 있어, 도장이나 도금에 의한 환형 문제를 야기하는 일 없이 그리고 저렴하게 또 편리하게 피막을 형성할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (14)

1. 알루미늄을 주원소로 하며 또 착색 아노다이징 처리가 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로서, 상기 알루미늄 합금은
   구리(Cu) 0.1 wt% max, 실리콘(Si) 0.1 wt% max, 마그네슘(Mg) 0.5~2.2 wt%, 철(Fe) 0.4 wt% max, 망간(Mn) 1.0~2.5 wt%, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.1~1.0 wt% , 스트론튬(Sr) 0.02 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
2. 청구항 1에 있어서, 마그네슘(Mg) 1.5~2.0 wt%, 망간(Mn) 1.3~1.8 wt%, 티타늄(Ti) 0.3~1.3 wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
3. 청구항 1에 있어서, 지르코늄(Zr) 0.5~1.6 wt%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 지르코늄과 티타늄의 합계 합량은 2 wt%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
5. 청구항 4에 있어서, 마그네슘(Mg) 0.8~2.1 wt%, 망간(Mn) 1.5~2.5 wt% 및 지르코늄(Zr) 0.7~1.6 wt%의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금을 다이캐스팅을 이용하여 성형한 제품으로서,
   상기 제품에는 아노다이징 처리에 의한 소정 색상의 피막이 형성되어 있고, 상기 피막에는 상기 다이캐스팅으로 인한 흐름 자국이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 제품.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 피막의 색상은 상기 아노다이징으로 인한 착색 현상 없이 원래의 색상 그대로인 것을 특징으로 하는 제품.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제품은 이동 통신 단말기의 본체를 구성하는 것인 제품.
9. (A) 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금을 다이캐스팅을 이용하여 소정 형상의 제품으로 성형하는 단계와;
   (B) 상기 성형된 제품에 대하여 아노다이징 처리를 하여 상기 제품 표면에 소정 색상의 피막을 형성하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 (B)의 단계를 통해 형성한 피막에는 상기 (1)의 다이캐스팅 결과 야기되는 제품 표면의 흐름 자국이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 피막의 색상은 상기 아노다이징으로 인한 착색 현상 없이 원래의 색상 그대로인 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.
12. 청구항 10에 있어서, 상기 제품은 이동통신 단말기의 본체인 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.
13. 청구항 10에 있어서, 상기 (B)의 단계를 수행하기 전에, 상기 (A)의 단계를 통해 성형한 제품의 표면에 대해 균질화 처리를 수행하여, 금속간 화합물이 표면 전체에 걸쳐 고르게 분포되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 균질화 처리는 상기 (A)의 단계를 통해 성형한 제품을 200~300℃의 온도에서 유지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품 성형 방법.

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