KR20140025042A - 다이캐스팅용 고열전도도 Ａｌ－Ｚｎ 합금 - Google Patents

다이캐스팅용 고열전도도 Ａｌ－Ｚｎ 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 주조성과 양호한 기계적 특성을 가지면서 동시에 우수한 열전도도를 얻을 수 있어, 방열특성이 요구되는 각종 구조용 제품에 적용될 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, 아연(Zn) 1.5~4.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

다이캐스팅용 고열전도도 Ａｌ－Ｚｎ 합금 {Al-Zn ALLOY HAVING HIGH THERMAL CONDUCTIVITY FOR DIE CASTING}
본 발명은 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 우수한 주조성을 가지면서 동시에 우수한 열전도도를 얻을 수 있는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
다이캐스팅은 다이 주조라고도 하며, 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형(金型)에 용융금속(熔融金屬)을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이며, 이 주조법을 통해 제조한 제품을 다이캐스트 주물이라고 한다.
다이캐스트 주물은 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다.
이러한 다이캐스팅 주조에 이용되는 금속은 일반적으로 아연, 알루미늄, 주석, 구리, 마그네슘 등의 합금이며, 이들 합금은 용융되어 용탕으로 만들어진 후, 공기압, 수압, 유압 등의 가압장치를 통해 다이캐스트 장치의 금형에 주입되어 급속 냉각 응고된다.
이러한 과정을 통해 만들어진 다이캐스팅 주조품은 전기기기, 광학기기, 차량, 방직기, 건축, 계측기 등 여러 분야에 사용되고 있으며, 특히 자동차부품에 많이 적용되고 있다.
한편, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로는 종래 주조성이 우수한 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 주로 사용되고 있다. 그런데 Al-Si계 합금 또는 Al-Mg계 합금의 경우, 주조성은 우수하나 열전도도가 90~130W/mK로 낮기 때문에, 160W/mK 이상의 높은 열전도도를 필요로 하는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품에는 사용이 제한되어 왔다.
이와 같은 높은 열전도도를 요구하는 방열부품에는, 종래 열전도도가 220W/mK 이상으로 매우 높은 순 알루미늄을 그대로 다이캐스팅한 제품이 전기, 전자제품용 로터(rotor) 등에 일부 사용되고 있는데, 순 알루미늄은 열전도도는 매우 우수하지만 인장 강도가 낮고 주조성이 좋지 않기 때문에, 복잡한 부품이나 열전도도와 함께 상당한 기계적 특성까지 요구하는 구조용 부품에까지는 적용할 수 없는 한계가 있다.
이에 따라, 전기, 전자 및 자동차용 방열부품 등에 사용하기 위하여 우수한 주조성을 가지면서 동시에 160W/mK 이상의 높은 열전도도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 개발에 대한 필요성이 절실히 요구되고 있지만, 현재까지는 우수한 주조성을 가지면서 동시에 160W/mK 이상의 열전도도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 개발되지 못한 상태이므로, 열전도도가 90~130W/mK인 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 사용되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서 아연(Zn)을 주 합금원소로 첨가하고 마그네슘(Mg)과 철(Fe)의 함량을 조절하여, 순 알루미늄에 비해 우수한 기계적 성질과 우수한 주조성을 가지면서 동시에 160W/mK 이상의 열전도도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기의 과제의 해결수단으로 본 발명은, 아연(Zn) 1.5~4.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서, 상기 아연(Zn)의 함량이 3.0~4.5중량%일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서, 상기 아연(Zn)의 함량이 1.5~2.5중량%일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 열전도도가 160W/mK 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 주조성을 나타내는 지표인 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 T(TL-TS)는 45℃ 이하이다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 주조성을 나타내는 또 다른 지표인 용융열(H)은 280J/g 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 인장강도는 100MPa 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 미세조직 내에 분산된 MgZn2 화합물과 Al-Fe화합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 아연(Zn)을 주 합금원소로 하면서 마그네슘(Mg)과 철(Fe)의 성분 제어를 통해, 다이캐스팅 주조법에서 건전한 주물을 얻을 수 있는데 요구되는 충분한 주조성을 확보함과 동시에, 160W/mK 이상의 우수한 열전도도와 100MPa ~ 230MPa 정도의 인장강도를 구현하여, 높은 열전도도를 요구하면서 상당한 수준의 기계적 강도를 요하는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품의 제조에 적합하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금에 대하여 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에 의한 알루미늄 합금은, 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 철(Fe)이 합금되어 구성된 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금으로서, 아연(Zn) 1.5~4.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 구성된다.
본 발명은 상기 각각의 조성량에 따라서 알루미늄의 주조성을 향상시킬 수 있는 합금원소와 알루미늄 기지 금속에 고용되어 고용강화 효과를 얻을 수 있는 합금원소, 그리고 알루미늄 기지 금속에의 고용도가 매우 낮아서 열전도도 저하를 최소화할 수 있는 합금원소를 복합적으로 첨가함으로써, 우수한 주조성과 100MPa ~ 230MPa 정도의 인장강도를 나타내면서 동시에 160W/mK 이상의 양호한 열전도도를 나타낼 수 있도록 한 것에 특징이 있다.
상기 각 합금원소의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.
아연(Zn)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명에 의한 합금에는 아연이 1.5~4.5중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 아연의 함량이 1.5중량% 미만이면 주조성이 떨어져 일부 미성형부가 발생하는 주조 결함이 생기기 쉽고, 아연의 함량이 4.5중량% 초과하면, 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 160W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.
마그네슘(Mg)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금에는 마그네슘이 0.1~1.5중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 상기 마그네슘의 함량이 0.1중량% 미만이면 주조성이 저하되어 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 미성형부가 발생하는 주조결함이 생기기 쉽고, 상기 마그네슘의 함량이 1.5중량% 초과하면 열전도도가 저하되어 160W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.
철(Fe)은 상온에서 알루미늄에의 고용도가 0.052중량%로서 매우 낮아 주조 후에는 대부분 Al3Fe 등의 금속간화합물로 정출되기 때문에 알루미늄에 첨가되어 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화하면서 강도를 증가시킬 수 있고, 동시에 다이캐스팅에 의하여 알루미늄 합금 제품을 성형할 때에 금형소착을 줄일 수 있도록 하는 합금원소이다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 합금에는 철이 0.5~1.5중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는, 상기 철의 함량이 0.5중량% 미만이면 금형소착 방지 효과가 낮아져 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 금형부위에 제품의 소착현상이 발생하고 기계적 강도도 충분하지 못하게 되고, 상기 철의 함량이 1.5중량% 초과하면 주조 합금내에서 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어, 합금의 주조성을 저하시키기 때문이다.
불가피한 불순물이란, 본 발명에 의한 합금을 제조하는 과정에서 원료 또는 제조 장치에 의해 의도하지 않게 혼입된 불순물을 의미하며, 예를 들어 Ti, Cr, V, Mn, Li, Zr 등이 포함될 수 있고, 이들 불순물의 각 성분은 합금 특성에 영향을 주지 않도록 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0.01중량% 이하가 되도록 유지한다.
[실시예]
본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn 합금에 대하여 하기 표 1 내지 3을 참조하여, 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Zn 합금을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금을, 다이캐스팅용 합금 제조시에 통상적으로 사용되는 용융 교반식 알루미늄 합금 제조 방법으로 시험편을 제조하였다.
합금 조성(중량%)
Zn Mg Fe Si Al
실시예 1 1.91 0.17 0.63 - bal.
2 1.98 0.41 0.97 - bal.
3 1.88 0.54 0.56 - bal.
4 1.90 0.67 0.52 - bal.
5 3.97 0.39 0.96 - bal.
6 4.05 0.83 1.02 - bal.
7 3.91 1.08 0.60 - bal.
8 3.82 1.35 0.56 - bal.
비교예 9 0.92 0.21 0.97 10.20 bal.
10 5.92 2.08 0.60 - bal.
11 6.10 1.25 1.04 - bal.
12 1.47 0.72 1.63 - bal.
구체적으로, 상기 표 1과 같은 조성이 되도록 알루미늄 합금의 원료를 준비한 후, 전기저항식 용해로에 장입하여 대기 중에서 원료를 용해하여 용탕을 제조한 후에, 금형을 이용하여 주조성을 나타내는 지표인 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)와 용융열(H)을 측정하기 위한 시험편을 제조하였고, 또한 열전도도 및 인장 특성을 측정하기 위한 특성 평가용 시험편을 제조하였다.
본 발명의 실시예에 따른 합금의 주목적 중 하나인 열전도도에 대해서는, 먼저 제조한 시편을 도전율 측정기를 이용하여 상온에서 도전율을 측정한 후, 하기 [식 1]의 환산식으로 환산하는 방식을 통해 열전도도를 얻었다.
[식 1]
K = 5.02σT x 10-9 + 0.03
(여기서, K는 열전도도, σ는 도전율, T는 절대온도임)
또한, 다이캐스팅 주조에 필수적인 주조성 평가를 위해서는 열분석기를 이용하여 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)와 용융열(H)을 측정하는 방식으로 수행하였다.
하기 표 2는 각 합금의 열전도도, 액상온도(TL), 고상온도(TS) 및 그 차이(△T=TL-TS), 용융열(H)을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
합금 열전도도
(W/mK)		 액상온도(TL)
(℃)		 고상온도(TS)
(℃)		 △T(TL-TS)
(℃)		 용융열(H)
(J/g)
실시예 1 194 660 631 29 330
2 186 655 630 25 343
3 190 662 636 26 283
4 186 661 631 30 315
5 175 655 623 32 300
6 167 646 619 27 337
7 167 654 619 35 298
8 163 652 611 41 301
비교예 9 95 575 501 74 311
10 129 640 577 63 249
11 137 646 600 46 260
12 175 657 625 32 212
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들은 모두 열전도도가 160W/mK 이상으로, 다양한 방열부품에서 요구되는 수준 또는 그 이상의 우수한 열전도도를 가진다.
또한, 상기 표 2에서 나타낸 알루미늄 합금의 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)와 용융열(H)은 합금의 주조성을 평가할 수 있는 주요한 지표인데, 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)는 작을수록 주조성이 우수한 것을 의미하며, 용융열(H)은 클수록 주조성이 우수한 것을 의미한다.
하기 [식 2]는 합금의 주조시에 주조성을 평가하는 지표인 유동거리(Lf)를 나타내는 것이다. 유동거리(Lf)는 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)에 반비례하고, 용융열(H)에 비례하는 것을 알 수 있다.
[식 2]
Figure pat00001
(여기서, Lf는 유동거리, ρ는 고체밀도, H는 용융열, a는 고체직경, v는 유속, h는 열전달계수, TL은 액상온도, TS는 고상온도임)
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들의 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)는 25~41℃로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12)인 비교예 합금 9의 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS) 74℃와 비교하여 훨씬 낮은 수준이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들의 용융열은 283~343J/g으로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12)인 비교예 합금 9의 용융열 311J/g와 비교하여 동등한 수준이다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 종래 다이캐스팅에서 널리 사용되는 Al-Si 합금과 동등한 수준의 주조성을 갖는다.
한편, 비교예 10은 본 발명의 실시예들에 비해, 아연 함량이 5.92중량%로 낮고 마그네슘 함량이 2.08중량%로 높은데, 그 결과 열전도도가 129W/mK로 낮으며 또한 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이인 △T(TL-TS)도 63℃로 높고 용융열(H)이 249J/g으로 낮아, 본 발명의 실시예들에 비해 주조성이 떨어진다.
비교예 11은 본 발명의 실시예들에 비해, 아연 함량이 6.10중량%로 높은데, 그 결과 열전도도가 137W/mK에 불과하여, 양호한 열전도 특성을 요구하는 방열부품에 사용되기 어렵다.
비교예 12는 본 발명의 실시예들에 비해 철 함량이 1.63중량%로 높은데, 그 결과 용융열(H)이 212J/g으로 낮아, 본 발명의 실시예들에 비해 주조성이 떨어진다.
하기 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 각 합금과 비교예에 따른 각 합금으로 제조한 인장시편으로 시험한 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
합금(중량%) Zn Mg Fe Si Al 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)
실시예 1 1.91 0.17 0.63 - bal. 107 78 20
2 1.98 0.41 0.97 - bal. 125 91 22
3 1.88 0.54 0.56 - bal. 123 85 23
4 1.90 0.67 0.52 - bal. 127 91 26
5 3.97 0.39 0.96 - bal. 148 107 16
6 4.05 0.83 1.02 - bal. 213 173 11
7 3.91 1.08 0.60 - bal. 214 186 12
8 3.82 1.35 0.56 - bal. 225 165 12
비교예 9 0.92 0.21 0.97 10.20 bal. 134 120 3
10 5.92 2.08 0.60 - bal. 235 179 9
11 6.10 1.25 1.04 - bal. 259 187 12
12 1.47 0.72 1.63 - bal. 123 89 17
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 5 ~ 8에 따른 합금은, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 기존의 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 9)에 비해서 동등 수준 이상의 인장강도(148 ~ 225MPa)를 나타내므로, 일정한 수준의 강도와 함께, 우수한 주조성과 열전도도를 요구하는 부품에 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예 1 ~ 4에 따른 합금은, 기존의 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 9)에 비해 현저하게 우수한 열전도도를 나타내며, 인장특성에 있어서도 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 9)에 비해서 약간 낮은 수준의 인장강도(107 ~ 127MPa)를 나타내므로, 100MPa 이상의 인장강도와 함께 우수한 열전도도가 요구되는 부품에 적합하게 사용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 다이캐스팅을 할 수 있는 정도의 주조성과 함께 일정한 수준의 인장강도와 우수한 열전도 특성이 요구되는 방열부품용 다이캐스팅용 알루미늄 재료로 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 아연(Zn) 1.5~4.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.5중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연(Zn)의 함량이 3.0~4.5중량% 인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연(Zn)의 함량이 1.5~2.5중량%인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 열전도도는 160W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 인장강도는 100MPa 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 액상온도(TL)와 고상온도(TS)의 차이는 45℃ 이하인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 용융열(H)은 280J/g 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
KR1020120091082A 2012-01-12 2012-08-21 다이캐스팅용 고열전도도 Ａｌ－Ｚｎ 합금 KR101469613B1 (ko)

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