KR20150011717A - 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 인장강도를 가지는 고강도 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물에 관한 것으로서, 마그네슘(Mg)이 3.5 중량% 내지 7 중량%, 아연(Zn)이 3.5 중량% 내지 5 중량%, 구리(Cu)가 0.7 중량% 내지 1.5 중량%, 규소(Si)가 0.7 중량% 내지 5 중량%, 잔부가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물을 제공한다.

Description

다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물{ALUMINUM ALLOY FOR DIE CASTING AND ITS DIE CASTING PRODUCT THEREOF}

본 발명은 금속 합금 및 이를 이용하여 제조된 다이캐스팅물에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고강도 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물에 관한 것이다.

일반적으로 전기, 전자, 통신 부품에 사용되는 알루미늄 합금은 일반적으로 제품을 보호하는 역할이나 변형을 방지하는 목적으로 사용되며 금속 소재가 가지는 인장특성이 중요한 인자이다. 특히 알루미늄 합금을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 다이캐스팅물의 경우에는 소재가 가지는 인장특성이 제품에 그대로 반영이 되며, 소재의 특성이 곧 제품의 특성이 된다. 하지만 전기, 전자, 통신 제품의 대형화와 슬림화에 따라 알루미늄 합금 다이캐스팅물의 향상된 인장강도가 필요하며 기존의 상용 합금으로는 감당할 수 없는 특성이 더욱 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 향상된 인장특성을 가지는 고강도 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공된다. 상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)이 3.5 중량% 내지 7 중량%, 아연(Zn)이 3.5 중량% 내지 5 중량%, 구리(Cu)가 0.7 중량% 내지 1.5 중량%, 규소(Si)가 0.7 중량% 내지 5 중량%, 잔부가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서, 상기 마그네슘의 함유량은 3.5 중량% 내지 4 중량%이고, 상기 규소의 함유량은 3 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.

상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서, 상기 마그네슘의 함유량은 4.5 중량% 내지 6 중량%이고, 상기 규소의 함유량은 2 중량% 내지 2.5 중량%일 수 있다.

상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 항복강도가 210 MPa 내지 240 MPa이고, 인장강도가 290 MPa 내지 350 MPa일 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 이용하여 알루미늄 합금 다이캐스팅물이 제공된다. 상기 알루미늄 합금 다이캐스팅물은 앞에서 상술한 상기 합금을 이용하여 제조될 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금은 가볍고, 강도를 요구하는 전기, 전자, 통신 등의 부품 제작을 위한 다이캐스팅용 소재로 사용할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금의 항복강도를 비교한 도표이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금의 인강강도와 연신율을 나타낸 도표이다.
도 3은 합금의 응력-변형 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4는 인장 시험 동안 인장시험편이 끊어지는 과정을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

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 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 규소(Si)가 합금원소로 합금되어 구성된, 예를 들어, 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금이다. 여기에서, 다이캐스팅은 고온의 용융 금속을 금형에 고압으로 충진시켜 제품을 성형하는 일련의 공정을 포함한다. 일반 주조용 알루미늄 합금은 비교적 냉각속도가 낮은 사형, 금형, 저압주조법 등에서 이용되는 주조재임에 반하여, 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 냉각속도가 빠른 다이캐스팅법에서 이용되는 주조재이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 3.5 중량% 이상 7 중량% 이하의 마그네슘(Mg), 3.5 중량% 이상 5 중량% 이하의 아연(Zn), 0.7 중량% 이상 1.5 중량% 이하의 구리(Cu), 0.7 중량% 이상 5 중량% 이하의 규소(Si), 및 나머지는 알루미늄(Al)으로 구성된다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 알루미늄(Al)을 포함하고, 나아가, 불가피한 불순물을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 불순물은 함금 과정 및 제품 제조 과정에서 불가피하게 미량 혼입되는 기타 불순물을 지칭하는 것이다.

이하에서, 상기 합금 원소의 첨가 및 함량 한정 이유를 설명한다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금에서 강도를 향상시키는 원소이지만, 많은 양의 마그네슘 첨가는 대기 중에서 알루미늄 합금의 산화물 형성을 촉진시킬 수 있으며 다이캐스팅 공정에서 산화물의 유입으로 인하여 제품 불량률 증가의 원인이 될 수 있다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금에는 3.5 중량% 이상 7 중량% 이하의 마그네슘이 첨가될 수 있는데, 본 발명자는 마그네슘 함량이 3.5 중량% 미만인 경우에는 강도가 크게 향상되지 않으며, 마그네슘 함량이 7 중량% 초과이면 산화물 유입으로 인하여 건전한 제품을 제조할 수 없으며, 또한 이러한 산화물의 유입이 기계적 특성 저하의 원인이 될 수 있음을 확인하였다.

예를 들어, 본 발명의 알루미늄 합금에서 규소(Si)의 함량이 3 중량% 이상 5 중량% 이하인 경우, 본 발명의 알루미늄 합금에서 마그네슘(Mg)은 3.5 중량% 이상 4 중량% 이하가 첨가될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 본 발명의 알루미늄 합금에서 규소(Si)의 함량이 2 중량% 이상 2.5 중량% 이하인 경우, 본 발명의 알루미늄 합금에서 마그네슘(Mg)은 4.5 중량% 이상 6 중량% 이하가 첨가될 수 있다.

아연(Zn)은 알루미늄 합금에서 강도 향상에 영향을 주는 원소이지만, 아연 단독으로 첨가되지 않고 마그네슘과 같이 사용된다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금에는 아연이 3.5 중량% 이상 5 중량% 이하가 첨가될 수 있는데, 본 발명자는 아연의 함량이 3.5 중량% 미만인 경우에는 강도 향상에 도움을 주지 못하며, 5 중량% 초과이면 제품의 비중이 증가하는 원인이 됨을 확인하였다.

구리(Cu)는 알루미늄 합금에서 강도를 향상시키는 원소이지만, 그 양이 적을 경우, 강도 향상의 효과가 없으며, 함량이 높은 경우에는 공정 내 금속간 화합물에 의한 편석이 형성되는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 구리의 함량을 0.7 중량% 이상 1.5 중량% 이하로 제한한다.

규소(Si)는 알루미늄 합금의 유동성 및 강도를 향상시키는 원소로서 다량의 규소 함량은 주조성을 우수하게 하나 규소화마그네슘(Mg₂Si)상 및 침상의 실리콘 상의 형성으로 취성이 강하게 되어 그 함량이 제한되고 있다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금에는 규소가 0.7 중량% 이상 5 중량% 이하로 첨가될 수 있는데, 본 발명자는 규소의 함량이 0.7 중량% 미만인 경우에는 강도 향상에 큰 영향을 주지 않으며, 규소의 함량이 5 중량% 초과인 경우에는 합금의 취성이 강하게 되어 기계적 특성에 악영향을 미치게 됨을 확인하였다. 예를 들어, 본 발명의 알루미늄 합금에서 마그네슘(Mg)의 함량이 3.5 중량% 이상 4 중량% 이하인 경우 규소(Si)의 함량이 3 중량% 이상 5 중량% 이하가 첨가될 수 있고, 마그네슘(Mg)의 함량이 4.5 중량% 이상 6 중량% 이하인 경우 규소(Si)의 함량이 2 중량% 이상 2.5 중량% 이하가 첨가될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제공한다. 본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금에 대하여 본 발명의 실시예들을 아래의 표 및 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.

표 1은 본 발명에 따른 실시예들과 비교예들의 합금 조성(단위:전체 알루미늄 합금 중에서 차지하는 중량%)을 나타낸 것이며, 표 2는 본 발명에 따른 실시예들과 비교예들의 합금의 기계적 특성을 나타낸 것이다. 또한, 도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금의 항복강도를 비교한 도표이고, 도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금의 인강강도와 연신율을 나타낸 도표이다. 도 3은 합금의 응력-변형 곡선을 나타내는 그래프이며, 도 4는 인장 시험 동안 인장시험편이 끊어지는 과정을 나타내는 도면이다.

표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 3.5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.1 중량%의 구리, 5 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 실시예 2에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 3.5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 3 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 실시예 3에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 4.5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 5 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어진다.

또한, 실시예 4에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.1 중량%의 구리, 2.2 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 실시예 5에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 5.5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 2.3 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 실시예 6에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 6.5 중량%의 마그네슘, 4.5 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 1 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어진다.

한편, 비교예 1에 따른 알루미늄 합금은 3 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 2 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 비교예 2에 따른 알루미늄 합금은 8 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 2 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 비교예 3에 따른 알루미늄 합금은 5 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 0.5 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 비교예 4에 따른 알루미늄 합금은 6 중량%의 마그네슘, 4 중량%의 아연, 1.2 중량%의 구리, 6 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어지며, 비교예 5에 따른 알루미늄 합금(상용 ADC12 합금)은 0.3 중량% 이하의 마그네슘, 1.0 중량% 이하의 아연, 1.5 중량% 내지 3.5 중량%의 구리, 9.6 중량% 내지 12.0 중량%의 규소 및 잔부가 알루미늄으로 이루어진다.

이러한 실시예들 및 비교예들에 의한 조성을 가지는 알루미늄 합금을 통상적인 전기저항로를 이용하여 용해한 후, 탈산 처리를 하여 잉곳을 제조하였다. 제조된 잉곳을 재용해하여 통상적인 알루미늄용 다이캐스팅 기기를 이용하여 인장시험편(도 4 참조)을 제조하였다. 제조된 인장시험편을 인장시험기를 사용하여 1 mm/분의 크로스헤드 속도로 기계적 특성을 평가하였다.

인장시험 결과에 따르면, 표 2, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 알루미늄 합금의 항복강도 및 인장강도가 각각 200 MPa 및 290 MPa 이상인 것으로 나타났다. 더욱 엄격하게는, 실시예 1 내지 실시예 6에 따른 알루미늄 합금의 항복강도가 210 MPa 내지 240 MPa이고, 인장강도가 290 MPa 내지 350 MPa인 것으로 나타났다. 이러한 강도값은, 상용 알루미늄 합금인 비교예 5의 항복강도 및 인장강도에 비해 훨씬 높으며, 마그네슘이나 규소의 함량이 본 발명의 실시예의 범위가 아닌 비교예 1 내지 비교예 4의 항복강도 및 인장강도에 비해서도 높음을 확인할 수 있다. 특히 마그네슘 함량이 많은 비교예 2 및 규소 함량이 많은 비교예 4의 경우, 함금의 취성이 현저하게 나타나 항복강도 이후에서 바로 파단이 됨을 알 수 있었다.

도 3에 도시된 합금의 응력-변형 곡선을 참조하여, 항복강도와 인장강도의 의미를 설명한다. 도 3의 세로축은 가해준 힘을 인장시험편의 단면적으로 나눈 응력(stress)이고, 가로축은 늘어난 길이를 처음 길이로 나눈 것, 즉, 변형(strain)이다. A-B 구역은 힘을 가함에 따라 직선적으로 늘어났다가 힘을 제거하면 원상태로 되돌아오는 탄성 변형 구역이다. 이 현상은 자유 전자에 의하여 결합된 금속 원자들이 힘을 가하면 스프링처럼 늘어났다가 힘을 제거하면 원래의 상태로 되돌아오기 때문에 생기는 현상이다. A점에서 B점까지는 가해 준 힘에 정비례하여 직선적으로 변형하는 구역이고, B점을 비례한도라고 한다.

B-C 구역은 직선적으로 변하지 않으나, C점까지 힘을 가하여 변형한 후 힘을 제거하면 원상태로 되돌아온다. 그러므로 A-B 구역과 B-C 구역을 합친 A-B-C 구역은 탄성 변형을 하는 구역이다. C점을 넘으면 소성 변형하기 시작하므로 C점은 탄성 변형할 수 있는 가장 큰 힘(응력)에 대응된다. C점을 탄성한도라고 한다.

B-C-D 구역은 순수한 금속에서는 나타나지 않고 합금에서 나타날 수 있다. 안정되고 편안한 상태에 있는 전위(dislocation)들을 이동하여 소성 변형하려면 B점보다 큰 힘인 C를 가해야 한다. 즉 강도가 C만큼 증가하였으며, 이러한 C점을 상항복점(upper yield point)이라고 한다. 큰 힘을 가하여 전위가 고착된 부분(C 부분)을 빠져나가서 이동하기 시작하면 전위는 약간 수월하게 이동한다. 그러므로 금속의 강도는 C-D 구역에서 점점 감소하며, D점을 하항복점(lower yield point)이라고 한다. C점에서부터 금속이 늘어나며 소성 변형이 일어난다. 일반적으로 상항복점은 하항복점보다 10% 내지 20% 정도 크다. 그러나, 실제로 상항복점은 측정하기 곤란하고 재현성이 좋지 않으므로, 보통 항복점이라고 하는 것은 하항복점을 의미할 수 있다.

D-E 구역은 응력-변형 곡선이 거의 수평을 이룬다. 그러므로, 일정한 힘(하항복점)으로 잡아당겨도 인장시험편의 길이가 계속 늘어난다는 것을 알 수 있다.

E-F 구역에서는 인장시험편이 더욱 늘어나기(소성 변형) 위해서 계속 더 큰 힘을 가해야 한다. 즉, 인장시험편이 늘어날수록 인장시험편의 강도가 증가한다. 이 구역에서 소성 변형이 일어나는 것은 결정립 내에서 수많은 전위가 이동하기 때문이다. 가공할수록 새로 생긴 전위들은 더 많아진 전위의 셀을 통과하여야 하므로 더욱 통과하기 어려우므로, 더 큰 힘을 가해야 전위들이 통과하면서 소성 변형될 수 있다.

F-G 구역에서는 재료가 가질 수 있는 최대 강도가 F점에서 나타난다. F점에 대응하는 강도를 인장 강도(tensile strength)라고 한다. F점은 인장시험편이 많이 길어지고 가늘어진 후에 나타나는 점이다. 즉, 재료가 많이 변형한 후에 나타나는 점이므로 기계 부품을 설계할 때는 재료가 탄성 변형하는 영역에서 나타나는 최대의 강도, 즉 소성 변형이 일어나기 직전의 강도인 C점(상항복점)을 사용할 수 있다. 그러나, C점은 측정하기가 곤란하고 재현성이 없어서 하항복점(D점)에 대응하는 강도를 항복 강도로 사용할 수 있다.

도 4를 참조하여, 인장 시험을 하는 동안 인장시험편이 늘어나면서 모양이 변하는 과정을 도 3과 함께 살펴보면, 응력-변형 곡선에서 A-B-C 구역은 도 4의 (a)와 같이 탄성 변형하는 구역이고, 응력-변형 곡선에서 C-D-E-F 구역은 도 4의 (b)와 같이 인장시험편 전체가 균일하게 가늘어지면서 늘어나는 소성 변형 구역이며, 응력-변형 곡선에서 F-G 구역은 도 4의 (c)와 같이 인장시험편의 중간 부분(P)이 짤록하게 가늘어지면서 불균일하게 늘어나는 구역이다. 응력-변형 곡선에서 G점에 도달하면 도 4의 (c)와 같이 인장시험편이 끊어진다.

전기, 전자, 통신 부품에 사용되는 알루미늄 합금은 일반적으로 제품을 보호하는 역할이나 변형을 방지하는 목적으로 사용되며 금속 소재가 가지는 인장강도가 중요한 인자이다. 특히 알루미늄 합금을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 다이캐스팅물의 경우에는 금속 소재가 가지는 인장특성이 제품에 그대로 반영이 되며, 소재의 특성이 곧 제품의 특성이 된다. 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄 합금과 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금 다이캐스팅물은 200 MPa 이상의 항복강도와 290 MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 있어 인성과 강도 측면에서 모두 우수한 특성을 구현할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 마그네슘(Mg)이 3.5 중량% 내지 7 중량%, 아연(Zn)이 3.5 중량% 내지 5 중량%, 구리(Cu)가 0.7 중량% 내지 1.5 중량%, 규소(Si)가 0.7 중량% 내지 5 중량%, 잔부가 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물로 이루어진, 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네슘의 함유량은 3.5 중량% 내지 4 중량%이고, 상기 규소의 함유량은 3 중량% 내지 5 중량%인, 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네슘의 함유량은 4.5 중량% 내지 6 중량%이고, 상기 규소의 함유량은 2 중량% 내지 2.5 중량%인, 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금은 항복강도가 200 MPa 이상이고, 인장강도가 290 MPa 이상인, 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 합금은 항복강도가 210 MPa 내지 240 MPa이고, 인장강도가 290 MPa 내지 350 MPa인, 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 상기 합금을 이용하여 제조된 알루미늄 합금 다이캐스팅물.

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