KR20150046014A - 다이캐스트용 고열 전도 알루미늄 합금 및 이것을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트 및 상기 합금을 사용한 히트 싱크 - Google Patents

Abstract

열처리 없이 170W(m·K) 이상의 열전도도를 얻을 수 있는, 주조성이 우수한 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금 및 이 합금을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트를 개발하였다. 구체적으로는, Cu: 2.30중량% 이하, Si: 1.50중량% 이하, Fe: 1.20 내지 2.60중량%를 함유하고, 잔부가 Al과 불가피 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금이다.

Description

다이캐스트용 고열 전도 알루미늄 합금 및 이것을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트 및 상기 합금을 사용한 히트 싱크{HIGHLY HEAT CONDUCTIVE ALUMINUM ALLOY FOR DIE CASTING, ALUMINUM ALLOY DIE CAST PRODUCT USING SAME, AND HEATSINK USING SAME}

본 발명은 컴퓨터, 전자 기기 등에 사용되어, 전자 부품을 수납하기 위한 케이스나 수열(受熱) 블록 또는 히트 싱크와 같은 방열 특성이 요구되는 부재에 최적인 다이캐스트용의 알루미늄 합금과, 이것을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트에 관한 것이다.

현재의 전자 기기는 소형화·고속화·고밀도화를 위한 전자 기기에서 발생하는 열이 증대하고 있어, 전자 기기의 성능 유지를 위해서는 기기 내에 수납되어 있는 전자 부품 자체의 냉각이 불가결해지고 있다. 따라서, 상기의 전자 부품을 탑재하는 방열 부재에는 높은 열전도성이 요구되게 된다.

종래의 이 종류의 방열 부재, 예를 들어 일면 또는 양면에 다수의 핀이 돌출설치된 방열 부재는 열전도가 우수한 순알루미늄이나 전신재(展伸材)용 알루미늄 합금의 압출 성형품(이것들은 주조성이 매우 나쁨)이 사용되고 있다. 유저는 이것을 필요 치수로 절단하여, 전자 부품의 부착 위치에 해당하는 부분을 기계 가공하였는데, 가공 수량이 방대한 양이 되면 가공비가 늘어나서, 비용이 높아지는 원인이 된다는 문제가 발생하였다.

여기에서, 상기의 방열 부재의 제조에 다이캐스트 등의 가압 주조 기술의 이용이 검토되었는데, 예를 들어 일본 공업 규격 JIS H5302에서 규정된 ADC12 등의 종래의 다이캐스트용 알루미늄 합금은 그 열전도도가 순알루미늄[약 250W/(m·K)]의 절반 미만으로 매우 작고, 요구되는 열전도 성능을 만족시킬 수 없었다.

그래서, 이러한 문제에 대한 해결책으로서, 하기의 특허문헌 1에는, 알루미늄 합금의 화학 조성 중, Si, Mn, Fe 및 Mg의 주요 성분을 소정의 범위로 조제함으로써, 150W/(m·K) 이상의 열전도도를 가지고, 순알루미늄을 대신하여 방열 부재로서 사용할 수 있는 가압 주조용의 알루미늄 합금과, 이 합금을 사용한 알루미늄 합금 주조를 제공하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본특허 제419370호 공보

상기의 특허문헌 1에 기재된 가열 주조용 알루미늄 합금을 사용하면, 가압 주조에 의해 방열 부재를 양산할 수 있다.

하지만, 최근에, 상기의 가압 주조로 제조되는 방열 부재에 있어서, 일부에서는 170W/(m·K) 이상의 보다 높은 열전도도를 갖는 합금의 사용이 요망되게 되었다. 이에 대하여, 상기의 특허문헌 1에 기재된 합금을 사용하여 다이캐스트한 경우, 열처리 없이 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 얻는 것이 곤란하였다.

그 때문에, 본 발명의 주된 과제는 열처리 없이 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 얻을 수 있는, 주조성이 우수한 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금 및 이 합금을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트를 개발하는 것에 있다.

본 발명에서의 제 1 발명은, 「Cu: 2.30중량% 이하, Si: 1.50중량% 이하, Fe: 1.20 내지 2.60중량%를 함유하고, 잔부가 Al과 불가피 불순물로 이루어진」 것을 특징으로 하는 다이캐스트용 고열전도도 알루미늄 합금이다.

본 발명의 알루미늄 합금은 주로 방열 부재로서의 용도에 사용되는 것이므로, 주조성, 소부 방지성뿐만 아니라 열전도성이 우수한 것이 중요하다. Cu, Si 및 Fe의 주요 성분의 함유 범위는 상기와 같으므로, 주조성, 소부 방지성, 열전도성의 3점에 대하여 요구를 만족한다.

또한, 본 발명에서의 제 2 발명은 상기 제 1 발명에 기재된 알루미늄 합금으로 다이캐스트된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트이다.

이와 같이, 제 1 발명의 알루미늄 합금으로 다이캐스트된 알루미늄 합금 다이캐스트는 열처리를 하지 않아도 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 갖는 것이 된다.

또한, 본 발명에서의 제 3 발명은 상기 제 1 발명에 기재된 알루미늄 합금을 다이캐스트하여 얻은 것을 특징으로 하는 히트 싱크이다.

본 발명에 의하면, 주요 성분인 Cu, Si 및 Fe가 소요 범위 내에 있으므로, 다이캐스트 성형시의 주조성, 소부 방지성을 손상시키지 않고, 열전도도가 170W/(m·K) 이상이라는 열전도성에 대한 요구를 만족시키는 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금 다이캐스트를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예와 비교예에서의 Cu 함유량에 대한 열전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에서의 Si 함유량에 대한 열전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서의 Fe 함유량에 대한 열전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 구체예를 나타내면서 상세히 설명한다.

본 발명의 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금(이하, 단순히 「알루미늄 합금」 또는 「합금」이라고도 함.)은 주로 2.30중량% 이하의 Cu(동), 1.50중량% 이하의 Si(실리콘; 규소), 1.20 내지 2.60중량%의 Fe(철)을 함유하고, 잔부가 Al(알루미늄)과 불가피 불순물로 구성되어 있다. 이하, 각 원소의 특성에 대하여 설명한다.

Cu(동)는 알루미늄 합금의 인장 강도, 0.2%내력, 경도를 향상시키는 한편, 합금의 열전도도를 약간 저하시킨다. 단, 알루미늄 합금 전체에 대한 Cu의 함유 비율이 2.30중량% 이하인 경우에는, 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 알루미늄 합금에서는, 요구되는 기계적 성질에 따라, 이 Cu를 최대로 2.30중량%까지 함유하는 것으로 하고 있다. 또한, 알루미늄 합금에 강도가 필요하지 않고 열전도성을 우선하는 경우에는, Cu의 함유 비율은 제로여도 좋다.

Si(실리콘; 규소)은 알루미늄 합금의 인장 강도, 0.2%내력, 경도를 향상시키고, 또한 알루미늄 합금을 용융하여 다이캐스트할 때에 유동성을 향상시키는 한편, 합금의 열전도도를 저하시키는 원소이다. 단, 알루미늄 합금 전체에 대한 Si의 함유 비율이 1.50중량% 이하인 경우에는, 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 알루미늄 합금에서는, 요구되는 기계적 성질에 따라, 이 Si를 최대로 1.50중량%까지 함유하는 것으로 하고 있다. 또한, 알루미늄 합금에 강도가 필요하지 않고 열전도성을 우선하는 경우에는, Si의 함유 비율은 제로여도 좋다.

Fe(철)는 다이캐스트시의 소부나 금형 내에서의 주조품의 수축에 의한 이형 불량을 방지하는 효과를 갖는다. 이 때문에, 합금을 문제 없이(주조성 좋게) 다이캐스트하기 위해서는, 이 Fe를 알루미늄 합금 전체의 중량에 대하여 1.20중량% 이상, 보다 바람직하게는 1.40중량% 이상 함유시킬 필요가 있다.

한편, 이 Fe는 합금의 열전도도를 저하시키는 원소이다. 단, 알루미늄 합금 전체에 대한 Fe의 함유 비율이 2.60중량% 이하인 경우에는, 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 알루미늄 합금에서는, 요구되는 기계적 성질이나 열전도성 또는 주조성에 따라, 이 Fe를 1.20 내지 2.60중량%의 범위로 함유하는 것으로 하고 있다.

본 발명의 알루미늄 합금에는, 상기의 각 주요 원소 외에, 매트릭스인 Al과 불가피 불순물이 포함되어 있다. 이 중, 불가피 불순물에 대해서는 적을수록 열전도성이 좋아지지만, 불순물을 적게 하여 순도를 올리려고 하면 할수록 비용이 들게 된다. 따라서, 목표의 열전도도를 손상시키지 않을 정도의 불순물은 허용할 필요가 있고, 그 종류와 양에 대하여 일례를 들면, Zn: 0.1중량% 이하, Ti: 0.05중량% 이하, Pb: 0.06중량% 이하, Sn: 0.05중량% 이하, Cr: 0.10중량% 이하, Ni: 0.05중량% 이하이다.

이상의 원소 조성에 따라서 Cu, Si 및 Fe의 함유 비율을 조정하면, 다이캐스트시에서의 알루미늄 합금과 금형의 소부나 이형 불량을 방지할 수 있는 동시에, 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 지금(地金)을 얻을 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금을 제조할 때에는 우선, Al, Cu, Si 및 Fe의 각 원소 성분이 상술한 소정의 비율이 되도록 배합한 원료를 준비한다. 이어서, 이 원료를 전로(前爐; fore hearth) 부착 용해로나 밀폐 용해로 등의 용해로에 투입하고, 이것들을 용해시킨다. 용해시킨 원료 즉 알루미늄 합금의 용탕(溶湯)은 필요에 따라 탈수소 처리 및 탈개재물 처리 등의 정제 처리가 실시된다. 그리고, 정제된 용탕을 소정의 주형 등에 흘려넣어, 고화시킴으로써, 알루미늄 합금의 용탕을 합금 지금 잉곳(ingot) 등에 성형한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 합금을 사용하여 알루미늄 합금 주물(주조품)을 주조할 때에는 주로 다이캐스트가 사용된다. 이와 같이 다이캐스트를 사용함으로써, 주조품을 효율적으로 양산할 수 있다.

그리고, 다이캐스트에 의해 얻어진 알루미늄 합금 주물(알루미늄 합금 다이캐스트)은 필요에 따라 용체화 처리 및 시효 처리 등이 실시된다. 이와 같이 알루미늄 합금 주물에 용체화 처리 및 시효 처리 등을 함으로써, 알루미늄 합금 주물의 기계적 성질을 개량할 수 있다.

또한, 본 발명의 합금을 사용한 알루미늄 합금 다이캐스트는 열처리를 하지 않아도 170W(m·K) 이상의 열전도도를 갖는 것이므로, 그 용도로서는 히트 싱크와 같은 방열 부재가 특히 적합하다. 여기에서 「히트 싱크」란 발열하는 기계·전기 부품에 부착하여 열의 방산에 의해 온도를 낮추는 것을 목적으로 한 부품을 말하며, 그 용도에 따라서 크기나 형상이 천차만별이다.

실시예

이하에, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하겠지만, 본 발명은 실시예에 한정되는 것이 아니다. 또한, 실시예 및 비교예에서의 각 기계적 성질(인장 강도, 신장, 0.2%내력)은 (주)시마즈 세사쿠쇼 제조의 만능 시험기(AG-IS 100kN)로 측정하였다. 또한, 열전도도는 아루박 리코(주) 제조의 열상수 측정 장치(TC-7000)를 사용하여 레이저 플래쉬법으로 측정하였다. 또한, 브리넬 경도는 JIS Z 2243에 준거하여 측정하였다. 그리고, 주조성에 대해서는, 형체력(型締力) 250톤의 통상의 다이캐스트 머신(토시바 키카이(주) 제조 DC250JMT)을 사용하여 사출 속도 2.0m/초, 주조 압력 80MPa로 다이캐스트하고, 육안으로 주조성을 확인하였다. 주조성에 문제가 없는 것은 「○」로 표시하고, 주조성에 문제가 있는 것에 대해서는 「×」로 표시하였다.

표 1은 본 발명의 대상이 되는 알루미늄 합금의 실시예 1 내지 11과 비교예 1 내지 3의 원소 조성, 열전도도, 물성 측정 결과 및 주조성을 나타낸 것이다.

본 발명의 알루미늄 합금은 상술한 바와 같이 주조성, 소부 방지성, 열전도성의 3개에 있어서 우수한 특성이 요구된다. 열전도성은 상술한 바와 같이 순알루미늄이 약 250W/(m·K)로 가장 우수한 값을 나타내고, 이것에(표 1에 기재한 각 합금과 같이) 여러가지 원소가 들어가면 열전도성은 저하된다.

도 1은 표 1의 데이터에 기초하여 작성한 Cu의 함유율과 열전도도의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프가 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금 전체에 대한 Cu의 함유 비율의 증가에 따라 합금의 열전도도가 점차 감소하지만, 이 Cu의 함유 비율이 2.30중량% 정도까지는 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 유지한다. 따라서, 열전도도에 관해서는 Cu의 함유 비율이 2.30중량% 이하의 범위이면 만족한다고 할 수 있다.

도 2는 표 1의 데이터에 기초하여 작성한 Si의 함유율과 열전도도의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프가 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금 전체에 대한 Si의 함유 비율의 증가에 따라 합금의 열전도도는 저하되지만, 이 Si의 함유 비율이 1.50중량% 정도까지는 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 유지한다. 따라서, 열전도도에 관해서는 Si의 함유 비율이 1.50중량% 이하의 범위이면 만족한다고 할 수 있다.

도 3은 표 1의 데이터에 기초하여 작성한 Fe의 함유율과 열전도도의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프가 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금 전체에 대한 Fe의 함유 비율의 증가에 따라 합금의 열전도도가 점차 감소하지만, 이 Fe의 함유 비율이 2.60중량% 정도까지는 170W/(m·K) 이상의 열전도도를 유지한다. 따라서, 열전도도에 관해서는 Fe의 함유 비율이 2.60중량% 이하의 범위이면 만족한다고 할 수 있다.

하지만, 이 Fe에 관해서는, 표 1의 비교예 1 및 2에서 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금 전체에 대한 Fe의 함유 비율이 1.20중량% 미만인 경우, 주조성에 문제가 생겼다. 구체적으로는 다이캐스트 머신의 형열림(型開)시에, 주조한 알루미늄 합금 다이캐스트가 금형에 달라붙어 빼낼 수 없게 되었다. 이러한 현상은 Fe 부족에 의한 알루미늄 합금 다이캐스트의 수축이 원인이라고 추찰된다.

따라서, 합금의 열전도성과 주조성의 양쪽을 고려했을 때, 알루미늄 합금 전체에 대한 Fe의 함유 비율은 1.20 내지 2.60중량%의 범위가 적합하다고 할 수 있다.

Claims (3)

1. Cu: 2.30중량% 이하, Si: 1.50중량% 이하, Fe: 1.20 내지 2.60중량%를 함유하고, 잔부가 Al과 불가피 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이캐스트용 고열전도 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 기재된 알루미늄 합금으로 다이캐스트된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트.
3. 제 1 항에 기재된 알루미늄 합금을 다이캐스트하여 얻은 것을 특징으로 하는 히트 싱크.

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