KR20160023003A - 알루미늄 합금의 제조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따르는 알루미늄 합금의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 모재와 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 준비한다. 상기 모재를 용융하고 상기 용융된 모재에 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 첨가하여 용탕을 제조한다. 상기 용탕을 주조한다.

Description

알루미늄 합금의 제조 방법{method of fabricating aluminum alloy}
본 발명은 설계자유도와 높은 열전도도를 만족하는 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재 자동차 내에 전자 제어 시스템을 채택하는 빈도가 증가하고 있는 추세이다. 이에 따라, 전자 제어 시스템이 동작할 때, 한정된 공간 내에 집적된 전자 장치들로부터 발생하는 열을 효율적으로 방출하는 과제가 주요한 문제로 대두되고 있다. 이에 따라, 상술한 전자 장치들에 적용할 수 있는 높은 방열 특성을 가지는 합금 소재에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 최근에는 자동차 구조용 소재들에 대해 경량화 및 고기능화의 요청이 꾸준히 제기되고 있으며, 이에 근거하여, 높은 방열 특성 및 높은 설계 자유도를 가지는 합금 소재에 대한 요청도 증가하고 있다.
상술한 경량화, 높은 방열 특성 및 높은 설계 자유도를 구비할 수 있는 합금 소재의 후보로서, 알루미늄 합금이 활발히 연구되고 있다. 한편, 종래의 방열용 알루미늄 합금은 일 예로서, 압출 소재인 A6063와 다이캐스팅 소재인 ADC 12를 들 수 있다. 하지만, A6063의 경우, 열전도도는 약 200W/(m·K)로서 비교적 우수하나, 압출 공정 관점에서 설계 자유도가 상대적으로 낮은 단점이 있다. ADC12의 경우, 주조 공정을 진행함으로써, 설계 자유도는 비교적 높으나, 열전도도가 약 90 W/(m·K)로 불충분하다는 어려움이 있다.
본 발명의 실시 예들은 높은 설계 자유도 및 높은 열전도도를 구비하는 알루미늄 합금의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 알루미늄 합금의 제조 방법이 개시된다. 상기 알루미늄 합금의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 모재와 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 준비한다. 상기 모재를 용융하고 상기 용융된 모재에 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 첨가하여 용탕을 제조한다. 상기 용탕을 주조한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 준비하는 단계는 알루미늄을 노(furnace)에 제공하는 단계, 상기 노 내부에 질소 가스를 공급하는 단계, 및 질소 분위기 내에서 상기 알루미늄을 용해시키는 단계를 포함하는 단계를 포함하여 진행할 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 노는 아크로(arc furnace)이며, 상기 질소 분위기 내에서 상기 알루미늄을 용해시키는 단계는 상기 아크로에 전압을 인가하여 상기 알루미늄의 용해시키고, 용해된 상기 알루미늄을 질화시키는 단계를 포함하여 진행할 수 있다.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 다공성 고형체의 형태를 가질 수 있다.
또다른 실시 예에 있어서, 상기 용탕을 제조하는 단계는 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 제1 용탕을 형성하는 단계, 및 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 100 중량부에 대하여 상기 질화알루미늄-알루미늄 첨가제 0.5 내지 8 중량부를 상기 제1 용탕에 첨가하는 단계를 포함하여 진행할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 소정의 조성 범위를 가지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 모재로 하고, 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 첨가하여, 주조 방법을 적용하여 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 상술한 질화알루미늄-알루미늄의 복합재는 최종 주조된 알루미늄 합금의 열전도도를 향상시킬 수 있으며, 주조 방법은 높은 설계 자유도를 보장할 수 있다.
상술한 질화알루미늄-알루미늄의 복합재는 분말이 아닌 다공성 고형체의 형태를 가질 수 있다. 상기 복합재는 분말이 아닌 고형체의 형상을 가짐으로써, 알루미늄 합금의 용탕 내에서 균일한 혼합이 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 알루미늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 제조 방법에 의해 제조된 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 제조 방법에 의해 제조된 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 X선 회절 분석 그래프이다.
본 개시의 실시예의 기재에서 어느 부재의 "상"에 위치하거나 “상부” 또는 “하부”, “측면”에 위치한다는 기재는 상대적인 위치 관계를 의미하는 것이지 그 부재에 직접 접촉하거나 또는 사이 계면에 다른 부재가 더 도입되는 특정한 경우를 한정하는 것은 아니다. 또한, 어느 한 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “설치되어 있다”의 기재는, 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수 있으며, 또는, 중간에 다른 별도의 구성 요소들이 개재되어 연결 관계 또는 접속 관계를 구성할 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 알루미늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, S110 단계에서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 모재와 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 준비한다.
상기 모재에 있어서, 상기 알루미늄은 순수 알루미늄을 의미할 수 있다. 또한, 상기 알루미늄 합금은 일 예로서, 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성 가공용 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열 및 700 계열 주조용 알루미늄 합금일 수 있다. 상술한 알루미늄 합금은 현재 거의 모든 나라에서 채택하고 있는 미국알루미늄협회(Aluminum Association of America)의 규격에 따른 것이다. 일 예로서, 아래 표 1은 합금 계열별 주요 합금 원소의 구성을 상기 규격에 따라 표현한 것을 나타내고 있다.
합금 계열 주요 합금 성분
1000 계열 알루미늄 합금 순수한 알루미늄
2000 계열 알루미늄 합금 Al-Cu-(Mg) 계 알루미늄 합금
3000 계열 알루미늄 합금 Al-Mn계 알루미늄 합금
4000 계열 알루미늄 합금 Al-Si계 알루미늄 합금
5000 계열 알루미늄 합금 Al-Mg계 알루미늄 합금
6000 계열 알루미늄 합금 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금
7000 계열 알루미늄 합금 Al-Zn-Mg-(Cu)계 알루미늄 합금
8000 계열 알루미늄 합금 기타
상기 표에서, 첫 번째 숫자는 주요합금원소를 나타내는 합금계열을 표시하고, 두번째숫자는 기본 합금을 0으로 표시하고 개량한 합금을 1~9의 숫자로 표시하며 독자적으로 개발한 새로운 합금은 N자를 붙인다. 예로서, 20xx는 Al-Cu계열 알루미늄의 기본 합금이고, 21xx~29xx 는 Al-Cu 계열 기본 합금을 개량한 합금이며, 2Nxx는 협회 규격 이외로 개발한 새로운 합금인 경우이다. 세번째와 네번째 숫자는 순수한 알루미늄의 경우, 알루미늄의 순도를 표시하며, 합금일 경우 과거에 사용하던 알코아 회사의 합금 이름이다. 일 예로서, 순수 알루미늄의 경우, 1080은 알루미늄이 99.80% Al 이상임을 의미할 수 있다.
아래 표 2는 합금 계열별 주요 합금 원소의 구성을 상기 규격에 따라 보다 상세하게 표현한 것을 나타내고 있다.
등급번호
 첨가원소(원소기호) [wt%]
Si Cu Mn Mg Cr Zn 기타
2014 0.8 4.4 0.8 0.5
2091 2.2 1.5 Li 2.2
Zr 0.12
2219 6.3 0.3 V 0.1
Zr 0.18
Ti 0.06
3105 0.6 0.5
5182 0.35 4.5
6009 0.8 0.33 0.33 0.5
7005 0.45 1.4 0.13 4.5 Zr 0.14
7075 1.6 2.5 0.25 5.6
8090 1.3 0.9 Li 2.4
Zr 0.12
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 적용되는 상술한 다양한 계열의 알루미늄 합금에서 첨가되는 원소의 함량은, 실리콘(Si)은 1.5 wt% 이하, 철(Fe)은 1.5 wt% 이하, 구리(Cu)는 5 wt% 이하, 망간(Mn)은 1 wt% 이하, 마그네슘(Mg)은 2 wt% 이하, 크롬(Cr)은 1 wt% 이하, 니켈(Ni)은 1 wt% 이하, 아연(Zn)은 5 wt% 이하, 납(Pb)은 0.5 wt% 이하, 주석(Sn)은 0.5 wt% 이하, 타이타늄(Ti)은 0.5 wt% 이하, 안티몬(Sb)은 0.1 wt% 이하, 베릴륨(Be)은 0.1 wt% 이하의 범위를 포함할 수 있다.
보다 구체적인 실시 예에 있어서, 알루미늄 합금은, 실리콘(Si) 9.6 내지 12 wt%, 철(Fe) 0 초과 1.3 wt% 이하, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 wt%, 망간(Mn) 0 초과 0.3 wt% 이하, 니켈(Ni) 0 초과 0.5 wt% 이하, 아연(Zn) 0 초과 1.0 wt% 이하, 주석(Sn) 0 초과 0.3 wt% 이하, 및 여분의 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 또다른 실시 예에서, 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 6.5 내지 7.5 wt%, 철(Fe) 0.2 wt%, 구리(Cu) 0.2 wt%, 망간(Mn) 0.1 wt%, 아연(Zn) 0.1 wt%, 타이타늄(Ti) 0.20 wt% 및 여분의 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
한편, 본 S110 단계에서는, 별도로 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 준비한다. 일 실시 예에 의하면, 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 다공성 고형체의 형태를 가질 수 있다. 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 알루미늄 기재 내에 질화알루미늄이 석출된 형태를 가질 수 있다. 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 구체적인 제조 방법은 이하의 도 2를 참조하여 상술하도록 한다.
도 1의 S120 단계를 참조하면, 상기 모재를 용융하고 용융된 모재에 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 첨가하여 용탕을 제조한다. 구체적인 실시 예에 있어서, 상기 알루미늄 또는 상기 알루미늄 합금을 용융하여 제1 용탕을 형성한다. 이어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 100 중량부에 대하여 상기 질화알루미늄-알루미늄 첨가제 0.5 내지 8 중량부를 상기 제1 용탕에 첨가한다. 이어서, 상기 제1 용탕을 교반 유지시킨다. 이로써, 모재에 질화알루미늄-알루미늄 복합재가 첨가된 용탕을 제조할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재가 다공성 고형체의 형태를 가지는 경우, 상기 제1 용탕 내에서 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 균일한 혼합이 용이하다는 장점이 있다. 이에 비하여, 상기 질화알루미늄-알루미늄이 분말의 형태로 제공된다면, 상기 분말은 상대적으로 낮은 비중에 의해 상기 제1 용탕의 표면으로 밀집하게 되며, 결과적으로, 상기 제1 용탕 내에서 균일한 혼합이 어려워질 수 있다.
도 1의 S130 단계를 참조하면, 상기 용탕을 주형에 넣어 주조하고, 냉각시킨다. 이어서, 주형으로부터 응고된 알루미늄 합금을 분리한다.
반드시 특정한 이론에 한정되어 설명되는 것은 아니지만, 상술한 공정 중 S120 단계가 진행되는 동안, 상기 복합재 내부의 질화알루미늄으로부터 질소 원자가 분리되고, 상기 질소 원자가 알루미늄 기지 내에 침입형(interstitial) 원자로서 재배치될 수 있다. 이러한 침입형 원자로서의 질소 원자는 알루미늄 합금의 열전도도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, S112 단계에서 알루미늄을 노에 제공한다. 여기서, 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 상기 노는 알루미늄의 용융점인 약 2500℃ 이상으로 가열할 수 있는 조건을 만족하는 다양한 형태의 노일 수 있다. 다만, 이하에서는, 설명의 편의상, 일 실시 예로서, 아크로(arc furnace)를 이용하는 경우에 대해 설명하도록 한다. 아크로는 고전압을 인가하여 노의 온도를 상대적으로 빠른 시간 내에 고온으로 승온하여 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
S114 단계에서, 상기 노 내부에 질소 가스를 공급한다. 상기 노로서, 아크로를 적용하는 경우에, 상기 아크로 내부를 진공으로 만든 후에, 질소 가스를 상기 아크로 내부에 공급할 수 있다. 이때, 아크 발생을 위해 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 상기 아크로 내부에 같이 공급할 수 있다.
S116 단계에서, 질소 분위기 내에서 상기 알루미늄을 용해한다. 이때, 용해된 알루미늄과 질소와의 질화 반응을 발생시킬 수 있다. 상기 노로서, 아크로를 적용하는 경우에, 아크 용해 시간을 약 15 초 내지 약 60초로 유지시킬 수 있다.
상술한 공정을 수행함으로써, 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 제조 방법에 의해 제조된 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 사진이다. 구체적으로, 도 3에 도시되는 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 도 2의 순서도를 따라 아크로에서 제조된 질화알루미늄-알루미늄 복합재이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 제조 방법에 의해 제조된 질화알루미늄-알루미늄 복합재의 X선 회절 분석 그래프이다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 다공성의 고형체일 수 있다. 아크 용해로 인해 시편의 외부가 부풀어 오르고 내부에 공간이 형성된 것을 확인할 수 있다. 상기 내부 공간은 아크에 의해 순간적으로 알루미늄이 끊는점 이상으로 가열되어 형성된 것으로 판단된다. 그리고, 기화된 알루미늄과 질소 가스 속에 포함된 질소 원소가 반응함으로써, 질화알루미늄을 형성할 것으로 판단된다.
도 4를 참조하면, 아크로에서 아크 용해 시간에 따르는 X선 회절 패턴을 확인할 수 있다. 즉, 15초, 30초 및 60초까지 아크 용해 시간에 따라 알루미늄(Al)과 질화알루미늄(AlN)의 피크만이 관찰됨으로써, 질화알루미늄만 석출된 알루미늄-질화알루미늄 복합재가 제조된 것을 확인할 수 있다. 한편, 아크 용해 시간이 증가할수록 질화알루미늄 피크가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 아크 용해 시간이 증가할수록, 질화알루미늄이 보다 많이 생성되는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 의해 제조된 알루미늄 합금 시편에 대해 열전도도 특성을 구체적으로 평가하였다.
제1 구현례
종래의 주조용 알루미늄 합금인 A356을 준비한다. 또한, 도 2와 관련하여 상술한 실시예의 공정을 통해 제조되는 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 준비한다.
상기 A356 알루미늄 합금을 제1 비교예로 정한다. 한편, A356 알루미늄 합금 100 g에 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 0.5g, 1g, 1,5g, 2g 첨가하여, 본 발명의 실시 예에 따르는 용탕을 제조한 후에, 이를 이용하여 주조하여 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예 및 제4 실시예의 알루미늄 합금을 제조하였다.
아래 표 3은 제1 비교예, 제1 실시예 내지 제4 실시예에 대하여, 25℃ 및 50℃에서의 열전도도를 측정한 실험결과이다.
제1 비교예 제1 실시예 제2 실시예 제3 실시예 제4 실시예
열전도율
[W/(m·K) @ 25℃]		 166 169 171 175 173
열전도율
[W/(m·K) @ 50℃]		 169 171 170 176 175
상기 실험 결과를 검토하면, 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 A356 알루미늄 합금에 첨가하여 제조되는 제1 내지 제4 실시예의 경우, 제1 비교예보다 25℃ 및 50℃에서 열전도도가 우수하였다. 특히, 제3 실시 예의 경우, 제1 비교예보다, 열전도도가 25℃ 에서 약 5.4% 향상되었으며, 50℃ 에서 약 4.1% 향상된 결과를 나타내었다.
제2 구현예
종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금인 ADC12를 준비한다. 또한, 도 2와 관련하여 상술한 실시예의 공정을 통해 제조되는 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 준비한다.
상기 ADC12 알루미늄 합금을 제2 비교예로 정한다. 한편, ADC12 알루미늄 합금 100 g에 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 1g, 2g 및 8g 첨가하여, 본 발명의 실시 예에 따르는 용탕을 제조한 후에, 이를 이용하여 주조하여 제5 실시예, 제6 실시예, 및 제7 실시예의 알루미늄 합금을 제조하였다.
아래 표 4는 제2 비교예, 제5 실시예 내지 제7 실시예에 대하여, 25℃ 에서의 열전도도를 측정한 실험결과이다.
제2 비교예 제5 실시예 제6 실시예 제7 실시예
열전도율
[W/(m·K) @ 25℃]		 92 115 130 147
상기 실험 결과를 검토하면, 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 ADC12 알루미늄 합금에 첨가하여 제조되는 제5 내지 제7 실시예의 경우, 제2 비교예보다 25℃에서 열전도도가 우수하였다. 특히, 제7 실시 예의 경우, 제2 비교예보다, 열전도도가 25℃ 에서 약 60.0% 향상된 결과를 나타내었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 형태들을 도면들을 예시하며 설명하지만, 이는 본 개시에서 제시하고자 하는 바를 설명하기 위한 것이며, 세밀하게 제시된 형상으로 본 개시에서 제시하고자 하는 바를 한정하고자 한 것은 아니다. 본 개시에서 제시한 기술적 사상이 반영되는 한 다양한 다른 변형예들이 가능할 것이다.
-

Claims (5)

  1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 모재와 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 각각 준비하는 단계;
    상기 모재를 용융하고 상기 용융된 모재에 상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 첨가하여 용탕을 제조하는 단계; 및
    상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는
    알루미늄 합금의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재를 준비하는 단계는
    알루미늄을 노(furnace)에 제공하는 단계;
    상기 노 내부에 질소 가스를 공급하는 단계; 및
    질소 분위기 내에서 상기 알루미늄을 용해시키는 단계를 포함하는 단계를 포함하는
    알루미늄 합금의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 노는 아크로(arc furnace)이며,
    상기 질소 분위기 내에서 상기 알루미늄을 용해시키는 단계는
    상기 아크로에 전압을 인가하여 상기 알루미늄의 용해시키고, 용해된 상기 알루미늄을 질화시키는 단계를 포함하는
    알루미늄 합금의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 질화알루미늄-알루미늄 복합재는 다공성 고형체의 형태를 가지는
    알루미늄 합금의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 용탕을 제조하는 단계는
    상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 제1 용탕을 형성하는 단계;
    상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 100 중량부에 대하여 상기 질화알루미늄-알루미늄 첨가제 0.5 내지 8 중량부를 상기 제1 용탕에 첨가하는 단계를 포함하는
    알루미늄 합금의 제조 방법.
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