KR20160126104A - 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 주조성과 함께 우수한 열전도 특성과 일정한 수준의 인장강도를 얻을 수 있어, 방열특성이 요구되는 각종 구조용 제품에 적용될 수 있는 주조용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금은, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.2중량%, 철(Fe) 0.5~1.0중량% 및 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금 {HIGH THERMAL CONDUCTIVITY ALUMINUM ALLOYS WITH GOOD CASTABILITY}

본 발명은 고열전도도를 갖는 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히, 우수한 주조성을 나타내는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 경량성과 우수한 전기전도성 및 열전도성을 갖고 있어서 자동차, 항공기 등의 수송기계 부품, 건축자재, 전기기기 부품, 전력선, 전자 디바이스, 팩키징 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.

알루미늄 합금은 제품의 제조방법에 따라서 주조용 알루미늄 합금과 압출, 압연 등의 소성가공용 알루미늄 합금으로 나누어지는데, 전체 알루미늄 제품 중에서 약 20%는 압출, 압연 등의 소성가공용 알루미늄 합금으로 생산되고 있고 약 80%가 주조용 알루미늄 합금으로 생산되고 있어 주조용 알루미늄 합금은 알루미늄 산업에서 차지하는 비중이 매우 높다.

한편, 주조용 알루미늄 합금으로는 아래 표 1과 같이 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 주로 사용되고 있다. 그러나 Al-Si계 합금 또는 Al-Mg계 합금은 주조성은 우수하지만 열전도도가 90~130W/mK로 낮다.

알루미늄 합금 규격			알루미늄 합금계	열전도도 (W/mK)
KS	JIS	AA
ALDC 2	ADC 3	360	Al-Si	113
ALDC 7	ADC 10	380	Al-Si	96
ALDC 8	ADC 12	384	Al-Si	92
ALDC 4	ADC 6	515	Al-Mg	96
ALDC 3	ADC 5	518	Al-Mg	130

최근에 전기, 전자, 자동차 등의 산업분야에서는 기기의 에너지 효율 향상, 방열 효율 향상 및 출력 향상 등의 시장요구에 적극적으로 대응하기 위해서 종래의 주조용 알루미늄 합금에 비하여 우수한 열전도도를 갖는 주조용 알루미늄 합금을 이용한 방열부품 개발을 필요로 하고 있다.

그러나 현재까지는 우수한 주조성을 가지면서 동시에 160W/mK 이상의 열전도도를 갖는 주조용 알루미늄 합금이 개발되지 못한 상태이므로, 열전도도가 90~130W/mK인 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 주조용 알루미늄 합금으로 사용되고 있는 실정이다.

한편, 본원 발명자들은 아래 특허문헌에 개시된 바와 같이, 종래의 주조용 알루미늄 합금에 비해 우수한 열전도도를 나타내는 주조용 합금을 제시하였는데, 이 합금들은 열전도도가 160W/mK 이상으로 높지만, 유동성과 주조 크랙 등의 주조성 측면에서는 한계가 있었다.

한국 등록특허공보 제10-1469613호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 아연(Zn)을 주 합금 원소로 첨가하고 마그네슘(Mg), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)의 함량을 조절하여, 160W/mK 이상의 열전도도를 가지면서 동시에 주조시 크랙발생이 적고 유동성이 높아서 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 과제의 해결수단으로 본 발명은, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.2중량%, 철(Fe) 0.5~1.0중량% 및 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 아연(Zn)을 주 합금 원소로 첨가하고 마그네슘(Mg), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)의 성분 제어를 통해, 160W/mK 이상의 열전도도를 가지면서 동시에 주조시 크랙발생이 적고 유동성이 높아서 주조성이 우수하여, 높은 열전도도를 요구하면서 동시에 우수한 주조성을 요하는 전기, 전자 및 자동차용 방열 부품의 제조에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 수행한 유동성 평가 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예서 수행한 주조 크랙성 시험용 금형의 개략도이다.

이하 본 발명에 의한 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 알루미늄 합금은, 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 철(Fe)이 합금되어 구성된 주조용 고열전도도 알루미늄 합금으로서, 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.2중량%, 철(Fe) 0.5~1.0중량% 및 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량%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 120MPa ~ 170MPa 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 1.5~3.0중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 아연의 함량이 1.5중량% 미만이면 주조성이 떨어져 일부 미성형부가 발생하는 주조 결함이 생기기 쉽고, 아연의 함량이 3.0중량% 초과이면, 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 160W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다. 아연(Zn)은 2.0~3.0중량% 미만으로 포함되는 것이 보다 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금에는 마그네슘이 0.1~1.2중량% 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 1.2중량% 초과하면, 주조된 합금의 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 0.5~1.0중량% 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 1.0중량% 초과하면 주조 합금내에서 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어, 합금의 주조성을 저하시키기 때문이다.

티타늄(Ti)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 석출경화 열처리에 의하여 Al₃Ti 등의 금속간 화합물로 알루미늄 기지 금속에 석출되어 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이며, 또한 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 결정립 미세화, 합금 유동성 및 주조재의 크랙방지 효과를 얻을 수 있는 합금원소이다. 본 발명에 의한 고강도 주조용 알루미늄 합금에는 티타늄이 0.1~0.3중량%가 첨가되는데, 티타늄의 함량이 0.1중량% 미만이면 합금의 유동성 향상과 주조재의 크랙방지 효과를 얻을 수 없으며, 티타늄의 함량이 0.3중량% 초과하면, 주조된 합금의 열전도도가 저하되어 160W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.

불가피한 불순물이란, 본 발명에 의한 합금을 제조하는 과정에서 원료 또는 제조 장치에 의해 의도하지 않게 혼입된 불순물을 의미하며, 예를 들어 Cu, Cr, Co, V, Mn, Li, Ni, Sn, Pb 등을 들 수 있는데, 이들 불순물 각 성분은 합금 특성에 영향을 주지 않도록 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0.01중량% 이하가 되도록 유지한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금의 인장강도는 120MPa 이상일 수 있으며, 바람직하게는 130MPa 이상이고, 보다 바람직하게는 140MPa 이상일 수 있다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금에 대하여 아래 표 2 내지 4를 참조하여, 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금을 제조하기 위해 아래 표 2에 나타낸 조성을 갖는 합금을, 주조용 합금 제조시에 통상적으로 사용되는 용융 교반식 알루미늄 합금 제조 방법으로 시험편을 제조하였다.

합금		조성 (중량%)
		Zn	Mg	Ti	Fe	Al
실시예	1	2.54	0.48	0.16	0.51	bal.
	2	2.35	1.15	0.18	0.52	bal.
	3	1.89	0.19	0.13	0.60	bal.
	4	1.77	0.54	0.22	0.63	bal.
비교예	5	2.48	0.49		0.48	bal.
	6	2.30	1.11		0.53	bal.
	7	1.92	0.17		0.63	bal.
	8	1.88	0.54		0.56	bal.

구체적으로, 상기 표 2와 같은 조성이 되도록 알루미늄 합금의 원료를 준비한 후, 전기저항식 용해로에 장입하여 대기 중에서 원료를 용해하여 용탕을 제조한 후에 주조 금형을 이용하여, 주조 크랙성 및 유동성 등의 주조성을 측정하기 위한 시험편을 제조하였고, 또한 인장 특성을 측정하기 위한 시험편을 제조하였다.

합금 주조에 필수적인 주조성 평가를 위해, 일반적으로 이 업계에서 널리 알려진 방식으로 수행한 유동성 평가(유동성 평가방법은 합금 용탕을 200℃의 온도로 유지된 도 1과 같은 유동성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 일정한 거리를 유동한 후에 응고된 길이를 측정하는 것임. 도 1에서 유동장 시험편 크기는 폭 10mm, 두께 4mm, 최대길이 1200mm임)와, 주조 크랙성 평가(주조 크랙성 평가방법은 합금 용탕을 200℃의 온도로 유지된 도 2와 같은 주조 크랙성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 응고한 후에 식[1]과 같이 크랙 민감도를 측정하는 것임)를 수행하였다.

[식 1]

(여기서, HTS는 크랙 민감도, W_crack은 크랙 폭 인자, f_length는 크랙 길이 인자, f_location은 크랙 위치 인자임)

아래 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 각 합금과 비교예에 따른 각 합금의 유동성(유동 길이) 평가 및 주조 크랙성(크랙 민감도)을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

합금(중량%)		Zn	Mg	Ti	Fe	Al	유동 길이 (mm)	크랙 민감도
실시예	1	2.54	0.48	0.16	0.51	bal.	548	61
	2	2.35	1.15	0.18	0.52	bal.	586	56
	3	1.89	0.19	0.13	0.60	bal.	533	67
	4	1.77	0.54	0.22	0.63	bal.	515	48
비교예	5	2.48	0.49		0.48	bal.	417	92
	6	2.30	1.11		0.53	bal.	487	78
	7	1.92	0.17		0.63	bal.	423	89
	8	1.88	0.54		0.56	bal.	435	81

상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들은, 비교예에 따른 알루미늄 합금들과 비교하여 유동 길이가 길고 크랙 민감도가 낮아서 우수한 주조성을 갖는다.

실시예 1은 비교예 5에 비해, 아연 함량은 약 2.5중량%과 마그네슘 함량은 약 0.5중량%로서 비슷하나, 실시예 1은 티타늄이 0.16중량% 첨가되어, 그 결과 유동 길이가 길고 크랙 민감도가 낮아서 우수한 주조성을 갖는다.

또한, 실시예 2는 비교예 6에 비해, 아연 함량은 약 2.3중량%과 마그네슘 함량은 약 1.1중량%로서 비슷하나, 실시예 2는 티타늄이 0.18중량% 첨가되어, 그 결과 유동 길이가 길고 크랙 민감도가 낮아서 우수한 주조성을 갖는다.

또한, 실시예 3은 비교예 7에 비해, 아연 함량은 약 1.9중량%과 마그네슘 함량은 약 0.2중량%로서 비슷하나, 실시예 3은 티타늄이 0.13중량% 첨가되어, 그 결과 유동 길이가 길고 크랙 민감도가 낮아서 우수한 주조성을 갖는다.

또한, 실시예 4는 비교예 8에 비해, 아연 함량은 약 1.8중량%과 마그네슘 함량은 약 0.5중량%로서 비슷하나, 실시예 4는 티타늄이 0.22중량% 첨가되어, 그 결과 유동 길이가 길고 크랙 민감도가 낮아서 우수한 주조성을 갖는다.

다시 말해, 주조성을 평가하는 지표인 유동성 및 주조 크랙성을 평가한 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들은 비교예에 따른 알루미늄 합금들과 비교하여 우수한 주조성을 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 합금의 주목적 중 하나인 열전도도에 대해서는, 먼저 제조한 시편을 도전율 측정기를 이용하여 상온에서 도전율을 측정한 후, 하기 [식 2]의 환산식으로 환산하는 방식을 통해 열전도도를 얻었다. 그리고 본 발명의 실시예에 따른 각 합금과 비교예에 따른 각 합금으로 제조한 인장시편으로 시험하여 인장강도를 얻었다.

[식 2]

K = 5.02σT x 10^-9 + 0.03

(여기서, K는 열전도도, σ는 도전율, T는 절대온도임)

하기 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 각 합금과 비교예에 따른 각 합금의 열전도도 및 인장강도를 시험한 결과를 나타낸 것이다.

합금(중량%)		Zn	Mg	Ti	Fe	Al	인장강도 (MPa)	열전도도 (W/mK)
실시예	1	2.54	0.48	0.16	0.51	bal.	138	182
	2	2.35	1.15	0.18	0.52	bal.	162	167
	3	1.89	0.19	0.13	0.60	bal.	123	186
	4	1.77	0.54	0.22	0.63	bal.	127	175
비교예	5	2.48	0.49		0.48	bal.	125	188
	6	2.30	1.11		0.53	bal.	151	171
	7	1.92	0.17		0.63	bal.	107	194
	8	1.88	0.54		0.56	bal.	123	190

상기 표 4에서 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 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들은 인장강도가 120~170MPa 수준으로, 다양한 방열부품에서 요구되는 수준 또는 그 이상의 우수한 인장강도를 가진다.

한편, 앞에서 확인된 바와 같이 실시예 1 및 2는 실시예 3 및 4에 비해 유동 길이가 길고, 크랙 민감도도 양호하면서도, 인장강도도 양호하여 보다 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 우수한 주조성과 함께 우수한 열전도 특성과 일정한 수준의 인장강도가 요구되는 방열부품의 주조용 알루미늄 재료로 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (5)

1. 아연(Zn) 1.5~3.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.1~1.2중량%, 철(Fe) 0.5~1.0중량% 및 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 주조용 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 아연(Zn)은 2.0~3.0중량% 미만인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄 합금.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 열전도도는 160W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄 합금.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 인장강도는 120MPa 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄 합금.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 인장강도는 130MPa 이상인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄 합금.
   

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