KR20220030102A

KR20220030102A - 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금 주조방법

Info

Publication number: KR20220030102A
Application number: KR1020200111883A
Authority: KR
Inventors: 최창민
Original assignee: ㈜에스엘엠글로벌
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-10
Also published as: KR102472891B1

Abstract

열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금이 제공된다.
본 발명의 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.5~2.3%, 철(Fe): 0.6~1.8%, 티타늄(Ti):0.01~0.2%, 보론(B):0.005~0.05%, 스트론튬(Sr): 0.1~0.3%, 잔여 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 불순물은, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고 하기 관계식 1-4를 각각 만족한다.

Description

열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금 주조방법{Aluminum alloy for casting having excellent thermal conductance, and casting method therefor}

본 발명은 각종 주조공정(중력 주조, 스퀴즈주조, 금형 고속 주조, 반응고 주조)에 제한 없이 적용될 수 있는 알루미늄 합금 및 그 주조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, RRU, RRH, MMU, Filter 등과 같은 기구물에 포함된 Heat Sink 등의 제조를 위한 박판 주조에 이용될 수 있는 열전도율이 우수한 알루미늄 합금 및 주조방법에 관한 것이다.

일반적으로 각 종 전기 기계 제품 등의 제품의 방열판(heat sink)의 제조에는 다이캐스팅 주조법이 주로 이용되고 있다. 이러한 다이캐스팅은 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 금형에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이다. 이러한 다이캐스팅법은 얻어지는 주물의 치수가 정확하다는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다.

한편 이러한 다이캐스팅에 이용되는 알루미늄 합금으로는 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 90~140W/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 등에 일부 사용되고 있는데, 순 알루미늄은 열전도도는 매우 우수하지만 인장 강도가 낮고 주조성이 좋지 않기 때문에, 열전도도와 함께 우수한 기계적 특성을 요구하는 구조용 부품에까지 적용하기에는 한계가 있다.

이러한 다이캐스팅 주조품은 여러 분야에 사용되고 있으나, 특히, 현재에는 통신네트워크 부품 LTE/5G 기지국, 중계기 제품 등에서 갈수록 안테나 내장화 대용량화에 따라 CPU, 통신 모듈과 같은 반도체 부품에서 다량의 열이 발생하고 있으므로, 그 발생된 열을 효과적으로 배출할 수 있는 방열판의 제조가 중요해지고 있다.

이러한 방열판의 제조에 이용되는 종래의 소재로서 Si9(Sr)을 들 수 있으며, 상기 Si9(Sr)은 규격 상 Si가 6~7중량%, Fe 0.5~0.7중량%, Sr 0.01~0.02중량%, 기타 불순물 0.03중량% 이하 및 잔부 Al의 조성을 가지고 있다. 그런데 상기 소재로 제조되는 방열제품의 인장 강도는 180N/mm2, 항복강도 90N/mm2, 연신율 5% 및 열전도율 160W/mk 수준으로서, 광역 커버리지를 가지는 5G 통신장비와 같이 기구물의 크기가 대형화되고 부품이 집약되고 있는 기술영역에는 효과적으로 적용될 수 없다는 한계가 있었다.

대한민국 공개특허 2013-0083183(2013.07.22 공개) 대한민국 공개특허 2013-0083184(2013.07.22 공개)

본 발명은 5G 통신장비와 같은 기구물 제작에 효과적으로 이용될 수 있는, 박판 주조(1T), 고열전도도(190~210W/mK) 및 항복강도(50~70N/mm2)를 갖는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금 및 그 주조방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면은,

중량%로, 실리콘(Si): 0.5~2.3%, 철(Fe): 0.6~1.8%, 티타늄(Ti):0.01~0.2%, 보론(B):0.005~0.05%, 스트론튬(Sr): 0.1~0.3%, 잔여 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 불순물은, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고

하기 관계식 1-4를 각각 만족하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금을 제공한다.

[관계식 1]

1.1중량%≤ Si+Fe ≤4.1중량%

[관계식 2]

0.8≤ Si/Fe ≤3.8

[관계식 3]

2.0≤[(Si+Fe)/(Ti+B+Sr)]≤ 7.7

[관계식 4]

2.9≤ [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] ≤58.0

본 발명에서 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Si+Fe 값이 1.6~2.9중량%인 것이 바람직하다.

또한 상기 관계식 2에 의해 정의되는 Si/Fe 함량비가 1.6~3.3인 것이 바람직하다.

또한 상기 관계식 3에 의해 정의되는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비가 4.27~7.7 인 것이 보다 바람직하다.

또한 상기 관계식 4에 의해 정의되는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 함량비가 32.0~58.0의 범위를 가짐이 바람직하다.

또한 본 발명의 주조용 알루미늄 합금은, 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~2.0%, 철(Fe): 0.6~0.9%, 티타늄(Ti):0.02~0.1%, 보론(B):0.005~0.025% 및 스트론튬(Sr): 0.15~0.25%을 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 불순물은 중량%로, 구리(Cu): 0.005% 이하, 망간(Mn): 0.005% 이하, 마그네슘(Mg): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 0.015% 이하 및 아연(Zn): 0.02%이하 중 선택된 1종 이상을 포함함이 바람직하다.

본 발명의 알루미늄 합금은 항복강도가 50~70N/mm2이상이고, 열전도도가 190~210W/mK 범위를 만족할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 측면은,

상기와 같은 조성성분을 갖는 알루미늄 합금을 용융시키는 공정;

상기 용융된 알루미늄 합금 용탕을 이용하여 주조함으로써 주조품을 얻는 공정; 및 상기

주조품을 150~250℃의 온도범위에서 1~2시간 동안 어닐링처리 후 공냉하는 공정;을 포함하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법에 관한 것이다.

상기 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 공정은,

알루미늄을 용해로에 장입한 후 그 용융점 이상의 온도로 가열함으로써 Al 용탕을 제조하는 제1 공정; 740~770℃의 온도에서 Si와 Fe를 용탕에 투입하는 제2 공정; 680~720℃의 온도에서 TiB 모합금을 용탕에 투입하는 제3 공정; 재승온하여 730~770℃에서 Sr을 용탕에 투입하는 제4 공정; 740~760℃ 온도에서 Ar(아르곤)가스로 15~20분 취입함으로써 용탕 내 가스 및 산화물 등 불순물을 제거하는 제5 공정; 및 680~700℃의 온도에서 용탕을 출탕하는 제6 공정;을 포함할 수 있다.

상기 주조는 다이캐스팅 주조일 수 있다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 높은 유동성을 확보하여 박판 주조가 가능하면서, 고열전도율이 달성가능한 주조용 알루미늄 합금을 유효하게 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 항복강도 50~70N/mm2(ASTM E8/E8M-16a 기준), 열전도율 190~210W/mK[laser Flash 법 기준] 및 박판성형 1T 까지 주조 가능한 알루미늄 합금재를 효과적으로 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1(a-b)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 주조품에 대한 주조불량 정도를 보여주는 제품사진으로서, 도 1(a)은 본 발명의 주조품(발명예 4)을, 그리고 도 1(b)는 본 발명의 조건을 벗어난 주조품(비교예 1)을 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 일측면에 따른 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.5~2.3%, 철(Fe): 0.6~1.8%, 티타늄(Ti):0.01~0.2%, 보론(B):0.005~0.05%, 스트론튬(Sr): 0.1~0.3%, 잔여 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 불순물은, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고 하기 관계식 1-4를 각각 만족한다.

본 발명은 기지금속 알루미늄의 주조성을 향상시킬 수 있는 Si와 알루미늄 기지에 고용되어 고용강화 효과를 얻을 수 있는 Fe의 함량 및 그 함량비 등을 적정하게 제어한다. 또한 상기 Si와 Fe원소들의 전체 함량 대비 불순원소의 전체함량의 비 등을 일정범위로 제어함을 특징으로 한다.

이에 의해, 주조성이 우수하고, 나아가, 제조된 주조품의 항복강도 및 열전도특성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

이하, 상기 각 합금원소의 첨가 및 함량 한정이유를 설명하며, 여기에서, "%"란 중량 %를 의미한다.

·실리콘(Si): 0.5~2.3%

본 발명에서 실리콘(Si)은 소지 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 주조성을 향상시키고 고용강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에서는 실리콘(Si) 함량을 0.5~2.3% 범위로 제한함이 바람직하다. 만일 실리콘 함량이 0.5% 미만이면 합금의 주조성이 저하되어 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 미성형부가 발생되어 주조품의 건전성이 크게 훼손될 수 있고, 상기 실리콘의 함량이 2.3%를 초과하면 열전도도가 저하되어, 본 발명에서 목적으로 하는 190W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다. 보다 바람직하게는, 상기 실리콘의 첨가량을 1.0~2.0% 범위로 제어하는 것이다.

철(Fe): 0.6~1.8%

본 발명에서 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 발명에서는 철(Fe) 함량을 0.6~1.8% 범위로 제한함이 바람직하다. 만일 상기 철의 함량이 0.6% 미만이면 금형소착 방지 효과가 낮아져 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 금형부위에 제품의 소착 현상이 발생하고 기계적 강도도 충분하지 못하게 되고, 상기 철의 함량이 1.8%를 초과하면 합금내에서 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어, 합금의 주조성을 저하시키기 때문이다. 보다 바람직하게는, 상기 철의 함량을 0.6~0.9% 범위로 제어하는 것이다.

·타타늄(Ti):0.02~0.2%

본 발명에서 티타늄(Ti)은 Ti 5% 모합금의 형태로 투입되며, 결정립 미세화 및 주조재의 크랙방지 효과를 얻을 수 있는 합금원소이다. 또한 알루미늄 입자를 미세화시키므로 열전도 전위 이동을 용이하게하고, 조직을 미세화시키므로 박육 성형에 용이하게 한다. 즉, Ti은 40 나노미크론 이하의 Ti상에 Al(2+, 3+가)이 석출물을 이루어, 알루미늄의 입자를 미세화시켜서 열전달 전위의 이동을 월활하게 하고, 주조 조직이 좋게하며 박판 성형을 가능하게 하는 유용한 성분이다. 본 발명에서는 이러한 Ti 함량을 0.02~0.2% 범위로 제어함이 바람직하다. 만일 Ti 함량이 0.02% 미만이면 알루미늄 입자 미세화효과를 통한 주조성능 개선 및 열전도율 개선 효과가 거의 없고, 0.2%를 초과하면 열전도율 저하의 문제가 있다.

보다 바람직하게는, Ti 함량을 0.02~0.1% 범위로 제어하는 것이다.

·보론(B):0.005~0.05%

본 발명에서 보론(B)는 Ti 5%와 결합된 모합금의 형태로 용탕에 투입된다. 이러한 보론을 첨가함으로써 용탕의 청정도가 개선되고, 조직이 미세화될 뿐만 아니라 전기전도율 증대가 가능하다. 본 발명에서는 상기 보론의 첨가량을 0.005~0.05% 범위로 제어함에 바람직하다. 만일 보론의 함량이 0.005% 미만이면, 용탕 청정도 개선 효과가 뚜렷하지 않고, 입자미세화 효과도 크지 않다. 0.05%를 초과하면 제품 표면 처리시 불량이 생길 수 있고 비용 증가의 문제가 있다. 보다 바람직하게는, 상기 보론의 첨가량을 0.005~0.025% 범위로 제어하는 것이다.

·스트론튬(Sr): 0.1~0.3%

본 발명에서 스트론튬(Sr)은 침상의 실리콘 조직을 구형의 조직으로 개량하는 역할은 한다. 따라서 본 발명에서 스트론튬(Sr)은 제조된 주조품의 기계적 성질을 개선하고 주조품질을 향상시킬뿐만 아니라, 열전도율을 증가시는데 유효한 원소이다. 본 발명에서는 상기 스트론튬(Sr)의 첨가량을 0.1~0.3% 범위로 제어함이 바람직하다. 만일 스트론튬(Sr)의 첨가량이 0.1% 미만이면 제품 성형을 위해 재용해시 Sr이 대부분 Fading 되어 위 효과를 볼 수 없으며, 0.3%를 초과하면 Sr의 산화가 강한 성질로 용탕 내부에 산화물이 발생 될 수 있어 기계적 성질 및 열전도율이 저하 될 수 있으며, 불필요하게 원가가 증대되는 문제가 있다. 보다 바람직하게는, 상기 스트론튬(Sr)의 첨가량을 0.15~0.25% 범위로 관하는 것이다.

·Si+Fe

[관계식 1]

1.1중량%≤ Si+Fe ≤4.1중량%

본 발명에서는 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Si와 Fe 합금원소의 합을 1.1중량% 이상 4.1중량% 이하의 범위로 제한함이 바람직하다. 만일 상기 Si와 Fe 원소 함량의 합이 1.1중량% 미만이면, 항복강도가 기준을 충족시키지 못해 가공성이 저하됨과 아울러, 주조품에서 용탕의 이동 통로인 게이트, 런너, 오버플로우가 용이하게 분리되지 않는 문제가 있고, 4.1중량%를 초과하면 열전도율이 목표 기준을 충족시키지 못할 수가 있다.

보다 바람직하게는, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Si+Fe 값을 1.6~2.9중량%의 범위로 관리하는 것이다.

·Si/Fe

[관계식 2]

0.8≤ Si/Fe ≤3.8

본 발명에서는 또한 상기 관계식 2에 의해 정의되는 Si/Fe 함량비를 0.8 이상 3.8이하의 범위로 관리함이 바람직하다. 만일 상기 Si/Fe 비가 0.8 미만이면 Fe 함량 증대로 인한 유동성 저하의 문제가 있고, 3.8을 초과하면 용탕이 금형에 소착되어 연속 작업이 어려워지는 문제가 있을 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 관계식 2에 의해 정의되는 Si/Fe 함량비를 1.6~ 3.3의 범위로 관리하는 것이다.

·(Si+Fe)/(Ti+B+Sr)

[관계식 3]

2.0≤[(Si+Fe)/(Ti+B+Sr)]≤ 7.7

본 발명에서는 또한 상기 관계식 3에 의해 정의되는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비를 2.0 이상 7.7 이하의 범위로 관리함이 바람직하다. 만일 상기 함량비가 2.0 미만이면 본 발명에서 요구하는 열전도율 및 기계적 강도, 주조성을 위한 용탕 청정도, 알루미늄 입자 미세화 효과, 치밀한 미세조직 형성, 주조성 확보 등이 기대 수준보다 낮아지는 문제가 있고, 7.7을 초과하면 열전도율이 저하되는 문제가 있을 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 관계식 3에 의해 정의되는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비를 4.27~7.7 범위로 제어하는 것이다.

기타, 본 발명의 알루미늄 합금은 잔여 성분으로 소지 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명에서 불순물의 함량 제어는 알루미늄 합금을 이용하여 제조된 주조품의 방열특성 등에 큰 영향을 주므로 그 함량을 가급적 줄이는 것이 바람직하다.

본 발명의 알루미늄 합금에서, 상기 불순물은, 중량%로, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 상기 불순물의 총합을 0.20중량% 이하로 제한함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.10중량%이하, 가장 바람직하게는 0.05중량% 이하로 제한하는 것이다. 이하, 개개의 불순물의 함량 첨가 및 그 제한사유를 살펴본다.

·구리(Cu): 0.08% 이하

본 발명에서 구리는 절삭 가공성을 개선시키나 내식성을 저하시키며, 첨가 시 Si, Fe와 상을 이루어 전위의 이동을 방해하므로 그 함량을 0.08% 이하로 관리함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.005% 이하로 관리하는 것이다.

·망간(Mn): 0.05% 이하

망간은 천이원소로써 재결정 온도를 증가시키고, 열간가공에서 섬유조직의 형성을 촉진시켜 결정립 성장을 억제하므로 그 함량을 0.05% 이하로 관리함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.005% 이하로 관리하는 것이다.

·마그네슘(Mg): 0.05% 이하

마그네슘은 일반적으로 Al과 결합하여 Al₂Mg₂상을 형성하여 강도, 연성 및 내식성을 증가시키는 원소이나, 그 함량이 과다하면 열전도율이 10 W/mK 이상 저하되므로 0.05% 이하 범위로 관리함이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.005% 이하로 관리하는 것이다.

·크롬(Cr): 0.1% 이하

크롬은 응력부식 균열을 방지하고 내식성을 향상시키나, 열전도율을 저하시키므로 그 함량을 0.1% 이하로 관리함이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.015% 이하로 관리하는 것이다.

·아연(Zn):0.1% 이하

아연은 항복강도 증가시키나 열전도율을 저하시키므로 그 함량을 0.1% 이하로 관리함이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.02% 이하로 관리하는 것이다.

·[(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)]

[관계식 4]

2.9≤ [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] ≤ 58.0

본 발명에서는 상기 관계식 4에 의해 정의되는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 값을 2.9 이상 52.0 이하의 범위로 관리함이 바람직하다. 만일 상기 값이 2.9 미만이면 불순물 함유량에 따른 열전도율 저하의 문제가 있고, 58.0을 초과하면 열전도율이 더 이상 증가하지 않을 뿐만 아니라, 지나치게 초고순도 재료를 선택함에 따라 원가, 제조 공정 및 양산성이 비효율화가 되는 문제가 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 관계식 4에 의해 정의되는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 값이 32.0~58.0의 범위를 만족하는 것이 보다 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 전술한 열전도성이 우수한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 알루미늄 주조품의 방법은, 상기와 같이 조성된 알루미늄 합금을 용융시키는 공정; 상기 용융된 알루미늄 합금 용탕을 이용하여 주조함으로써 주조품을 얻는 공정; 및 상기 주조품을 150~250℃의 온도범위에서 1~2시간 동안 어닐링처리 후 공냉하는 공정;을 포함할 수 있다.

본 발명에서는 먼저, 알루미늄 합금 용탕을 제조한다.

구체적으로, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 공정은, 알루미늄을 용해로에 장입한 후 그 용융점 이상의 온도로 가열함으로써 Al 용탕을 제조하는 제1 공정; 740~770℃의 온도에서 Si와 Fe를 용탕에 투입하는 제2 공정; 680~720℃의 온도에서 TiB 모합금을 용탕에 투입하는 제3 공정; 재승온하여 730~770℃에서 Sr을 용탕에 투입하는 제4 공정; 740~760℃ 온도에서 Ar(아르곤)가스로 15~20분 취입함으로써 용탕 내 가스 및 산화물 등 불순물을 제거하는 제5 공정; 및 680~700℃의 온도에서 용탕을 출탕하는 제6 공정;을 포함할 수 있다. 상기 제1 공정은 용탕 내 산화물을 줄이기 위해 적정 온도에서 짧은 시간 내에 합금을 완료하기 위한 공정이며, 제2 공정은 고비중 합금인 Sr 모합금을 투입하기 위해 설정된 온도를 제어하는 공정이며, 제3 공정은 용탕의 청정등을 위하여 B를 투입하기 위한 온도를 제어하는 공정이며, 제4 공정은 Ti를 원활하게 교반하기 위한 온도를 제어하는 공정이며, 그리고 제5 공정은 Ar 가스를 이용하여 15분 정도 탈가스 처리 시, 용탕의 온도 저하를 고려하여 용탕의 온도를 제어하는 공정이다.

이어, 본 발명에서는 상기 제조된 알루미늄 용탕을 이용하여 주조함으로써 알루미늄 합금 주조품을 제조한다. 본 발명은 상기 주조방법에 제한되지 않으며, 중력 주조, 스퀴즈주조, 다이캐이스팅 주조, 금형 고속 주조, 반응고 주조 등을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 다이캐스팅 주조를 이용하는 것이다.

그리고 본 발명에서는 상기 알루미늄 합금 주조품을 어닐링처리함으로써 최종 주조품을 얻을 수 있다. 이러한 어닐링처리 공정은 열전도율 개선 및 기계적 특성 향상 목적을 위하여 실시되며, 본 발명에서는 상기 어닐링 온도범위를 150~250℃로 제어함이 바람직하다. 만일 상기 온도가 150℃ 미만이면 어닐링 시간이 길어져야 하므로 원가가 상승되며, 250℃를 초과하면 성분조성비를 고려하여 주조품 내 가스 함유량을 가정했을 때 주조 제품이 블리스터가 발생되는 문제가 있다.

바람직하게는 상기 어닐링시간을 1~2 시간으로 제어하는 것이다.

상술한 바와 제조공정을 통하여 제조된 본 발명의 알루미늄 합금 주조품은, 항복강도가 50~70N/mm2이고, 열전도도가 190~210W/mK 범위를 만족할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성 성분을 만족하는 알루미늄 합금의 원료를 준비한 후, 이를 전기저항식 용해로에 장입하여 대기 중에서 원료를 용해하여 용탕을 각각 제조하였다. 이후, 이들을 다이캐스팅으로 고압 주조하여 알루미늄 합금 주조편을 각각 제조하였다. 한편 본 다이캐이스팅에는 도시바 250톤 및 우베 3550t 설비를 이용하였다.

상기와 같이 제조된 주편에 대하여, 항복 강도 및 열전도율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한 상기 주편의 주조성을 확인하기 위하여, 주조품 200개 작업 기준(주조 사이클 제품 1EA당 약 3분) 주조불량 여부를 육안으로 평가하였다.

한편 본 실험에서 상기 항복강도는 ASTM E8/E8M-16a 기준에 근거하여 측정하였다.그리고 열전도율은 레이저플래쉬법, NETZSCH LFA Analysis(KS L 1604)에 근거하여 측정하였으며, 구체적으로, 지름 12.5~12.8mm와 두께 1~3mm의 시편을 마련하여, 25℃의 온도 및 15% R.H 습도하에서 레이저플래쉬법, NETZSCH LFA Analysis(KS L 1604)에 근거하여 측정하였다. 그리고 상기 주편에 대한 주조성은 주조품에 대한 주조불량을 관찰결과, 불량률이 1% 이하인 경우을 "상", 불량률 5% 이하인 경우를 "중", 그리고 불량률이 10% 이하인 경우를 "하"로 평가하였다.

구분	합금조성(%)
구분	Si	Fe	Ti	B	Sr	Si+Fe	Si/Fe	A*	B*	C*
발명예1	1.0	0.6	0.2	0.05	0.3	1.6	1.7	2.9	0.38	4.2
발명예2	1.2	0.7	0.1	0.025	0.25	1.9	1.7	5.1	0.38	5.0
발명예3	1.5	0.7	0.2	0.05	0.3	2.2	2.1	4.0	0.05	44.0
발명예4	1.7	0.6	0.08	0.02	0.2	2.3	2.8	7.7	0.05	46.0
발명예5	2.0	0.6	0.1	0.025	0.25	2.6	3.3	6.9	0.05	52.0
발명예6	0.5	0.6	0.2	0.05	0.3	1.1	0.8	2.0	0.8	2.9
발명예7	0.9	0.6	0.05	0.0125	0.25	1.5	1.5	4.8	0.38	3.9
발명예8	2.3	0.6	0.2	0.05	0.3	2.9	3.8	5.3	0.05	58.0
비교예1	1.5	0.7	0.5	0.125	0.6	2.2	2.1	1.8	1.35	1.6
비교예2	1.5	0.7	0.5	0.125	0.6	2.2	2.1	1.8	0.38	5.6
비교예3	1.5	0.7	0.01	0.0025	0.01	2.2	2.1	97.8	0.05	42.9
비교예4	0.5	0.6	0.2	0.05	0.3	1.1	0.8	2.0	0.60	1.4
비교예5	1.0	0.6	0.1	0.025	0.25	1.6	1.7	4.3	1.02	1.6
비교예6	2.3	0.6	0.2	0.05	0.3	2.9	3.8	5.3	1.35	2.8
비교예7	0.4	3.0	0.2	0.05	0.3	3.4	0.1	6.2	0.04	3.3
비교예8	1.5	2.5	0.2	0.05	0.3	4.0	0.6	7.3	0.05	12.0

*표 1에서 잔여 성분은 Al이며, A*는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비를, B*는 불순원소(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)들의 함량의 합을, 그리고 C*는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 함량비를 나타낸다.

그리고 하기 표 2는 상기 표 1의 불순물을 이루는 개개의 불순원소들의 함량을 나타낸다.

구분	불순물 조성(%)
구분	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn
발명예1	0.08	0.05	0.05	0.1	0.1
발명예2	0.08	0.05	0.05	0.1	0.1
발명예3	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02
발명예4	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02
발명예5	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02
발명예6	0.08	0.05	0.05	0.1	0.1
발명예7	0.08	0.05	0.05	0.1	0.1
발명예8	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02
비교예1	0.1	0.2	0.45	0.3	0.3
비교예2	0.08	0.05	0.05	0.1	0.1
비교예3	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02
비교예4	0.1	0.1	0.1	0.2	0.1
비교예5	0.5	0.3	0.02	0.1	0.1
비교예6	0.1	0.2	0.45	0.3	0.3
비교예7	0.005	0.005	0.005	0.015	0.01
비교예8	0.005	0.005	0.005	0.015	0.02

주편 No.	항복강도(N/mm2)	열전도율(W/mK)	주조성	비고
1	54	210	중	발명예1
2	56	208	상	발명예2
3	58	203	상	발명예3
4	63	196	상	발명예4
5	68	190	상	발명예5
6	50	191	중	발명예6
7	53	193	상	발명예7
8	70	205	상	발명예8
9	65	143	하	비교예1
10	52	155	중	비교예2
11	51	158	중	비교예3
12	48	160	하	비교예4
13	60	132	하	비교예5
14	72	128	하	비교예6
15	65	141	하	비교예7
16	70	125	하	비교예8

상기 표 1-3에 나타난 바와 같이, 알루미늄 합금 조성성분비가 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1-8의 경우 모두 우수한 주조성을 가질 뿐만 아니라, 항복강도 및 열전도율 또한 우수함을 확인할 수 있다. 특히, (Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn) 함량비 32.0~58.0, (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비 4.27~7.7 및 Si/Fe 비 1.6~3.3을 만족하는 발명예 4-5가 그렇지 않은 발명예 1-3 및 발명예 6-8 대비 가장 우수한 열전도율 특성등을 보임을 알 수 있다.

이에 대하여, 비교예 1은 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비 및 (Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn) 함량비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 특히, 주편의 열전도율이 나빴다.

또한 비교예 2-3은 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 주편의 항복강도 및 열전도율이 아주 나빠졌다.

또한 비교예 4-6은 (Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn) 함량비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 열전도율이 대폭 낮아지는 것으로 관찰되어 불순물이 열전도율이 미치는 영향을 뚜렷하게 확인 할 수 있다.

나아가, 비교예 7-8은 Si/Fe 함량비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 열전도율, 주조성 및 기계적 특성이 저하되었다.

한편 도 1(a-b)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 주조품에 대한 주조불량 정도를 보여주는 제품사진으로서, 도 1(a)은 본 발명의 주조품(발명예 4)을, 그리고 도 1(b)는 본 발명의 조건을 벗어난 주조품(비교예 1)을 나타내는 사진이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로, 실리콘(Si): 0.5~2.3%, 철(Fe): 0.6~1.8%, 티타늄(Ti):0.01~0.2%, 보론(B):0.005~0.05%, 스트론튬(Sr): 0.1~0.3%, 잔여 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 불순물은, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고
하기 관계식 1-4를 각각 만족하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
[관계식 1]
1.1중량%≤ Si+Fe ≤4.1중량%
[관계식 2]
0.8≤ Si/Fe ≤3.8
[관계식 3]
2.0≤[(Si+Fe)/(Ti+B+Sr)]≤ 7.7
[관계식 4]
2.9≤ [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] ≤58.0
제 1항에 있어서, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Si+Fe 값이 1.6~2.9중량%인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 관계식 2에 의해 정의되는 Si/Fe 함량비가 1.6~3.3인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 관계식 3에 의해 정의되는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비가 4.27~7.7인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 주조용 알루미늄 합금은, 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~2.0%, 철(Fe): 0.6~0.9%, 티타늄(Ti):0.02~0.1%, 보론(B):0.005~0.025% 및 스트론튬(Sr): 0.15~0.25%을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 불순물은 중량%로, 구리(Cu): 0.005% 이하, 망간(Mn): 0.005% 이하, 마그네슘(Mg): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 0.015% 이하 및 아연(Zn): 0.02%이하 중 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 관계식 4에 의해 정의되는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 함량비가 32.0~58.0의 범위를 가짐을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 항복강도가 50~70N/mm2이상이고, 열전도도가 190~210W/mK 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 주조용 알루미늄 합금.
중량%로, 실리콘(Si): 0.5~2.3%, 철(Fe): 0.6~1.8%, 티타늄(Ti):0.01~0.2%, 보론(B):0.005~0.05%, 스트론튬(Sr): 0.1~0.3%, 잔여 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 불순물은, 구리(Cu): 0.08% 이하, 망간(Mn): 0.05% 이하, 마그네슘(Mg): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 0.1% 이하 및 아연(Zn): 0.1%이하 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 그리고 하기 관계식 1-4를 각각 만족하는 알루미늄 합금을 용융시키는 공정;
상기 용융된 알루미늄 합금 용탕을 이용하여 주조함으로써 주조품을 얻는 공정; 및
상기 주조품을 150~250℃의 온도범위에서 1~2시간 동안 어닐링처리 후 공냉하는 공정;을 포함하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
[관계식 1]
1.1중량%≤ Si+Fe ≤4.1중량%
[관계식 2]
0.8≤ Si/Fe ≤3.8
[관계식 3]
2.0≤[(Si+Fe)/(Ti+B+Sr)]≤ 7.7
[관계식 4]
2.9≤ [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] ≤58.0
제 9항에 있어서, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Si+Fe 값이 1.6~2.9중량%인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 관계식 2에 의해 정의되는 Si/Fe 함량비가 1.6~3.3인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 관계식 3에 의해 정의되는 (Si+Fe)/(Ti+B+Sr) 함량비가 4.27~7.7인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 주조용 알루미늄 합금은, 중량%로, 실리콘(Si): 1.0~2.0%, 철(Fe): 0.6~0.9%, 티타늄(Ti):0.02~0.1%, 보론(B):0.005~0.025% 및 스트론튬(Sr): 0.15~0.25%을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 불순물은 중량%로, 구리(Cu): 0.005% 이하, 망간(Mn): 0.005% 이하, 마그네슘(Mg): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 0.015% 이하 및 아연(Zn): 0.02%이하 중 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 관계식 4에 의해 정의되는 [(Si+Fe)/(Cu+Mn+Mg+Cr+Zn)] 함량비가 32.0~58.0의 범위를 가짐을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 공정은,
알루미늄을 용해로에 장입한 후 그 용융점 이상의 온도로 가열함으로써 Al 용탕을 제조하는 제1 공정; 740~770℃의 온도에서 Si와 Fe를 용탕에 투입하는 제2 공정; 680~720℃의 온도에서 TiB 모합금을 용탕에 투입하는 제3 공정; 재승온하여 730~770℃에서 Sr을 용탕에 투입하는 제4 공정; 740~760℃ 온도에서 Ar(아르곤)가스로 15~20분 취입함으로써 용탕 내 가스 및 산화물 등 불순물을 제거하는 제5 공정; 및 680~700℃의 온도에서 용탕을 출탕하는 제6 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 주조는 다이캐스팅 주조인 것을 특징으로 하는 열전도율이 우수한 알루미늄 주조합금 제조방법.