KR20220063541A - 아노다이징 처리되어 외관 품질이 우수한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법 - Google Patents

아노다이징 처리되어 외관 품질이 우수한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이캐스팅 공정을 통해 성형품을 제조하고, 성형품을 아노다이징 처리하여 외관 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법은, (a) 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al)을 포함하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계; (b) 상기 알루미늄 합금을 용해로에서 용융시켜 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; (c) 상기 알루미늄 합금 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 알루미늄 합금 성형품을 전해액에 침지시키고, 전류가 흐르게 하여 상기 알루미늄 합금 성형품의 표면에 산화피막을 형성시키는 단계;를 포함하되, 상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 2.5 내지 7 중량%, 아연(Zn) 1 내지 3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.3 내지 2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.05 내지 0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.5 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

아노다이징 처리되어 외관 품질이 우수한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법{Method for manufacturing aluminum alloy die-cast products with excellent appearance quality by anodizing treatment}
본 발명은 다이캐스팅 공정을 통해 성형품을 제조하고, 성형품을 아노다이징 처리하여 외관 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 무게가 가볍고 강도가 우수한 고내구성 재료로 자동차 부품, 전자 제품의 케이스 등의 제품을 제조하기 위한 소재로 많이 사용되고 있다.
일반적으로, 알루미늄 합금은 제품의 제조방법에 따라 주조용 합금과 가공용 합금으로 분류할 수 있으며, 주조용 합금은 사형주조, 금형주조, 고압주조, 다이캐스팅, 특수주조 등의 방법으로 제품을 생산하고, 가공용 알루미늄 합금은 압연, 압출, 단조, 프레스 등과 같은 방법으로 제품을 생산하며, 아노다이징 처리를 통해 제품 표면에 양극 산화 피막을 형성시켜 장시간 사용하여도 손상되지 않고 미려한 색상의 표면을 갖는 제품을 제조하여 사용하고 있다.
최근에는, 주조성이 우수한 ALDC 3종, ALDC 10종, ALDC 12종 등의 Al-Si계 합금과 ALDC 5종 혹은 ALDC 6종 등의 Al-Mg계 합금과 같은 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 사용하여 다이캐스팅 방법으로 제품을 제조하고 있으며, 표면의 개질과 다양한 색상의 처리를 위해 아노다이징(전기산화피막처리) 공정을 통하여 상품성을 높이는 작업이 최근 큰 이슈로 등장하고 있다.
또한, 알루미늄 합금의 아노다이징 공정은 양극에서 발생하는 산소에 의해 소지금속과 높은 밀착력을 갖는 산화피막을 형성하는 양극산화를 통해 진행하며, 산화 피막은 내식성, 내마모성, 소지 금속과의 밀착성, 장기 내구성이 우수하고, 산화피막의 특징적인 다공성층에 염료를 봉입하고 봉공처리(sealing)하는 저비용의 착색과정(coloring)을 통해 미려한 장식성 외관을 얻을 수 있는 장점으로 인해 특히 알루미늄 및 그 합금과 관련하여 그 사용이 증대되고 있다.
하지만, 다이캐스팅에 의해 성형한 제품에 대해서는 아노다이징을 적용하여 제품을 성형하는 경우, 합금 조성 변화에 의해 흐름 자국(flow mark), 균열 등이 발생하여 외관 품질이 저하되는 문제가 있고, 파괴강도 등의 특성이 저하되어 실제 제품으로 양산하기 어려운 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일례로, 문헌 1인 한국등록특허 제10-1743234호는 아노다이징처리에 의한 피막형성을 가능하게 하는 다이캐스팅용 알루미늄합금으로, 구리(Cu) 0.03 ~ 0.8 중량%, 아연(Zn) 0.7 ~ 4.5 중량%, 니켈(Ni) 0.1 ~ 3.5 중량%, 철(Fe) 0.3 ~ 5.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 5.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.02 ~ 3.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 4.5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.4 ~ 1.3 중량%, 카드뮴(Cd) 0.3 ~ 1.7 중량%, 베릴륨(Br) 0.5 ~ 3.0 중량%, 주석(Sn) 0.03 ~ 3.5 중량%, 납(Pb) 0.03 ~ 3.5 중량%, 붕소(B) 0.1 ~ 4.0 중량%, 코발트(Co) 0.3 ~ 3.5 중량%, 이리듐(Ir) 0.05 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) 0.07 ~ 3.0 중량%, 팔라듐(Pd) 0.03 ~ 0.9 중량%, 및 규소(Si) 0.1 ~ 3.0 중량%를 포함하고; 잔부가 알루미늄(Al)으로 이루어진 성분비로 조성된 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 내용이 개시된 바 있다.
하지만, 문헌 1에 개시된 알루미늄 합금은 니켈, 납, 베릴륨, 코발트, 카드뮴 등의 유해원소를 필수적으로 포함하여 사용이 제한적이라는 문제가 있다.
또 다른 예로, 문헌 2인 한국등록특허 제10-2015-0040631호는 다이캐스트용 알루미늄 합금과 휴대용 전기장치의 메탈 케이스 및 그 제조방법에 관한 것으로, Mn 1.95 내지 4.10 중량%, Zn 0.1 내지 2.0 중량%, Zr 0.3 내지 0.8 중량%, Ti 0.03 내지 0.09 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함한 것을 특징으로 하는 다이캐스트용 알루미늄 합금에 관한 내용이 개시된 바 있다.
하지만, 문헌 2에 개시된 바와 같은 알루미늄 합금은 실리콘 첨가 없이 다이캐스팅을 위한 유동성을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 생성금형에 알루미늄 합금이 주형 내부에 눌어붙는 소착(burning) 현상이 발생될 우려가 있고, 아노다이징 처리에 의해 생성되는 산화피막의 두께가 불균일해 외관 품질이 낮다는 단점이 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
한국등록특허 제10-1743234호 (공고일 : 2017.06.02) 한국공개특허 제10-2015-0040631호 (공개일 : 2015.04.15) 한국공개특허 제10-2011-0038357호 (공개일 : 2011.04.14) 한국공개특허 제10-1997-0065754호 (공개일 : 1997.10.13)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 망간(Mn)을 2.5 중량% 이상 고함량 함유하여 합금의 유동성을 크게 향상시켜 다이캐스팅 주조 공정을 용이하게 하고 소착이 발생되지 않도록 할 뿐만 아니라, 아노다이징 처리에 의해 두께가 균일하고 두꺼운 산화피막을 형성시킬 수 있어 외관 품질이 우수한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품을 제조할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 니켈(Ni), 납(Pb), 베릴륨(Br), 코발트(Co) 등과 같은 유해원소와 불가피한 불순물로 포함되는 경우 이외에 실리콘(Si)과 구리(Cu)가 의도적으로 포함되지 않아 아노다이징 처리에 의해 광택도가 우수한 표면을 갖는 제품을 제조할 수 있는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; (b) 상기 알루미늄 합금 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급한 다음 성형하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 알루미늄 합금 성형품을 전해액에 침지시키고, 전류가 흐르게 하여 상기 알루미늄 합금 성형품의 표면에 산화피막을 형성시키는 단계;를 포함하되, 상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 2.5 내지 7 중량%, 아연(Zn) 1 내지 3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.3 내지 2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.05 내지 0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.5 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 단계(a)에서는, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제조한 다음, 상기 알루미늄 합금 용탕에 칼슘 화합물을 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 단계(a)에서는, 700 내지 950 ℃로 가열하여 알루미늄 합금 용탕을 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 단계 (c)에서는, 10 내지 50 mA/의 전류밀도로 전류가 흐르게 하고, 전해액의 온도를 10 내지 30 ℃로 유지시킨 상태에서 상기 산화피막을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 단계 (c)에서는, 상기 산화 피막이 형성된 알루미늄 합금 성형품을 착색액에 침지시켜 상기 성형품의 표면에 착색액을 흡착시켜 착색 성형품을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 단계 (c)에서는, 상기 착색 성형품을 제조한 다음, 상기 착색 성형품을 봉공 처리액에 침지시켜 봉공처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 칼슘(Ca) 0.02 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법은 망간(Mn)을 2.5 중량% 이상 고함량 함유하여 합금의 유동성을 크게 향상시켜 다이캐스팅 주조 공정을 용이하게 하고 소착이 발생되지 않도록 할 뿐만 아니라, 아노다이징 처리에 의해 두께가 균일하고 두꺼운 산화피막을 형성시킬 수 있어 외관 품질이 우수한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품을 제조할 수 있다.
또한, 니켈(Ni), 납(Pb), 베릴륨(Br), 코발트(Co) 등과 같은 유해원소와 불가피한 불순물로 포함되는 경우 이외에 실리콘(Si)과 구리(Cu)가 의도적으로 포함되지 않아 아노다이징 처리에 의해 광택도가 우수한 표면을 갖는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법으로 제조한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 구조를 나타낸 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법은, (a) 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; (b) 상기 알루미늄 합금 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급한 다음 성형하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 알루미늄 합금 성형품을 전해액에 침지시키고, 전류가 흐르게 하여 상기 알루미늄 합금 성형품의 표면에 산화피막을 형성시키는 단계;를 포함한다.
상기 단계(a)는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계이다.
알루미늄 합금 용탕은 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법에서 알루미늄 합금 용탕은 실리콘(Si)과 구리(Cu)를 가 의도적으로 포함되지 않아 아노다이징 처리를 통해 광택도가 우수한 제품을 제조할 수 있으며, 망간(Mn)을 2.5 중량% 이상 고함량 함유하여 합금의 유동성을 향상시키고 주형 내부에 기포가 생성되지 않도록 하여 다이캐스팅 주조 공정을 용이하게 할 뿐만 아니라 외관 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있도록 하고, 제조한 제품은 조대한 막대 형상의 금속간 화합물 생성을 억제하여 강도가 우수할 뿐만 아니라, 균열 저항성 등의 특성이 우수하다.
또한, 알루미늄 합금 용탕은 주요 합금 원소인 철(Fe)이 α-Fe 금속간 화합물, β상, Al6(Mn,FE)상 등 다양한 금속간 화합물을 생성하기 때문에 석출상 제어를 통해 물성을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용탕은 칼슘(Ca)을 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 칼슘(Ca)은 Al3Fe 등과 같은 철(Fe)계 금속간 화합물의 상 미세화와 구형화를 유도하여 내마모성과 항복강도를 향상시킬 수 있고, 철(Fe)을 포함하는 경우에도 인장강도와 연신율 등의 인장특성의 저하를 방지할 수 있으며, 양극 효율을 향상시켜 아노다이징 처리시 양극 산화를 촉진시켜 두께가 균일하고 치밀하면서도 두꺼운 구조의 산화피막층이 생성되도록 유도하여 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 내구성을 향상시키도록 한다.
본 단계에서는, 700 내지 950 ℃의 온도로 가열해 알루미늄 용탕을 제조할 수 있으며, 특히, 700 내지 800 ℃의 온도로 가열해 알루미늄 모재를 용해하여 용탕을 제조한 다음 용탕을 800 내지 950 ℃의 온도로 가열하여 칼슘 화합물을 혼합하고, 칼슘 화합물에 함유된 불순물을 제거한 다음 용탕을 다이캐스팅시켜 성형품을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 아노다이징 처리에 의해 알루미늄 합금 표면에 5 내지 50 ㎛ 두께의 산화피막이 형성되며, 산화 피막에는 수십 나노미터(nm) 크기의 직경을 갖는 미세 홀이 수직한 방향으로 다량 형성되고 수직 홀은 일면이 개방된 구조의 다공성 구조의 산화피막을 형성시킬 수 있으며, 이와 같은 산화 피막은 투명도가 높고 착색하여도 금속 질감을 상실하지 않아 장식성이 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 생성할 수 있다.
본 단계에서 알루미늄 합금 용탕은 700 내지 950 ℃의 온도로 가열하여 각각의 성분을 용해시켜 용탕을 제조할 수 있으며, 칼슘 화합물을 혼합하는 경우 700 내지 950 ℃의 온도로 가열하여 용탕을 제조하는 것이 바람직하며, 칼슘 화합물에 포함된 불순물을 제거하고, 용탕 내에 칼슘의 함량을 높일 수 있도록 구성할 수 있다. 용탕의 온도가 800 ℃ 미만일 경우 용탕 내에서 칼슘의 함량을 0.01 중량%로 늘리기 힘든 문제가 있고, 950 ℃를 초과할 경우 칼슘의 고용량을 추가적으로 높이기 어렵다. 보다 바람직하게는, 700 내지 750 ℃의 온도로 알루미늄(Al), 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti)을 용해시켜 알루미늄 합금 용탕을 제조할 수 있으며, 칼슘(Ca)을 첨가하는 경우 700 내지 750 ℃의 온도로 알루미늄(Al), 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti)을 용해시켜 알루미늄 합금 용탕을 제조한 다음 제조한 용탕을 800 내지 900 ℃의 온도로 가열하여 칼슘의 함량을 0.01 내지 0.1 중량%가 되도록 증가시킬 수 있다.
이때, 용탕의 온도가 800 ℃ 미만일 경우 칼슘(Ca)의 함량이 0.01 중량% 이상 함유되기 힘들다는 문제가 있고, 900 ℃를 초과할 경우 추가적인 함량 증가를 기대하기 어렵다. 바람직하게는, 칼슘(Ca)의 함량을 0.01 내지 0.1 중량%가 되도록 조절할 수 있다.
한편, 상기 단계(b)에서는, 알루미늄 합금 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급한 다음 성형하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하는 단계이다.
상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 2.5 내지 7 중량%, 아연(Zn) 1 내지 3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.3 내지 2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.05 내지 0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.5 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기와 같은 알루미늄 합금 성형품은 다이캐스팅 방법으로 제품 제조시 제품의 표면에 아노다이징을 통한 산화피막이 잘 형성되어 색상을 균일하게 얻을 수 있고, 우수한 내마모성을 구현할 수 있어 제조한 제품의 내구성이 우수하다.
참고로, 실리콘(Si)은 알루미늄 합금을 다이캐스팅시 주조성을 향상시키도록 하나, 연신 특성을 저하시키고, 제품 표면에 얼룩을 발생시켜 광택성을 저하시킨다는 문제가 있고, 구리(Cu)는 응력 부식 균열에 대한 저항을 증가시키는 역할을 하는 하나 제품 표면에 얼룩을 발생시켜 광택성을 저하시킨다는 문제가 있다.
알루미늄 합금 용탕에 포함되는 각각의 조성에 대해 상세히 살펴보면, 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 포함되는 망간(Mn)은 알루미늄 잉고트(INGOT)의 용해과정에서 첨가되어 조직의 미세화를 증가시키고, Mn-Al6 상을 석출시켜 고용강화와 미세 석출물의 분산을 통해 알루미늄 합금의 기계적 물성을 향상시키고, 재결정화를 억제하여 균질화 처리 이후에도 높은 물성을 유지시키도록 하며, 용탕시 합금의 유동성을 향상시켜 다이캐스팅 주조 공정을 용이하게 할 뿐만 아니라, 아노다이징시 변색을 방지하도록 하기 위해 도입하는 원소이다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 망간(Mn)은 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 2.5 내지 7 중량%의 함량으로 포함될 수 있으며, 망간이 2.5 중량% 미만 포함될 경우 합금의 유동성과 강도 개선 효과가 미미하고, 7 중량%를 초과할 경우 소착이 발생할 뿐만 아니라 합금 조직 내에서 망간이 완전히 고용되지 않아 조대한 금속간 화합물을 형성하고, 입계에서의 금속간 화합물이 발생하여 선택적 부식에 의한 미관품질 저하를 유발할 우려가 있으며, 강도 및 광택도를 저하시켜 불량발생의 원인이 될 우려가 있다.
아연(Zn)은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 강화 원소로 작용하며, 고용 범위 내에서 첨가 시 강화 효과를 부여하여 강도를 향상시키는 역할을 하며, 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 1 내지 3 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
아연(Zn)의 함량이 1 중량% 미만일 경우 충분한 강도 향상 효과를 달성하기 어렵고, 3 중량%를 초과할 경우 편석 발생의 요인이 되어 균일한 외관을 얻을 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
지르코늄(Zr)은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 양극산화를 가능하게 하고 아노다이징시 화학적 반응을 하는 원소로서, 고용된 Al-Zr 또는 정출된 지르코늄(Zr)은 모두 알루미늄(Al)과 동등한 수준으로 양극산화 반응하여 균일한 다공성층을 형성한다. 특히, 고용시 기지 내에 매우 작은 미립원소로 고용되므로, 결정립 미세화를 촉진시켜 기계적 성질을 향상하는 역할을 하며, 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 0.3 내지 2 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
지르코늄(Zr)의 함량이 0.3 중량% 미만일 경우 양극산화에 의해 산화피막을 형성시키기 힘들고 충분한 기계적 물성 향상 효과를 기대하기 어려우며, 2 중량%를 초과할 경우 미세조직상 편석대 생성에 의한 조직 내 경화점(hard spot)이 생성될 우려가 있고, 인장 특성 중 연신률의 저하를 발생시킬 우려가 있다.
철(Fe)은 상온에서 알루미늄에의 고용도가 0.052 중량%로서 매우 낮아 주조 후에는 대부분 Al3Fe 등의 금속간화합물로 정출되기 때문에 알루미늄에 첨가되어 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화하면서 강도를 증가시킬 수 있고, 다이캐스팅용 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 금형에서의 점착성을 감소시켜 알루미늄 합금이 주형 내부에 늘러붙는 소착(burning) 현상 발생을 개선하고 금형의 침식을 저하시키는 역할을 하며, 전체 합금의 총중량을 기준으로 0.1 내지 2 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
철(Fe)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 탈형성이 저하되어 금형에 알루미늄 합금이 소착될 우려가 있고, 2 중량%를 초과하는 경우 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어 합금의 주조성을 저하시키고, 아노다이징 중 급격한 산화로 인해 외관 품질과 내식성 저하가 발생될 우려가 있다.
스트론튬(Sr)은 강도를 향상시키고 제품 조직 내에서 조성의 분포를 균일하게 하여 편석 생성을 방지하는 역할을 하며 망간을 2 중량% 이상의 함량으로 고함량 포함하는 경우에도 조대한 막대 형상의 금속간 화합물 생성을 억제하여 강도 저하를 방지할 수 있도록 하며, 전체 합금의 총중량을 기준으로 0.05 내지 0.1 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
스트론튬(Sr)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우 조성 균일성을 구현하기 어렵고, 0.5 중량%를 초과할 경우 알루미늄 합금의 연성이 저하될 우려가 있다.
티타늄(Ti)은 결정립을 미세화하여 열간 크랙을 방지하고, 광택성을 향상시키는 역할을 하며, 알루미늄(Al)과의 고용이 매우 적은 원소로서, 포정반응에 의한 핵생성처로 활용되며, 제품의 물성, 특히 경도를 향상시킬 수 있고, 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 0.05 내지 0.5 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다.
티타늄(Ti)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우 결정립 미세화 효과가 구현되기 힘들고, 0.5 중량%를 초과하는 경우 추가적인 물성 향상을 기대하기 어렵다.
한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 물성 향상을 위해 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 및 칼슘(Ca)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 크롬(Cr)은 알루미늄 합금에서 응력 부식 균열을 방지하고, 내식성을 향상시키는 역할을 하고, 열처리시 미세한 화합물로 석출되어 결정립 성장을 억제하는 효과를 부여하나, 과다로 함유되는 경우 강도가 저하될 우려가 있어 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 0.03 중량% 이하로 포함되도록 제한하는 것이 바람직하다.
마그네슘(Mg)은 망간 사용에 따른 강도 저하를 개선하며, 균일한 표면 광택을 갖는 합금을 제조할 수 있도록 하며, 내식성, 강도, 연성증가를 위해 첨가할 수 있으며, 알루미늄(Al)과 결합하여 Al₂Mg₂상(相)을 생성하여 알루미늄 합금의 강도를 증가시키는 역할을 하나, 함량 과다시 열전도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 함량 미달시 강도가 저하되므로 강도 및 신율 확보를 위해 전체 합금의 총중량을 기준으로 0.01 중량% 이하로 포함되도록 제한하는 것이 바람직하다.
주석(Sn)은 미량의 첨가를 통해서도 알루미늄 합금의 성형성을 향상시키기 위해 첨가할 수 있으나, 함량 과다시 주석 입자의 분율이 증가하여 알루미늄 합금의 강도 및 경도를 급격한 저하를 유발할 우려가 있어 전체 합금의 총중량을 기준으로 0.5 중량% 이하로 포함되도록 제한하는 것이 바람직하다.
칼슘(Ca)은 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 0.01 내지 0.1 중량%의 함량으로 첨가될 수 있으며, 칼슘을 포함하는 화합물을 도입할 수 있고, 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN), 탄화칼슘(CaC2), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산칼슘(CaCO3) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 칼슘 화합물을 사용할 수 있다.
칼슘(Ca)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 물성 향상을 기대하기 어렵고, 0.1 중량%를 초과하는 경우 아노다이징 중 급격한 산화가 발생하고, 산화 피막의 두께가 불균일해지며, 광택도가 저하되는 등 제품의 외관 품질 저하가 발생될 우려가 있다.
한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 성형품은 조직에 불가피하게 존재하는 불순물을 포함할 수 있으며, 상기 불순물은 실리콘(Si), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 베릴륨(Br), 카드뮴(Cd) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한받는 것은 아니다.
상기와 같은 불순물은 알루미늄 합금의 전체 합금의 총중량을 기준으로 0.01 내지 0.2 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기한 바와 같은 알루미늄 합금 다이캐스트 제품은 실리콘(Si)과 구리(Cu)를 가 의도적으로 포함되지 않아 아노다이징 처리를 통해 광택도가 우수한 제품을 제조할 수 있으며, 망간(Mn)을 2.5 중량% 이상 고함량 함유하여 합금의 유동성을 향상시키고 주형 내부에 기포가 생성되지 않도록 하여 다이캐스팅 주조 공정을 용이하게 할 뿐만 아니라 소착이 발생되지 않아 외관 품질이 우수한 제품을 제조할 수 있도록 하고, 조대한 막대 형상의 금속간 화합물 생성을 억제하여 강도가 우수할 뿐만 아니라, 균열 저항성 등의 특성이 우수하다.
또한, 다이캐스팅 방법으로 제품 제조시 제품의 표면에 아노다이징 처리에 의해 두께가 균일하고 두꺼운 산화피막을 형성시킬 수 있어 아노다이징을 통한 산화피막이 잘 형성되어 색상을 균일하게 얻을 수 있고, 우수한 내마모성을 구현할 수 있어 외관 품질과 제품 내구성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, 니켈(Ni), 납(Pb), 베릴륨(Br), 코발트(Co) 등과 같은 유해원소와 불가피한 불순물로 포함되는 경우 이외에 실리콘(Si)과 구리(Cu)가 의도적으로 포함되지 않아 아노다이징 처리를 통해 광택도가 우수하다.
본 단계에서는 알루미늄 잉곳을 용해시켜 용탕을 제조한 다음 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti)을 도입해 알루미늄 합금 용탕을 제조할 수 있다.
다이캐스트는 알루미늄 합금 용탕을 주형에 주입한 다음 성형하여 주조품을 제조하는 공정을 의미하며, 고속고압 다이캐스팅법 또는 진공 다이캐스팅법 등을 사용할 수 있다.
특히, 본 단계에서는, 망간(Mn)을 2.5 중량%이상 고함량 함유하여 주조성을 크게 향상시키도록 하고, 철(Fe)을 도입하여 소착과 균열 발생을 방지함에 따라 외관 특성이 우수한 알루미늄 합금 제품을 제조할 수 있다.
다이캐스팅을 위한 용탕의 온도는 600 내지 950 ℃인 것이 좋으며, 다이캐스팅 주형의 온도를 300 내지 500 ℃로 유지시켜 과냉각에 의한 악영향을 방지하도록 구성할 수 있으며, 이와 같은 다이캐스팅 공정에 의해 가공의 자유도 및 치수 정밀도 부분에서 우수하고 박육제품의 성형도 가능하며 대량 생산에도 이점이 있다.
또한, 본 단계에서는, 알루미늄 합금 성형품을 제조한 다음 성형품의 게이트, 런너, 오버플로우 부분은 프레스 작업을 통해 제거하고, 내부 형상에 따라 추가적인 프레스 작업을 병행할 수도 있다.
그리고, 본 단계에서는, 알루미늄 합금 성형품의 표면을 연마처리하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있고, 성형품을 연마하여 표면조정을 함으로써, 아노다이징 처리효율을 향상시킬 수 있다. 상기 연마공정은 물리적 연마, 화학적 연마 등을 실시할 수 있다. 물리적 연마로는 버핑, 샌딩 등이 있고, 화학적 연마로는 특정 화학약품에 침지하여 표면을 연마할 수 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다.
한편, 상기 단계(c)에서는, 알루미늄 합금 성형품을 전해액에 침지시키고, 전류가 흐르게 하여 상기 알루미늄 합금 성형품의 표면에 산화피막을 형성시키는 단계이다.
본 단계에서는, 목적에 맞게 옥살산(oxalic acid), 황산(sulfuric acid), 크롬산(chromic acid) 또는 이들의 혼합물 등의 수용액에 상기 성형품을 침지하여 전류를 흐르게 함으로써, 상기 성형품의 표면에 다공질의 딱딱한 산화막을 형성시켜 알루미늄 성형품의 내식성 향상 및 장식성, 외관 등을 개선시킬 수 있다. 아노다이징 처리는 전류밀도 및 처리시간 등은 제한되지 않고 성형품의 치수, 형상, 용도 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
아노다이징 처리에 의해 생성되는 산화피막은 두께, 경도, 다공성 등이 아노다이징 처리 온도, 전류밀도, 처리 시간 등에 영향을 받으며, 온도와 전류밀도가 높을수록 피막의 경도와 내마모성이 저하되는 특성을 보이며, 착색액의 흡입량이 증가하여 색상 구현에 용이하고, 피막의 중량이 낮아지는 특성을 보인다. 이에 반해, 온도와 전류밀도가 낮을수록 피막의 경도와 내마모성 등의 특성이 향상되나, 착색액의 흡착량이 적어 색상 구현에 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있어 목적에 맞게 아노다이징 처리를 수행할 수 있다.
본 단계에서는, 10 내지 50 mA/의 전류밀도로 전류가 흐르게 하고, 전해액의 온도를 10 내지 30 ℃로 유지시킨 상태에서 상기 산화피막을 형성시키는 것이 바람직하며, 성형품의 표면에 10 내지 30 ㎛ 두께의 산화피막을 형성시킬 수 있으며, 특히, 칼슘을 첨가하는 경우 칼슘이 희생 양극으로 작용해 동일한 조건 대비 두께가 두꺼운 산화피막층을 형성시킬 수 있게 된다.
전해액은 황산 15 중량%, 옥살산 5 중량%, 붕산염 5 중량% 및 나머지 증류수를 포함하는 혼합 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 상기한 바와 같은 아노다이징 처리를 통해 형성시킨 산화피막층은 나노미터 크기의 직경을 갖는 미세한 크기의 홀을 다량 형성시키며, 형성된 홀은 성형품의 표면에서 수직하는 방향으로 형성되고 일면은 개방되어 착색액을 흡착하는 구조를 형성할 수 있다. 또한, 산화피막층은 투명도가 높고 착색액을 흡착시키는 경우에도 금속 질감을 소실하지 않아 장식성이 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
한편, 본 단계에서는, 산화 피막을 형성시킨 알루미늄 합금 성형품을 바로 제품화하여 알루미늄 합금 다이캐스트 제품으로 사용할 수 있으나, 후가공 처리를 통해 가공하여 다양한 색상을 갖는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품을 제조하도록 구성할 수도 있다.
이를 위해, 본 단계에서는, 상기 산화 피막이 형성된 알루미늄 합금 성형품을 착색액에 침지시켜 상기 성형품의 표면에 형성된 미세 홀에 착색액을 흡착시켜 착색 성형품을 제조하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 유기염료, 무기염료, 전해착색, 안료침전 혹은 유기염료와 전해착색의 혼합물 등을 착색액으로 사용하여 제품 표면을 착색시킬 수 있다.
또한, 본 단계에서는, 착색 성형품을 제조한 다음, 상기 착색 성형품을 봉공 처리액에 침지시켜 봉공처리하는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다. 봉공처리는 다공성 산화피막층이 이물질, 약품 등을 흡착하여 산화피막의 구조가 물리적으로 손상을 받을 수 있어 양극피막의 내식성을 강화하고, 염료의 변색이나 햇빛에 의한 퇴색방지성 및 완성품의 더러움 등을 개선하기 위해 수행하며, 표면에 유기피막을 형성시켜 이와 같은 목적을 달성할 수 있다. 봉공 처리는 탈이온수, 증류수 등을 이용해 수행할 수 있으며, 90 내지 100 ℃에서 수행하고, 산화피막의 두께별로 1 내지 30분 동안 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 단계에서는, 수화봉공, 금속성 봉공, 유기물 봉공, 저온 봉공 등의 방법으로 기공을 막는 봉공 처리를 수행할 수 있으며, 봉공 처리를 통해 흑색, 적색, 골드, 녹색, 청색, 핑크색 등의 미려하고 다양한 색상을 갖는 제품을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 60 내지 80 ℃의 니켈 염 수용액(아세트산 니켈) 또는 부틸 카르비톨, 테트라클로로에틸렌, 부틸 셀루솔브, 젖산 및 증류수를 포함하는 봉공 처리액에 침지시킨 상태에서 산화층의 두께 당 1 내지 3분/㎛ 동안 침지시켜 고광택 표면을 확보할 수 있도록 한다.
또한, 본 단계에서는, 봉공처리한 성형품의 표면에 피막처리제를 도포하여 보호 피막층을 형성시키는 단계를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다. 이와 같은 피막공정은 봉공처리 후에 알루미늄 합금 성형품 표면에 대한 내식성 및 내 마모도를 향상시키기 위하여 수행할 수 있다. 피막처리제는 비이온성 화합물을 포함할 수 있으며, 80 내지 90 ℃에서 5 내지 10분 동안 피막 처리할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법으로 제조한 알루미늄 합금 다이캐스트 제품은 도 2에 나타낸 바와 같이, 아노다이징 처리 후 생성한 다공성 산화피막층을 착색하여 미세 홀에 착색액을 흡착시키고, 봉공처리에 의해 미세홀을 막아 기존 알루미늄 합금이 가진 특색을 살려 다양한 장식표현이 가능하여, 자동차 부품, 전장 제품, 전자기기 케이스 등과 같은 다양한 제품에 적용이 가능하다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 알루미늄 합금 용탕은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 알루미늄 합금 용탕은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 칼슘(Ca) 0.02 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 및 비교예>
하기 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같은 조성으로 알루미늄 합금 잉곳을 마련한 다음 각각의 잉곳들을 750 ℃의 용해로에서 용해시켜 용탕을 제조하였고, 제조한 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급한 다음 주조하여 알루미늄 합금 시편을 제조하였다. 각각의 잉곳은 불순물은 전체 합금 성형품의 총중량을 기준으로 0.2 중량% 미만이 되도록 조절한 것을 사용하였다.
이때, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 조성의 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 경우 750 ℃의 온도로 가열하여 제조하였고, 칼슘(Ca)을 첨가하는 경우 실시예 3 및 비교예 3의 경우 750 ℃의 온도로 가열하여 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al)을 혼합한 다음 800 내지 950 ℃의 온도로 승온시킨 상태에서 산화칼슘을 첨가하고, 혼합하여 제조하였다.
제조한 알루미늄 합금 시편의 표면을 탈지액에 침지시켜 탈지시키고, 알칼리 수용액에 침적 세정시킨 다음, 화학적 연마처리하고, 디스머트 용액에 침적 세정시켜 전처리하였다. 탈지액은 NaOH 100 g/L, 탄산나트륨 80 g/L, 노닐페놀 에톡시레이트 3 mL/L를 포함하는 수용액을 이용하였고, 알칼리 수용액은 NaOH 110 g/L를 포함하는 수산화나트륨 수용액을 사용하였으며, 질산 및 불산을 포함하는 디스머트 용액에서 30 ℃의 온도로 5분 동안 침적시켰다.
전처리한 알루미늄 합금 시편을 전해액에 침지시키고 18 V로 전압을 인가해 20 mA/cm2의 전류밀도로 흘려 20분 동안 양극 산화시키는 아노다이징 처리를 통해 시편 표면에 산화피막을 형성시켰다. 전해액은 황산 15 중량%, 옥살산 5 중량%, 붕산염 5 중량% 및 나머지 증류수를 포함하는 혼합 용액을 사용하였다.
산화피막을 형성시킨 시편을 착색제(Black MLW)에 침지시킨 다음 70 ℃에서 20분 동안 침적시켜 착색하고, 착색한 시편을 봉공 처리액에 침적시켜 봉공처리하였으며, 수세 및 건조하여 알루미늄 합금 시편 제품을 제조하였다. 봉공 처리액은 부틸 카르비톨 3 중량%, 테트라클로로에틸렌 2 중량%, 부틸 셀루솔브 5 중량%, 젖산 2 중량% 및 나머지 증류수를 포함하는 혼합 용액을 봉공처리를 위해 사용하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
<실험예>
(1) 유동성 및 크랙 민감도 평가
실시예 및 비교예에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금 용탕을 200 ℃의 온도로 유지된 유동성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 일정한 거리를 유동한 후에 응고된 길이(단위 : mm)를 측정하는 방법으로 유동성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 유동성은 시편을 폭 10 mm, 두께 4 mm, 최대길이 1200 mm의 크기가 되도록 제조하여 평가하였다.
또한, 실시예 및 비교예에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금 용탕을 200 ℃의 온도로 유지된 크랙성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 응고시킨 후에 하기 식 1을 이용해 크랙 민감도를 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4 내지 표 6에 나타내었다(단, 하기 식 1에서 HTS는 크랙 민감도, Wcrack은 크랙 폭 인자, flength는 크랙 길이 인자, flocation은 크랙 위치 인자를 의미함).
[식 1]
HTS = ∑(Wcrack flength flocation)
(2) 광택도 평가
실시예 및 비교예에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금의 표면 광택도를 평가하였으며, 그 결과를 표 4 내지 표 6에 나타내었다. 광택도는 광택을 양적으로 표시한 것으로, ISO 7668 기준에 따라 60ㅀ 광택계를 이용해 측정하였다.
(3) 기계적 물성 평가
만능재료시험기(Instron 5982)를 사용해서 실시예 및 비교예에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금의 ASTM Subsize 규격의 시편을 기계적 물성을 평가하였으며, 그 결과를 표 4 내지 표 6에 나타내었다. 기계적 물성은 알루미늄 합금 시편의 항복강도(YTS, 단위 : MPa), 인장강도(UTS, 단위 : MPa) 및 연신율(El, 단위 : %)을 측정하여 평가하였다.
(4) 산화 피막 두께 및 외관 평가
실시예 및 비교예에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금 시편을 양극 산화시킨 다음 산화 피막의 두께(단위 : ㎛)를 평가하였으며, 그 결과를 표 4 내지 표 6에 나타내었다. 산화 피막의 두께 및 두께 불균형은 전계방사형 전자현미경(FE-SEM)를 이용하여 측정하였다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
표 4 내지 표 6에 나타낸 바와 같이, 유동성과 크랙 민감도를 평가한 결과 망간(Mn)의 함량에 따라 유동성이 영향을 받으며, 스트론튬(Sr)의 첨가량에 따라서도 영향을 받는다는 사실을 확인할 수 있었다. 크랙 민감도의 경우 망간의 함량에 따라 유동성이 영향을 받으며, 티타늄(Ti)의 첨가량에 따라서도 영향을 받는다는 사실을 확인할 수 있었다.
또한, 광택도를 평가한 결과 광택도는 아연(Zn)의 함량에 의해 크게 영향을 받으며, 망간(Mn), 철(Fe) 등의 함량에 의해서도 영향을 받는 것으로 확인되었고, 또한, 기계적 물성을 평가한 결과 망간(Mn), 철(Fe)의 함량에 따라 영향을 받는다는 사실을 확인할 수 있고, 피막 두께를 평가한 결과 전기 전도성을 갖는 철(Fe)과 전도성이 낮은 아연(Zn), 티타늄(Ti) 등의 첨가량에 따라서도 영향을 받는다는 사실을 확인할 수 있었다.
상기한 바와 같은 결과를 통해서, 실시예 1-2 및 실시예 1-3에 따른 조성을 갖는 알루미늄 합금은 망간(Mn)과 티타늄(Ti)의 도입에 의해 유동성이 가장 우수하고, 크랙 민감도가 낮아 우수한 주조성을 가지고 있어 다이캐스팅 방법을 통해 다양한 제품을 제조할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
또한, 광택도의 경우에는 아연 첨가량에 따라 영향을 향상되는 측면을 보이나, 기계적 물성을 고려할 때, 실시예 1-2 및 실시예 1-3에 따른 조성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 가장 적합한 것으로 판단되었다.
그리고, 피막 특성에 대해 평가한 결과 14.8 내지 16.5 ㎛의 피막이 형성된다는 사실을 확인할 수 있었으며, 최대 피막의 두께와 최소 피막의 두께 편차가 ± 1.7 내지 2.5 ㎛인 것으로 확인되어 다소 불균일한 피막이 형성된다는 사실을 확인할 수 있었다.
한편, 칼슘의 첨가에 의해 동일 조건에서 피막 두께가 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 피막의 두께 편차가 ± 0.5 내지 ± 0.9 ㎛로 낮아져 균일한 두께의 산화 피막을 형성시킬 수 있어 외관 품질이 우수한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 치밀한 피막이 형성된다는 사실을 확인할 수 있었다. 특히, 산화피막은 절연성을 갖기 때문에 전기화학적 부식과정에서 부식전류의 흐름을 억제하여 우수한 내식성을 부여할 수 있을 것으로 판단되었고, 이에 의해, 내마모성 등의 내구성이 우수한 피막을 형성시킬 수 있어 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 내구성이 우수할 것으로 판단되었다.
(5) 용탕의 온도에 따른 칼슘(Ca)의 함량 평가
750 ℃의 온도로 알루미늄(Al) 93.2 kg, 망간(Mn) 3.5 kg, 아연(Zn) 2.0 kg, 지르코늄(Zr) 0.8 kg, 철(Fe) 0.3 kg, 스트론튬(Sr) 0.1 kg, 티타늄(Ti) 0.1 kg을 용해시켜 실시예 1-2와 같은 조성의 알루미늄 합금 용탕을 제조한 다음, 알루미늄 합금 용탕의 온도(단위 : ℃)를 하기의 표 7과 같이 조절하여 산화칼슘(CaO)을 용탕의 총중량 대비 0.3 kg이 되도록 혼합하고, 다이캐스팅하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하였다.
유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer)를 이용해 제조한 알루미늄 합금 성형품에 포함된 칼슘(Ca)의 함량(단위 : 중량%)을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
Figure pat00007
표 7에 나타낸 바와 같이, 850 ℃ 미만의 온도에서는 칼슘의 고용량이 대략 10% 정도로 미미한 것을 확인할 수 있었으나, 800 ℃ 내지 950 ℃ 사이의 온도에서 칼슘의 고용량이 증가하여 칼슘(Ca)의 첨가를 위한 적합 용탕의 온도를 확인할 수 있었다.
상기한 바와 같은 결과를 통해 700 내지 750 ℃의 온도로 알루미늄(Al), 망간(Mn), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti)을 각각 용해시 합금 용탕을 제조한 다음, 제조한 용탕을 800 내지 950 ℃의 온도로 승온시켜 칼슘(Ca)을 첨가하는 것이 바람직하며, 경제성을 고려할 때 830 ℃가 가장 이상적일 것으로 판단되었다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (8)

  1. (a) 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계;
    (b) 상기 알루미늄 합금 용탕을 다이캐스팅 주형에 공급한 다음 성형하여 알루미늄 합금 성형품을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 알루미늄 합금 성형품을 전해액에 침지시키고, 전류가 흐르게 하여 상기 알루미늄 합금 성형품의 표면에 산화피막을 형성시키는 단계;를 포함하되,
    상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 2.5 내지 7 중량%, 아연(Zn) 1 내지 3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.3 내지 2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.05 내지 0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.5 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계(a)에서는, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제조한 다음, 상기 알루미늄 합금 용탕에 칼슘 화합물을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(a)에서는, 700 내지 950 ℃로 가열하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서는, 10 내지 50 mA/의 전류밀도로 전류가 흐르게 하고, 전해액의 온도를 10 내지 30 ℃로 유지시킨 상태에서 상기 산화피막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서는,
    상기 산화 피막이 형성된 알루미늄 합금 성형품을 착색액에 침지시켜 상기 성형품의 표면에 착색액을 흡착시켜 착색 성형품을 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서는,
    상기 착색 성형품을 제조한 다음, 상기 착색 성형품을 봉공 처리액에 침지시켜 봉공처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 성형품은 망간(Mn) 3.7 중량%, 아연(Zn) 2.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8 중량%, 철(Fe) 0.3 중량%, 스트론튬(Sr) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 중량%, 칼슘(Ca) 0.02 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 다이캐스트 제품의 제조방법.
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