KR20220099622A - 성형성, 내식성, 고열전도도 및 강도가 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성형성, 내식성, 고열전도도 및 강도를 고루 갖춘 다이캐스팅용 알루미늄 합금이다. 본 발명의 알루미늄 다이캐스팅 합금은 용탕 시 충분한 유동도를 가지고 있어 다이캐스팅으로 제조가 용이하다. 또한, 본 발명으로부터 제조된 다이캐스팅 제품은 내식성과 우수한 강도와 함께 열전도도 특성을 가져, 염수에 대한 저항성이나 하중이나 응력이 집중되고 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품의 소재로 널리 사용될 수 있다.

Description

성형성, 내식성, 고열전도도 및 강도가 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금 {Aluminum die casting alloy having excellent formability, corrosion resistance, heat conductivity, strength}

본 발명은 알루미늄 다이캐스팅 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형성, 내식성, 고열전도도 및 강도를 고루 갖춘 알루미늄 다이캐스팅 합금에 관한 것이다.

친환경 자동차, 스마트폰, LED 조명기구 등의 다양한 제품에서 기능이 고도화됨에 따라, 이에 사용되는 부품이나 소재도 다양한 성능이 요구되고 있다. 대표적으로, 대량으로 신속하게 제조할 수 있는 성형성, 제품 중량을 보다 경감할 수 있는 경량성, 하중이나 외부 충격을 견딜 수 있는 강도, 염수 환경에서도 부식되지 않는 내부식성 등이 있다.

이와 같은 다양한 성능을 만족하는 소재로 알루미늄 합금이 널리 사용되고 있다. 알루미늄은 가벼우면서 주조가 용이하며, 다른 금속과 잘 합금되고 상온 및 고온가공이 용이할 뿐만 아니라 전기나 열의 전도성도 우수하다. 특히, 최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용되고 있다.

이의 예로, 대한민국 공개특허 제10-2020-0072618호(강도와 마모성이 우수한 알루미늄 합금), 등록특허 제10-1727852호(주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금)에 개시되어 있는데, 이들 기술은 알루미늄 합금의 강도나, 주조성 및 열전도도와 같이 하나, 둘 이상의 물성을 만족시킬 뿐이다.

한편, 알루미늄 합금 제품의 제조방법인 다이캐스팅은 치수오차 없이 대량으로 신속하게 제품을 생산할 수 있어, 정밀도와 생산성이 요구되는 자동차부품, 전기기기, 광학기기, 계측기에 널리 사용되고 있어, 다이캐스팅에 적합한 알루미늄 합금의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2020-0072618호(강도와 마모성이 우수한 알루미늄 합금) 등록특허공보 제10-1727852호(주조성이 우수한 고열전도도 알루미늄 합금)

따라서, 본 발명은 다이캐스팅으로 성형될 수 있도록 성형성을 가지며, 우수한 내식성, 고강도 및 열전도도를 동시에 구현할 수 있는 알루미늄 다이캐스팅 합금 을 제공하려는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 철(Fe), 마그네슘(Mg), 스칸듐(Sc) 및 잔부인 알루미늄(Al)을 포함하는 알루미늄 다이캐스팅 합금을 제공한다.

본 발명의 알루미늄 다이캐스팅 합금은 총 중량 대비, 4~8 중량% 실리콘(Si), 0.2~0.7 중량% 철(Fe), 0.5~2.0 중량% 마그네슘(Mg), 0.05~0.4 중량% 스칸듐(Sc) 및 잔부인 알루미늄(Al)이 혼합되어 조성된다.

이때, 본 발명의 알루미늄 다이캐스팅 합금의 항복강도는 185~205 Mpa이고, 인장강도는 261~291 Mpa이며, 알루미늄 다이캐스팅 합금을 열처리한 후의 항복강도는 271~294 Mpa, 인장강도는 324~342 Mpa이다.

그리고, 본 발명의 알루미늄 다이캐스팅 합금의 열전도도는 138~156 W/m-k이며, 알루미늄 다이캐스팅 합금을 열처리한 후의 열전도도는 165~174 W/m-k이다.

이때, 본 발명의 알루미늄 다이캐스팅 합금은 300℃에서 3시간 가열하여 열처리한다.

본 발명에 따른 알루미늄 다이캐스팅 합금은 용탕 시 충분한 유동도를 가지고 있어 다이캐스팅으로 제조가 용이하며, 이로부터 제조된 다이캐스팅 제품은 내식성과 우수한 강도와 함께 열전도도 특성을 가져, 염수에 대한 저항성이나 하중이나 응력이 집중되고 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품의 소재로 널리 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예와 비교 예의 알루미늄 합금용탕 유동도를 측정하기 위한 나선형 몰드를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시 예와 비교 예의 알루미늄 합금을 다이캐스팅하여 제조된 시험편을 도시한 사진이다.
도 3(a),(b)는 염수가 분무된 도 2의 시험편 표면 사진과 SEM 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 도면에서의 요소의 형상, 요소의 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되거나 축소되어 표현될 수 있다.

또한, 실시 예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 실리콘(Si), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 스칸듐(Sc) 및 잔부인 알루미늄(Al)을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로, 강도와 고열전도도 및 다이캐스팅 성형성을 모두 만족하도록 상술한 5원계 합금으로 조성되는데, 이하 첨가되는 각각의 금속원소에 대하여 자세히 설명한다.

먼저, 실리콘(Si)은 합금의 성형성과 강도를 향상하기 위하여 첨가되는데, 합금 총 중량에 대비 4 중량% 이상은 첨가되어야 하나, 8 중량% 초과하면 열처리에 의하여 깨짐이 발생함에 따라 6 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

철(Fe)은 합금의 고착성을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가된다. 철(Fe)은 합금 총 중량 대비 0.2 중량% 이상은 첨가되어야 하나, 0.7 중량%를 초과하면 내식성의 저하와 침전물을 발생시킴에 따라 0.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 치밀한 표면 산화층(MgO)을 급격하게 성장시켜 내부 부식을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가되는데, 과량으로 첨가되면 유동성이 저하되어 복잡한 형상의 제품을 성형하기 어려워 총 중량 대비 0.5~2.0 중량%로 첨가된다.

스칸듐(Sc)은 희토류 원소로 합금의 내식성과 연신율을 향상하도록 첨가되는데, 스칸듐(Sc)은 내식성과 연신율을 향상하도록 0.05 중량% 이상은 첨가되어야 하나, 0.4 중량%를 초과하면 열전도도가 저하됨에 따라 0.3 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

전술한 혼합비율로 조성된 금속원소를 4~8 시간동안 700~1,200℃로 가열하여 완전히 용용시킨 후, 주형에 주입하여 냉각시키면 알루미늄 다이캐스팅 합금이 제조된다. 이와 같이 제조된 알루미늄 다이캐스팅 합금은, 185~205 Mpa 범위의 항복강도와, 261~291 Mpa 범위의 인장강도를 가지며, 138~156 W/m-k 범위의 열전도도 및 57~67㎟/s의 열확산도를 함께 가져, 우수한 강도와 고열전도도 및 고열확산도 특성도 함께 발현된다. 또한, 제조된 알루미늄 합금은 3~5% 범위의 연신율을 가져 다이캐스팅 가능한 성형성도 가진다.

이와 같은 본 발명에 따라 제조되는 알루미늄 다이캐스팅 합금에 대한 구체적인 실시 예를 이하 살펴보기로 한다.

<알루미늄 합금용탕 조성>

아래 표 1과 같은 조성으로, 금속원소를 혼합하여 가열하여 완전히 용용시킨 알루미늄 합금용탕을 조성하였다.

<알루미늄 합금용탕 유동도 측정>

실시 예와 비교 예로 조성된 알루미늄 합금용탕의 유동도를 측정하였다. 이를 위하여 도 1과 같은 나선형 몰드(100)를 제작하고 각각의 용탕을 중력 주조하여 응고에 이르기까지 몰드 속으로 흘러들어가는 길이를 비교하였으며, 이때 용탕 온도, 양, 및 몰드 예열온도를 동일하게 설정하였으며, 합금 각각에 대하여 3회 이상의 실험을 실시하였다. 유동도 길이는 이러한 실험에서 얻은 수치의 평균값이며, 상용 알루미늄 합금인 ALDC12의 유동도 길이를 100으로 산정하고, 이에 대한 실시 예와 비교 예의 상대적인 값을 퍼센트로 환산하였다.

아래 표 2는 이와 같이 측정된 용탕의 유동도를 나타낸다.

위 표 2에 나타나는 바와 같이, 실시 예 1~3, 비교 예 2~4는 모두 유동도가 80% 이상으로 상용 알루미늄 합금과 비교하여 큰 차이가 없는 반면에, 비교 예 1은 유동도가 72%에 불과하여 성형성이 좋지 않음을 확인할 수 있었다. 이것은 다른 예와 비교하여 높은 함량의 마그네슘(Mg) 영향으로 추측된다.

<알루미늄 합금 다이캐스팅 시험편 제작>

실시 예와 비교 예로 조성된 알루미늄 합금을 TOYO125 다이캐스팅 설비를 이용하여, 두께가 3.05mm, 너비 6.25mm, 길이 52mm 도 2와 같은 시험편을 제작하였다.

<내식성 측정>

실시 예 및 비교 예로 제조된 각각의 시험편에 대하여, 표면처리를 거치지 않고 염수분무 실험방법인 KS D 9502에 따라 아래와 같이 내식성을 측정하였다.

- Nacl(Sodium Chloride): 99.5%, 삼전순약공업 社

- 염수농도: 5%

- 물: 탈이온수 및 증류수

- 시험온도: 35℃ ± 1℃

- 분무액 pH(35℃): pH6.5~7.2

- 분무압력: 0.07~0.17 MPa

- 분무방법: 연속분무

- 분무량: 1.5 ± 0.5 ml/hr

- 측정방법 : 분무 24시간 후에 육안관찰과 함께 주사전자현미경을 이용하여 250㎛의 표면 상태와 5㎛의 산화막 상태를 관찰하였으며, 그 결과는 각각 도 3(a),(b)와 같다.

도 3(a)은 실시 예와 비교 예의 외관을 촬영한 사진이고, 3(b)는 각각 실시 예와 비교 예의 SEM 사진으로, 이에 드러나는 바와 같이 실시 예 1~3, 비교 예 1,2,4는 모두 표면이 매끈하여 부식되지 않은 반면에, 비교 예 3은 표면이 부식됨을 확인할 수 있었는데, 높은 함량의 철(Fe)의 영향으로 추측된다.

<강도 측정>

그리고 실시 예 및 비교 예로 제조된 각각의 시험편에 대하여, 만능재료시험기(Instron 5982)를 이용하여 항복 및 인장강도와 연신율을 각각 측정하였다. 측정한 결과는 아래 표 3과 같다.

위 표 3에 나타나는 바와 같이, 열처리 전 실시 예 1~3의 항복강도는 185~205 Mpa, 인장강도는 261~291 Mpa 이었지만, 300℃로 3시간 가열한 후의 항복강도는 271~294 Mpa, 인장강도는 324~342 Mpa로, 항복강도는 43~45%, 인장강도는 17~24%로 크게 증가함을 확인할 수 있었다.

이와 대비하여, 비교 예의 경우 비교 예 2는 낮은 함량의 실리콘(Si) 및 철(Fe)로 인하여 실시예보다 낮은 항복강도(164 Mpa)와 인장강도(239 Mpa)로 측정되었으며, 나머지 비교 예 1,3,4는 열처리 전에는 실시 예 1,2 보다 높은 항복강도와 인장강도를 가졌으나, 열처리 후에 측정한 강도는 실시 예보다 모두 낮음을 확인할 수 있었다.

<열전도도 측정>

실시 예와 비교 예의 시험편을 Netzsch社 LFA467 장비를 이용하여 레이저 플래쉬 방법(ASTM E1461)에 따라 열처리 전과, 300℃로 3시간 가열한 후 열전도도를 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 4와 같다.

위 표 4에 나타나는 바와 같이, 열처리 전 실시 예 1~3의 열전도도는 138~156 W/m-k이었지만, 300℃로 3시간 가열한 후의 열전도도는 165~174 W/m-k로, 열전도도가 11~19% 크게 증가함을 확인할 수 있었다.

이와 대비하여, 비교 예의 경우 비교 예 4는 높은 함량의 마그네슘(Mg) 및 스칸듐(Sc)로 인하여 실시예보다 낮은 열전도도(121 W/m-k)로 측정되었으며, 나머지 실시 예 1,2,3은 열 처리후에는 실시 예에 비하여 열전도율 크게 증가하지 않아 실시 예와 비슷한 수준의 열전도도를 가짐을 확인할 수 있었다.

이상의 시험으로 살펴본 바와 같이, 실시 예 1~3의 용탕 유동도가 상용 알루미늄 합금과 비교하여 큰 차이가 없어, 다이캐스팅 시 충분하게 주조될 수 있을 정도로 성형성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시 예 1~3으로 제조된 제품은 염수에도 부식되지 않는 내식성, 높은 강도를 가지는데, 특히 스칸듐(Sc)의 첨가로 열처리 후의 강도 및 열전도도가 크게 증가함을 확인할 수 있었다.

이와 같이 다양한 물성을 가지고 있는 본 발명은 용탕 시 충분한 유동도를 가지고 있어 다이캐스팅으로 제조가 용이하다. 또한, 본 발명으로부터 제조된 다이캐스팅 제품은 내식성과 우수한 강도와 함께 열전도도 특성을 가져, 염수에 대한 저항성이나 하중이나 응력이 집중되고 방열특성이 요구되는 전자제품이나 자동차 부품의 소재로 널리 사용될 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형 예 또는 수정 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (7)

1. 철(Fe), 마그네슘(Mg), 스칸듐(Sc) 및 잔부인 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
2. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금은 총 중량 대비, 4~8 중량% 실리콘(Si), 0.2~0.7 중량% 철(Fe), 0.5~2.0 중량% 마그네슘(Mg), 0.05~0.4 중량% 스칸듐(Sc) 및 잔부인 알루미늄(Al)이 혼합되어 조성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
3. 제2항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금의 항복강도는 185~205 Mpa이고, 인장강도는 261~291 Mpa인 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
4. 제2항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금의 열전도도는 138~156 W/m-k인 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
5. 제3항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금을 열처리한 후의 항복강도는 271~294 Mpa, 인장강도는 324~342 Mpa인 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
6. 제4항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금을 열처리한 후의 열전도도는 165~174 W/m-k인 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 알루미늄 다이캐스팅 합금은 300℃에서 3시간 가열하여 열처리한 것을 특징으로 하는 알루미늄 다이캐스팅 합금.

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