KR20220131800A - 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법 Download PDF

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    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent

Abstract

본 발명은 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도, 고열전도도는 물론이고 우수한 전기전도도를 갖는 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금은 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법{DIE CASTING ALUMINIUM ALLOY WITH HIGH ELECTRICAL CONDUCTIVITY AND MANUFACTURING METHOD FOR ALUMINIUM ALLOY CASTING USING THE SAME, AND ALUMINIUM ALLOY CASTING MANUFACTURED THEREFROM}
본 발명은 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도, 고열전도도는 물론이고 우수한 전기전도도를 갖는 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄(Al)은 주조가 용이하고 다른 금속과 합금이 잘되며, 대기 중에서 내식성이 강하고 전기 및 열의 전도성 등이 우수하여 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.
알루미늄은 일반적으로 단조/압출/압연 등의 소성가공을 통해 성형될 수 있는데, 전자제품이나 자동차 부품은 정밀한 치수를 유지해야 하기 때문에 소성가공보다는 다이캐스팅 공정을 통해 제조되고 있다.
다이캐스팅은 제품 형상으로 기계가공된 금형에 알루미늄 용융물을 주입하여 금형과 동일한 주물을 제조하는 방법으로서, 치수가 정확하고 비교적 복잡한 디자인이 요구되는 전자제품이나 자동차 또는 항공기 등의 부품으로 널리 활용되고 있다.
다이캐스팅용으로 사용하기 위해서 순수 알루미늄은 강도 및 내구성 문제로 인해 적합하지 않아 알루미늄 베이스에 Si, Cu, Fe 등 다양한 합금 원소들을 첨가하여 물리, 화학적 특성을 향상시키고 있으며, 최근 전자제품 및 자동차 부품의 고성능화 및 경량화로 인하여 알루미늄 합금의 내구성은 물론이고, 열적특성 및 전기적 특성 개선시키고자 하는 노력이 요구되어 왔다.
이와 관련하여 국내등록특허 제10-1133103호에서 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)을 포함하며, 석출경화 열처리를 통하여 우수한 인장강도를 얻을 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제시하고 있다.
또한, 국내공개특허 제10-2014-0034557호에 알루미늄 베이스에 구리, 마그네슘 및 철을 첨가한 다이캐스팅용 고열전도도 Al-Cu 합금을 제시하고 있다.
한편, 순수 알루미늄의 전기 전도도는 높은 편에 속하나 알루미늄에 합금 원소를 고용할 경우 고용되는 합금 원소가 알루미늄 합금의 전기전도도를 저하시키게 된다.
합금 원소들은 알루미늄 결정구조내의 전기장 불균일성을 형성시키게 되며, 이에 따라서 전기전도도에 기여하는 자유전자가 결정내의 불순물 원자(impurity atom)에 의하여 산란(scattering)되어 결국 알루미늄 합금의 전기전도도가 저하된다.
하지만, 종래기술은 알루미늄 합금의 강도와 열전도도를 향상시키는 것에 초점을 맞추고 있을 뿐 높은 전기 전도도까지 구현하기 위한 합금의 조합 및 조성비를 제안하지 못한 한계가 있었다.
국내등록특허 제10-1133103호 국내공개특허 제10-2014-0034557호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고강도, 고열전도도는 물론이고 우수한 전기전도도를 갖는 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금은 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)를 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법은 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)를 포함하는 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 준비하는 원료준비단계(S100);와 상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 용융한 용융물을 다이캐스팅 금형에 공급하여 성형하는 성형단계(S200)를 포함한다.
상기 성형단계(S200)에서 캐스팅 온도는 680 내지 750℃, 주조압력은 70 내지 80MPa 인 것임을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품은 상기 주조품에 제조방법에 의해 제조되며, 상기 제조된 주조품은 전자기기 부품 또는 자동차 부품에 적용되는 것임을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 의하면, 고강도, 고열전도도는 물론이고 우수한 전기전도도를 갖는 효과가 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도, 고열전도도는 물론이고 우수한 전기전도도를 갖는 알루미늄 다이캐스팅 합금, 이를 이용한 주조품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금은 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7 중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2 중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
알루미늄 합금에 첨가되는 합금 조성의 역할 및 조성을 제한하는 이유에 대하여 설명하자면 하기와 같다.
실리콘(Si)은 유동성 증진, 박육성형, 수축률 저하, 및 내열성 향상을 위한 것으로서, 7.0 내지 8.0 중량% 로 첨가될 수 있다.
철(Fe)은 합금의 고착을 방지하고 강도를 향상하도록 첨가되는 것으로, 0.2내지 0.7 중량%로 첨가된다. 0.2 중량% 미만으로 첨가되면 고착방지 및 강도향상 효과가 미미하고, 0.7중량%를 초과할 경우에는 내식성의 저하와 침전물을 발생시킴에 따라 상기 첨가량을 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
마그네슘(Mg)은 강도, 제품 표면에 산화층(MgO)을 빠르게 성장시켜 내식성을 향상시키고, 강도향상에 기여한다. 마그네슘은 과량으로 첨가하면 유동성이 저하되어 복잡한 형상의 제품을 성형하기 어렵고, 산화가 발생될 수 있기 때문에 본 발명에서는 총 중량 대비 0.05 내지 1.0 중량% 첨가하였다.
망간(Mn)은 알루미늄 합금의 내식성에 기여하는 합금원소로서, 알루미늄 기저에 미세하게 분포하여 알루미늄의 전위를 높이는 기능이 있어 함유량에 따라 내식성의 기여도가 높아지는 동시에 강도 향상에도 긍정적인 영향력을 가지고 있다. 본 발명에서는 총 중량 대비 0.05 내지 0.2중량% 첨가하였다.
베릴륨(Be)은 마그네슘으로 인한 산화와 제품의 탈색을 크게 감속시키는 역할을 하며, 본 발명에서는 0.001 내지 0.003중량% 첨가하였다.
상술된 실리콘, 철, 마그네슘, 망간, 베릴륨을 제외한 나머지는 알루미늄과 기타 불가피한 불순물로 구성된다.
상기 불순물은 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 납(Pb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 조합 중 어느 하나이며, 0.1 중량% 이하로 포함된다.
본 발명의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금은 인장강도 250 내지 350 MPa, 항복강도 160 내지 200 Mpa, 연신율 3 내지 10 %, 열확산도 55 내지 70 ㎟/s, 열전도도 130 내지 170 W/m.K, 전기전도도가 30 내지 40% IACS(International Annealed Copper Standard) 또는 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 만족한다.
이하, 본 발명에 따른 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법을 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법은 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 준비하는 원료준비단계(S100)와 상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 용융한 용융물을 다이캐스팅 금형에 공급하여 성형하는 성형단계(S200)를 포함한다.
원료준비단계(S100)에서는 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)를 포함하는 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 준비한다.
상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금은 상술된 원료 외 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있으며, 상기 불순물은 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 납(Pb), 티타늄(Ti) 또는 이들의 조합 중 어느 하나이며, 0.1 중량% 이하로 포함될 수 있다.
성형단계(S200)에서는 상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 용융하고, 용융물을 다이캐스팅 금형에 공급하여 성형하는 단계이다.
잔부 중량의 알루미늄(Al)을 750 내지 800℃로 가열하여 완전히 용해시킨 후, 알루미늄 용융물을 820 내지 880 ℃로 승온한 후 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%을 투입하여 900 내지 950℃로 승온시킨다.
이후, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%을 순차적으로 투입하여 3 내지 6시간 용해시킨 후, 650 내지 700 ℃로 감온시킨 후 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%을 투입하여 알루미늄 다이캐스팅용 합금 조성물을 준비한다.
이후, 상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금 조성물 내 포함된 산화물, 탄화물, 금속간화합물 등 미량의 불순물을 제거하기 위하여 질소, 아르곤 등의 불활성가스를 주입하여 불순물을 부상시킨 후 부상된 불순물을 여과시켜 제거하는 공정을 더 포함할 수 있다.
준비된 알루미늄 다이캐스팅용 합금 조성물의 캐스팅 온도는 650 내지 750℃, 주조압력은 70 내지 80MPa 로 제어될 수 있으며, 바람직하게는 주조압력은 75 MPa로 제어되어 주조품을 완성한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품은 상기 주조품 제조방법에 의해 제조되며, 인장강도 250 내지 350 MPa, 항복강도 160 내지 200 Mpa, 연신율 3 내지 10 %, 열확산도 55 내지 70 ㎟/s, 열전도도 130 내지 170 W/m.K, 전기전도도가 30 내지 40% IACS(International Annealed Copper Standard) 또는 이들의 조합 중 어느 하나 이상을 만족하며, 제조된 주조품은 전자기기 부품 또는 자동차 부품에 적용된다.
이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.
하기의 표 1과 같이 알루미늄 합금 조성물의 조성비를 달리하여 비교예 1~10, 실시예 1~10을 준비하였다. 이중 비교예 1은 상용 Al-Si계 합금중 하나인 ALDC12 이다.
구분 Chemical Composition(%)
Si Fe Mg Mn Be Cu Zn Ni Sn Pb Ti
비교예 1 12.0 0.8 0.2 0.1 - 3.0 0.7 0.3 0.1 0.1 0.1
비교예 2 6.0 0.5 0.5 0.1 0.003 0.1↓
비교예 3 8.5 0.5 0.5 0.1 0.003 0.1↓
비교예 4 7.5 0.1 0.5 0.1 0.003 0.1↓
비교예 5 7.5 0.8 0.5 0.1 0.003 0.1↓
비교예 6 7.5 0.5 0.04 0.1 0.003 0.1↓
비교예 7 7.5 0.5 1.2 0.1 0.003 0.1↓
비교예 8 7.5 0.5 0.5 0.03 0.003 0.1↓
비교예 9 7.5 0.5 0.5 0.25 0.003 0.1↓
비교예 10 7.5 0.5 0.5 0.1 - 0.1↓
비교예 11 7.5 0.5 0.5 0.1 0.004 0.1↓
실시예 1 7.0 0.5 0.05 0.05 0.003 0.1↓
실시예 2 7.5 0.5 0.5 0.1 0.003 0.1↓
실시예 3 8.0 0.5 1.0 0.2 0.003 0.1↓
실시예 4 7.5 0.2 0.5 0.1 0.003 0.1↓
실시예 5 7.5 0.7 0.5 0.1 0.003 0.1↓
실시예 6 7.5 0.5 0.05 0.1 0.003 0.1↓
실시예 7 7.5 0.5 1 0.1 0.003 0.1↓
실시예 8 7.5 0.5 0.5 0.05 0.003 0.1↓
실시예 9 7.5 0.5 0.5 0.2 0.003 0.1↓
실시예 10 7.5 0.5 0.5 0.1 0.001 0.1↓
시험편은 하기의 표 2와 같은 조건으로 제작하였다.
Figure pat00001
단위: mm
구분 표점거리
(G)
너비
(w)
두께
(T)
어깨부
반지름(R)
시험편
총길이(L)
평행부
길이(A)
물림부
너비(C)
Subsize
(Plate)
25 6.25 3.05 6 100이상 32 10
<인장강도 측정실험>
상기 시험편을 만능재료시험기(Instron 5982)를 이용하여 인장강도, 항복강도, 및 연신율을 측정하였고, 하기의 표 3은 결과값을 보여준다.
인장강도
(MPa)
항복강도
(MPa)
연신율
(%)
비교예 1 220 150 3
비교예 2 190 127 7
비교예 3 221 154 3
비교예 4 223 155 5
비교예 5 218 147 2
비교예 6 183 122 6
비교예 7 250 156 2
비교예 8 211 133 4
비교예 9 244 166 3
비교예 10 182 123 3
비교예 11 184 127 2
실시예 1 275 160 8
실시예 2 290 175 5
실시예 3 300 185 3
실시예 4 295 179 4
실시예 5 270 163 3
실시예 6 255 160 6
실시예 7 310 190 3
실시예 8 318 187 5
실시예 9 323 190 3
실시예 10 287 172 5
그 결과, 비교예 대비 실시예의 인장강도, 항복강도가 현저하게 높게 측정되었으며, 목표한 인장강도 250 MPa 이상, 항복강도 160 MPa 이상, 연신율 3% 이상을 만족하였다.
<열적 및 전기 특성 측정실험>
비중
(g/㎤)
비열
(J/g/K)
열확산도
(㎟/s)
열전도도
(W/m.k)
전기전도도
(%IACS)
비교예 1 2.742 0.963 48.276 96.2 22.4
비교예 2 2.675 0.839 56.562 126.94 29.1
비교예 3 2.627 0.873 52.214 119.75 23.6
비교예 4 2.648 0.852 57.213 129.08 28.6
비교예 5 2.687 0.881 48.838 115.61 23.3
비교예 6 2.642 0.882 55.483 129.29 28.7
비교예 7 2.617 0.891 49.146 114.60 21.8
비교예 8 2.628 0.859 56.328 127.16 29.3
비교예 9 2.648 0.886 48.232 113.16 21.2
비교예 10 2.642 0.923 49.223 120.03 27.4
비교예 11 2.643 0.911 48.798 117.49 26.2
실시예 1 2.693 0.904 66.352 161.53 34.2
실시예 2 2.651 0.884 62.995 147.62 32.4
실시예 3 2.645 0.869 59.631 137.06 31.7
실시예 4 2.656 0.896 65.756 156.48 33.8
실시예 5 2.694 0.876 59.524 140.47 32.7
실시예 6 2.623 0.888 63.487 147.87 33.1
실시예 7 2.587 0.871 62.127 139.98 31.5
실시예 8 2.641 0.87 66.477 154.61 33.4
실시예 9 2.684 0.894 58.234 135.93 30.8
실시예 10 2.652 0.889 63.468 149.63 32.7
그 결과, 실시예 1 ~10의 열확산도, 열전도도 및 전기전도도가 비교예 1~11 대비 우수하게 측정되었으며, 목표한 열확산도 55 ㎟/s 이상, 열전도도 130 W/m.K 이상, 전기전도도를 30 % IACS 이상을 만족하였다.
이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금.
  2. 실리콘(Si) 7 내지 8 중량%, 철(Fe) 0.2 내지 0.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.05 내지 1.0중량%, 망간(Mn) 0.05 내지 0.2중량%, 베릴륨(Be) 0.001 내지 0.003중량%, 잔부 알루미늄(Al)을 포함하는 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 준비하는 원료준비단계(S100);와
    상기 알루미늄 다이캐스팅용 합금을 용융한 용융물을 다이캐스팅 금형에 공급하여 성형하는 성형단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 성형단계(S200)에서
    캐스팅 온도는 680 내지 750℃, 주조압력은 70 내지 80MPa 인 것임을 특징으로 하는
    전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법.
  4. 제 2항 또는 제3항 중 어느 한 항의 전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법에 의해 제조되는 주조품.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제조된 주조품은
    전자기기 부품 또는 자동차 부품에 적용되는 것임을 특징으로 하는
    전기전도도 특성이 우수한 알루미늄 다이캐스팅 합금을 이용한 주조품의 제조방법에 의해 제조되는 주조품.
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