KR20230071436A - 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전체 wt%를 기준으로, 철(Fe) 1.0~1.3wt%, 망간(Mn) 0.4~0.7wt%, 잔부 알루미늄(Al)을 포함하는 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금으로서, 본 발명에 의하면, 제조 원가 부담을 줄이면서도 주조성과 기계적 성질 및 열전도도가 우수한 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금을 제공한다.
Description
본 발명은 자동차용 부품 등에 사용되는 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 고강도 고열전도성 특성을 가지는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
히트싱크(Heat Sink)와 같이 발열체와 접촉하여 열을 빠르게 전달해야 하는 자동차용 부품에는 고열전도 알루미늄 합금이 요구된다. 순 Al이 열전도도가 가장 높긴 하나, 기계적 성질 및 생산성이 좋지 않아 널리 사용되지는 않는다. 대신에 기본적인 주조성 및 최소한의 물성을 확보하는 차원에서 첨가 원소를 최소화한 합금들이 고열전도 합금으로 사용되고 있는데, 단조재로는 A6063-T5, 주조재로는 Al-7Si-Mg-Fe, Al-11Si-Cu-Fe 합금, Al-Ni-Fe계 합금이 있다.
압출재인 A6063 합금은 열전도도가 가장 좋은 반면에 소재 가격도 비싸고, 주조성이 떨어져서 부품 제조시 원가 부담이 매우 크다.
주조재의 경우에도 최대 180W/mK까지 열전도도가 나오긴 하지만, 낮은 합금 원소 함량으로 인해 실제 핫크랙(hot crack) 특성에 문제가 있어 주로 사용되는 합금은 160W/mK급인 Al-11Si-Cu-Fe 합금 또는 ADC-HC2이다.
Al-Ni-Fe계 합금은 주조성과 기계적 성질이 좋지만, 고가의 Ni이 첨가되어 있어 이를 대체할 수 있는 저렴한 합금 개발이 필요하다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 제조 원가 부담을 줄이면서도 주조성과 기계적 성질 및 열전도도가 우수한 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금은, 전체 wt%를 기준으로, 철(Fe) 1.0~1.3wt%, 망간(Mn) 0.4~0.7wt% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함한다.
그리고, 실리콘(Si) 0.5~0.8wt% 및 마그네슘 0.3~0.6wt%를 더 포함할 수 있다.
여기서, 공정(Eutectic, 共晶) α-AlFeSi 상과 Al6Mn상의 합이 4% 이상의 상분율로 생성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 열전도도가 165 W/mK 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 강도가 190 MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금의 제조 방법은, 전체 wt%를 기준으로, 철(Fe) 1.0~1.3wt%, 망간(Mn) 0.4~0.7wt%, 잔부 알루미늄(Al)이 용해된 용탕을 제조하는 단계 및 상기 용탕을 금형장치에 주입하여 합금을 주조하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 용탕은 실리콘(Si) 0.5~0.8wt%, 마그네슘 0.3~0.6wt%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 합금을 용체화 처리 및 시효 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 의하면, 주조성이 우수하여 기계적 강도가 우수하며, 또한 열전도도도 향상 가능하다.
따라서, 이를 히트싱크 등 부품에 적용시 원가 절감을 기대할 수 있으며, 냉각효율 증대, 열관리 설계 마진 확보, 하우징 경량화 등이 가능하게 한다.
도 1 내지 도 4는 주조성과 고열전도도를 동시에 만족시키기 위한 철(Fe)과 망간(Mn)의 함량 구간을 나타난 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 고강도 고열전도성의 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 알루미늄 합금은 Ni-Free 합금으로서 고가의 소재에 의하지 않고서도 강도 및 열전도 특성의 향상이 가능하도록 한 합금이다.
이를 위한 본 발명의 Ni-free 고강도 고열전도 Al-Mn-Fe 합금은 알루미늄(Al)을 기본으로, 철(Fe)이 1.0~1.3wt%, 망간(Mn)이 0.4~0.7wt%로 포함하고, 나아가 실리콘(Si)이 0.5~0.8wt%, 마그네슘이 0.3~0.6wt%, 기타 합금 원소의 함량은 총량 기준 0.5% 이하로 포함될 수 있다.
철(Fe)과 망간(Mn)은 고열전도 특성을 유지하면서도 순 알루미늄 대비 우수한 주조성을 확보하기 위해 첨가된다. 알루미늄과 철 그리고 망간은 합금 내에서 공정(Eutectic, 共晶) α-AlFeSi 상과 Al6Mn상을 생성하면서 합금의 주조성을 향상시키게 되는데, 두 상을 합쳐 최소 4% 이상 생성되어야 충분한 주조성이 확보된다.
이를 위해서는 철(Fe)이 1.0~1.3% 첨가될 때 망간(Mn)은 최소 0.4 이상이 첨가되야 한다.
그러나 공정(Eutectic) 상이 생성되면 될수록 전체 합금의 열전도도는 떨어지기 때문에 최대한 열전도도를 확보하기 위해서는 Al 기지상의 분율이 93%이상 유지되어야 한다. 이를 위해서는 철(Fe)이 1.0~1.3%첨가될 때, 망간은 최대 0.7%를 넘어서는 안 된다.
따라서, 철(Fe)은 1.0wt% 이상 1.3wt% 이하, 망간(Mn)은 0.4wt% 이상 0.7wt% 이하인 것이 바람직하다.
나아가, 강도를 부여하기 위해서 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si) 을 동시에 첨가해서 열처리를 했을 때 Mg2Si상이 석출되면서 강도 향상이 되도록 한다.
이 때, 마그네슘(Mg)의 함량은 0.3wt% 이상 들어가야 강도 향상 효과가 나타나지만, 0.6wt%를 초과하는 경우, 추가적인 강도 향상 없이 열전도도가 떨어지기 때문에 그 양을 제한한다.
Si의 경우, 0.5wt% 이상 들어가야 Mg과 결합해서 Mg2Si를 형성하며 강도를 향상시킬 수 있다. 하지만 0.8wt%를 초과하여 첨가되면 Mg2Si를 생성하고 남은 Si에 의해 열전도도가 급격히 떨어지기 때문에 그 양을 제한한다.
나악, Si 함량이 Mg 함량을 초과하여 첨가되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 4는 주조성과 고열전도도를 동시에 만족시키기 위한 철(Fe)과 망간(Mn)의 함량 구간을 나타난 그래프이다.
순서대로 Fe가 1.0wt%, 1.1wt%, 1.2wt%, 1.3wt%이며, Mg 0.7wt%, Mn 0.4wt%, Si wt%인 경우에 AL3FE, Al6Mn, Alpha 상의 분포를 나타낸 것이다.
우수한 주조성을 얻기 위해서는 최소 4%이상의 공정상(Eutectic phase)을 확보해야 한다.
하지만 이와 동시에 고열전도 특성을 얻기 위해서는 Al 기지 상분율 역시 최소 93%이상 되어야 하며, 이를 바탕으로 최적 철(Fe) 과 망간(Mn) 함량이 도출되며, 다음 표 1과 같이 정리할 수 있다.
| 구분 | 함량비(wt%) | 공정상 분율 | Al 기지 | ||
| Al | Fe | Mn 함량구간 | |||
| 1 | Rem. | 1.0 | 0.4~0.7 | 4~7% | 93~96% |
| 2 | Rem. | 1.1 | 0.4~0.7 | ||
| 3 | Rem. | 1.2 | 0.4~0.7 | ||
| 4 | Rem. | 1.3 | 0.4~0.7 | ||
다음, 공정상(Eutectic phase) 분율 변화에 따른 주조성 변화를 표 2에 정리하였다.
| 공정상(Eutectic phase) 분율 | 화학 성분(wt%) | 비고 | ||
| Al | Fe | Mn | ||
| 4% 미만 | Rem. | 1.1 | 0 | 유동성 부족에 의한 미충진 또는 제품 상에 핫크랙이 다수 생성됨. |
| Rem. | 1.1 | 0.1 | ||
| Rem. | 1.1 | 0.2 | ||
| Rem. | 1.1 | 0.3 | ||
| 4% 이상 | Rem. | 1.1 | 0.4 | 충진 및 핫크랙 문제 없음 |
| Rem. | 1.1 | 0.5 | ||
| Rem. | 1.1 | 0.6 | ||
| Rem. | 1.1 | 0.7 | ||
철 함량이 1.1wt%일 때, 망간(Mn)의 함량이 0.3wt%이하인 경우, 공정상(Eutectic eutectic) 분율은 4% 미만이 된다. 이와 같은 경우 합금의 유동성 부족으로 인해 제품상에 미충진이 발생하거나 혹은 핫크랙이 발생하여 사용이 불가능하다.
이와는 반대로 망간 합량이 0.4~0.7wt% 인 경우, 4% 이상의 공정상 (Eutectic phase)가 생성되면서 주조성에 문제없이 제품을 제조할 수 있게 된다.
단, 망간(Mn)이 0.7wt% 를 초과하여 첨가될 경우, 과량의 공정상 생성으로 열전도도가 130W/mK 이하로 떨어져서 더 이상 고열전도 특성을 확보할 수 없게 된다.
다음은 Mg, SI 첨가에 따른 강도 및 열전도도 변화의 효과이다.
| 구분 | 함량비(wt%) | 열전도도(W/mK) | 강도(MPa) | ||||
| Al | Fe | Mn | Mg | Si | |||
| 1 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.2 | 0.4 | 178 | 120 |
| 2 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.3 | 0.5 | 174 | 190 |
| 3 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.4 | 0.6 | 171 | 210 |
| 4 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.5 | 0.7 | 169 | 225 |
| 5 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.6 | 0.8 | 167 | 235 |
| 6 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.7 | 0.9 | 130 | 235 |
| 7 | Rem. | 1.1 | 0.5 | 0.8 | 1.0 | 125 | 225 |
강도를 부여하기 위해서 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si) 을 동시에 첨가해서 열처리를 했을 때 Mg2Si상이 석출되면서 강도 향상을 도모한다.
이 때, 마그네슘(Mg)의 함량은 0.3wt% 이상 들어가야 강도 향상 효과가 나타나지만, 0.6wt%를 초과하는 경우 추가적인 강도 향상 없이 열전도도가 떨어지기 때문에 그 양을 제한하는 것이 바람직하다.
Si의 경우, 0.5wt% 이상 들어가야 Mg과 결합해서 Mg2Si를 형성하며 강도를 향상시킬 수 있다. 하지만 0.8wt%을 초과하면 Mg2Si를 생성하고 남은 Si에 의해 열전도도가 급격히 떨어지기 때문에 그 양을 제한하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명의 알루미늄 합금은 상술한 조성 함량을 혼합 및 용해하여 금형장치 내 용탕으로 주입하여 제품을 주조 성형하며, 후가공 처리하여 제조할 수 있다. 본 합금의 잉고트(ingot)를 제조하는 경우, 먼저 순수 알루미늄을 용해한 상태에서 Fe와 Mn 함량을 소량씩 늘려가면서 제조해야 한다.
본 발명의 합금은 비열처리형 합금일 수 있으며, 강도 향상을 위한 추가 열처리는 다음 조건의 T6, T7 처리 가능하다.
T6 : 용체화 530~540℃ 4~6hrs, 시효 180~200℃ 3~5hrs
T7 : 용체화 530~540℃ 4~6hrs, 시효 220~250℃ 1~3hrs
이상과 같이 본 발명의 알루미늄 합금으로 예를 들어 간접냉각식 배터리 히트싱크, 헤드램프용 히트싱크 등을 대체 개발하면, 큰 원가절감 효과를 거둘 수 있다.
그럼에도, 열전도도 향상(ADC12 대비 110% 향상, 96 → 170W/mK)을 통한 냉각효율 증대로 기존 다이캐스팅 합금 적용 전장 부품의 열관리 설계 마진 확보가 가능하게 한다.
또한, 예를 들어 전동식 워터펌프 하우징의 경우, 핫스팟 기준 구동온도를 최대 10℃(부위별 3~15℃) 낮출 수 있으므로, 냉각성능 및 내구성 향상을 기대할 수 있다.
그리고, MDPS ECU 하우징의 경우, 냉각능 향상에 따른 발열량 증대로 하우징 경량화 설계가 가능하다.(중량 10%↓, 0.43 → 0.39kg)
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 전체 wt%를 기준으로,
철(Fe) 1.0~1.3wt%;
망간(Mn) 0.4~0.7wt%;
실리콘(Si) 0.5~0.8wt%;
마그네슘 0.3~0.6wt%; 및
잔부 알루미늄(Al)을 포함하고,
Si 함량이 Mg 함량을 초과하여 첨가되는 것을 특징으로 하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금. - 청구항 1에 있어서,
공정(Eutectic, 共晶) α-AlFeSi 상과 Al6Mn상의 합이 4% 이상의 상분율로 생성되는 것을 특징으로 하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금. - 청구항 2에 있어서,
열전도도가 165 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금. - 청구항 2에 있어서,
강도가 190 MPa 이상인 것을 특징으로 하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금. - 전체 wt%를 기준으로, 철(Fe) 1.0~1.3wt%, 망간(Mn) 0.4~0.7wt%, 잔부 알루미늄(Al)이 용해된 용탕을 제조하는 단계; 및
상기 용탕을 금형장치에 주입하여 합금을 주조하는 단계를 포함하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금의 제조 방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 용탕은 실리콘(Si) 0.5~0.8wt%, 마그네슘 0.3~0.6wt%를 더 포함하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금의 제조 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 합금을 용체화 처리 및 시효 처리하는 단계를 더 포함하는,
고강도 고열전도성의 알루미늄 합금의 제조 방법.
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