WO2011021777A2 - 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도성이 높은 알루미늄 기초합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 취성이 생기지 않고 열전도성이 뛰어나 LED전등 부품에 사용이 용이한 다이캐스팅용 합금이고, Mg 0.2 ∼ 2.0 중량 %, Fe 0.1 ∼ 0.3 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%를 함유하고, 잔부는 Al 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금

본 발명은 열전도성이 높은 알루미늄 기초합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 취성이 생기지 않고 열전도성이 뛰어나 LED전등 부품에 사용이 용이한 다이캐스팅용 합금이고, Mg 0.3 ∼ 2.0 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%, Fe 0.08 ∼ 0.25 중량%를 포함하는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금에 관한 것이다.

제조산업은 점차 철재료를 알루미늄과 같은 경량재료로 대체시키고 있다. 대용 경량 재료에 대한 필요는 철금속으로 성형된 구조물에서 대체로 유지되는 응력을 견디는 구조물을 형성할 수 있는 알루미늄 합금의 개발을 이끌었다. 증가된 강도 (높은 항복강도 및 높은 신장률을 포함하는) 뿐만 아니라 알루미늄 합금은 다이 캐스팅 가능하며 내부식성이며 쉽게 기계가공할 수 있어야 한다.

역사적으로 알루미늄 합금은 유사한 조성의 단조제품에 비해서 비교적 낮은 강도 및 연성을 특징으로 한다. 이러한 낮은 강도 및 연성은 단조 합금에서 기계가공에 의해 주로 제거되는 주조제품에서 결함의 존재 때문이다. 이러한 결함은 주로 두가지 종류이다 : 수축이나 가스 내포로 인한 공극, 고형화동안 주조물에 갇힌 산화물 내포물이나 불순 원소로 인해 형성되는 금속간 상으로 인한 꽤 크며 부서지기 쉬운 입자. 더 높은 품질의 주조품의 개발은 이러한 결함의 수와 크기를 최소화시키는 주조기술 및 합금 조성물에서의 변화의 결과이다.

대부분 최고 품질의 알루미늄 캐스팅 합금은 알루미늄/실리콘/마그네슘(Al-Si-Mg)형의 합금이다. 증가된 강도 및 연성은 합금의 청결한 유지뿐만 아니라 고순도 성분 사용 (낮은 철함량 및/또는 베릴륨(Be) 첨가에 의한 AlSiFe 5 의 개질)에 의해 주로 달성된다. 이러한 변화의 결과 현재 이용 가능한 알루미늄 주조품의 성질은 동등한 조성의 단조제품의 성질에 접근할 수 있다.

그러나 더욱 향상된 기계적 성질을 가지는 알루미늄 합금에 대한 필요뿐만 아니라 산업이 발전함에 따라 열전도성이 뛰어난 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 대한 필요도 증가하게 되었다.

대개의 시판되는 알루미늄 다이 캐스팅 합금은 여러 합금과 불순물 원소를 포함하는 복잡한 합금 시스템이다. 이러한 합금에 포함된 많은 수의 원소, 이들의 낮고 가변적인 농도 및 합금 원소간의 상호작용 가능성은 시판되는 합금에 각 원소가 미치는 효과에 대한 체계적인 연구를 매우 복잡하고 곤란하게 한다.

각 원소가 합금의 기계적 성질에 미치는 효과를 해독하는데 어려움이 있을지라도 마그네슘, 망간, 철, 실리콘 및 베릴륨은 당해분야 숙련자에 의해 알루미늄 합금 성질에 다음과 같은 일반적인 영향을 미치는 것으로 인식된다 :

마그네슘은 대체로 합금의 인장강도를 증진시키기 위해 포함된다. Al-Mg 이원 합금은 높은 강도, 우월한 내부식성, 용접성 및 표면마감성을 가진다. 그러나 증가된 마그네슘 함량이 합금의 경도 및 내피로성을 향상시킬지라도 합금의 연성도 감소시킨다. 합금에서 마그네슘 함량을 제한하는 추가 이유는 마그네슘이 쉽게 산화하여 용융물내에 마그네슘 산화물(MgO) 미세 입자를 형성할 수 있다는 점이다. 높은 유지 온도(750℃ 이상)에서 복잡한 알루미늄 마그네슘 산화물인 스피넬(spinel)이 형성되어 용융물에 개재물을 형성하면서 급성장한다. 이러한 개재물은 합금의 유동성 및 신장성을 감소시킨다.

구리 역시 합금 강도와 열전도성을 증가시키기 위해 알루미늄 합금에 첨가될 수 있다. 구리 함량이 증가함에 따라 합금의 경도와 열전도성은 증가하지만 강도 및 연성은 Cu가 고체 용액에 있는지 여부 또는 회전 타원체 또는 균일하게 보포된 입자로 존재하는지 여부에 달려있다. 구리는 전기분해 전위를 감소시키며 내부식성도 감소시킨다. 구리를 포함한 합금은 어닐링된 상태에서 심하게 얼룩 부식되며 시효 경화될 때 조차도 입자간 부식 또는 응력 부식을 받을 수 있다.

실리콘은 다이 캐스팅 공정중에 용융 상태에서 합금의 유동성을 증진시키는 합금의 주요 성분이다. Al-Si 합금은 낮은 수축성 및 좁은 빙점 범위를 가지므로 양호한 고온 내인열성, 건실성 및 양호한 용접성을 가진다. Al-Mg 합금에서 실리콘은 강도증진 없이 연성 및 신장성을 감소시킨다. 구리 및 실리콘의 조합된 도입은 합금의 경도를 크게 증가시키지만 신장성을 크게 감소시킨다.

철은 다이 캐스팅 공정중에 알루미늄 합금이 금속 다이에 부착되는 것을 방지하며 다이로부터 알루미늄 합금의 탈형성을 증가시킬 목적으로 다이 캐스팅 알루미늄 합금에 전형적으로 첨가된다. 그러나 철의 첨가는 알루미늄 합금의 신장성을 감소시킨다. 부정적인 철첨가 효과를 제거할 목적으로 망간이 알루미늄 합금에 첨가된다. 그러나 과량의 망간은 알루미늄 합금의 기계적 강도를 낮출 수 있다.

최근에 개발되어 사용되는 LED전구의 경우 발생하는 열을 방출하는 몸체 구조를 가져야 하나, 현재 다이캐스팅 재료로 시판되는 ADC12종(LM2)의 열전도율은 100 W/mk, ADC1종(LM6)의 열전도율은 142 W/mk, B390은 134 W/mk, DM3H 는 114 W/mk 이다.

DM3H는 아노다이징이 가능한 재료이나 열전도성이 114로 떨어진다. 그리고 ADC12종은 양산성이 가장 좋은 다이캐스팅 재료이지만 열전도성이 100정도로 낮다.

열전도성이 가장 높은 재료는 Mg 합금계열로 Heat Sink로 주로 사용되는 6063이 있고, 6063의 열전도성은 190 ∼ 200 W/mk정도로 높으나 쪼개지는 성질로 인하여 다이캐스팅이 되지 않는다.

이와 같이 열전도성이 높으면서 다이캐스팅이 되는 재료는 없는 형편이다. 따라서 LED부품과 같이 다이캐스팅으로 제작하여야 하면서 열을 발산시켜야 하는 제품에 사용하기 적합한 재질이 없었다.

본 발명은 열전도성이 높은 알루미늄합금을 제공하되, 열전도성이 6063 재료에 버금가면서 다이캐스팅 사출이 가능하고, 아노다이징이 가능한 알루미늄 합금을 제공하고자 하는 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 Mg 0.2 ∼ 2.0 중량 %, Fe 0.1 ∼ 0.3 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%를 함유하고, 잔부는 Al 으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, Ti 0.05 ∼ 0.2 중량%를 추가로 포함하거나, Ag 0.05 ∼ 0.2 중량%를 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금을 제공한다.

이상과 같이 본 발명은 동일조건의 6063재료의 열전도성보다 나은 결과가 나오고, 다이캐스팅 재료인 ADC12종보다 50 ∼ 90% 정도 향상되는 효과를 보인다. 따라서 아노다이징이 되고, 가공성이 뛰어나면서 열전도성이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 열전도율 측정 데이타를 도시한 표

도 2는 종래의 다이캐스팅이 불가능한 6063 재료의 열전도율 측정 데이타

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석하여서는 되지 않고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 열전도성이 높으면서 다이캐스팅이 가능한 알루미늄 합금을 제공하고자 한다.

본 발명은 Mg 0.2 ∼ 2.0 중량 %, Fe 0.1 ∼ 0.3 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%,와 합하여 100중량%가 되도록 Al을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예의 열전도성 실험을 위해 Mg 0.6중량%, Fe 0.15중량%, Co 0.4 중량%, Al 98.85중량%를 조성으로 하여 합금을 제조하고, 극미량의 Si 0.038 중량%, Cu 0.001중량%, Mn 0.0015중량%, Zn 0.003 중량%, Ni 0.0075 중량%, Cr 0.001 중량%, Pb 0.001 중량%, Sn 0.002중량%, Ti 0.0147 중량% 등이 합금 형성시 불순물로 포함되었으나, 본 발명에 영향을 미칠 정도의 양은 아니다.

즉 전술한 조성비의 알루미늄 합금으로 인하여 측정된 열전도율은 도 1에 도시되어 있듯이 194.35 W/mk 에 달한다. 이는 다이캐스팅이 되지 않는 알루미늄 합금으로 시판되는 6063 의 192.79 W/mk의 열전도율보다 뛰어나다. 6063의 열전도율 측정값은 도 2에 도시되어 있다.

본 발명은 열전도율이 뛰어나면서 다이캐스팅이 되는 재료로 특화된 것이고, 이에 대한 다른 실시예로 Mg 0.2 ∼ 2.0 중량 %, Fe 0.1 ∼ 0.3 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%, Ag 0.05∼0.3 중량% 와 합하여 100중량%가 되도록 Al을 포함하여 구성한다.

Ag은 열전도율이 429 W/mk로 가장 전도율이 높은재료로서 열전도율 향상에 영향을 미치고, 또한 재료의 편석방지와 유동성 등에 효과가 있다.

그리고 또 다른 실시예로 Ti을 0.05 ∼ 0.3 중량% 합하여 구성할 수 있다. Ti 추가시 결정립 미세화를 통해 사출의 유동성이나 제품의 크랙등에 도움이 된다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금원소로 첨가되면 내식성과 기계적 성질의 향상을 가져오게 되는 장점을 가지지만 2 중량%이상 너무 많이 첨가하게 되면 용탕의 유동성을 해치게 되어 주조성이 나빠지게 되고 인성과 신율의 저하를 가져올 우려가 있고, 0.2중량% 이하에서는 첨가의 효과가 나타나지 않는다.

따라서 본 발명에서는 강도와 합금의 사출성 등을 감안하여 그 첨가량을 0.2 ∼ 2 중량%로 하였다.

본 발명의 주요 조성인 Co는 아노다이징시 착색성의 개선효과를 가져오고, 유동성을 향상시켜주므로 사출이 가능하게 된다.

표면처리로 아노다이징을 하는 이유는 다공성 경질피막(Al2O3)이 열방출성을 향상시키고, 열전도성을 가장 적게 저해한다. 일반적으로 코팅 표면처리에 비해 10%정도 Heat Sink 역할을 증대한다.

이러한 아노다이징으로 인하여 다양한 색깔과 아름다운 표면으로 외관을 증대할 수 있다.

철(Fe)은 다이캐스팅 시 다이의 소착을 방지하기 위해 소량 첨가되는 경우가 있긴 하지만 그 외의 합금에서는 연성과 인성을 저하시키고 금속간화합물을 형성하여 매우 취약한 성질을 유발할 수 있으므로 가능한 그 첨가를 억제하여야 하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 0.1 ∼ 0.3 중량%의 범위로 첨가한다.

LED와 같이 제품 자체에서 발열이되고, 열을 빨리 전도하여 제품에서 발생되는 열을 발산하여야 할 경우 본 발명의 알루미늄 합금으로 제조한 다이캐스팅 제품을 사용하면 바람직하고, 그 외의 열전도성이 필요한 곳에 사용한다.

비교예인 6063과 ADC12종의 조성비는 다음과 같다.

*

*6063

Si 0.20 -0.6 중량%, Fe 0.35 중량%, Cu 0.1 중량%, Mn 0.1 중량%, Mg 0.45 - 0.9 중량%, Cr 0.1 중량%, Zn 0.1 중량%, Ti 0.1 중량%, Zr 0.05 중량%의 조성비를 가지고, 그 열전도성은 192 W/mk 로서, 본 발명의 열전도성과 유사하거나 떨어진다.

ADC12종

Si 9.8 -12.0 중량%, Fe 0.3 - 0.6 중량%, Cu 1.5 - 3.5 중량%, Mn 0.5 중량% 이하, Mg 0.3 중량% 이하, Zn 1.0 중량% 이하 의 조성비를 가지고, 100 W/mk 정도의 열전도성을 가진다.

본 발명에서 전술한 범위의 다른 조성을 가진 알루미늄 합금은 다음과 같은 실험치를 나타내고 있다.

Mg 0.2 중량 %, Fe 0.1 중량%, Co 0.1 중량%,와 합하여 100중량%가 되도록 Al을 잔부로 하여 합금을 형성하면, 유동성은 떨어지지만 열전도성은 거의 유사하게 194.65 W/mk로 측정된다.

Mg 0.2 중량 %, Fe 0.1 중량%, Co 0.5 중량%,와 합하여 100중량%가 되도록 Al을 잔부로 하여 합금을 형성하면, 유동성이 증가하면서 열전도성은 193.83 W/mk로 유사한 값이 얻어진다.

Claims (3)

1. Mg 0.2 ∼ 2.0 중량 %, Fe 0.1 ∼ 0.3 중량%, Co 0.1 ∼ 1.0 중량%를 함유하고, 잔부는 Al 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금.
2. 제 1 항에 있어서, Ti 0.05 ∼ 0.2 중량%를 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금.
3. 제 1 항에 있어서, Ag 0.05 ∼ 0.2 중량%를 추가로 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전도성이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 기초합금.

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