KR101545970B1

KR101545970B1 - 고강도 및 고열전도도를 동시에 나타내는 다이캐스팅용 Ａｌ－Ｚｎ 합금

Info

Publication number: KR101545970B1
Application number: KR1020120091083A
Authority: KR
Inventors: 김기태; 신제식; 고세현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2015-08-21
Also published as: WO2014030915A1; KR20140025043A; US20150218678A1

Abstract

본 발명은 우수한 주조성과 양호한 인장특성을 가지면서 동시에 우수한 열전도도를 얻을 수 있어, 방열특성이 요구되는 각종 구조용 제품에 적용될 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, 아연(Zn) 5.5~8.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.5~3.0중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 및 고열전도도를 동시에 나타내는 다이캐스팅용 Ａｌ－Ｚｎ 합금 {Al-Zn ALLOY HAVING HIGH TENSILE STRENGTH AND HIGH THERMAL CONDUCTIVITY FOR DIE CASTING}

본 발명은 고강도, 고열전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것으로서 특히, 우수한 주조성을 가지면서 동시에 우수한 인장강도와 열전도도를 얻을 수 있는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

다이캐스팅은 다이 주조라고도 하는데, 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형(金型)에 용융금속(熔融金屬)을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이며, 이 주조법을 통해 제조한 제품을 다이캐스트 주물이라고 한다.

다이캐스팅 주물은 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하다는 특징이 있다. 한편, 다이캐스팅 주조에 이용되는 금속은 일반적으로 아연, 알루미늄, 주석, 구리, 마그네슘 등의 합금이며, 이들 합금은 용융되어 용탕으로 만들어진 후, 공기압, 수압, 유압 등의 가압장치를 통해 다이캐스트 장치의 금형에 주입되어 급속 냉각 응고된다.

이러한 과정을 통해 만들어진 다이캐스팅 주조품은 여러 분야에 사용되고 있으며, 특히 자동차부품에 많이 적용되고 있고, 전기기기, 광학기기, 차량, 방직기, 건축, 계측기 등의 부품 제작 등에도 널리 사용되고 있다.

한편, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로는 주조성이 우수한 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 주로 사용되고 있다. 그런데 Al-Si계 합금 또는 Al-Mg계 합금의 경우, 인장강도는 230MPa 이상이나 열전도도가 90~130W/mK로 낮다. 이로 인하여 인장강도는 230MPa 이상이며 동시에 열전도도가 130W/mK 이상의 높은 인장강도와 열전도도를 필요로 하는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품에 사용이 제한되어 왔다.

또한 높은 열전도도를 요구하는 방열부품에는, 종래 열전도도가 220W/mK 이상으로 매우 높은 순 알루미늄을 다이캐스팅한 제품이 전기, 전자제품용 로터 등에 일부 사용되고 있으나, 순 알루미늄은 열전도도는 매우 우수하지만 인장강도가 100MPa 정도로 낮기 때문에, 열전도도와 함께 우수한 인장강도를 요구하는 구조용 부품에까지 적용하기에는 한계가 있다.

이에 따라, 전기, 전자 및 자동차용 방열부품 등에 사용하기 위하여 우수한 주조성을 가지면서 동시에 130W/mK 이상의 높은 열전도도와 230MPa 이상의 인장강도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 개발에 대한 필요성이 절실히 요구되고 있지만, 현재까지는 우수한 주조성을 가지면서 동시에 130W/mK 이상의 높은 열전도도와 230MPa 이상의 인장강도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 개발되지 못한 상태이므로, 인장강도는 230MPa 이상이고 열전도도가 90~130W/mK인 Al-Si계 합금 및 Al-Mg계 합금 등이 전기, 전자 및 자동차용 방열부품 등에 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 사용되고 있는 실정이다.

한국주조공학회지 제30권 제6호 (2010년 12월, P205209)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서 아연(Zn)을 주 합금원소로 첨가하고 마그네슘(Mg)과 철(Fe)의 함량을 조절하여, 우수한 주조성을 가지면서 동시에 130W/mK 이상의 열전도도와 230MPa 이상의 인장강도를 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 과제의 해결수단으로 본 발명은, 아연(Zn) 5.5~8.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.5~3.0중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 열전도도는 130W/mK 이상이고 동시에 인장강도는 230MPa 이상이다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 주조성을 나타내는 한 지표인 유동장은 720mm 이상이다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 주조성을 나타내는 또 다른 지표인 액상온도(T_L)와 고상온도(T_S)의 차이인 △T(T_L-T_S)는 70℃ 이하이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 아연(Zn)을 주 합금원소로 하면서 마그네슘(Mg)과 철(Fe)의 성분 제어를 통해, 다이캐스팅 주조법에서 건전한 주물을 얻을 수 있는데 요구되는 충분한 주조성을 확보함과 동시에, 130 ~ 165W/mK 범위의 열전도도와 230MPa ~ 300MPa 범위의 인장강도를 가져서, 높은 열전도도를 요구하면서 상당한 수준의 기계적 강도를 요하는 전기, 전자 및 자동차용 방열부품의 제조에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 알루미늄 합금의 주조성을 평가한 장비의 사진이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금에 대하여 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것을 의미한다.

본 발명에 의한 알루미늄 합금은, 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 철(Fe)이 합금되어 구성된 다이캐스팅용 고열전도도 알루미늄 합금으로서, 아연(Zn) 5.5~8.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.5~3.0중량% 및 철(Fe) 0.5~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 구성된다.

본 발명은 상기 각각의 조성량에 따라서 알루미늄의 주조성을 향상시킬 수 있는 합금원소, 알루미늄 기지 금속에 고용되어 고용강화 및 석출강화 효과를 얻을 수 있는 합금원소, 그리고 알루미늄 기지 금속에의 고용도가 매우 낮아서 열전도도 저하를 최소화하면서 금속간화합물로 석출하여 인장강도를 증가시키고 동시에 다이캐스팅에 의하여 알루미늄 합금 제품을 성형할 때에 금형소착을 줄일 수 있는 합금원소를 복합적으로 첨가함으로써, 우수한 주조성을 나타내면서 동시에 130W/mK 이상의 열전도도와 230MPa 이상의 인장강도를 나타내는 다이캐스팅용 고강도, 고열전도도 알루미늄 합금이다.

상기 각 합금원소의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.

아연(Zn)은 알루미늄에 합금원소로 첨가하여 고용강화 효과에 따라서 인장강도를 증가시킬 수 있고, 또한 MgZn₂ 등의 금속간화합물로 석출되기 때문에 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화하면서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명에 의한 합금에는 아연이 5.5~8.5중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 아연의 함량이 5.5중량% 미만이면 230MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 없고, 아연의 함량이 8.5중량% 초과하면, 합금의 열전도도가 저하되어 130W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄에 합금원소로 첨가되어 알루미늄 합금의 주조성을 향상시키고 또한 MgZn₂ 등의 금속간화합물로 석출되기 때문에 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화 하면서 인장강도를 증가시킬 수 있는 합금원소이다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금에는 마그네슘이 0.5~3.0중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 상기 마그네슘의 함량이 0.5중량% 미만이면 230MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 없고, 상기 마그네슘의 함량이 3.0중량% 초과하면 합금의 열전도도가 저하되어 130W/mK 이상의 열전도도를 얻을 수 없기 때문이다.

철(Fe)은 상온에서 알루미늄에의 고용도가 0.052중량%로서 매우 낮아 주조 후에는 대부분 Al₃Fe 등의 금속간화합물로 정출되기 때문에 알루미늄에 첨가되어 알루미늄의 열전도도 저하를 최소화하면서 강도를 증가시킬 수 있고, 동시에 다이캐스팅에 의하여 알루미늄 합금 제품을 성형할 때에 금형소착을 줄일 수 있도록 하는 합금원소이다. 본 발명에 의한 다이캐스팅용 합금에는 철이 0.5~1.5중량% 첨가되는 것이 바람직한데, 이는 상기 철의 함량이 0.5중량% 미만이면 합금의 금형소착 방지 효과가 낮아져 다이캐스팅에 의하여 제품을 성형할 때에 일부 금형부위에 제품의 소착현상이 발생하며 또한 인장 강도도 충분하지 못하게 되고, 상기 철의 함량이 1.5중량% 초과하면 합금에 Fe-부화상(Fe-rich상)이 과도하게 정출되어, 합금의 주조성을 저하시키기 때문이다.

불가피한 불순물이란, 본 발명에 의한 합금을 제조하는 과정에서 원료 또는 제조 장치에 의해 의도하지 않게 혼입된 불순물을 의미하며, 예를 들어 Ti, Cr, V, Mn, Li, Zr 등을 들 수 있으며 이들 불순물 각 성분은 합금 특성에 영향을 주지 않도록 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0.01% 이하가 되도록 유지한다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 고강도, 고열전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 대하여 하기 표 1 ~ 2를 참조하여, 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 고강도, 고열전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금을, 다이캐스팅 제조시에 통상적으로 사용되는 용융 교반식 알루미늄 합금 제조 방법으로 시험편을 제조하였다.

합금		조성(중량%)
합금		Zn	Mg	Fe	Si	Al
실시예	1	6.06	0.64	1.02	-	bal.
	2	6.10	1.25	1.04	-	bal.
	3	6.05	1.59	0.53	-	bal.
	4	5.92	2.08	0.60	-	bal.
	5	7.93	0.73	0.93	-	bal.
	6	8.14	1.62	0.97	-	bal.
	7	7.90	2.07	0.49	-	bal.
	8	8.10	2.71	0.56	-	bal.
비교예	9	0.92	0.21	0.97	10.20	bal.
	10	1.95	1.11	0.52	-	bal.
	11	2.30	1.11	0.53	-	bal.
	12	9.16	2.22	0.29	-	bal.
	13	3.97	0.39	0.96	-	bal.

구체적으로, 상기 표 1과 같은 조성이 되도록 알루미늄 합금의 원료를 준비한 후, 전기저항식 용해로에 장입하여 대기 중에서 원료를 용해하여 용탕을 제조한 후에, 금형을 이용하여 주조성 평가를 위한 유동성 시험편을 제조하였고 또한 열전도도, 액상 온도 및 고상 온도 등을 측정하기 위한 특성평가용 시험편을 제조하였다.

본 발명의 실시예에 따른 합금의 주목적 중 하나인 열전도도에 대해서는, 먼저 제조한 시편을 도전율 측정기를 이용하여 상온에서 도전율을 측정한 후, 하기 [식 1]의 환산식으로 환산하는 방식을 통해 열전도도를 얻었다.

[식 1]

K = 5.02σT x 10^-9 + 0.03

(여기서, K는 열전도도, σ는 도전율, T는 절대온도임)

또한, 다이캐스팅 주조에 필수적인 주조성 평가를 위해서는, 일반적으로 이 업계에서 널리 알려진 방식으로 수행한 유동장 평가(유동장 평가방법은 합금 용탕을 200℃의 온도로 유지된 도 1과 같은 유동성 시험 금형에 주입하고 합금 용탕이 일정한 거리를 유동한 후에 응고된 길이를 측정하는 것으로, 도 1에서 유동장 시험편 크기는 폭 12㎜, 두께 5㎜, 최대길이 780㎜임)와, 열분석기를 이용하여 액상온도(T_L)와 고상온도(T_S)의 차이를 측정하는 방식으로 수행하였다.

하기 표 2는 각 합금의 유동장, 열전도도, 액상온도(T_L), 고상온도(T_S) 및 그 차이(△T=T_L-T_S), 인장특성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

합금		유동장 (㎜)	열전도도 (W/mK)	액상온도 (℃)	고상온도 (℃)	△T (℃)	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)	연신율 (%)
실시예	1	780	163	649	616	33	254	210	12
	2	720	152	646	600	46	307	250	8
	3	780	152	640	587	53	280	242	4
	4	780	148	640	577	63	256	190	8
	5	720	156	638	600	38	293	231	6
	6	770	144	643	589	54	285	216	4
	7	780	144	639	572	67	242	202	2
	8	780	133	637	567	70	290	185	2
비교예	9	780	95	575	501	74	134	120	3
	10	-	175	-	-	-	141	103	30
	11	-	171	-	-	-	151	110	22
	12	-	116	-	-	-	299	230	2
	13	-	175	-	-	-	171	122	20

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예(No. 1~8)에 따른 알루미늄 합금들은 모두 열전도도가 130W/mK 이상으로, 다양한 방열부품에서 요구되는 수준 또는 그 이상의 우수한 열전도도를 가진다.

또한, 상기 표 2에서 나타낸 유동장과 액상 온도와 고상 온도의 차이인 T는 합금의 주조성을 평가할 수 있는 주요한 지표인데, 유동장은 클수록 합금의 유동성이 우수한 것을 의미하며 액상 온도와 고상 온도의 차이인 △T는 작을수록 주조성이 우수한 것을 의미한다.

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들은 유동장은 720 ~ 780mm로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 9)의 유동장 780mm와 비교하여 90% 이상의 유동장을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금들의 액상온도(T_L)와 고상온도(T_S)의 차이인 △T(T_L-T_S)는 33~70℃로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si 합금(ADC 12)인 비교예 합금 9의 액상온도(T_L)와 고상온도(T_S)의 차이인 △T(T_L-T_S) 74℃와 비교하여 낮은 수준이다.

다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 종래 다이캐스팅에서 널리 사용되는 Al-Si 합금과 동등한 수준의 주조성을 갖는다.

또한, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~8에 따른 합금들의 인장강도는 240MPa 이상으로서, 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 기존의 Al-Si 합금(ADC 12, 비교예 합금 9)에 비해서 우수한 인장강도를 가지고 있다.

비교예 합금 10 및 비교예 합금 11은 본 발명의 실시예들에 비해, 아연 함량이 각각 1.95중량% 및 2.30중량%로 낮은데, 그 결과 열전도도는 170W/mK 이상이지만 인장강도는 각각 141MPa 및 151MPa로서, 본 발명의 실시예들에 비해 인장강도가 상대적으로 낮다.

또한, 비교예 합금 12는 본 발명의 실시예들에 비해 아연 함량이 9.16중량%로 높은데, 그 결과 열전도도가 116W/mK로 본 발명의 실시예들에 비해 열전도도가 상대적으로 낮아, 높은 효율의 방열특성이 요구되는 부품에 적용하기에는 무리가 있다.

또한, 비교예 13은 본 발명의 실시예들에 비해, 아연 함량이 3.97중량%, 마그네슘 함량이 0.39중량%로 낮은데, 그 결과 열전도도는 175W/mK로 상대적으로 높지만, 인장강도는 각각 171MPa로서 본 발명의 실시예들에 비해 인장강도가 상대적으로 낮다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 다이캐스팅을 할 수 있는 정도의 주조성과 함께 부품에 요구되는 일정한 수준의 인장 강도와 우수한 열전도 특성이 요구되는 방열부품용 다이캐스팅용 알루미늄 재료로 적합하게 사용될 수 있다.

Claims

아연(Zn) 5.5~8.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.5~3.0중량% 및 철(Fe) 0.49~1.5중량%를 포함하고, 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어며, 열전도도는 130W/mK 이상이고 인장강도는 230MPa 이상인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금의 액상온도(T_L)와 고상온도(T_S)의 차이는 70℃ 이하인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.