KR20120129458A

KR20120129458A - 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20120129458A
Application number: KR1020110047719A
Authority: KR
Inventors: 소병수
Original assignee: 에이치케이 하이텍 주식회사
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-28

Abstract

본 발명에 따라서 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금이 제공되는데, 마그네슘(Mg) 4.0~5.0 wt%, 실리콘(Si) 0.5~1.0 wt%, 철(Fe) 0.15~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.3~0.4 wt%, 구리(Cu) 0.4 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금{HIGH STRENGTH DIECASTING ALUMINUM ALLOY FOR THIN WALL PRODUCT}

본 발명은 다이캐스팅 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 박육 제품 사출시 인장 강도 및 내충격성, 진동 특성 등 복잡한 형상의 휴대폰 등 전기/전자기기의 외장재에 적합한 내구성을 얻을 수 있는 조성으로 이루어진 고강도 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

박육 다이캐스팅 제품, 특히 이동통신 단말기 외장재에 대해서는 외부의 충격에 저항하여 본래 형상을 유지할 수 있는 물성이 필수적으로 요구되고 있다. 이는 보통 업계에서 인장 강도, 내충격성, 진동특성 등의 조건으로 평가되고 있으며 이를 충족하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.

업계에서는 일반 다이캐스팅 주조에서 사용하고 있는 알루미늄 다이캐스팅 합금을 박육 제품 생산에 적용하고자 하고 있으나, 합금의 인성(toughness) 부족에 의한 내충격치의 감소로 제품 생산에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위하여 주조성 향상을 위한 Si 계열이나 경도 증가를 위한 Mg 계열 합금을 조합하는 정도의 다이캐스팅 합금 개발을 시도하고 있다. 그러나, 다이캐스팅 공정 전반에 대한 기술적인 이해의 부족 등으로 인해 유동성, 내소착성, 내식성이 떨어지는 등 양산 적용이 불가능한 실정이다.

한편, 기계적 성질을 확보하기 위하여, 단조 공법을 통한 박육 제품 생산이 시도되고 있으나, 높은 단가의 문제가 있고 또 복잡한 형상의 제품을 제작하는 데에는 한계가 있다. 특히 보스(bose)부 등 돌출부를 가진 제품의 성형은 불가능하여 다양한 외관을 원하는 현대의 제품생산 트렌드에 부응할 수 없다.

이와 같이, 기존의 알루미늄 다이캐스팅 기술을 이용하여 박육 제품을 생산하고자 하는 경우 발생되는 문제를 요약하면 다음과 같다.

먼저, 상용 다이캐스팅 합급의 내력 및 경제성 부족에서 일어나는 문제이다. 사용 다이캐스팅 합금 중 다이캐스팅 주조용으로 가장 많이 활용되는 상용 합금인 ADC12는 Si의 함량이 높아 유동성을 확보할 수 있고, Cu를 첨가하여 절삭성이 우수하지만, 경질의 Si 공정 영역에 의한 연신의 부족으로 내충격성이 떨어진다.

또 Mg-계 합금으로 다이캐스팅에 사용되는 AZ91D는 비강도가 높으며, 전자시 차폐 성능이 우수하여 이동통신 단말기의 소재로서 각광을 받고 있다. 그러나, 용탕 관리의 어려움과 사출품의 양질 피막층을 얻기 위한 각종 처리의 복잡성으로 인해 가격이 매우 높아, 적용에 문제가 있다. 또한, SKD 금형과의 소착성 발생 문제, 제품 응고시 수축 응력에 의한 파단 및 내부 수축공 발생으로 대표되는 핫크랙 발생 문제, Al-Si 합금에 비해 낮은 잠열 방출량으로 인한 유동성 부족 문제 등 박육 다이캐스팅 사출에 난점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 다이캐스팅으로 성형할 수 있으면서도 그 다이캐스팅에 의해 성형한 제품에 대해 충분한 강도를 제공할 수 있고 또 복잡한 형상의 휴대폰 등 전기/전자기기의 외장재에 적합한 내구성을 부여할 수 있으며, 금형 내소착성 및 유동성이 우수한 고강도 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금이 제공되는데, 마그네슘(Mg) 4.0~5.0 wt%, 실리콘(Si) 0.5~1.0 wt%, 철(Fe) 0.15~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.3~0.4 wt%, 구리(Cu) 0.4 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 마그네슘의 함량이 증가할수록 합금의 강도가 증가하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 마그네슘 4.5~5.0 wt%, 실리콘 0.8~1.0 wt%, 철 0.2~0.4 wt%, 망간 0.3~0.35 wt%, 구리 0.2~0.35 wt%, 아연 0.4~0.5 wt%, 티타늄 0.02~0.03 wt% 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 합금은 180~190 MPa의 항복 강도 및 270~300 MPa의 인장 강도를 나타낼 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 박육 제품은 이동통신 단말기의 외장재일 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은 높은 경도, 인장 강도 및 항복 강도, 내소착성을 갖고 있어서, 이동통신 단말기의 외장재와 같이 복잡한 형상을 갖는 박육 제품에 유리하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금과 비교예의 알루미늄 합금의 인장 평가 결과를 보여주는 도면이다.
도 2는 비교예의 알루미늄 합금의 파괴 단면 사진(SEM)이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금과 비교예의 알루미늄 합금의 내소착성 및 유동성 평가 결과를 보여주는 도면이다.

이하에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 사항에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따라서 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 등이 함유되어 구성된 고강도 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공되는데, 마그네슘(Mg) 4.0~5.0 wt%, 실리콘(Si) 0.5~1.0 wt%, 철(Fe) 0.15~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.3~0.4 wt%, 구리(Cu) 0.4 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는, 본 발명의 알루미늄 합금에 첨가되는 상기 각 합금 원소의 함량을 한정한 본 발명의 기술적 의미를 설명한다.

마그네슘(Mg)은 Al 초정 내에 고용되어 경화 효과에 의한 강도 확보를 위해 첨가한다. 실리콘과 함께 초정 내 Mg₂Si 생성시 Mg:Si의 비율이 3:2에서 정량반응, 즉 초정 내 최대 고용 수준의 Mg₂Si를 생성할 수 있다. 그러나, 4.0 wt% 미만으로 첨가하는 경우, 박육 제품에 활용 가능한 강도를 확보할 수 없고, 5.0 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, Mg₂Si가 과다 생성되고 또 고용한 이상의 첨가로 편석의 원인이 되어 강도가 저하되므로, 4.0~5.0 wt%의 범위에서 첨가한다.

실리콘(Si)은 초정 고용시 Mg와 함께 초정 내 Mg2Si를 생성하여, 강도를 증가시키는 원소이다. 최소 0.5 wt%를 첨가하여, 열간 크랙을 방지하고 최소 유동성을 확보할 수 있다. 그러나, 1.0 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 과량의 Si로 인해 공정상에서의 편석 및 석출물이 생성되어, 기계적 성질을 저하시키므로, 0.5~1.0 wt%의 범위에서 첨가한다.

철(Fe)은 금형 소착 개선을 위해 첨가한다. 0.15 wt% 이상 첨가시 소착 개선 효과를 나타내지만, 0.5 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, β-Al₅FeSi 상의 출현으로 연신률이 크게 저하하므로, 0.15~0,5 wt%의 범위에서 첨가한다.

망간(Mn)은 α 초정 내에 고용되어 강화효과에 의해 기계적 성질을 개선하기 위하여 첨가한다. 또 β-Al₅FeSi 상을 α-AL(FeMn)Si 상으로 변화시켜 연신률을 향상시키고 소착 특성을 개선한다. 최소 0.3 wt%를 첨가해야 소착 개선의 효과가 나타나며, 0.4 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 편석이 발생하여 물성의 균일성을 저하시키므로, 0.3~0,4 wt%의 범위에서 첨가한다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의해 강도를 확보하기 위해 첨가한다. 석출 변태의 속도를 조절하여 입계 주변의 고용된 Zn, Mg의 급격한 감소를 방지함으로써(PFZ(무석출대)의 생성 방해), 응력부식균열(SCC) 특성을 개선한다. 그러나, 0.4 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 내부식 특성이 감소하고 공정 내 금속간 화합물 발생으로 편석이 야기되므로, 최대 0.4 wt% 첨가한다.

아연(Zn)은 α 초정 내 고용 범위 내에서 첨가하여 강화 효과를 발휘하도록 첨가하지만, 0.5 wt%를 초과하여 첨가하면 응력부식균열(SCC)로 인한 물성이 저하되므로, 최대 0.5 wt% 첨가한다.

티타늄(Ti)은 결정립 강화(grain reinforcement)에 효과적인 원소로서, 티타늄 첨가에 의해 입자 미세화가 이루어져, 열간 크랙을 방지한다. 그러나, 0.05 wt%를 초과하여 첨가하더라도 추가의 미세화 효과가 없으므로, 최대 0.05 wt% 첨가한다.

실시예

본 발명에 따른 고강도 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 대하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명자는 본 발명에 따라서, 표 1에 나타낸 조성을 갖는 알루미늄 합금을 통상의 알루미늄 합금 제조 방법에 따라 제조하였다.

구체적으로, 상기 조성을 갖는 합금을 흑연 도가니에서 750℃로 설정된 전기 저항로 내에서 용해시켰다. 용해 후, 용탕 내 기공 함유량을 낮추기 위한 용탕 청정화를 실시하였다. 즉 용탕 온도를 750℃로 유지한 후, Cl 계열 탈가스 처리제를 이용하여 탈가스 처리를 수행한 후 30분간의 안정화 과정을 거친 후 사출하였다. 85 ton 다이캐스터 KDK85CT-10을 이용하여 복수 개의 시편을 제작하였다. 이때, 비교예 1 내지 6에 나타낸 바와 같이, Mg, Mn 등을 본 발명의 함량을 벗어나 구성한 알루미늄 합금도 제작하였다. 한편, 사출 온도는 각 합금의 액상선 50~100℃ 직상으로 설정하였다.

한편, 재료의 물성을 평가하기 위하여 계단형 시편의 두께 10 mm 부에서 경도시편을 취출하여 비커스 경도(Vickers Hardness, HV)로 경도를 평가하였다. 또한, 인장 평가를 실시하여 제품의 물성치를 확인하였다. 인장시편은 ASTM E8M의 sclae로 제작하고 1 mm/min의 cross velocity로 표준 인장 시험기에서 평가를 실시하였다. 이러한 기계적 물성치 평가(경도) 결과를 표 2에 나타내었다.

Test No.	경도(HV)
1	82
2	83
3	85
4	88
비1	65
비2	87
비3	82
비4	73
비5	80
비6	81

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 합금 조성에 따라 배합하는 경우, Mg의 첨가량이 4.0~5.0 wt% 범위 내에서 증가할수록 합금의 경도는 증가하는 경향을 나타내었다. 한편, 비교예 2의 경우 Mg의 함량이 실시예 4에 비해 증가하였음에도 불구하고, 경도의 증가가 발생하지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 추가로 Mg를 첨가하더라도 고용 및 석출 강화에 활용되지 않으며, 조직 불안정 및 국부적인 경도차를 일으킬 수 있어, 합금의 기계적 물성치의 불균일성을 유발할 수 있는 것으로 평가된다. 특히 Mg의 함량이 실시예보다 적은 비교예 1의 경우, 경도의 감소가 큰 것을 확인할 수 있으며, 이는 충분한 초정 내 고용 및 Mg2Si 등의 석출상 부족으로 인한 물성 감소로 박육 다이캐스팅 제품의 충분한 물성을 확보할 수 없다는 것을 의미한다.

한편, 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 대해 인장 평가를 실시하였으며, 그 결과를 도 1에 도시하였다.

도 1에 도시한 바와 같이, 비교예의 합금과 비교하여 본 발명의 실시예의 합금의 경우 높은 연신률 및 인장 강도/항복 강도를 나타낸다. 특히, Mg 첨가량이 적은 비교예 1의 경우, 실시예들과 비교하여 인장강도 측정시 낮은 강도값을 가지고 있어, 인장강도, 내충격성 및 진동특성 등의 조건으로 평가되는 박육 다이캐스팅 제품에는 적합하지 않다. 또한, Mg 첨가량이 본 발명의 범위를 초과하는 비교예 2의 경우, 인장 강도의 상승은 나타나지 않으면서 연신이 감소하였는데, 이는 추가적인 Mg 첨가로 인해 과다 Mg2Si 석출 및 공정 내 금속간화합물 생성량이 증대되어, 미세조직적 편석이 야기되어서 비롯되는 것으로 보인다.

도 2에 비교예 3의 파괴 단면 사진(SEM)을 나타내었는데, 철 및 망간이 과다 첨가되어, 인장 강도 및 연신이 크게 감소하였다. 파괴된 단면을 보면, β-Al₅FeSi 상으로 인해 파단면이 금속간화합물을 따라 형성된 것을 볼 수 있다. 이는 인장 특성에 치명적인 결함으로 작용한다.

마지막으로, 실시예 1 및 비교예 4 내지 6의 알루미늄 합금에 대해 내소착성 및 유동성을 평가하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, Si 함량이 본 발명의 범위보다 적게 첨가한 비교예 4의 경우, 응고시 잠열 부족으로 인한 주조성 저하로 제품 사출시 박육부에서 충분한 충진성을 얻지 못했다. 또한, 철과 망간의 첨가량이 부족한 비교예 5, 6의 경우, 금형과의 소착으로 인해, 제품 취출시 변형이 야기되었다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims

박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금으로서,
마그네슘(Mg) 4.0~5.0 wt%, 실리콘(Si) 0.5~1.0 wt%, 철(Fe) 0.15~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.3~0.4 wt%, 구리(Cu) 0.4 wt% max, 아연(Zn) 0.5 wt% max, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max를 포함하는 것을 특징으로 하는 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 마그네슘의 함량이 증가할수록 합금의 강도가 증가하는 것을 특징으로 하는 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금.
청구항 2에 있어서, 마그네슘 4.5~5.0 wt%, 실리콘 0.8~1.0 wt%, 철 0.2~0.4 wt%, 망간 0.3~0.35 wt%, 구리 0.2~0.35 wt%, 아연 0.4~0.5 wt%, 티타늄 0.02~0.03 wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 180~190 MPa의 항복 강도 및 270~300 MPa의 인장 강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박육 제품은 이동통신 단말기의 외장재인 것을 특징으로 하는 박육 제품용 고강도 다이캐스팅 알루미늄 합금.