아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 이의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법 { Anodizable aluminium alloy for diecasting and Method for diecasting and anodizing using the same }
본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 아노다이징 구현을 위해 아노다이징 특성에 악영향을 미치는 원소 및 인체 유해원소를 배제한 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 이의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법에 관한 것이다.
최근 IT기술이 급격히 발달함에 따라 스마트폰 등 전자기기의 개발이 활발히 이루어지고 있고, 특히 전자기기에 금속 소재의 사용이 증가함에 따라 다양한 표면처리 기술이 요구되어 있다. 일반적으로 도장, 도금 등이 주로 이루어지나 최근에는 판재나 가공재 등에 주로 이용되어 미려한 금속감을 보일 수 있는 아노다이징기술을 다이캐스팅에 적용하는 것이 연구되어 있다. 아노다이징(Anodizing) 기술을 다이캐스팅에 적용함으로써, 기존의 판재 프레스 가공 후 아노다이징 처리나 열간 압출이나 단조 후 가공을 통해 아노다이징을 하는 것보다 형상구현, 추가 가공에 따른 비용증가, 생산성 측면에서 유리함을 가져갈 수 있다. 일반적으로 알루미늄 다이캐스팅은 ADC12가 주로 이용되나, 높은 Si함량으로 인해 아노다이징에 어려움이 있다. 판재는 A5052 등이 이용되고, 열간 가공재의 경우 A6061 등의 소재가 주로 이용된다. 그리고, 다이캐스팅 공정의 특성상 용탕의 유동에 따른 아노다이징 얼룩이 나타나는 경우가 있다. A5052나 A6061을 다이캐스팅에 적용시 다이캐스팅 공정의 특성에 따라 급냉조직이 형성되고 균질화 처리가 어려워 편석된 조직이 형성된다. 이로 인해 아노다이징 적용시 판재나 가공재의 경우보다 아노다이징 특성이 좋지 않다. 특히, 유럽 등 선진국에서는 니켈, 납, 베릴륨, 코발트, 카드뮴, 수은 등을 유해원소로 규정하여 시장 진출에 제한을 하고 있다. 유해원소 중 니켈과 코발트의 경우 알루미늄과 결합하여 강도 증가를 기대할 수 있으며, 납의 경우 절삭성을 향상시켜 후가공이 용이하도록 하는 특성을 가지나, 사용을 금지하고 있다. 따라서, 유해원소를 함유하지 않는 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 개발이 필요하다. 한편, 종래의 아노다이징이 가능한 알루미늄 합금은 유동성이 좋지 않아 다이캐스팅 공정시 성형성에 문제가 있고, 기계적 물성 또한 기존의 상용소재에 비해 떨어지는 단점이 있다. 이 경우, Si 등을 첨가하여 유동성을 개선시킬 수 있으나, 아노다이징 처리시 광택도가 떨어지게 된다. 또한, 고용체 강화를 시키는 합금의 투입으로 강화시킬 수 있으나, 아노다이징 처리시 고광택에 얼룩이 없는 제품을 생산하기가 어려운 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 인체 유해원소를 함유하지 않고 아노다이징과 다이캐스팅이 모두 가능하며 고강도 및 고광택 특성을 구현할 수 있는 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 이의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, 알루미늄(Al), 망간(Mn), 철(Fe), 실리콘(Si), 티타늄(Ti)을 포함하여 이루어지되, 상기 망간은 1.0~5.0wt%, 상기 철은 0.1~0.4wt%, 상기 실리콘은 0.02~0.3wt%, 상기 티타늄은 0.01~0.06wt%를 차지하고, 나머지는 상기 알루미늄이 차지하는 것을 특징으로 한다. 상기 합금은 지르코늄(Zr)을 더 포함하여 이루어지되, 상기 지르코늄은 0.01~0.20wt%이다. 상기 합금은 마그네슘(Mg)을 더 포함하여 이루어지되, 상기 마그네슘은 0.1~0.5wt%이다. 또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 알루미늄 합금의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법은, 알루미늄(Al), 망간(Mn), 철(Fe), 실리콘(Si), 티타늄(Ti)으로 이루어진 잉곳을 생산하는 잉곳생산공정과; 상기 잉곳을 용탕으로 용해시키는 용해공정과; 상기 용탕을 다이캐스팅금형을 이용하여 성형품으로 생산하는 다이캐스팅공정과; 상기 성형품을 수용액에 침지한 상태에서 전류를 흐르게 하여 상기 성형품의 표면에 산화막을 형성하는 아노다이징(Anodizing)공정으로 이루어지되, 상기 잉곳은, 망간 1.0~5.0wt%, 철 0.1~0.4wt%, 실리콘 0.02~0.3wt%, 티타늄 0.01~0.06wt%와 나머지 wt%를 알루미늄이 차지하고 있는 것을 특징으로 한다. 상기 잉곳은 지르코늄(Zr)을 더 포함하여 이루어지되, 상기 지르코늄은 0.01~0.20wt%이다. 상기 잉곳은 마그네슘(Mg)을 더 포함하여 이루어지되, 상기 마그네슘은 0.1~0.5wt%이다. 상기 용해공정에서는 800~1200℃로 가열하여 잉곳을 용탕으로 용해시킨다. 상기 다이캐스팅공정에서는 상기 다이캐스팅금형의 온도가 100~300℃이고, 상기 용탕의 온도는 650~800℃로 진행시킨다. 상기 아노다이징공정에서 전류밀도는 0.5~2.5A/dm 2 이고, 처리온도는 10~30℃이다. 상기 다이캐스팅공정과 상기 아노다이징공정 사이에는, 상기 성형품을 연마하여 표면조정을 하는 연마공정이 추가될 수 있다. 상기 아노다이징공정을 마친 상기 성형품을 착색액에 침지하여, 상기 성형품의 표면에 형성된 작은구멍에 필요한 색상을 흡착시켜 착색하는 착색공정을 더 포함하여 이루어진다. 상기 착색공정을 마친 상기 성형품에서 상기 착색액이 흡착된 상기 작은구멍을 막는 봉공처리공정을 더 포함하여 이루어진다. 상기 봉공처리공정에서는 순수(純水)를 이용하되, 처리온도는 93~100℃이고, PH범위는 5.5~6.5이며, 처리시간은 산화층의 두께당 2~4분/㎛이다. 상기 봉공처리공정 이후에 상기 성형품의 표면에 유기피막을 씌우는 피막공정을 더 포함하여 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 이의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법에 따르면, 인체 유해원소를 함유하지 않는바 친환경적이고, 아노다이징과 다이캐스팅이 모두 가능하여 제품의 형상구현 및 생산성이 향상되며, 고강도 및 고광택 특성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법의 공정도,
도 2는 알루미늄 합금에 티타늄을 첨가하지 않은 경우와 첨가한 경우의 조직 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 성분 및 그 특성표,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금에 망간이 5wt%함유된 경우의 조직사진.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법의 공정도이고, 도 2는 알루미늄 합금에 티타늄을 첨가하지 않은 경우와 첨가한 경우의 조직 사진이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 성분 및 그 특성표이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법은, 잉곳생산공정(S1)과, 용해공정(S2)과, 다이캐스팅공정(S3)과, 연마공정(S4)과, 아노다이징공정(S5)과, 착색공정(S6)과, 봉공처리공정(S7)과, 피막공정(S8)으로 이루어진다. 상기 잉곳생산공정(S1)은 알루미늄(Al), 망간(Mn), 철(Fe), 실리콘(Si), 티타늄(Ti)으로 이루어진 잉곳을 생산하는 공정이다. 위와 같은 알루미늄 합금을 생산하기 위한 기초재료인 잉곳에 인체 유해원소인 니켈, 납, 베릴륨, 코발트, 카드뮴 등을 첨가하지 않음으로써 친환경적인 제품을 생산할 수 있다. 그리고, 상기 잉곳에 망간을 첨가함으로써, 본 발명의 알루미늄 합금의 강도를 향상시키고 아노다이징 특성을 저하시키지 않도록 하였다. 이때, 상기 잉곳을 구성하는 구성원소의 중량비율은, 망간이 1.0~5.0wt%, 철이 0.1~0.4wt%, 실리콘이 0.02~0.3wt%, 티타늄이 0.01~0.06wt%를 차지하고, 나머지는 알루미늄이 차지한다. 이러한 상기 잉곳은 지르코늄(Zr)을 더 포함하여 이루어질 수 있고, 이때 상기 지르코늄은 0.01~0.20wt%를 차지하도록 한다. 또한, 상기 잉곳은 마그네슘(Mg)을 더 포함하여 이루어질 수도 있으며, 이때 상기 마그네슘은 0.1~0.5wt%를 차지하도록 한다. 상기 지르코늄 및/또는 마그네슘이 포함될 경우, 상기 알루미늄이 차지하는 중량비는 상기 지르코늄 및 마그네슘이 차지하는 중량비만큼 작아지게 된다. 망간은 강도를 올리면서 알루미늄에 고용되어 석출되지 않아 아노다이징 특성에 영향을 끼치지 않는다. 철은 첨가시 강도를 증가시키고 점착성을 개선시키나 아노다이징 후 광택도를 저하시킬 수 있기 때문에 최소화하는 것이 바람직하다. 실리콘은 첨가시 강도와 유동성을 개선시킬 수 있으나, 아노다이징 후 광택도를 저하시킬 수 있기 때문에 최소화하는 것이 바람직하다. 지르코늄은 입자를 미세화시켜 강도를 증가시키고 유동성을 개선시킨다. 티타늄은 입자를 미세화시켜 강도 및 유동성을 향상시키나, 과대 투입시 응고점이 상승하여 유동성 및 물성을 저해하므로 함량조절이 필요하다. 도 2(a)는 티타늄을 첨가하지 않은 조직의 사진이고, 도 2(b)는 티타늄을 0.02wt% 첨가한 조직의 사진이며, 도 2(c)는 티타늄을 0.05wt% 첨가한 조직의 사진이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 티타늄의 함량이 증가할수록 결정립의 크기는 점점 미세화된다. 따라서, 아노다이징 특성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 미세화제로 티타늄을 첨가할 경우 합금의 특성을 개선시킬 수 있다. 마그네슘은 과다 첨가시 광택도를 저하시키므로 0.5wt%이하로 제한함이 바람직하다. 위와 같은 본 발명의 알루미늄 합금을 생산하기 위한 기초재료인 상기 잉곳에는 상술한 인체유해원소뿐만 아니라 아노다이징 특성을 저해시키는 아연 및 구리를 배제함으로써, 아노다이징 특성을 좋게 하였다. 상기 용해공정(S2)은 상기 잉곳을 용탕으로 용해시키는 공정이다. 상기 용해공정(S2)에서는 상기 잉곳이 충분히 용해될 수 있게 800~1200℃로 가열하여 잉곳을 용탕으로 용해시킨다. 그리고, 상기 잉곳의 용해 후 필요에 따라 탈가스, 용탕청정제, 입자미세화제 처리를 병행하여 진행할 수도 있다. 상기 다이캐스팅공정(S3)은 상기 용탕을 다이캐스팅금형을 이용하여 성형품으로 생산하는 공정이다. 상기 다이캐스팅공정(S3)에서는 상기 다이캐스팅금형의 온도가 100~300℃이고, 상기 용탕의 온도는 650~800℃로 진행시킨다. 위와 같은 다이캐스팅공정(S3)에 의해 가공의 자유도 및 치수 정밀도 부분에서 우수하고 박육제품의 성형도 가능하며 대량 생산에도 이점이 있다. 상기 다이캐스팅공정(S3)에 의해 생산된 성형품의 게이트, 런너, 오버플로우 부분은 프레스 작업을 통해 제거하고, 내부 형상에 따라 추가적인 프레스 작업을 병행할 수도 있다. 상기 연마공정(S4)은 상기 아노다이징공정(S5)을 수행하기 전에 상기 성형품을 연마하여 표면조정을 함으로써, 아노다이징 처리효율을 향상시키고자 하는 공정이다. 이러한 상기 연마공정(S4)은 물리적 연마, 화학적 연마 등을 실시할 수 있다. 물리적 연마로는 버핑, 샌딩 등이 있고, 화학적 연마로는 특정 화학약품에 침지하여 표면을 연마하게 된다. 상기 아노다이징공정(S5)은 상기 성형품을 수용액에 침지한 상태에서 전류를 흐르게 하여 상기 성형품의 표면에 산화막을 형성하는 공정이다. 즉, 상기 아노다이징공정(S5)은 목적에 맞게 수산, 황산, 크롬산 등의 수용액에 상기 성형품을 침지하여 전류를 흐르게 함으로써, 상기 성형품의 표면에 다공질의 딱딱한 산화막을 형성시켜 알루미늄 성형품의 내식성 향상 및 장식성, 외관 등을 개선시킬 수 있다. 상기 아노다이징공정(S5)의 전류밀도 및 처리시간 등은 제한되지 않고 성형품의 치수, 형상, 용도 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 바람직하게는, 상기 아노다이징공정(S5)에서 전류밀도는 0.5~2.5A/dm 2 이고, 처리온도는 10~30℃가 되도록 한다. 상기 아노다이징공정(S5)에 의해 생성된 산화막 즉 아노다이징층의 특성인 두께, 경도, 다공성의 결정은 온도, 전류밀도, 처리시간 등에 영향을 받는다. 상기 아노다이징공정(S5)에서는 황산법을 사용하면 착색이 가장 양호한 아노다이징층을 구현할 수 있다. 온도가 높고 전류밀도가 높을수록 피막경도 및 내마모성이 저하되나, 염료흡입이 많아 색상구현에 용이하고 피막중량이 적어진다. 이에 반해 온도가 낮고 전류밀도가 낮을수록 피막경도 및 내마모성이 향상되나, 염료흡입이 적어 색상구현시 더 많은 시간의 아노다이징 작업이 필요하다. 따라서, 성형품의 사용목적과 형상에 따라 적절하게 설정하여야 한다. 상기 착색공정(S6)은 상기 아노다이징공정(S5)을 마친 상기 성형품을 착색액에 침지하여, 상기 성형품의 표면에 형성된 작은구멍에 필요한 색상을 흡착시켜 착색하는 공정이다. 상기 착색공정(S6)은 산화막의 활성도가 떨어지기 전에 신속하게 하는 것이 바람직하다. 착색액(염료)의 종류는 유기염료, 무기염료, 전해착색, 안료침전 혹은 유기염료와 전해착색의 조합으로 이루어지며, 사용목적과 성형품의 형상에 따라 적절하게 설정하면 된다. 상기 봉공처리공정(S7)은 상기 착색공정(S6)을 마친 상기 성형품에서 상기 착색액이 흡착된 상기 작은구멍을 막도록 하는 공정이다. 산화층 즉 아노다이징층은 높은 다공성의 산화피막으로 주위 분위기로부터 이물질, 약품 등을 흡착하게 되며, 피막의 구조는 물리적으로 손상을 받게 되는데, 이를 상기 봉공처리공정(S7)에서 봉공처리함으로써 양극피막의 내식성을 강화하고, 염료(착색액)의 변색이나 햇빛에 의한 퇴색방지성 및 완성품의 더러움 등을 개선할 수 있다. 이러한 상기 봉공처리공정(S7)에서는 순수(純水)를 이용하되, 처리온도는 93~100℃이고, PH범위는 5.5~6.5이며, 처리시간은 산화층의 두께당 2~4분/㎛임이 바람직하다. 상기 봉공처리공정(S7)에서 순수를 사용함으로써 친환경적이다. 상기 피막공정(S8)은 상기 봉공처리공정(S7)을 마친 성형품의 표면에 유기피막을 씌우는 공정이다. 이러한 피막공정(S8)은 상기 봉공처리공정(S7) 이후에 성형품 표면에 대한 내식성 및 내 마모도를 향상시키기 위하여 특수 피막처리를 하는 공정이다. 상기 피막공정(S8)은 상기 봉공처리공정(S7) 이후에 취약할 수 있는 내식성 및 내마모도를 향상시킬 수 있도록 하기 위해, 봉공처리된 성형품의 표면 위에 얇은 유기 피막을 씌움으로써 그 성능을 향상시키는 것이다. 상기 피막공정(S8)에서 사용되는 피막처리제의 주요성분은, 비-ion계 화합물이고 사용기준은 200~250㎖/L이며 처리온도는 80~90℃이고, 처리시간은 5~10분으로 작업하면 그 기능을 최대화할 수 있다. 위와 같이 상기 아노다이징공정(S5)을 마친 후 착색을 하고, 상기 봉공처리공정(S7)에 의해 착색액이 흡착되어 있는 작은구멍을 막음으로써, 기존 알루미늄 합금이 가진 특색을 살려 다양한 장식표현이 가능하다. 또한 상기 피막공정(S8)에 의한 특수 피막처리를 함으로써 기존 아노다이징보다 내식성 및 내마모성이 향상된 아노다이징 피막 성능을 구현할 수 있다. 본 발명의 위와 같은 공정에 의해 생산된 알루미늄 합금은, 도 3에 도시된 바와 같이 각 구성요소의 함량비에 따라 항복강도가 82~155MPa이고, 인장강도가 139~190MPa이며, 연신율은 2.0~17.7%을 가지게 된다. 또한, 도 3에 도시된 10가지의 실시예 중 실시예1, 실시예5, 실시예7 내지 실시예10에 따른 알루미늄 합금의 아노다이징 특성이 다른 실시예에 비해 더 우수하다. 도 3에서 알루미늄(Al)의 함량비와 관련하여 '잔부'라고 기재한 것은, 100wt% 중 나머지 구성요소가 차지하는 wt%을 뺀 나머지wt%를 의미한다. 한편, 도 4는 본원발명의 알루미늄 합금에 망간의 함량이 5wt%인 경우의 조직 사진이고, 도 3에 도시된 바와 같이 실시예9에서는 망간의 함량이 3wt%이며 실시예10에서는 망간의 함량이 5wt%이다. 실시예9 및 실시예10에서는 다른 실시예들에 비해 망간의 함량이 증가하여 3wt%~5wt%가 된 경우인데, 이 경우에도 도 3에 도시된 바와 같이 물성특성 뿐만 아니라 아노다이징특성도 우수함을 알 수 있다. 실시예9 및 실시예10과 같이 망간의 함량이 증가한 경우에는 아노다아징 특성이 우수하게 나타나는 것은, 도 4에 도시된 바와 같이 과포화되어 정출된 망간상이 대부분 합금의 내부에 존재하고 아노다이징되는 표면부에는 거의 존재하지 않게 되어, 망간의 증가에 따른 아노다이징 특성 차이가 거의 없게 되는 것이다. 본 발명의 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 의해, 기존의 압연 판재나 단조, 압출재에서 주로 행해지던 아노다이징 공정을 다이캐스팅에 적용함으로써, 추가적인 열처리나 가공의 공정이 최소화되어 생산원가를 낮출 수 있고, 생산량 측면에서도 큰 이점이 있다. 또한, 인체에 유해한 성분이 포함되어 있지 않기 때문에, 안전성이 향상되며, 소비자로부터 구매욕을 증대시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 다이캐스팅시 응고속도가 빨라 생산성이 우수하며, 복잡한 형상의 구현도 가능해 이러한 다이캐스팅에 적용 가능한 본발명의 알루미늄 합금은 일반 주조공정에서도 용이하게 널리 이용될 수 있다. 본 발명인 아노다이징이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 이의 다이캐스팅 및 아노다이징 공법은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
S1 : 잉곳생산공정, S2 : 용해공정, S3 : 다이캐스팅공정, S4 : 연마공정, S5 : 아노다이징공정, S6 : 착색공정, S7 : 봉공처리공정, S8 : 피막공정, |
