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[보고서]용체화 처리한 Al-Si-Mg계 합금의 2단 시효거동

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  ○ 시효경화 합금의 대표적인 합금이 Al-Si-Mg계 합금이다. 이러한 합금은 최근 수송기기의 경량화를 위하여 그 사용이 증가하고 그에 따라 고강도 저비중 합금의 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 현재 국내에서도 이러한 합금에 대한 비슷한 연구가 많이 진행되고 있으며, 이러한 합금의 열처리기술도 많이 발전되어 있다. 그러나 이 합금은 주조시의 편석이 일어나기 쉽기 때문에 이러한 편석을 방지하는 기술과 열처리 시의 시효, 특히 2단 시효와 관련시켜 체계적으로 이루어진 연구는 비교적 드물다.

  ○ 철강 재료를 대체하기 위한 고강도 저비중 합금의 개발은 우리나라의 급격한 자동차 산업의 발달과 함께 꾸준히 연구되어왔고 향후에도 계속해서 발전시켜야 할 영원한 숙제이다. 자동차산업은 그 나라 기계공업의 발전정도를 평가한다고 하여도 과언이 아닐 정도로 국가경제와 직결되는 중요한 산업이다. 자동차산업의 발전을 위해서는 고강도 저비중 합금의 개발은 필수적이다. 따라서 우리나라의 미래 산업을 위하여 이러한 분야에 대한 투자와 연구는 향후에도 체계적이면서도 지속적으로 이루어져야 할 것으로 기대된다.

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용체화 처리한 Al-Si-Mg계 합금의 2단 시효거동

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용체화처리와 시효, 석출강화. 레포트

소개글 용체화처리와 시효처리와 석출강화에 관한 설명과 실험내용.

목차 1. 서론

2. 이론적 배경

<용체화처리 및 시효처리에 의한 변형>

<시효에 의한 석출강화>

<시효경화>

<알루미늄 합금>

3. 실험 방법

4. 실험결과

5. 결론 및 고찰

◎ 참고 문헌 ◎

본문내용 1. 서론

이번 실험에서는 알루미늄 합금의 용체화에 따른 재료 특성의 변화를 살펴보고, 용체화 시킨 합금을 시효시켜, 시효시간에 따른 합금의 경도변화를 관찰함으로써 석출경화현상을 이해하는 시간을 가져보도록 한다.. 또한 도출해낸 결과를 미세조직 사진과 비교해 봄으로써, 석출경화에 따른 경도변화를 미세조직의 변화와 함께 관찰해 볼 수 있도록 한다.

2. 이론적 배경

<용체화처리 및 시효처리에 의한 변형>

1) 용체화 처리

-용체화 처리(담금질처리)란 알루미늄합금을 500℃전후로 가열하여 시효경화에 관계되는 첨가원소를 충분히 고용시킨 후 상온에 유지시키는 조작을 말한다. 이 과포화 고용체를 상온 혹은 약간 높은 온도로 유지함으로써 용질원자를 금속간화합물로서 석출시켜 매트릭스를 강화하여 기계적 성질을 향상시키는 처리를 시효처리하고 한다. 이것에는 상온에서 시효 시키는 상온시효와 상온보다 높은 온도에서 처리하는 고온시효(뜨임)가 있다.

용체화 처리는 고온에서 급냉하는 조작이므로 재료(호근 제품)의 내외 부에는 열전도의 시간 차이에 의한 불균일한 온도차가 발생한다. 이 온도차에 의해 불 균일한 체적변화가 생겨 재료 내부에는 응력(열응력)이 발생하는데 이 응력이 그 온도에 있어서 항복점 이상으로 되면 재료는 부분적으로 소성변형을 일으킨다. 상온에서 유지된 때에는 이 소형변형이 부분적인 체적의 불균일로 되어 남기 때문에 변형이나 잔류응력이 발생한다.

잔류응력은 정적(靜的)으로는 균형이 유지되고 있지만 장시간 방치할 경우 온도변화에 의해 발생하는 마이크로 적인 팽창, 수축에 따라 변형의 원인으로 되며 또 재료의 일부를 제거할 경우에는 응력의 재균형에 의해 변형이 발생하기 때문에 정밀가공에 있어서는 귀찮은 존재이다. 용체화 처리(급냉)에 의해 발생하는 잔류응력은 일반적으로 표면에서는 압축, 내부에서는 인장으로 된다. 용체화 처리에 있어서 잔류응력에 미치는 여러 가지 인자(因子)의 영향은 다음과 같다.

5.1 항공기 금속(Aircraft Metals)-11 > 항공정비전공 – 전공자료실

5.1.8.4 용체화처리 후 교정(Straightening after Solution Heat-treatment)

용체화처리를 하는 동안 약간의 꼬임(kink), 굽힘(buckle), 물결모양의 주름(wave), 비틀림 (twist) 등이 발생한다. 일반적으로 이런 원하지 않는 변형은 일반적으로 교정 작업이나 평탄화 작업 (flattening operation)을 통해 제거한다. 변형 교정작업에서 인장강도와 항복강도는 어느 정도 증가하지만 신장률은 약간 감소된다. 이런 재료는 -T3 로 표시하며, 앞의 값들이 현저하게 영향을 받지 않은 재료라면 -T4 로 표시한다.

5.1.8.5 석출 열처리(Precipitation Heat Treating)

앞에서 언급한 바와 같이, 알루미늄합금은 용체화처리 온도에서 담금질한 직후에는 비교적 연질의 상태 이다. 따라서 최대강도를 얻기 위해서는, 자연시효경화처리 하거나 인공시효(석출)경화처리를 해야 한다. 이와 같이 고용체로부터 과포화된 성분이 석출되는 동안 경도와 강도를 증가한다. 석출이 진행함에 따라 재료의 강도는 최대에 도달할 때까지 증가하여 일련의 최고점에 도달한다. 또한, 시효(과잉시효)처리는 어느 정도 안정된 상태가 될 때까지 강도를 꾸준히 증가시키는 원인이 된다. 석출된 극소 미립자는 입자구조 내에서 어떤 종류의 하중이 작용했을 때 미립자 사이에서 내부손실과 변형에 저항하는 해결책이 마련된다. 이와 같은 방법으로, 합금의 강도와 경도가 증가한다. 석출경화는 재료의 연성은 감소시키지만 강도와 경도를 크게 증가시킨다. 강도를 요구하는 만큼 증가시키기 위해 사용되는 이 과정을 시효처리 또는 석출경화라 부르고 있다. 열처리가 가능한 합금의 시효처리에 의한 강도증가는 단순히 석출의 존재로 인한 것만은 아니다. 강도는 미세하게 산재된 극소 미립자 석출의 균일분포와 합금 결정구조에 의한 영향에 기인한 것이다. 사용되는 시효처리는 강도 외에도 많은 성질에 영향을 끼친다. 일반적으로 인공시효 처리한 합금은 내식성을 증가시키기 위해 약간 과 시효처리(overaged)한다. 이런 현상은 특히 구리의 함유량이 많은 합금을 인공시효 처리할 경우, 불충분한 시효 처리로 인해 쉽게 발생하는 입자간부식을 보면 알 수 있다. 열처리될 수 있는 알루미늄합금은 두 가지 종류로 구분하는데, 상온에서 완전강도를 얻는 것과 인공시효를 필요로 하는 것이다. 상온에서 4〜5일 후 완전강도를 얻는 합금은 자연 시효 합금으로 알려져 있다. 일반적으로 과 포화된 고용체로부터의 석출은 담금질 후 곧바로 시작되며, 24시간 이내에 최대강도의 90%가 얻어진다. 합금 2017과 2024는 대표적인 자연시효 합금이다. 합금의 완전강도를 얻기 위해 석출 열처리가 필요한 합금은 인공시효 합금에 해당한다. 그러나 이 합금은 경우, 상온에서는 제한된 양이 시효처리되며, 강도의 비율과 정도는 합금상태에 의존한다. 인공시효 처리한 많은 합금은 몇 일후 최대자연시효 강도 또는 상온시효 강도에 도달한다. 이것은 제 조를 위해 -T4 또는 -T3 상태로 제조를 위해 저장 할 수 있다. 7075와 같이 아연(zinc) 함유량이 많은 합금은 상당히 오랜 시간에 걸친 시효과정을 통해 성형성(formability)을 감소시키기에 충분한 기계적 성질 변화가 지속된다. -W 상태에서 성형성의 장점은, 즉 용체화처리 후 곧바로 가공하든지 또는 냉동보관해서 성형성을 유지하는 방법은, 자연시효처리와 같은 방법으로 활용 할 수 있다. 냉동은 자연시효의 속도를 지연시킨다. 32℉에서는 시효 작용의 시작이 몇 시간 동안 지연되지만, 드라이아이스(Dry Ice, -50℉에서 -100℉)는 저장하는 시간 동안은 시효 작용을 지연시킬 수 있다.

(1) 석출 작업(Precipitation Practices)

표 5-5에 나타난 것과 같이, 석출 경화를 위해 적용되는 온도는 요구되는 합금과 성질에 따라 결정하며, 250℉〜375℉ 범위를 사용한다. 이 온도는 더 좋은 결과를 얻기 위해서는 ±5 ℉편차 이내로 매우 정밀한 제어가 이루어져야 한다. 온도에 대응하는 시간은 사용 온도, 요구되는 성질과 합금 성분에 관계된다. 그 시간은 8〜96시간까지의 범위이다. 시효 온도를 적절히 증가시키면 시효에 필요한 균열 시간이 감소된다. 그러나 고온을 사용할수록 시간과 온도 모두를 더욱 정밀하게 제어 해야만 한다. 열석출 처리(thermal precipitation treatment)를 한 재료는 상온에서 공랭시켜야 한다. 반면에 필요한 것은 아니지만 물 담금질도 나쁜 영향을 주지 는 않는다. 노 냉각은 과시효처리될 우려가 있다.

(2) 알루미늄 합금의 풀림처리(Annealing of Aluminum Alloys)

알루미늄합금의 풀림 절차는 ① 합금의 온도상승을 위한 가열, ② 금속의 크기에 따라 결정되는 시간에서 균열처리하고, 그다음 ③ 정지공기 안에서 냉각 등으로 이루어진다. 풀림처리는 금속을 냉간가공하기에 가장 좋은 상태로 만들어 준다. 성형 작업이 이루어지면, 금속은 가공경화가 일어나서 가공하는 것이 점점 더 어려워진다. 그래서 균열을 방지하기 위해서는 성형하는 동안 여러번 부품 을 풀림처리 하는 것이 필요하다. 알루미늄합금 부품 또는 조립품은 풀림처리 상태로 사용해서는 안 된다. 다른 금속을 입힌(clad) 부품은 오랜 시간 열에 노출시키면 코어(core) 성분중 일부가 피막 (cladding) 안으로 확산하는 경향이 있고, 이렇게 되면 피막의 내식성이 감소되기 때문에 가능한 빠르고 조심스럽게 가열해야 한다.

5.1.8.6 알루미늄합금 리벳의 열처리(Heat-treatment of Aluminum Alloy Rivets)

알루미늄합금 리벳(rivet)은 1100, 5056, 2117, 2017, 및 2024 등의 합금 성분으로 만들어진다. 1100 리벳은 낮은 강도 리벳이 적합한 곳에 리벳으로 알루미늄합금판재를 체결하기 위하여 제조된 상태 그대로 사용된다. 5056 리벳은 마그네슘 합금판재를 리벳 체결할 때 처음 제조된 상태 그대로 사용 된다. 2117 리벳은 조금 높은 강도를 가지며, 알루미늄 합금판재를 리벳 체결할 때 적합하다. 이 리벳은 제작사에서 단 한번 열처리를 수행하고, 열처리한 후 양극산화 처리한다. 이 리벳을 사용되기 전에 더 이상의 열처리할 필요는 없다. 2117 리벳은 열처리 후 그 특성이 그대로 유지되며 언제든지 사용할 수 있다. 이 합금으로 만든 리벳은 항공기 구조물 체결에 가장 널리 사용된다. 2017과 2024 리벳은 고강도 리벳으로서 높은 하중을 받는 알루미늄합금 구조물을 체결할 때 적합하다. 이 리벳은 제작사로부터 열처리된 상태로 구입 하며, 상온에서는 시효경화 특성이 있기 때문에 리벳 작업에는 부적당하다. 따라서 사용하기 전에 재 열처리를 해야 한다. 2017 리벳은 담금질 후 약 1 시간이면 매우 단단해 져서 리벳 작업하기 어렵다. 2024 리벳은 담금질 후 약 10분이면 경화된다. 이들 합금을 사용하기 위해서는 가끔 재열처리를 해야 하 지만, 재료의 입자간 부식을 방지하기 위해 재열처리하기 전에 먼저 양극산화처리를 해야 한다. 만약 이 리벳을 담금질 후 즉시 32℉ 이하의 온도로 냉장 고에 보관한다면, 보관하는 동안은 몇 일간 작업할 수 있을 정도로 충분한 연질이 유지된다. 열처리를 필요로 하는 리벳은 관모양의 용기에 넣고 소금욕조(salt bath) 안에서 가열하거나, 또는 작은 철망용기에 넣고 공기로(air furnace)에서 가열 한다. 2017 리벳의 열처리는 930℉〜950℉ 사이의 온도에서 약 30분 동안 리벳에 열을 가하고, 곧바로 냉수로 담금질함으로써 이루어진다. 이 리벳은 체결 작업하고 난 후 9일 정도 지나면 최대강도에 도달한다. 2024 리벳은 910℉〜930℉의 온도로 가열하고 곧바로 냉수로 담금질한다. 이 리벳은 2017보다 더 큰 전단강도를 가지게 되고, 특히 높은 강도가 요구 되는 장소에 사용한다. 2024 리벳은 체결작업 후 하루만 지나면 최대전단강도를 가지게 된다. 열처리 후 또는 냉장고에서 꺼낸 후, 2017 리벳은 약 1시간 이내에 체결작업을 마쳐야 하고, 2024 리벳은 10〜20분 이내에 체결작업을 완료해야 한다. 만약 이 시간 내에 사용하지 못했다면, 리벳을 재열처리한 후 냉동보관을 해야 한다.

5.1.8.7 마그네슘합금 열처리(Heat-treatment of Magnesium Alloys)

항공기 제작에 사용되는 마그네슘(magnesium)의 약 95%는 주조 형태이며, 이 마그네슘합금 주물은 열처리에 의해 쉽게 반응한다. 마그네슘합금 주물의 열처리는 알루미늄합금 열처리와 비슷하며 (1) 용체 화처리, (2) 석출경화 또는 시효경화 두 가지 방법으로 나누어진다. 그러나 마그네슘은 상온에서 자연시효처리 할 때 그 성질 변화는 거의 일어나지 않는다.

(1) 용체화처리(Solution Heat-treatment)

마그네슘합금 주물은 인장강도, 연성, 충격강도 등을 향상시키기 위해 용체화처리를 한다. 이 열처리 상태는 합금의 규격표시 다음에 –T4를 붙여서 나타낸다. 용체화처리 후 인공시효를 더하면 –T6 을 붙여서 표시한다. 인공시효는 금속의 모든 성질을 발휘시키고자할 때 필요하다. 마그네슘합금 주물의 용체화처리 온도는 730℉〜780℉까지의 범위에서 합금의 종류에 따라 정확한 범위를 정한다. 각각의 합금 종류에 대한 온도범위는 MIL-H6857 규격 목록에 표시되어 있다. 규격목록에 표시된 각 범위의 상한치는 합금 용융되지 않게 가열할 수 있는 최대온도를 의미한다. 균열시간은 10〜18시간까지의 범위에서 부품의 두께와 합금의 종류에 따라 정확한 시간을 정한다. 두께가 2인치를 넘는 주물에는 18시간 이상의 균열시간을 적용한다. 마그네슘합금은 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 소금 욕조에 넣고 가열해서는 절대로 안 된다. 마그네슘합금 열처리 과정에는 급격한 화재 위험 이 항상 잠재되어 있으며, 만약 장비의 관리소홀 또는 기능불량으로 인해 최대온도를 초과하게 되면, 주물은 급격하게 점화되어 타버린다. 이런 이유로, 만약 사용되는 노의 제어장치가 제대로 동작하지 않거나 고장이 발생한 경우, 발열장치와 송풍기로 공급되는 전원을 차단시킬 수 있는 안전차단 장치를 갖추고 있어야 한다. 일부 마그네슘합금은 용체화처리 동안 아황산가스(sulfur dioxide gas) 공기로 보호하는 것을 필요로 한다. 이런 경우, 만약 온도한계를 조금 초과하더라도 화재 발생을 억제하는 효과가 있다. 마그네슘합금의 용체화처리에서 액체담금질 방법이 그다지 큰 장점을 보이지 않기 때문에 공기담금 질 방법을 사용한다.

(2) 석출 열처리(Precipitation Heat-treatment)

마그네슘합금은 경도와 항복강도를 증가시키고자 용체화처리 후 시효처리를 하게 된다. 일반적으로 시효처리는 주로 응력을 감소시키고, 특히 기계 가공하는 동안 또는 가공 후에 합금을 안정화시켜 치수변화를 방지하고자 할 때 사용된다. 이 처리를 함으로써 연성이 조금 감소하더라도 항복강도와 경도는 어느 정도 향상된다. 석출 열처리 온도는 용체화처리 온도보다 많이 낮은 325℉〜500℉까지의 범위이다. 균열시간은 4〜 8시간의 범위에서 정한다.

[보고서]용체화 처리한 Al-Si-Mg계 합금의 2단 시효거동

초록

○ 본고에서는 Al-10%Si-0.3%Mg계 합금에 대한 「긍정적 및 부정적 효과」를 확인하기 위하여 주조된 상태에서 균질화 처리와 압연가공을 실시한 다음 용체화 처리를 실시하여 2단 시효시켰을 때 나타나는 시효경화 현상에 대한 이론적 실험적 결과를 평가하고 이러한 합금의 실용성에 대하여 해설하였다. 다이캐스팅 주조용으로 많이 사용되는 이 합금은 주조성이 우수하면서도 주조된 그대로의 상태 및 T5 처리에 의하여 적절한 강도와 연성을 갖는다. 이러한 목적으로 자동차 및 이륜차를 경량화시키기 위하여 활발하게 개발되고 있다. 여기서는 이러한 합금을 용체화 처리시킬 때 나타나는 금속조직적 특성과 기계적 성질에 미치는 영향에 대하여 해설하였다.

○ 시효경화 합금의 대표적인 합금이 Al-Si-Mg계 합금이다. 이러한 합금은 최근 수송기기의 경량화를 위하여 그 사용이 증가하고 그에 따라 고강도 저비중 합금의 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 현재 국내에서도 이러한 합금에 대한 비슷한 연구가 많이 진행되고 있으며, 이러한 합금의 열처리기술도 많이 발전되어 있다. 그러나 이 합금은 주조시의 편석이 일어나기 쉽기 때문에 이러한 편석을 방지하는 기술과 열처리 시의 시효, 특히 2단 시효와 관련시켜 체계적으로 이루어진 연구는 비교적 드물다.

○ 철강 재료를 대체하기 위한 고강도 저비중 합금의 개발은 우리나라의 급격한 자동차 산업의 발달과 함께 꾸준히 연구되어왔고 향후에도 계속해서 발전시켜야 할 영원한 숙제이다. 자동차산업은 그 나라 기계공업의 발전정도를 평가한다고 하여도 과언이 아닐 정도로 국가경제와 직결되는 중요한 산업이다. 자동차산업의 발전을 위해서는 고강도 저비중 합금의 개발은 필수적이다. 따라서 우리나라의 미래 산업을 위하여 이러한 분야에 대한 투자와 연구는 향후에도 체계적이면서도 지속적으로 이루어져야 할 것으로 기대된다.

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