알루미늄 합금(Al-Cu, Al-Si), 알루미늄 합금 열처리, 시효경화 열처리, 시효(aging)

 

<구분>

• 기본 열처리
  • 담금질  (Quenching) 
  • 뜨임 (Tempering)
  • 풀림, 소둔 (Annealing) 
    • 완전소둔 (Full Annealing)
    • 구상화 소둔 (Sphericidizing Annealing)
    • 재결정 소둔 (Recrystallization Annealing)
    • 응력제거 소둔 (Stress Relief Annealing)
    • 균질화 소둔 (Homogenizing Annealing)
  • 불림 (Normalizing)
• 가공열처리 (thermomechanical treatment)
  • 오스포밍 (Ausforming)
  • 아이소포밍 (isoforming)
  • 가공퀜칭
  • 열간가공(제어압연)
  • 오스템퍼링 (Austempering)
• 시효경화열처리  ★
• 심냉처리

 

<기출>

• 금속 21-1-1 Al-Cu 합금의 열처리 시 과포화고용체의 석출과정 순서를 쓰고, 과시효(over aging)에 대하여 설명하시오.
• 금속 21-1-4 Rheo-cast법에 사용되는 Al-Si합금은 Si량을 가능하면 8% 미만으로 한정하고 있는데, 그 이유를 설명하시오.
• 금속 21-2-1 Al-Si 공정 합금의 개량처리 필요성을 기계적 성질 측면에서 설명하시오.
• 금속 21-3-2 주조용 Al-5%Si 합금의 응고조직 형성 과정과 연관하여 수축공(shrinkage) 및 미세 기공(pin hole 등) 주조결함 생성 거동 및 방지대책에 대하여 설명하시오.
• 금속 21-4-4 Al-Si 주조용 합금의 열처리 T4, T6, T7에 대하여 설명하고, 일반 다이캐스팅 주조품 용체화처리 시 나타나는 블리스터(blister)란 무엇인지 설명하시오.
• 금속 20-2-6 Al-Si계 합금의 개량처리에 대하여 설명하시오 
• 금속 20-3-6 Al-Cu계 합금에서 시효경화 열처리 3단계에 대하여 설명하시오.
• 금속 18-4-4 Al-Cu 합금계의 시효, 시효경화 현상, 열처리 및 시효의 종류를 쓰시오.
• 금속 17-1-4 피스톤용 알루미늄 합금인 Y합금에 대하여 설명하시오
• 금속 17-3-4 일반적인 Duralumin과 초Duralumin(Super duralumin)의 경화처리 방법 차이를 설명하시오.
• 금속 16-1-4 알루미늄 합금 제품을 열처리하는 방법 3가지를 설명
• 금속 16-2-2 시효경화 열처리방법을 3가지 설명하고, 그 용도에 대하여 설명
• 금속 15-4-4  Al-Cu 합금의 부분상태 도는 다음과 같다. AI-2%Cu 합금을 정 상응고 (normal solidification) 시키고 있다. 고상에서의 확산을 무시하고 액상에서의 강제유동을 가정하여 (perfect rnixing) 응고가 50% 완료되었을 때의 웅고계면의 조성을 구하시오. (단， Scheil Eq.은 C;=kCo (l - fs)(k- ll 이 다.)
• 금속 14-1-6 AC4C-T6 처리에 대하여 설명하시오
• 금속 14-1-9 알루미늄합금 제품의 열처리 방법을 3가지만 설명하시오

1. 개요

 

1) 알루미늄 정의

주기율표 13족에 3주기에 속하는 금속 원소로 원소기호는 Al, 원자량은 26.981g/mol, 녹는점은 660.32℃,  끓는점 2519℃, 밀도는 2.7g/cm3이다. 은백색의 가볍고 무른 금속으로 지구의 지각을 이루는 주 구성 원소 중 하나이다. 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 원자재 및 재료로 많이 사용된다.

• 내식성이 뛰어남 (대기 중에서 가열하도 치밀한 얇은 산화막이 생겨 표면을 보호하여 그 이상의 산화를 방지)
• 가볍고 내구성이 좋음 (밀도가 철의 1/3) 
• 열전도율 우수 
• 비자성체 
• 반사성이 좋음 

2) 키워드 정리

• 시효 : 시간이 경과함에 따라 재료의 특성이 변하는 것 
• 과포화고용체
• 과시효(over-aging)
• 개량처리
• 용체화처리
• 블리스터(blister)
• Y합금
• 시효경화
• AC4C

3) 시효경화(=석출경화) 열처리 

시효경화, 석출경화, 시효(aging)의 종류

알루미늄 합금의 열처리에 의한 조직 변화 (석출경화)

4) 알루미늄 합금 구분 및 열처리 구분 

알루미늄 열처리는 응고시 발생한 잔류응력을 제거하고 주물의 치수 안정화에 기여, 기계적 성질을 크게 개선 

알루미늄 합금 구분, 알루미늄 합금 열처리 종류 구분, 열처리 기호

 

2. 알루미늄 합금별 열처리 (비열처리 포함) 

 

주조용 Al 합금 주물 열처리방법, HRD

알루미늄 합금별 열처리, 2000계열, 6000계열, 7000계열은 T4, T6열처리 위주 실시, HRD

 

1) 2000계 (Al-Cu계) 합금 열처리 : 용체화 처리 후 시효처리

Al-Cu 주물은 응고범위가 넓고 수축이 커 주물에 고온균열이 생기기 쉬움 (규소를 넣으면 방지) 
일반적으로 용체화 처리와 시효처리에 의해 강도를 향상시킴 

과거에는 8 ~ 12% Cu 합금이 강도와 경도가 높고 내마모성, 열전도도가 우수하여 자동차 피스톤 등에 사용되었으나 요즘은 4.5% Cu합금이 주조성이 좋고 열처리에 의한 강도 향상이 기대되어 고Cu합금은 사용하지 않음 

• 용체화처리온도
  재료가 용해 개시 온도 이상이 되어 국부 용해를 일으키지 않는 범위 내(녹지 않는 범위) 가장 높은 온도를 선택할수록 유리 (고용화속도, 고용량 측면)
  510 ~ 530도에서 5 ~ 10시간 가열 후 수냉(급냉)한 뒤 150 ~ 180도에서 5 ~ 10시간 시효처리
  
• 보통 T4열처리, T6열처리 (2004, 2014), T8열처리를 실시 

2) 6000계 (Al-Mg-Si계) 합금 열처리 : 용체화 처리 후 시효처리

Al-Mg2Si의 이원계 합금에서 상분해 과정은 다음과 같음

과포화고용체 → GP Zone → b'석출(Mg2Si) → b석출 (Mg2Si)

• 6000계열에서는 자연시효에 의해서는 경화되지 않기 때문에 보통 인공시효처리한다 (T6열처리) 
• 용체화 처리 후 곧바로 인공시효처리하지 않고, 상온에서 방치한 뒤에 인공시효를 하는 처리를 2단계 시효라 하는데, 2단계 시효에 의해서 강도가 증가가 현저하게 됨 
• 프레스 열처리
• 가공 열처리

대표적인 6000계열 알루미늄합금 열처리. T6열처리하는 것을 알 수 있다

3) 7000계 (Al-Zn-Mg계) 합금 열처리 : 용체화 처리 후 시효처리, 안정화처리, 균질화처리, 가공열처리

7000계열 합금의 응력부식균열(SCC)에 대한 저항성은 열처리 조건에 의해 크게 영향을 받음
(용체화 처리 온도가 높고, 냉각속도가 빠를수록 SCC를 일으키기 쉬움) 
따라서, 강도가 최고치를 나타내는 열처리 (T6)에서 응력부식균열을 일으키기 쉽기 때문에 강도를 15~20% 낮게 하더라도 과시효 (T73)처리(안정화처리) 

• 응력부식균열(SCC)을 대비한 안정화 처리(과시효) 
• 균질화처리
• 가공열처리 
  시효 경화성 알루미늄 합금에 있어서 용체화처리하여 급랭한 후 소성가공과 시효 열처리를 조합해서 행하면 (100 ~ 150도로 가열해 석출을 촉진시키는 인공시효 + 소성가공) 가공경화 + 시효경화 두 효과를 볼 수 있어 강도를 크게 상승시킬 수 있음 
  
  • 중간가공열처리 (ITMT; Intermediate Thermomechanical Treatment) : 등축 미세 결정립 조직, 연성 및 인성 향상
  • 최종가공열처리 (FTMT; Final Thermomechanical Threatment) : 용체화 처리 후 급랭하고 적당한 온도에서 가공과 시효를 행함으로써 균일하게  분포시킨 고밀도의 전위와 미세 석출물의 도입에 의해 강도 향상 

 

가공열처리 (Thermo Mechanical Treatment), 오스포밍, 아이소포밍, 가공퀜칭, 제어압연

 

4) 4000계 (Al-Si계) 합금 개량처리

공정부근 조성의 주조조직의 Si는 조대한 결정으로 인해 취약해서 실용할 수 없음
따라서 불화알칼리, 금속 나트륨, 가성소다, 알칼리염류 등을 넣어 미세화하여 사용 

공정합금의 용탕에 특수한 원소를 첨가하거나, 급냉시키면 공정온도가 낮아지고 공정점의 조성이 이동하여 미세한 조직을 얻을 수 있고 기계적 성질이 개선되는 효과를 개량처리라 함 

(1) 특징

• 위 점선이 개량처리한 이후인데, Si11.6%였던 공정점이 Si14%로 이동하게 되었고 온도 또한 내려감 
• 가장 낮은 온도는 555도인데, 이때 Al함량이 많은 액상선이 연장된 것을 알 수 있음
• 결과적으로 b상이 과냉 (석출되어야하는데 그대로 고용되어있음)되어 개량처리가 이루어짐
• 핵 생성속도는 이 온도가 낮아질수록 빠르고 공정 조직이 미세화됨
• 11.6% 이상 Si를 첨가하게 되면, 조대하게 성장한 초정 Si와 긴 관상의 공정 Si로 인해 기능성 소재의 역할을 하기 위해서는 입자미세화 및 개량화처리가 필수적임 

(2)  개량효과를 얻기 위해 사용되는 방법

Al-Si 합금에 개량화 원소 첨가시 Si의 응고조직이 미세화됨 
공정 Si의 성장속도는 저하되고 점성이 증가되며 Si의 확산속도가 저하됨  (핵성장 억제와 핵생성 방해) 

• 불화물 사용
• 금속 Na 사용 (가장 많이 사용) 
• Sr, Sb 사용 (미세화효화 : Na > Sr > Sb) 
• 가성소다 (NaOH) 사용

Al-Si가 열처리를 할 수 없는 이유 : Si가 극히 소량만이 고용되며 (1.65% max) 고용체에서 석출된 Si는 거의 경화를 일으키지 못함 

5) 3000계 (Al-Mn계) 합금 열처리

Al-Mn계는 비열처리형합금이라 용체화처리와 시효처리 실시 X
주괴를 균질화 열처리하였을때 결정립내 석출되는게 특징  

• 가공경화 
  전위의 증식에 의해 강화
• 고용강화 
  다른 원소의 우너자를 (Mn, Si, Mg) 기본 금속 격자(Al)에 도입하여 고용체를 형성, 전위 움직임을 방해 

 

3. 고찰

 

1) 블리스터 (blister)

주조시 제품 중에 유입된 공기 등의 가스 혹은 다량으로 고용해있는 수소가스가 결정입계 등에 국부적으로 집중, 고온에서는 가열에 따른 재료의 연화에 의해 제품 표면에 있어 팽창 변형상태를 발생시키는 결함 

• 편석이 많은 경우  발생 → 균질화처리
• 주물 중 가스함유량이 많은 경우 발생 → 가스 유입 방지 철저, 고진공다이캐스팅 실시  

 

2) 일반 Duralumin과 초Duralumin(Super duralumin)의 경화처리 방법 차이

일반 두랄루민은 A2017로, 500 ~ 510도 정도로 가열한 후 물속에서 급속냉각 (T4열처리)를 실시함. 이후 상온 방치시켜 자연시효경화 
초초 두랄루민은 A7075로, T6열처리 (용체화처리 후 인공시효(담금질처리 후 뜨임처리, 최고경도))를 실시함 

• 합금원소 첨가량이 많을수록 강도가 높음 (초두랄루민 < 초초두랄루민)
• 두랄루민계의 열처리시 담금질 가열은 배치로 또는 질산염욕로에서 실시 
• 과열에 민감해서 담금질 온도를 정확하게 하지 않으면 목적하는 강도나 연신율을 얻을 수 없음 
• 두랄루민은 담금질 후 상온에서 방치시 상온시효를 일으킨다 

 

두랄루민 합금의 조성, 기본적으로 Al-Cu-(Mg-Mn) (2000계열), HRD

1) 좌측 : 온도에 민감한 두랄루민 2)우측 : 상온에서 방치시 상온시효가 나타나 인장강도가 증대됨, HRD

 

3) Y합금

Y합금이란 알루미늄 합금 조성 종류의 하나로써, Al4%-Cu2%-Ni1.5%-Mg로 구성되어있는 대표적인 내열용 알루미늄 합금임 

(1) Y합금 특징

• 주로 내연기관 피스톤, 실린더 헤드용으로 사용 (내열성 높음)
• 고온강도가 우수함
• 금형에서 주조시 인장강도가 180 ~ 245MPa, 연신율 2%, HB 85~105
• 열전도율이 크며 고온에서 기계적 성질이 우수 

(2) 열처리

a고용체 중 3원화합물인 Al5Cu2Mg2  (Al-Cu-Mg 계열 석출물)이 석출되며 석출경화함

열처리는 510 ~ 530도의 온수 중에 냉각한 후 4일간 상온시효 

인공시효처리할 경우 100~150도에서 실시 

 

4) Rheo-cast법에 사용되는 Al-Si합금은 Si량을 가능하면 8% 미만으로 한정하고 있는데, 그 이유를 설명하시오.

Rheo-cast법 (반응고성형법)
반응고 상태에서 제조된 슬러리 (slurry)를 직접 사출성형하여 제조

(1) 반응고상태 특징

• 반응고상태는 공기혼입이 안되고, 결정립이 균일하여 기계적 강도가 우수함
• 반응고상태는 편석이 없어, 양극 산화 혹은 화성처리에 용이함 (성분들이 균일하게 분포함)
• 미세한 결정립과 균일한 미세구조를 확보함

(2) Si의 영향

• Si가 많으면 미세하고 균일한 결정립 구조 형성이 방해
• 강도가 증가되고 인성이 악화되어, 열처리특성에 악영향을 미침