Aluminum & Aluminum Based-Alloy 의 합금계열 비교 및 상태도 분석

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1 Aluminum & Aluminum Based-Alloy 의 합금계열 비교 및 상태도 분석
자료출처 : technonet.co.kr hongiksteel.com.ne.kr myhome.naver.com/anodizing (영광금속) LG건설 이진희 기술사

2 목차 Aluminum Alloy 특성 - 제련 - 계열별 종류 및 성분 비교 - 상태도 분석

3 Aluminum Alloy 특성 밀 도 : 2.7g/mm3 - 철강(8.1 g/mm3)의 1/3 수준
강 도 : 일반탄소강 수준(시효처리 후) 비강도순위 : 고분자 복합재료(FRP) > Ti 합금 > Al 합금 자 성 : 無 열 및 전기 전도도 : 일반 탄소강에 비해 약 4 배 정도로 크다 선팽창계수 : 일반탄소강에 비해 약 2 배 정도 크다 용 접 성 : 위의 특성들에 의해 비교적 좋지 않다. 비강도 : 강도/밀도 비강도가 클수록 제품을 가볍게 만들수 있다.

4 Aluminum Alloy 특성 응고 수축율 : 강의 1.5배 합금에 따라서는 응고균열이 일어나기 쉽다. 내식성 및 부식성 :
pH 4.5 ~ 8.5 의 환경에서 산화 피막이 모재를 보호하기 때문에 내식성은 우수하나 이온화 경향이 커서 부식 환경하에서 Fe, Cu, Pb 등과 접촉하면 심하게 부식되고 수은은 ppm 단위만 있어도 심하게 부식 사용분야 : 알루미늄과 그 합금은 항공 우주 산업이나 가정용 기물 외에 일반 공업용차량, 토목, 건축, 조선, 화학 및 식품 등 많은 공업 분야에 널리 사용된다. pH : 폐하지수 수소 이온 농도를 나타내는 지수 ppm : 100만분의 1 예) 물1t 중의 시료1g

5 Aluminum 의 제련 합금화 과정 Bauxite[Al2O3(50~60%) + SiO2 + Fe2O3…
NaOH 첨가 → NaAl2O3 수용액 + 찌꺼기 (150℃ 이상) H2O 첨가 냉각 : Al(OH)3 고체 → 가열 → Al2O3 분말 Al2O3 + 빙정석(Na3AlF6)과 혼합 가열(Melting Point가 낮아져 저온에서 용융된다.) 전기분해 음극 : Al 액상이 얻어진다. 양극 : O2 + C → CO2↑ Al 액상 → 응고 : ingot → 가공 합금화 과정 Pure Al → 용해(탈개스가 중요하다) 합금원소 첨가 → 주조 Bauxite : 철반석 보크사이트는 알루미늄의 원광이 되는 암석이다. 열간압연 → 냉간압연 → 판재 → press 성형 열간압출 → 봉, 복잡한 단면제품→ drawing(신선) → 선재

6 Aluminum Alloy 종류 및 성질 Aluminium Cu Mn Si Mg Zn Other 1xxx 1050A 2xxx
Al 순도 99.0% 또는 그 이상의 순 Al 1XXX Al-Cu 계 2XXX Al-Mn 계 3XXX Al-Si 계 4XXX Al-Mg 계 5XXX Al-Mg-Si 계 6XXX Al-Zn-(Mg, Cu)계 7XXX 기타 합금 원소 8XXX 사용되지 않는 강종 (예비 번호) 9XXX Cu Mn Si Mg Zn Other 1xxx 1050A 2xxx 2014A 3xxx 3103 4xxx 4043A 5xxx 5083 6xxx 6062 7xxx 7020 8xxx 8090 Non heat treatable Alloying elements heat treatable Fillerwires Not recommended for welding

7 Aluminum Alloy 종류 및 성질 Alloy Group Material 특성 1000 시리즈
강도는 낮지만 용접 및 성형가공이 쉽다. 2000 시리즈 Cu 를 주첨가 성분으로 한 것에 Mg 등을 함유한 열처리 합금이다. 열처리에 따라 강도는 높지만 내식성 및 용접성이 떨어지는 것이 많다. (단 2219 합금의 용접성은 우월하다.) Rivet 접합에 의한 구조물, 특히 항공기재로서 이용된다. 3000 시리즈 Mn 을 주첨가 성분으로 한 냉각가공에 의해 각종 성질을 갖는 비열처리 합금 순 Al 에 비해 강도는 약간 높고, 용접성, 내식성, 성형 가공성 등도 좋다. 4000 시리즈 Si 를 주첨가 성분으로 한 비열처리 합금이다. 용접 재료로서 이용된다. 5000 시리즈 Mg 를 주첨가 성분으로 한 강도가 높은 비열처리 합금이다. 용접성이 양호하고 해수 분위기에서도 내식성이 좋다. 6000 시리즈 Mg 와 Si 를 주첨가 성분으로 한 열처리 합금이다. 용접성, 내식성이 양호하며 형재 및 관 등 구조물에 널리 이용되고 있다. 7000 시리즈 Zn 을 주첨가 성분으로 하지만, 여기에 Mg 을 첨가한 고강도 열처리 합금이다.

8 ALLOY Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti OTHERS AL(%) EACH TOTAL 1070 0.20 0.25 0.04 0.03 - 99.70 1050 0.40 0.05 99.50 1145 0.55 Si+Fe 99.45 1235 0.65 99.35 1100 1.00 0.10 0.15 99.00 1200 2011 0.70 0.30 Remainder 2014 ″ 2017 2024 0.50 3003 0.60 3004 3104 0.80 3105

9 ALLOY Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti OTHERS AL(%) EACH TOTAL 5005 0.30 0.70 0.20 0.10 - 0.25 0.05 0.15 ″ 5050 0.40 5052 5056 5082 0.35 5086 0.50 6061 6063 7075 7076 0.60 7079 8011 0.55 0.03

10 Aluminum Alloy 조질 기호 F O H T 가공경화된 상태 완전 annealing 되어 충분한 재결정 → 연신율↑
가공경화(가공경화의 정도가 중요할 때 사용) H22, H24,……H28…(뒤의 수가 높을수록 가공경화가 심하다) H1x : 가공경화만 한 것 H2x : 가공경화 후 일부 annealing H22, H24,……H28…(뒤의 수가 높을수록 annealing 정도 감소) H3x : 가공경화 후 안정화 처리 → 상온보다 약간 높은 온도에서 유지 → 상온에서의 자연시효 방지 → 상온에서의 연성 유지 T T1 : 열간가공 후 냉각 → 상온유지 → 자연시효 T2 : 열간가공 후 냉간가공 → 자연시효 T3 : 고용처리 → 급냉 → 냉간가공 → 자연시효 T4 : 고용처리 → 급냉 → 자연시효 T5 : 열간가공 → 급냉 → 인공시효 T6 : 열간가공 → 급냉 → 고용처리 → 급냉 → 인공시효 → 가장 일반적인 열처리

11 Commercial Pure Al 합금 (1xxx계열)
99.3~99.7%Al + impurity 0.3~0.7%(Si + Fe) → Bauxite (Al2O3•SiO2•Fe2O3…) 응고시 불순물 Si와 Al3Fe는 Grainboundary에 분포하게 된다. → 압연을 계속하면 아래그림 (b) 처럼 깨져서 Random하게 분포하게 된다. 검은 입자 : Si + Al3Fe 냉각속도가 빠르면 Al6Fe. ※기계적 성질 항복강도 : 20kg/mm2 (1100 : 불순물 Cu함량↑ → 강도↑, 연신율5%) → 고용강화, Al3Fe 등에 의한 석출강화 → 강도 향상 (a) 냉간가공 (b) 냉간가공 → annealing

12 Al-Cu Alloy, Al-Cu-Mg Alloy (2xxx계열)
※ 시효경화형 합금 Al-Cu → Al2Cu석출 , Al-Cu-Mg → Al2(cu, Mg)석출 시효경화:GP zone→Cu Cluster θ″ 정합석출물 θ′ 부분정합석출물 정합 strain 최대 → 최대강도(항복강도50kg/mm2) θ’ 완전부정합석출물 ※ GP zone 4~6%보다 훨씬 더 많은 Cu가 농축되어 있다. Al > Cu이기 때문에 격자에 인장응력이 걸린다. → Strain → 전위이동 방해 → 강도 약간 증가

13 Al-Si-Mg (3xxx계열) ex) 356 : 7%Si, 0.3%Mg
초정 dendrite 분율 : / 11 * 100 = 50% 공정 분율 = 50% 공정 Si ※ 시효처리 과정 ℃에서 유지 → Mg2Si가 Mg, Si로 분해되어 Al에 고용된다. + Si 구상화(판상의 Si가 구상화 된다) → Quenching → aging(150~200℃) 초정 Al Mg 존재 → Mg2Si로 석출 → 구상화 Si → 강도↓ → 시효강화 시켜도 강도는 조금 밖에 향상되지 않는다. Na 개량처리로 사형주조 처리하고 고용화처리한 다음 안정화처리한 356-T7 합금 조직중 둥근 입자는 Si이고 편상입자는 Fe2Si2Al9이다. 0.5% 불산 : 250X

14 Al-Mg 합금 (5xxx 계열) - 시효강화하지 않는다. - 고용강화 효과↑(Mg를 2%만 첨가해도 된다.)
조성 : Mg(1~5%)+Mn•Cr → Mg 2%는 고용강화 → 나머지 Mg는 Mg2Al3 부정합석출물 형성 용해도 곡선 (Solvus line) 석출물 분율 →Al-Mg는 부정합석출물(Mg2Al3)이 생긴다. →시효경화 효과가 크지 않다. Al축의 Al-Mg 상태도

15 Al-Mg-Si + (Cr, Cu) Alloy (6xxx계열)
* Quenching 거대 석출물 발생 방지 * aging 미세한 석출물 형성 Al-Mg2Si 상태도[Psedu(Qusi) binary phase diagram]

16 Al-Mg-Si + (Cr, Cu) Alloy (6xxx계열)
※ 석출과정 : 용융체처리(고용처리 : Solution treatment) → Quenching → aging (석출열처리, 시효) GP zone → β′(Mg2Si) : 정합석출물 (최대강도:40kg/mm2의 항복강도) → β (Mg2Si) : 부정합석출물 160℃에서 24시간 시효처리에 의해 석출강화된 Al - 1.3% Mg2Si 합금인데 275℃에서 15분간 재가열 함. (조대한 침상 β석출물을 나타낸다)

17 coherency : 정합성 θ 석출물을 불연속적이고 균일하게 분포시킨다 할지라도 석출물이 기지 조직의 결정 격자와 분리되어 있는 경우가 있다. 석출물 주위에 커다란 변형장이 형성되고,전위가 정합 석출물 근처를 지나갈 때라도 이 변형장이 전위 이동의 장애물 역할. 전위의 이동 경로가 이 석출물과 정확히 만날 때까지 슬립의 장애물 역할을 한다. 석출 강화를 일으키기 위해서 시효 처리시에 기본적으로 요구되는 석출물의 상태

18 Al-Zn-Mg(+Cu, Cr) Alloy (7xxx계열)
Al합금 중 항복강도 최대 : 60kg/mm2 Zn : 5~7% Mg : 2.5~3% Cu : 1.5~2% Cr : 0.3% 강도가 가장 좋다. ※ 시효과정 과포화 고용체 → GP zone → MgZn2(η′) → MgZn2(η) → monoclinic → hexagonal → 반정합석출물(최대강도) → 부정합석출물 → 격자상수 차이가 크다