주조용 알루미늄 합금 1. Al-Si합금 유동성, 형충진성, 내마모특성, 낮은 열팽창계수

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1 주조용 알루미늄 합금 1. Al-Si합금 유동성, 형충진성, 내마모특성, 낮은 열팽창계수 Al-Si-Mg계, Al-Si-Cu계, Al-Si-Cu-Mg → 석출강화(강도 증가) 인성을 고려 → 아공정조성 내마모특성 중시 → 과공정 조성 (1) Al-Si 2원계 합금의 조직과 성질 Al-Si의 합금(AC3A: 주물용, ADC1 : 다이캐스팅용)의 특징 공정형 부근 조성(Si : 10~13%) Si의 용해도가 적어 비시효형 합금 강도는 다른 유사 합금에 비해 약간 작지만 유동성이 양호 →각종 기계의 케이스류, 얇은 기계부품, 빌딩 외벽용 대형 판넬, 건축부품 공정조성 : a(Al)고용체와 침상에 가까운 얇은 판상 Si으로 구성 아공정 조성 : 수지상 조직상ㅇ니 a고용체와 공정조직으로 구성 과공정 조성 : 초정 Si과의 공정조직으로 구성

2 주조용 알루미늄 합금 1. Al-Si합금 SiO2·xH2O형태의 표면 보호막이 형성되어 우수한 내식성 기계적 성질 : 수지상을 포함한 전체 조직, 공정Si, 초정Si의 형상, 크기, 양에 의존 (2) Al-Si합금이 우수한 이유 합금 첨가량이 폭이 넓어 고액 공존 온도 범위가 넓거나 좁게 가능 적은 주조 결함, 용탕 보합성이 양호, 유동성이 우수한 합금 등을 선택 가능 다른 원소와의 공존에 따른 문제점이 적고 첨가 원소에 의해 주조성이 양호하고 우수한 기계적 성질 Si가 존재함으로 열팽창 계수가 작고 내마모성이 향상 Si를 첨가함으로 응고 수축율이 저하하여 수축량이 감소 다량의 Si을 첨가하여도 점성의 저하 및 산화의 우려가 적다 Si을 다량 첨가하여도 비중의 증가 없다 공정 Si, 초정 Si의 개량 처리를 함으로서 결정립 미세화가 용이 Si가 저렴

3 (3) Si량과 주조성 Si함량이 물리적 특성, 기계적 특성, 화화적 성질 등에 영향 주조성과 밀접한 관계 일반적으로 Si첨가에 따른 유동성 변화는 4-5%까지는 감소하나 이 이상의 조성에서는 Si함량이 증가함에 따라 유동성도 양호해짐 (4) Si량과 물리적 기계적 특성

4 (4) 공정 Si의 개량 처리 기계적 성질에는 큰 변화 無, 주조성에는 큰 영향 Na을 주로 사용 : 산화소모가 빠르고 도가니와 반응 Sb와 Sr도 최근에 사용 공정Si의 미세화 효과 : Na>Sr>Sb 공정 Si의 개량 처리 → 공정 미세화 → 인장강도, 연신율, 충격값 등은 향상 경도와 피로 강도는 무변화 2. Al-Si-Mg합금(AC4A, AC4C, AC4CH) Mg을 첨가하여 Mg2Si의 중간상 석출에 의한 강도 향상 주물용 합금 중에서 중간 정도의 강도, 연신률이 커서 인성이 우수 주조성도 양호, 내식성은 Al-Mg다음으로 양호 AC4C : 고강도, 양호한 주조성 및 내식성 AC4CH : Fe가 0.2%이하로 하여 인성 높임, 자동차용 휠

5 4. Al-Si-Mg-Cu합금(AC4D) Al-Si-Mg의 인성을 유지하면서 Cu를 소량(1~1.5%)첨가 Mg2Si중간상의 석출 경화 Cu의 고용경화, Al2Cu중간상의 석출경화 경도 향상 초정 a수지상 조직, 공정 Si, Mg2Si로 구성 Si량이 5%정도 함유→공정 Si양이 적음 Mg, Cu함유량이 적기 때문에 용체화 처리시 완전 고용 인성, 내열성, 내압성이 우수하여 엔진부품 등에 응용 5. Al-Si-Cu합금(AC4A, AC2B, AC4B, ADC10, ADC12) 주물용, 다이캐스팅용으로 많이 사용→Cu가 많이 첨가 →GP존과 중간상q’의 석출에 의해 시효 경화로 매우 높은 강도를 얻음 다이캐이팅용으로 두 합금이 90%이상 차지 Si량이 4~10% 첨가 → 주조성, 절상성, 용접성이 양호 용접성은 Cu를 많이 함유하기 때문에 양호하지 못함 실제에는 Mg가 0.3%이하로 함유 →Mg2Si로 인한 석출경화 →인장강도, 항복강도, 경도는 Mg량의 증가함에 따라 상승

6 6. Al-Si-Cu-Mg(Ni)계 공정합금(AC8A, AC8B, AC8C)
→ 적은 열팽창계수, 내마모성이 우수, 연신율은 적음, →인장강도, 항복강도, 경도 등은 상온 뿐 아니라 고온에서 우수 → 피스톤 합금 AC8A : Si가 11~13% → 거의 공정 조성 AC8B AC8C: Si가 8.5~10.5%함유 → 아공정 조성 열팽창 계수 < AC8B AC8C 주조성 AC8A < 초정a상 AC8A < AC8B, AC8C 고온특성 AC8A < AC8C CuAl2, Mg2Si의 시효석출에 의한 기지조직의 강화 NiAl3로 인한 분산강화에 의한 고온 강도 향상 엔진의 피스톤에 사용 Na에 개량 효과는 적음

7 6. Al-Si-Cu-Mg(Ni)계 과공정합금
AC9A : Si량 22~24% AC9B : Si량 18~20% Cu, Mg첨가 : 열처리로 인한 강도 향상 Ni첨가 : 고온 특성 향상 초정 Si을 미세화 : 수 십 ~수 백 ppm의 P첨가 공정 Si을 미세화을 위해 Na, Ca첨가는 P의 효과를 상쇄 → 냉각 속도를 빨리 하여 초정 Si를 미세화 내마모성 우수 열팽창계수가 적음 과공정 조성 초정Si 2싸이클 엔지, 디젤 엔진용 피스톤 실린더 블록, 컴프레샤 부품 각 종 기계부품 ← 저압 주조, 다이캐스팅, 금형 주조

8 7. Al-Cu계 합금 1) 합금의 특성과 용도 매우 고강도, 인성 우수 고온에서의 강도 저하가 적어서 우수한 내열재료로 사용 내식성이 나쁘고, 부식환경에서의 사용은 문제가 됨 항공기 부품, 자동차 부품, 자전거 부품 →고강도 고인성을 필요로 하는 기계부품에 이용 2) 첨가되는 성분에 따른 합금의 분류 AC1A : Si를 1.2%범위로 약간 첨가 AC1B : 고강도를 위해 Mg 0.15~0.35%, Ti 0.05~0.30% 첨가한 Al-Cu-Mg계 합금 AC5A : 고온강도를 향상 목적으로 Ni을 2% 전후 첨가, 더 높은 강도를 목적으로 Mg을 1.5% 전후 첨가한 Al-Cu-Ni-Mg계 합금 AC2A, AC2B : 고강도를 유지하면서 주조성을 개선하기 위하여 Si를 4~6% 정도 첨가한 Al-Cu-Si계합금

9 실용 Al-Cu 계 합금의 Cu함유량(4~5%) CuAl2 정출에 따른 인성 저하를 피함
응고온도 범위가 가장 넓은 조성에 상당 준 고상온도 범위가 가장 넓게 됨 Al-Cu 계 합금의 주조성의 문제 유동성이 나쁨, 주조균열이 발생하기 쉬움, 용탕 주조성이 나쁨, 기공이 발생하기 쉬움 L a + L a a + θ 5.65 548℃ 700 600 500 400 300 200 100 2 4 6 8 Al 온도(℃) Cu(wt%) (3) Al-Cu계 합금의 조직과 기계적 성질 용체화 처리 → 초정 ɑ-Al 단상 공정조직의 개선에 의한 기계적 성질 개선은 기대할 수 없음 (ex : Al-Si) 주입온도의 상승에 의하여 결정입도는 커지고 기공증가에 따른 밀도 저하발생 인장강도, 연신율 값은 크게 저하, 항복강도는 변화 없음 기계적 성질을 좌우하는 요인 : 결정입도, 냉각속도, 기공양의 변화 등

10 (4) Al-Cu계 합금의 기계적 성질에 미치는 성분원소의 영향
Mg의 영향 기계적 성질에 미치는 Cu의 영향 기계적 성질에 미치는 Si의 영향

11 성형 가공성, 용접성 등이 우수 → 전신용 합금 중 가장 많이 사용 주조성이 나쁘고, 특히 주조결함이 생기기 쉬운 단점
7. Al-Mg계 합금 (1) Al-Mg계 실용합금의 종류와 용도 고용체 경화 및 가공 경화로 적당한 강도 가장 우수한 내식성을 가지고 있음 성형 가공성, 용접성 등이 우수 → 전신용 합금 중 가장 많이 사용 주조성이 나쁘고, 특히 주조결함이 생기기 쉬운 단점 Mg은 산소와 반응성이 크고, 용해·주조시 산화물(MgO등)을 생성하기 쉬움 Al-Mg계 합금 주물 및 다이캐스트의 용도는 제한되어 사용     ⇒ 인성이 우수하기 때문에 전선, 탱크 커버, 사무용품 등에 사용     ⇒ AC7B - 광학기계 프레임, 케이스에 이용, ADC5 - 카메라 몸체, 실외스위치 케이스에 사용, AC7A - 핸드레바에 이용 종류 비중 용융범위(°C) 비열(kJ/kg°C) 도전율 열전도도 열팽창 계수 (X10-6°C) AC7A 2.68 570~635 0.88 25 0.25 24 AC7B 2.57 450~620 0.92 21 0.21 ADC5 535~621 0.23

12 7. Al-Zn-Mg계 합금 (1) Al-Zn-Mg계 실용합금의 종류와 용도   Al-Zn-Mg계 합금들은 모두 주조 후 상온 20~30일 후에 최고 강도에 도달하는 상온 시효성을 가짐 시효경화능력은 인공시효에서 훨씬 더 용이하게 촉진 Al-Cu 또는 Al-Zn-Mg계 합금보다도 엄밀한 용체화 처리와 퀜칭처리는 불필요 냉각이 늦은 부분은 강도가 낮다는 결점 →취약한 부분을 강화하기 위해 용체화 처리와 상온시효 또는 인공시효(T5)가 필요 일반적으로 Al-Zn-Mg계 합금주물의 주조성은 좋지 않음 일반 내식성은 양호     ⇒ 합금주물은 강도가 우수하므로 각종 기계부품, 가구 등에 이용

13 실용 Al-Zn-Mg계 합금 주물의 화학성분
명칭 화학 성분 (wt%) Cu Mg Mn Si Fe Cr Ni Zn Ti 기타 개수 합계 712.0 0.25 0.5~0.65 0.10 0.30 0.50 0.4~0.6 ― 5.0~6.5 0.15~0.25 0.05 713.0 0.40~1.0 0.2~0.5 0.6 1.1 0.35 0.15 7.0~8.0 771.0 0.8~1.0 0.06~0.2 6.5~7.5 0.10~0.20 실용 Al-Zn-Mg계 합금 주물의 기계적 성질 합금명칭 질별 인 장 특 성 브리넬경도 (10/500) 전단강도 (N/㎟) 피로강도 종탄성계수 (kN/㎟) 인장강도 항복강도 연신율 (%) 712.0 F 240 130 5 70 180 64 71 713.0 T5 210 150 3 60 771.0 T6 345 275 9 90 ―

14 냉간가공도의 증가에 따라 강도의 증가가 일어남
주조용 알루미늄 합금 1. 순 알루미늄(1xxx 계열) (1) 순 알루미늄의 특성 알루미늄의 순도가 99.0%이상 연성, 기계 가공성 및 용접성이 아주 우수함 순도가 높아 전기전도성 및 내식성이 우수함 강도가 높지 않아 구조용 재료로는 부적합 냉간가공도의 증가에 따라 강도의 증가가 일어남 구분 냉간가공도(%) 인장강도(N/㎟) 항복강도(N/㎟) 연신율(%) 고순도알루미늄 (99.999%Al) 40~50 15~20 50~70 40 80~90 50~60 70 90~100 70~80 10~15 90 120~140 100~120 8~12 공업용알루미늄 (99~99.7) 80~120 30~60 25~50 120~185 100~150 5~10 170~255 120~195 2~6 255~305 215~285 1~4

15 (2) 순 알루미늄의 분류 고 순도알루미늄 (99.9%Al이상) : 전기적 특성이 우수 →전자 ․ 정보분야의 기능재료로서 이용 공업용 순 알루미늄 (99.0~99.8%Al) : 성형성, 내식성, 표면처리성 등 기계적 ․ 화학적 특성이 우수 → 식음료포장, 건설, 기계, 운수분야 등 다양하게 이용 (3) 고 순도알루미늄 순도 99.99% 이상의 초고순도 알루미늄 : 입방정 집합조직이 나타남     ⇒ 콘덴서용 전해박 고 순도알루미늄 : 전기저항성이 낮고, Si과 전기 접촉특성이 양호한 장점     ⇒ 직접회로의 배선재로서 사용

16 불순물의 함량이 낮아질수록 내식성이 향상 및 양극산화처리시 표면광택이 개선
(4) 공업용 순 알루미늄( 99.00~99.90%) 주된 불순물은 Fe와 Si 불순물의 함량이 낮아질수록 내식성이 향상 및 양극산화처리시 표면광택이 개선 불순물이 적은 순알루미늄     ⇒ 화학식품, 공업용 탱크, 장식품, 네임플레트, 반사판 등에 사용 성형성을 가져야 하는 경우 Fe와 Si의 양을 조절하여 성형성을 제어 ⇒ 일반 가정용품, 열교환기용 핀재료, 캔의 캡 등에 사용 전기전도도와 열전도도가 우수한 대표적인 합금으로 1060, 1070 합금    ⇒ 송배전용 재료, 방열재료로서 많이 사용 1xxx계열 합금의 재료 특성 및 용도 계열 호칭(AA) 재료의 특성 및 용도 순 Al 계 1060 도전재료 61% IACS보증, 강도가 필요할 때는 6061을 사용함. ; 부스바, 전선 1050 1070 1080 가공성 및 표면처리성이 우수, 내식성은 Al합금 중 가장 양호함. ; 명판 장식품 강도는 순 Al이므로 낮으나 순도가 낮을수록 강도는 다소 높아짐. ; FIN류, 용접성 1100 1200 Al순도가 99.0% 이상의 일반용도의 Al양극처리후의 외관이 약간 희게 되는 것 이외는 상기와 같음. ; 취사용품, FIN, 컵, 인쇄판

17 2. Al-Cu계 합금(2xxx 계열) (1) Al-Cu계 합금의 특성 Cu가 주 합금 원소로 첨가되는 열처리형 합금 →자연시효, 인공시효 모두 사용 다른 알루미늄 합금에 비해 강도와 기계가공성이 우수 내식성, 용접성 및 압출성이 좋지 않음 내식성 향상을 위해 표면에 순 알루미늄을 얇게 피복하여 사용하기도 함 고온에서의 기계적 성질(2218-T6)    ‣ 온도가 상승하면 인장강도와 항복강도는 똑같이 감소    ‣ 연신율은 급격하게 증가

18 (2) Al-Cu계 합금의 종류와 열처리 합금의 화학조성은 Cu 및 Mg은 2xxx계 합금의 주요 합금 원소 Si, Fe, Mn, Zn, Cr, Ti, Zr, Ni, V등이 함유 Mn, Cr, Zr등은 재결정을 억제→ 결정립을 미세화 기계적 강도와 피로특성 등이 향상 발생된 석출입자는 시효경화 현상에 영향 Fe, Si : 적절이 규제하면 인성이 향상 Fe, Ni, V : Al와 화합물을 만들어 내열성을 향상 480~530 ℃ 에서 용체화 처리후 퀜칭하여 160~190℃에서 시효처리 시효처리 전에 냉간가공을 하면 석출반응이 촉진 적당량의 압연과 스트레스를 행하면 높은 기계적 강도를 얻을 수 있음

19 (3) Al-Cu계 합금의 용도 2014 : 고강도 단조재로서 비교적 넓은 용도에 사용 용접성은 다른 합금에 비하여 나쁨
 결합 : 주로 리벳, 볼트결합, 저항 스포트 용접 절삭성 양호 Pb, Bi을 첨가한 2011 : 우수한 쾌삭성 합금   ⇒ 기계부품에 많이 이용 2xxx계열 합금의 재료 특성 및 용도 계열 호칭(AA) 재료의 특성 및 용도 Al-Cu계 절삭합금, 취삭성이 뛰어나고 강도는 높지만 내식성이 낮음. 내식성이 요구시 6262계 합금 사용함. ; Volume Shaft, 광학부품, 나사류 2014 2024 Cu를 포함하고 있으므로 내식성은 나쁘지만 강도가 높고 구조재로서 사용됨. 단조품도 적용됨. ; 항공기, GEAR, 유압부품 2017 용체화 처리 후 RIVET 용재로 사용함. 단조용 합금, 단조성이 우수함 ; 리벳 2219 강도가 높고 저온 및 고온성이 우수하며 용접성도 우수하나 내식성은 낮다. ; 저온용 탱크, 구조재 2025 단조용 합금, 단조성이 양호하고 강도도 뛰어나나 내식성은 낮다. ; 프로펠러 2618 단조용 합금, 내열성이 있고 강도도 높으나, 내식성은 낮다. ; 항공기엔진 유압품

20 3. Al-Mn계 합금(3xxx 계열) (1) Al-Mn계 합금의 특성 작은 망간 입자에 의한 분산 강화 강도는 높지 않은 편 1xxx계와 유사한 특징이지만 강도가 높고 성형성, 용접 및 브레이징 특성이 양호     ⇒ 인발관, 열교환기 등에 주로 사용 (2) Al-Mn계 합금의 용도 3003, 3004(1% Mg 고용강화), 3105 등 3003합금 및 3004합금은 크래드판(clad plate)으로서의 용도     ⇒ 열교환기에는 3003합금에 7072합금을 크래딩한 것을 사용 최근의 3009합금 Mn 1.2~1.8wt%, Si 1.0~1.8%로 비교적 Mn과 Si첨가량이 많은 합금 특징 : 고온에서 어닐링하면 인장강도가 높게 됨      ⇒ 특징을 살린 세라믹 코팅용재도 개발 제품화되기 시작 적당한 강도, 성형성, 내식성을 요구하는 용도에 폭넓게 사용     ⇒ 주로 가정용품, 음료나 맥주용기, 실내장식 재료로 사용

21 3009합금 H16의 기계적 성질에 미치는 어닐링 조건의 영향
3xxx계열 합금의 재료 특성 및 용도 계열 호칭(AA) 재료의 특성 및 용도 Al - Mn 계 3003 1100보다 강도가 약 20%높고, 가공성, 내식성이 우수함.; 장식용품, 취사용품,FIN, 복사기 드럼, 저장탱크, 화학장비 3004 3003보다 강도가 높고, DEEP DRAWING성이 우수하고 내식성도 좋다. ; Al캔 바디, 지붕용 판재 3005 3003보다 강도가 20%높고 내식성도 비교적 좋다. ; 건축재, 칼라 알루미늄 3105 3003보다 약간 강도가 높고 기타 특성은 3004와 유사함. ; 건축재, 칼라 알루미늄