1. 개요 1.1. 알루미늄원광석 ( 原鑛石,ore) 지각구성원소중알루미늄은 8.2% 로산소 49.5% 규소 24.5% 에이어세번째로많으며, 대부분의암석 에는반드시알루미나가함류되어있다. 그러나대부분은장석 ( 長石 ), 운모 ( 雲母 ), 빙정석 ( 氷晶石 ) 반토 (

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1 Ⅰ. 알루미늄재료기술

2 1. 개요 1.1. 알루미늄원광석 ( 原鑛石,ore) 지각구성원소중알루미늄은 8.2% 로산소 49.5% 규소 24.5% 에이어세번째로많으며, 대부분의암석 에는반드시알루미나가함류되어있다. 그러나대부분은장석 ( 長石 ), 운모 ( 雲母 ), 빙정석 ( 氷晶石 ) 반토 ( 礬土 ) 도토 ( 陶土 ) 등이있으며산화물로는루비 ( 홍옥 ) 사파이어 ( 청옥 ) 강옥 ( 鋼玉 : 코런덤 ) 등보석도많 다. 은백색의부드러운금속으로전성 ( 展性 ) 연성 ( 延性 ) 이커서박 ( 箔 ) 이나철사로만들수있다. 성질은 순도에따라다르며전기의양도체이며비저항은구리의약 1.6 배이다. 비중으로보아전형적인경금 속이다. 공기중에방치하면산화물의박막 ( 薄膜 ) 을생성하여광택을잃지만내부까지침식되지는않 는다. 공기중에서녹는점가까이가열하면흰빛을내며연소하여산화알루미늄이된다. 이때높은온 도가되므로분말을써서금속의야금 ( 冶金 ) 이나용접을한다. 질소 황 탄소등과직접화합하여질소화 물 황화물 탄화물이되며, 할로겐과도작용하여염화물 브롬화물등을만든다. 알루미나제조용원료로 이용되고있는것은알루미나가함수 ( 含水 ) 알루미나의형태로존재하는보크사이트이다. 보크사이트는 1821 년프랑스 Les Baux 지방에서최초로발견되어그이름을그산지 ( 産地 ) 명을따서보크사이트 (Bauxite) 라고명명되었다. 보크사이트의주성분은 Al₂O₃(46~59%), Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂ 이다. 알루미나 (alumina) : Al₂O₃ 를주성분으로하는광물의일종으로서연마제나내화물등에널리사용되고있다. 보크사이트를알칼리용액에용해하여알루미나를추출, 분리한다. 알루미나에함유된불순물은개략적 으로 Fe₂O₃(0.02%), SiO₂(0.02%), TiO₂(0.004%), CaO(0.04%), Na₂(%), 기타함수알루미나존재 : 암 석중지하수가침투하기쉬운곳, 지형의기복이적은구릉지, 해저화산의열과해수의작용에의해암 석의변질과정에서생긴다 전세계보크사이트생산량과매장량 (2012 년기준 ) ( 단위 :1,000 톤 ) 국가호주기니중국자메이카브라질인도 생산량 69,977 17,695 36,000 10,188 32,028 13,000 매장량 6,200,000 7,400, ,000 2,000,000 3,600, , 알루미늄역사 알루미늄은비교적큰산화성때문에다른금속에비해늦게분리되었다. 고대에는산화알루미늄등의 산화물형태로알려져있다가전기분해로정제기술이개발되면서 18 세기때처음으로순수하게분리 되었다 년덴마크화학자인한스크리스티안외른스테드에의해발견되었으며알루미늄 (Al) 은 라틴어인 alumen(alum) 에서유래하였다 제조법 알루미늄을생산하는원료는산화알루미늄이함유된보크사이트를사용하며, 보크사이트에서산화알 루미늄의분리는베이어처리 (Bayer process) 를이용한다. 정제된산화알루미늄은홀 - 헤럴트처리에 의해서전기분해되어순수한알루미늄 (Al) 으로정제된다 용도 전성과연성이뛰어나고전기전도성이좋아고압전선의재료로쓰인다. 산소와쉽게반응하지만산 화피막 ( 산화알루미늄 ) 형성후피막이산소접촉차단제역할을하므로녹이잘슬지않아창틀의재 료와같은광택이오래지속될수있는부분에많이쓰인다. 가볍고녹이잘슬지않아알루미늄캔을 제조할때쓰인다. 열전도성이커서주방용기등의재료로쓰인다. 가볍지만강도가약한알루미늄의 단점을보완하고자강도를강화시켜합금을만들어사용한다 ( 예 : 두랄루민 ). 알루미늄포일을만드는 데사용되며가볍고내구성이큰특성을이용해항공기, 선박, 차량의주요재료로쓰인다. 1

3 2. 알루미늄의기본특성 (1) 가볍다. ( 알루미늄비중 2.7) Cu(8.9) Fe(7.9) 의약1/3이다. : 항공기, 선박, 차량, 건축의경량화 (2) 강도조절을다양하게할수있다 ( 같은재질이라도열처리에따라서강도조절가능 ), 첨가원소 ( Zn, Cu, Mg, Si등 ), 열처리및가공 ( 단조, 인발, 압연등 ) (3) 내식성 ( 부식저항 ) 이좋다. 대기중에서산소와결합하여산화알루미늄 (Al₂O₃) 을생성하여부식을방지. (4) 성형가공이용이하다 ( 압출, 압연, 인발, 단조등 ). 연성이풍부하여판재, 봉재, 선, 관, 형재등의다양한복잡형상의생산가능. (5) 전기전도성이좋다.(Cu의약60%) ( 도전율,%) 표1. 알루미늄의일반적인도전율 (6) 자기영향이없다 ( 비자성체 ) (7) 열전도성이좋다. 알루미늄의열전도성은철 (Fe) 의약3배로서주방용품, 피스톤등에많이사용됨. (8) 빛이나열을반사한다. 알루미늄표면의빚은열, 전파를반사하고반사율은 75~80% 이다. (9) 독성이없다. 무해, 무취, 위생적으로식품공업에많이적용되고있다. (10) 외관이미려하다.( 가공성및표면처리성이용이하여장식재로적합 ) 무해, 무취, 위생적으로식품공업에많이적용되고있다. (11) 저온취성이없다. 저온에서기계적성질을잃지않고오히려그이상을나타낸다. (12) Scrap의재생이타금속에비하여용이하다.( 알루미늄은융점이낮다 ) Al(659 C), Fe(1,539 C), Cu(1,083 C), Cr(1,903 C), Ni(1,453 C) (13) 고신뢰의접합이가능하다 ( 용접, 브레이징, 리벳등 ) 2

4 3. 알루미늄합금계의종류및특성 3.1. 알루미늄합금의질별기호표시방법 알루미늄전신재의질별기호는 A와 4개의숫자로표시한다. 1위 2위 3위 4위 5위 A x x x x 1위 : A는알루미늄및알루미늄합금을표시한다. 2위 : 숫자 1은순도99.0% 이상의알루미늄및알루미늄합금을표시하고, 2부터 9까지 는주요한첨가원소를나타낸다. 구분 합금순알루미늄 Al - Cu - Mg계합금 Al - Mn계합금 Al - Si계합금 Al - Mg계합금 Al - Mg - Si계합금 Al - Zn - Mg계합금상기이외계통의합금예비 3위 : 숫자는 0~9를사용하고 0은기본합금을나타내고, 1~9는합금의계량을표시한다. 4위및 5위 : 순알루미늄에대하여는소수점이하 2자리의숫자는순도를나타내고 합금에대하여는개량된합금에서파생된합금을나타낸다 알루미늄주조재의질별기호표시방법 예 ) AC2B : Aluminum CAST 2종B ( Al - Si - Cu계 ) A C 2 B A : Aluminum 표시 B : Cast 2 : 성분종류표시 ( 1~ 12 ) B : 제조방법 ( 같은합금내에서종류표시 ) C : 사형 / 금형주물, DC : 다이캐스팅, J : 축수용 3

5 3.2 전신재 ( 展伸材 ) 순알루미늄 (1000계열: 순도99% 이상, 비열처리합금 ) (1) 성형가공성, 내식성, 표면처리성등이뛰어남 (2) 강도및경도가낮기때문에구조용으로는부적합. (3) 전기및열의전도도가매우좋다. (4) 순알루미늄에포함된주요한불순물은 Fe, Si이고, 그이외에 Cu, Zn, Ti, Mn, V등이있다. 이러한 불순물들은내식성을저하시키는역할을한다. 불순물이적을수록내식성이향상되어양극산화처리 를하면표면상태가좋아진다. (5) 불순물중에서도 Cr, Mn, V, Zr, Ti등은미량의함유에의해서전기전도도를매우저하시킨다. (6) 알루미늄은알루미늄보다전위가높은 Fe, Cu등과접촉하면알루미늄이현저하게부식하는접촉 부식이생긴다. (7) 용도 강도를요하지않는가정용품, 일용품, 전기기구 ( 송배전용재료 ), 방열재료등이며, 특히표면처리성이 좋아화학, 식품, 공업용탱크, 장식품, 명판, 반사판등으로사용된다. 순알루미늄화학성분 Alloy No Al Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn min min min min min min min min min min min min min %min min min

6 3.2.2.Al-Cu-Mg 계 (2000 계열 : 열처리합금 ) (1) 두랄루민 (Duralumin), 초 ( 超 ) 두랄루민 (Super Duralumin) 이라는명칭으로알려져있는 2017,2024 가있 으며, 대표적이고력알루미늄합금이다. (2) 강도는강하지만비교적많은동 (Cu) 을함유하고있기때문에내식성이떨어지고부식환경에노출된 경우에는방청처리를충분히해줄필요가있다. (3) 2014는고강도단조재로써광범위한용도에쓰여진다. (4) 절삭성은양호하고, 특히 Pb, Bi 를첨가한 2011 은뛰어난절삭효과를나타낸다. (5) 용도 강도, 절삭성, 내마모성등이요구되는항공기의재료, 방산재료, 광학기기품, 자동차부품, 실린더헤드, 리 벳용재, 유압부품등 Al-Cu-Mg 계화학성분 Alloy No Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti etc pb=-0.6,bi= Cd=-,Zn+Ti= Bi=,Pb= V= Ga=,V= Be= Li= Li= Li= V= Li= Be=0.008,V= V= Si+Fe=0.4,V=

7 3.2.3.Al-Mn 계 (3000계열: 비열처리합금 ) (1) Mn의첨가에의해서순수알루미늄의가공성, 내식성이저하됨이없어강도를증가시킨것이다. (2) 3003은 1100보다강도가약 10% 높고, 가공성과내식성은거의비슷하다. (3) 3004는 3003보다강도가높고, 소성가공성이우수하며내식성도양호하다. (4) 용도 3003은 3000계열의대표적인합급으로서자동차용냉매튜브, TV안테나, opc drum, 열교환기, 가정용 품등에사용된다. 3004는 Mg을약1% 정도첨가하여강도를한층증가시켰으며, 알루미늄캔, 전구마개, 실내장식재료 로많이사용된다. Al-Mn 계열화학성분 Alloy No Al Cu Fe Mg Mn Si Zn

8 3.2.4.Al - Si 계 (4000계열: 비열처리합금 ) (1) Al-Si계합금에는단조용함금과용접, 납땜등의접합용합금, 건축외장재용합금이있다. (2) Si은용탕의유동성, 주형의충진성등이다른합금에비하여우수하고, 주조결함이거의없으며, 다 른원소를첨가하여강도를높일수있고낮은열팽창율과내마모성이우수하기때문에주물및다이캐 스팅제품의 90% 이상이 Al-Si계를기본으로한합금이다. (3) 용도 4032는 Si을첨가함으로서열팽창율을억제하고내마모성을개선한것으로미량의 Cu, Ni, Mg등을더 첨가하면내열성을향상시켜피스톤단조재료로사용된다. 항공기용피스톤, 콤프레샤용피스톤, 일반소 형 ( 농기구, 모터보드등 ) 피스톤, VTR 실린더등 4043은용접와이어, brazing 납재로사용된다. 자동차에어컨의콘덴서, 라디에터, 히터등의접합에많 이사용되고있다. Al-Si 계열화학성분 Alloy No Al Cr Cu Fe Mg Mn Ni Si Zn

9 3.2.5.Al - Mg 계 (5000계열: 비열처리합금 ) (1) 우수한강도를가지고있으며성형성, 내식성, 용접성이우수한합금이다. (2) 해수및공업지대의오염대기에강하므로외관을문제시하지않는다면방식처리를할필요성은비교적적다. (3) Mg은산소와의반응성이크고, 용해, 주조시, 산화소모, 산화물 (MgO) 을생성하기쉽다. (4) 용도 Mg 첨가량이적은합금으로는장식용재, 차량용내장천정재, 건축용외장재, 선박의내장재로사용되는 5005등이있다. 중간정도의 Mg을함유한합금은 등이있는데선박, 자동차, 광학기기, 자동차용휠등많은용도로활용되고있다. Mg이많은함금으로서는 5083이대표적인데비열처리형합금으로서가장우수한강도을가지고있으 며용접성도양호하다. 이때문에용접구조재로선박, 차량, 저온용탱크, 압력용기등에사용되고있다. Al-Mg 계열화학성분 Alloy No Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn

10 3.2.6.Al - Mg -Si 계 (6000 계열 : 열처리합금 ) (1) 중간정도의강도를가지고있으며, 내식성과용접성이양호해대표적인구조재로알려져있다. (2) 6063 은압출성및표면처리성이좋아건축용섀시로가장많이이용되고있다. (3) 압출가공면에서는뛰어난압출가공성 ( 복잡한형태와좋은생산성 ) 과 press quenching( 압출시강 제공랭 ) 이가능하다. (4) 충분한기계적성질, 양호한가공성 ( 벤딩, 펀칭, 소성가공등 ) 과양호한내식성을가지고있어가 장보편적합금. (5) 용도 여러가지의용도로가장많이사용되는합금이다. 차량, 선박, 건축, 전기, 전자, 기계, 육상구조물등. Al-Mg-Si 계열화학성분 Alloy No Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn etc Bi= V= V= Pb= V= B= B= Bi= ,Pb= Pb=

11 3.2.7.Al - Zn - Mg계 (7000계열: 열처리합금 ) (1) 알루미늄합금가운데가장높은강도를가지고있지만, 부식내구성이떨어지는것이단점. (2) 용도항공기, 방산소재, 스포츠용품류에많이사용되고있으며, 고강도용접구조재 (7003 등 ) 의개발로차량 ( 철도, 자동차, 이륜차, 농기계등 ) 구조재에많이이용되고있다. Al-Zn-Mg 계열화학성분 Alloy No Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn Zr etc V= Zr+Ti= V= Si+Fe=

12 3.3. 주조재 ( 鑄造材 ) 일반주조종류및기호참고종류순도구분기호합금계 KS D ACIA.1 1종 A Al-Cu계 AC1A 2 ACIA.2 1 ACIB.1 1종 B Al-Cu계 AC1B 2 ACIB.2 1 AC2A.1 2종 A AlCu-Si계 AC2A 2 AC2A.2 1 AC2B.1 2종 B Al-Cu-Si계 AC2B 2 AC2B.2 1 AC3A.1 3종 A Al-Si계 AC3A 2 AC3A.2 1 AC4A.1 4종 A Al-Si-Mg계 AC4A 2 AC4A.2 1 AC4B.1 4종 B Al-Si-Cu계 AC4B 2 AC4B.2 1 AC4C.1 4종 C Al-Si-Mg계 AC4C 2 AC4C.2 1 AC4CH.1 4종 CH Al-Si-Mg계 AC4CH 2 AC4CH.2 1 AC4D.1 4종 D Al-Si-Cu-Mg계 AC4D 2 AC4D.2 1 AC5A.1 5종 A Al-Si-Mg계 AC5A 2 AC5A.2 1 AC7A.1 7종 A Al-Mg계 AC7A 2 AC7A.2 1 AC8A.1 8종 A Al-Si-Cu-Ni-Mg계 AC8A 2 AC8A.2 1 AC8B.1 8종 B Al-Si-Cu-Mg계 AC8B 2 AC8B.2 1 AC8C.1 8종 C Al-Si-Cu-Mg계 AC8C 2 AC8C.2 1 AC9A.1 9종 A Al-Si-Cu-Ni-Mg계 AC9A 2 AC9A.2 1 AC9B.1 9종 B Al-Si-Cu-Ni-Mg계 AC9B 2 AC9B.2 Al-Cu4Ti AI-Cu-Ti계 Al-Si12Cu AI-Si-Cu계 Al-Si5 AI-Si계 Al-Mg3 AI-Mg계 Al-Si5Mg AI-Si-Mg계 Al-Mg3Si2 AI-Mg-Si계특수합금 Al-Si5Cu3 AI-Si-Cu-Mn계 Al-Mg5Si1 AI-Mg-Si계 Al-Si6Cu4 AI-Si-Cu-Mn계 Al-Mg6 AI-Mg계 Al-Si10Mg AI-Si-Mn계 Al-Mg10 AI-Mg계 Al-SI12 AI-Si계 Al-Zn5Mg AI-Zn-Mg-Cr-Ti계 11

13 일반주조화학성분 1 종 류 순도구분 기호 화학성분 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr Al 1종 A 1종 B 2종 A 2종 B 3종 A 4종 A 4종 B 4종 C 4종 CH 4종 D 5종 A 7종 A 8종 A 8종 B ACIA.1 ACIB.1 AC2A.1 AC2B.1 AC3A.1 AC4A.1 AC4B.1 AC4C.1 AC4CH.1 AC4D.1 AC5A.1 AC7A.1 AC8A.1 AC8B ACIA.2 ACIB.2 AC2A.2 AC2B.2 AC3A.2 AC4A.2 AC4B.2 AC4C.2 AC4CH.2 AC4D.2 AC5A.2 AC7A.2 AC8A.2 AC8B

14 일반주조화학성분 2 종류순도구분기호 화학성분 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr Al 8 종 C 9 종 A 9 종 B 1 AC8C AC8C AC9C AC9C AC9B AC9B Al-Cu4Ti Al-Si Al-Si5Mg Al-Si5Cu Al-Si6Cu Al-Si10Mg 특수합금 Al-Si Al-Si12Cu Al-Mg Al-Mg3Si Al-Mg5Si Al-Mg Al-Mg Al-Zn5Mg

15 다이캐스팅종류및기호참고종류순도구분기호합금계 KS D AC1A.1 1종 Al-Cu계 AC1A 2 AC1A.2 1 AC1B.1 3종 Al-Cu계 AC1B 2 AC2B.2 1 AC2A.1 5종 AlCu-Si계 AC2A 2 AC2A.2 1 AC2B.1 6종 Al-Cu-Si계 AC2B 2 AC2B.2 1 AC3A.1 10종 Al-Si계 AC3A 2 AC3A.2 1 AC4A.1 10종 Z Al-Si-Mg계 AC4A 2 AC4A.2 1 AC4B.1 12종 Al-Si-Cu계 AC4B 2 AC4B.2 1 AC4C.1 12종 Z Al-Si-Mg계 AC4C 2 AC4C.2 1 AC4CH.1 14종 Al-Si-Mg계 AC4CH 2 AC4CH.2 Si 9 종 AlSi9 Al-Si 계 AlSi9 Si 12 Fe 종 AlSi12(Fe) Al-Si 계 AlSi12(Fe) Si 10 Mg Fe 종 AlSi10Mg(Fe) Al-Si-Mg계 AlSi10Mg(Fe) Si 8 Cu 3 종 AlSi8Cu3 Al-Si-Cu계 AlSi8Cu3 Si 9 Cu 2 Fe 종 AlSi9Cu3(Fe) Al-Si-Cu계 AlSi9Cu3(Fe) Si 9 Cu 3 Fe Zn 종 AlSi9Cu3(Fe)(Zn) Al-Si-Cu계 AlSi9Cu3(Fe)(Zn) Si 11 Cu 2 Fe 종 AlSi11Cu2(Fe) Al-Si-Cu계 AlSi11Cu2(Fe) Si 11 Cu 3 Fe 종 AlSi11Cu3(Fe) Al-Si-Cu계 AlSi11Cu3(Fe) Si 12 Cu 1 Fe 종 AlSi11Cu1(Fe) Al-Si-Cu계 AlSi11Cu1(Fe) Si 17 Cu 4 Mg 종 AlSi17Cu4Mg Al-Si-Cu-Mg계 AlSi17Cu4Mg Mg 9 종 AlMg9 Al-Mg계 AlMg9 14

16 다이캐스팅화학성분 종 류 순도구분 기호 화학성분 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti Pb Sn Cr Al 1종 3종 5종 6종 10종 ALDC1.1 ALDC3.1 ALDC5.1 ALDC6.1 ALDC ALDC1.2 ALDC3.2 ALDC5.2 ACDC6.2 ALDC 종 Z 1 ALDC10Z 종 1 ALDC ALDC 종 Z 1 ALDC12Z 종 1 ALDC ALDC AlSi AlSi12(Fe) AlSi10Mg(Fe) AlSi8Cu AlSi9Cu3(Fe) AlSi9Cu3(Fe)(Zn) AlSi11Cu2(Fe) AlSi11Cu3(Fe) AlSi11Cu1(Fe) AlSi17Cu4Mg AlMg

17 3.4. 기타합금 Al - Li 계 (1) 미국알코아사등에서개발하고있는항공기용구조재의하나. 알루미늄합금에리튬을첨가하면가벼워지고기계적특성도강화되며, 소성가공 에도뛰어난성능을보이게된다. (2) 금속원소중에서가장적은밀도 (0.53g/ cm3 ) 를갖는 Li를 Al에합금화하면, 1% Li 당약 3% 정도가벼워지고, 동시에탄성률과강도가향상되므로 항공기용고강도 Al 합금으로서최적이다. 또비저항이높아서유도전류가감소하고, 방사화후의방사능의감속이빠르게되므로핵융합로벽재료 로서도주목되고있다. 1.5~2.5% Li를함유한합금이이용되며, 강도의향상은이합금이 550~580 에서급랭하여 180~200 에서시효처리하면중 간상 δ '(Al 3 Li) 이석출경화시킨것이다. 시효시간과함께 δ ' 상은안정한화합물 δ 상 (AlLi) 에로이행한다. 표에현재실용화되어있는합금을나타내었 으며, 고력 Al 합금에 Ci을함유하지않은 2024합금 ( 두랄루민 ) 과 7075합금 ( 초두랄루민 ) 도같이썼다. 그러나 Li은화학적으로매우활성이어서증기 압도높고, 수소도흡수하기쉽다. 그러므로합금의용해, 주조, 열처리는 Ar 등의불활성가스중에서행하여탈 Li에주의를요하고, 또미세조직화 하여인성의개선을도모하고있다. 더구나급랭응고분말분말야금법에서 Al-Li 합금을만드는기술이발전되고있다. Al - Li 계열합금성분 Alloy No Al Li Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn Zr Ag

18 Al- 천이금속계합금 ( 내열성알루미늄합금 ) 일반적으로전신재용알루미늄합금에는천이금속원소를미량첨가하는경우가많지만주요첨가원소로첨가하는경우가있다. 이경우천이금속원소로 Fe,Ti,Zr등이주요첨가원소로들어가며내열성의개선을주요목표로하고있다. Al-천이금속합금은 Fe,Cr,Ti 원소를사용하고있으며제3원소를미량첨가하는삼원계이상의합금이고분말야금으로통상제조를한다. 주된이합금의종류로는 Al-Fe계,Al-Cr 계,Al-Ti계,Al-Zr계로나눈다. (1) Al-Fe계 ( 삼원계합금 ) : Al-Fe-Ce, Al-Fe-Mo-V, Al-Fe-Zr-V (2) Al-Cr계 ( 삼원계합금 ) : Al-Cr-Fe, Al-Cr-Zr-Mn (3) Al-Ti 계 ( 이원계합금 ) (4) Al-Zr 계 ( 이원계합금 ) (5) 네오프랄 (neopral) 지금까지개발된초소성합금의대부분은 2상등축조직을갖는공정이나공석합금이고, 실용전신용합금의조성과는다른조성을가지며, 제조도쉽지않고, 기계적성질도충분하지못했다. 네오프랄은초소성을갖는 Al-Mg-Cu계단상합금이며, Mn, Cr 등의천 ( 전 ) 이원소를함유한입자분산의균일미세분산에의해서결정립의열적안정화를기하게되었다. 그래서통상의 DC법으로대형슬라브를제조할때, 열간, 냉간압연도가능하며, 대량생산에알맞는다. 종래의초소성 Al합금에비교하여아주빠른변형속도에서도 800% 이상높은신장을보이고, 비교적넓은온도범위에서도 700% 이상의연신율을가지며압연방향과직각의방향에서도크로스압연으로약 600% 이상의높은연신율을보인다. 인장강도도다른초소성재의 2배정도높고, 내식성도 Al-Mg 합금계에가깝다. 그래서현재건재파넬, 조명기구등각종장식용에주목되어있으며, 종래재료에서는불가능한 deep drawing이나복잡한형상으로성형이가능하다 Al-저융점금속계합금 Al-저융점금속계합금은알루미늄에저융점금속인 Pb, Sn, Bi, Cd, In, Ga 등을첨가하여기계적, 화학적성질을개선하는데이용되었다. 대표적합금으로 2011,6262등이있으며이들쾌삭알루미늄합금은기계절삭시가공칩 (chip) 들이미세하게분단하여표면을미려하게하고표면절삭성이뛰어나도록한다 알루미늄복합재료 (1) 현지에서바로생산이가능한알루미늄입자강화복합재료를합성하는데있어연소합성 (CS), 기계적합성 (MS) 에대한연구가활발하며, 여기에오산화바나듐 (aluminothermic-고온에서환원제에서알루미늄을이용하여발열화학반응을일으키는 ) 환원반응으로연소합성과기계적합성을결합시킨기계적- 열적활성화기술은최근첨단기술로각광을받고있다. (2) 항공기, 자동차엔진등의경량화와연비절감을위하여소립자에의한분산경화형복합재료의연구개발에성과를보이고있으며지금까지의합성의대상으로고분자의나노복합체, 고분자와클러스터의복합체등이주로이용되어왔다, 특히 (Al + CeO2) 첨가한기술개발,Fe-Ti합성기술,5산바나듐합성기술등이급상할것으로사료된다. 17

19 3.5. 알루미늄 (Aluminum) 합금의물리적성질 종류 합금 질별 비중 (g/ cm2 ) 전기전도도 (IACS,%) 용융온도 범위 ( C) 알곤용접성 가공성 내식성 A E A 2011 T D A D 2014 T B B D 2017 T B B D 2024 T B B D 2117 T B B D 2218 T C B D 3003 H A D A 3004 H A C A 4032 T B B C B D C 5005 H A D A 5052 H A D A 5056 H A C A A D A A D A 6005 T A C A 6061 T A C B 6NO1 T A C B 6063 T A C A 6151 T A C B 6262 T B B B 7001 T C B C 7003 T A C C 7N01 T A C C 7075 T C B C 양호한순으로 A~ D( 절삭성은 A~E ) 로구분했다. A 와 B 는실용적으로거의문제가없지만, C,D 및 E 는어떤대책이필요하든지제약조건에주의가요 망되며, 성형성, 용접성이 D 의경우는일반적으로시공하지않는쪽이좋다. 18

20 3.6. 알루미늄합금에첨가되는원소 구분 Al Cr Cu Fe Mg Mn Si Ti Zn Ni Zr Sn pb Bi V Li Ga Be Ag Co Cd B In Ce Ge P Sr Sb 1000 계열 O O O O O O O O O O 2000 계열 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 3000 계열 O O O O O O O O O O O O O 4000 계열 O O O O O O O O O O O O O O 5000 계열 O O O O O O O O O O O O 6000 계열 O O O O O O O O O O O O O O O O 7000 계열 O O O O O O O O O O O O O O O O O 8000 계열 O O O O O O O O O O O O O O O O O O casting O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 19

21 3.7. 알루미늄합금에첨가되는원소특징 원소기호 한글명 영문명 비중 (g/ cm2 ) 융점 ( C) 선팽창계수 열전도율 Al 알루미늄 Aluminum Cr 크롬 Chromium , Cu 동 Copper(Cuprum) , Fe 철 Iron(Ferrum) , Mg 마그네슘 Magnesium Mn 망간 Manganese , Si 규소 Silicon ,414 Ti 티타늄 Titanium , Zn 아연 Zinc Ni 니켈 Nickel , Zr 지르코늄 Zirconium ,857 Sn 주석 Tin(Stannum) Pb 납 Lead(Plumbum) Bi 비스무드 Bismuth V 바나듐 Vanadium , Li 리튬 Lithium Ga 갈륨 Gallium Be 베릴륨 Beryliurm , Ag 은 Silver(Argentum) Co 코발트 Cobalt ,495 Cd 카드뮴 Cadmium B 붕소 Boron ,500 In 인듐 Indium Cs 세슘 Cesium Ge 게르마늄 Germanium P 인 ( 검은 ) Phosphorus Sr 스트론튬 Strontium Sb 안티몬 Antimony(Stibium) ~ Na 나트륨 Natrium Ca 칼슘 Caicium Se 셀레늄 Selenium Mo 몰리브덴 Molybdenum 12 2,610 Ba 바륨 Barium W 텅스텐 Tungsten(Wolfram) ,380 Ir 이리듐 Iridium ,443 Au 금 Gold(Aurum) ,063 Ra 라듐 Radium U 우란 Uranium ,133 20

22 3.8. 알루미늄합금에첨가되는원소의영향대부분의금속원소는알루미늄과쉽게합금화되지만, 특히몇몇합금원소들이상업적인 Al-based 합금에중요한합금성분으로사용된다. 이와더불어합금의성능과특성을개선하기위해다양한합금원소가쓰인다. 알루미늄합금에서합금화원소의주기율표에서상대적인위치에기인하여알루미늄과다양한합금원소들간의이원계형태에대한분류를행할수있다. Be, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, 그리고 Hg 등은알루미늄과단순공정 (simlple eutectic-type) 계를형성한다. Be를제외하면이들은주로 Iib, IIIa, Iva 족에속한다. 위족에속하는 Cd, In, Te, 그리고 Pb; Va 족의 Bi; Ia 족의 Na 와 K (Cs와 Fr도가능함 ) 등은 Al 원자와의반발력으로인해고상에의고용도가매우작으며, 액상에서도잘석이지않아높은온도에서도액상의분리가일어난다. 그러므로그들은알루미늄과단순편정반응 (simple monotectic reaction -type) 합금계를형성한다. 이원계결합에서알루미늄은이런원소들과알려지지않은금속간화합물과혼합물을형성한다. 유용한데이터를통해이러한라틴족원소 (lanthanide) 과악티늄족원소 (actinide) series를포함하는남겨진금속원소가액상에서혼합되며더욱복잡한, 한개이상의금속간화합물을포함한이원계시스템을형성한다는것을알수있다. 이러한계에서공정반응은액상을포함한 aluminum terminal solid solution과 Al-rich의금속간화합물에서발생한다. 그러나고용체 ( 固溶體 ) 는액상과 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf 그리고 Ta, W(4, 5, 6 주기의 IVa, Va, Via) 을포함하는알루미늄 rich의금속간화합물사이의포정반응에의해극단적인알루미늄 rich 부분에서형성된다. 다양한금속원소와알루미늄의반응에의해형성되는많은이원계금속간화합물가운데몇개만이조성적변화없이상합변태 (congruent transformation) 로된다. 그러나대다수의경우미리존재하는고상과남아있는고갈된액상용액과의반응 ( 포정반응 ) 을통해냉각중에고상의조직성질을갖는액상을형성한다. 이러한유사성에도불구하고알루미늄금속간화합물의수나형태와주기그룹의원소사이에명확한관계를찾는것은매우힘들다. 다음은알루미늄에첨가되는대표적인합금원소의영향및상태도를나타낸다. (1) Cr ( 크롬,Chromium) 소량투입시조직미세화역할을하나용체화처리후냉각속도가느리거나고온에서장시간유지할경우 Cr입자가성장할뿐만아니라 Cu와화합물을형성하여 Cu량을감소시키므로강도를저하시킨다. Cr은열처리형합금에있어서열간가공및열처리중에재결정및결정립성장을억제하는역할을한다. 또한발달된섬유조직은응력부식에대한민감성을감소시키고인성을개량한다. Cr은양극산화에피막에노란색을띄게된다. (2) Cu ( 구리,Copper,Cuprum) Cu는 Zn,Mg과함께고온 ( 용체화처리온도 ) 에서고용 ( 固溶 ) 되며저온에서석출상 ( 析出相 ) 을형성하여강도를높여준다. (3) Fe ( 철,Iron,Ferrum) Fe는알루미늄에서발견되는가장일반적인불순물이다. 용융Al에높은고용도를가지고있어용융상태에서쉽게용해되어진다. Al내에존재하는 Fe의대부분은 Al이나다른요소와의화홥물인제2상으로나타난다. Fe는기계적성질을해치므로적당량을투입하기도한다. 소량투입시 Grain Size를감소시켜약간의강도증가와온도의증가에따른더좋은크리이프 (creep, 재료에일정한응력을장시간가해두었을때, 시간경과와함께변형되고, 변형도가증가해가는현상 ) 성질을제공한다. (4) Mg ( 마그네슘,Magnesium) Cu와거의비슷한효과를가지고있다. 상온에서도어느정도고용도가있어 5000계열에서와같이고용경화의효과를준다. Mg는비중 (1.74) 이낮고융점 (650 ) 도낮아산화되기쉽다. 21

23 (5) Mn ( 망간,Manganese) Mn의효과는재결정온도를증가시키고, 열간가공에서섬유조직의형성을촉진시키므로결정립성장을억제시킨다. 균질온도가높을수록, 어닐링시의가열속도가빠를수록재결정립은미세해진다. 그러나고온에서장시간열처리를할경우 Mn 은입자가성장하게되고분산상태도나빠진다. 1% 이상투입시 3000계열에서와같이강도를증가시키고성형성을좋게하는역할을한다. 첨가원소, 주조온도에따라서조대한초정금속간화합물이형성되기도하는데이러한화합물은불순물로서가공시균열과 Pin Hole의원인이되기도한다. Mn은보통순수알루미늄에서는불순물로작용한다. 열처리형합금에있어서 Mn,Cr,Zr,Fe등의천이원소 ( 재결정방해원소 ) 는 Si 및 Al과화합물을형성하여기지조직중의 Si량을감소시키기때문에시효경화속도를늦추고최대경도를저하시킨다. (6) Si ( 규소,Silicon) 합금원소로존재할때다량의 Si 함량은주조성을좋게하고, 소량일경우 (6xxx계) 에서와같이강도 (Mg 과화합하여 Mg2Si를형성 ) 를높이는역할을한다. 보통 Si량이증가함에따라용탕의유동성이좋아지고, 강도가증가하게되는데공정점 (12.6%) 에서최대로된다. 그이상에서는판상의초정 Si의석출로강도가급격히떨어지게된다. (7) Ti ( 티타늄,Titanium) Ti는결정립미세화제 (Grain Refiner) 로써사용된다. 결정립미세화효과를극대화시키기위해서는 Ti 단독첨가가아닌 Ti+B를첨가해야한다. Ti는알루미늄의전기전도도를감소시키지만 B첨가에의해서생성되는 TiB2에의해감소되는범위를줄일수있다. (8) Zn ( 아연,Zinc) 단독으로쓰이지않고보통 Mg과같이사용하며이때는열처리에매우민감하게되어알루미늄합금중에서가장큰강도를가지게된다. (9) Zr ( 지르코늄,Zirconium) 전기전도도를현저하게저하시킴. 소량첨가에의해재결정온도가높아진다.Al-Mg계합금의응력부식균열을억제할때 Cu-Zr의동시첨가등이유효하다.Al-Li계합금에 Zr을첨가하면재결정이억재되어결정립과아결정립 (sub grain) 이미세화되고, 응력집중의분산, 입계에서의변형및슬립의편재화 ( 偏在化,localization) 방지를통해인선의개선에매우유효하다. (10) Sn ( 주석,Tin,Stannum) Sn은 Pb, Bi 등과같이기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시킨다. Al-Cu 합금에 Sn을 % 정도첨가하면용체화열처리및인공시효열처리틀성이개선되어, 강도증가및부식저항이향상에영향을준다. 하지만적은량의 Mg가존재한다면 Mg와 Sn이부정합 2차상의화합물을형성하여인공시효특성을크게감소시킨다. (11) Pb ( 납,Lead,Plumbum) Pb는 Bi와함께저융점금속으로서기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시킨다. Pb는비중이무겁기때문에용해및주조중에편석이발생할우려가많다. Al-Cu-Mg합금에서 Pb는열간균열을일으키기쉽고독성이있다. (12) Bi ( 비스무스,Bismuth) Bi는 Pb,Sn,Cd와같은저융점금속으로서절삭성합금에첨가된다. Al-Mg합금에서는 Na에의한열간균열을방지하기위해서 0.002~0.02% 를첨가하는경우가많다. (13) V ( 바나듐,Vanadium) Vanadium은전도성을감소시키나, 알루미늄합금에서는금속간화합물로석출하여전도성을향상시키는역학을하므로전도체합금에이용된다. 합금의재결정온도를상승시키고결정립을미세화하는데도움을주며강도를높이면서열팽창계수를감소시킨다. 22

24 (14) Li ( 리듐,Lithium) Li은 Al중에서석출경화의원소이다. 리듐을첨가한알루미늄합금은저밀도, 고비강조, 고비강성등을얻을수있다. 알루미늄에리듐을첨가할경우장점및특징으로탄성률의향상, 석출경화및고온강도의개선,Zr 첨가에의한미세결정립초소성 ( 超塑性,super plasticity) 등을글수있다. 단점으로는인성의저하, 용해시산화, 열처리중리듐소실등제조상의위험및곤란함과리듐의가격, 합금제조가격에의한제품가격의상승, 내식성저하등을들수있다. (15) Be ( 베릴륨,Beryllium) Mg를함유하고있는합금에서는 0.001~0.005% 의 Be를첨가함으로서산화와제품의탈색을크게감소시킨다. Al-Mg-Si합금에서는 0.01~% 의첨가량에의해서용탕의유동성과주조성그리고제품에대해서는연성을증가시킨다. Be는열간균열을방지하는데기여함으로주조시 Crack이발생하기쉬운합금에대해서는 0.001~0.01% 의 Be를첨가하는경우도있다. Be는알루미늄의부식저항에영향을주지않는다. Be의약점은노출시에강도와내구성과관련해서특히민감하며 Be을포함하는화합물, 먼지의흡입은심각한독성을일으킬수있다. 따라서용접할때는 Be의함량을제한하고있으며, 음식이나음료의용기로는사용할수없다. (16) Co( 코발트,Cobalt) 일반적으로알루미늄합금에는 Co를첨가하지않는다. Al-Si-Fe합금에있어서 Co를첨가하면침상의 β상을구형상으로만들어강도및신율에기여한다. (17) Cd ( 카드뮴,Cadmium) 알루미늄에서는저융점원소로서제한적으로사용되고있다. Al-Zn-Mg에있어서 Cd는기계가공성 ( 절삭성 ) 을향상시킨다. Pb와 Bi보다융점이높기때문에 Pb와 bi보다쾌삭성이우수하다. 또한시효시간을단축시키는역할도한다. Cd화합물은독성을일으키기쉽다. (18) B ( 붕소,Boron) Boron은입자미세화와전기전도도를좋게한다. 즉 Al내에있는 V,Ti,Cr,Mo 와같은불순물이전기전도도에미치는유해한영향을개량하기위해첨가한다. Boron은 0.005~% 의수준으로첨가되며응고시미세화원소로작용된다. Ti를 B보다많은량을같이첨가하면결정립미세화효과는크다. (18) In( 인듐,Indium) 저융점원소로서쾌삭성합금에사용되고있다. In은 Cd처럼상온시효를감소시키지만인공시효는증가시킨다. In이첨가된합금에 Mg를첨가하면 In의효과는감소된다. (19) P( 인,Phosphorus) 과공정 ( 過共晶,hyper-eutectic) Al-Si합금 (14~25%Si) 에서 Si의개량화및미세화역할을한다. 아공정 ( 亞共晶,hypo-eutectic) Al-Si합금 (5~9%Si) 에서 P는존재하는양만큼개량화처리를방해한다. (20) Sr ( 스트론튬,Strontium) Al-Si합금에서 Sr은 Na 와함께개량처리제로사용된다. (21) Sb ( 안티몬,Antimony,Stibium) Al-Mg합금에있어서열간균열방지용으로첨가되는 Bi대신사용하기도한다. Al-Si합금에서 Si의개량화및공정 Si의미세화역할을한다. Sb는독성문제때문에사용이제한되고있다. (22) Na ( 나트륨,Natrium) Al-Si합금에서 Na은 Sr와함께개량처리제로사용된다. (23) Ca ( 칼슘,Calcium) Al-Si합금에서 Si의개량처리제로사용되고있다. 강도는감소하고연신율은증가되는특성을가지고있다. 용탕중의수소가스를제거하는효과가있다. (24) Mo ( 몰리브덴,Molybdenum) Al에 Mo는 ~1.0 ppm( ~0.0001%) 만큼분술물로써함유하고있다. Mo는결정립미세화역할을하나현재는사용하지않는다. 23

25 4. 알루미늄기초이론 4.1. 열역학 ( 熱力學 ) 과상평형 ( 相平衡 ) 재료과학의중요한분야인상전이 ( 相轉移 ) 에서주어진계 (system) 즉, 하나또는그이상의상이혼합되어있는합금에서의상의변화와관련된열역학및동력학을다룬다. 상 (phase) 은계의다른부분과물리적으로구분되는것으로서성질, 구조및조성이균일한계의한부분으로정의되고, 주어진상이나계의조성은각성분의상대적양에의해결정된다. 상전이 ( 相轉移 ) 가일어나는이유는물이높은곳에서낮은곳으로흐르는것과같이그계의자유에너지를낮추어좀더안정된평형상태 ( 平衡狀態 ) 에도달하기위한것이다. 여기에서는상태도와상전이를이해하는데필요한열역학적개념을설명하고, 알루미늄에첨가되는주요합금원소의영향및상태도에대해알아보기로한다 평형 ( 平衡,Equilibrium) 실제적으로금속은평형상태에있지않은경우가대부분이다. 그러나반응은항상평형상태를향하여일어나게되므로평형상태를이해하는것은매우중요하다. 평형상태를정의하는깁스자유에너지 (Gibb's free energy) 는다음과같이정이된다. G = H - TS ( 1.1) 여기서 H는엔탈피 (enthalpy), T는절대온도, S는엔트로피 (entropy) 를나타낸다. 엔탈피는다음과같이정의된다. H = E + PV (1.2) 이때 E는계의내부에너지이고, P는압력, V는부피이다. 내부에너지는계의내부에존재하는원자의총운동에너지와위치에너지를나타낸다. 운동에너지는고체또는액체내에서의원자진동과액체나기체내에서의원자와분자들의병진운동및회전운동에너지에의해발생된다. 반면위치에너지는계의내부에있는원자들사이의상호작용즉결합에의해발생된다. 변태또는반응이일어날때흡수되가나방출된열은계의내부에너지를변화시킨다. 응축상즉, 고체나액체의경우 PV 항은 E에비하여매우작으므로 H E가되며이런근사치가자주상용될것이다. 깁스자유에너지와관련된또다른함수는계의무질서도를나타내는엔트로피 (S) 이다. 계가가장안정한상태로존재할때를평형상태라고부른다. 계에는열린계 (open system) 와닫힌계 (closed system) 가있으며, 열린계는반응이일어나는동안주위와의물질교환이일어나양이나조성의변화가일어나는계를나타내며, 닫힌계는주위와의물질교환이일어나지않아반응시계의질량과조성이변화하지않는다. 고전열역학에의하면, 단힌계의경우일정한온도와압력에서그계가가장안전한평형상태에도달은조건은깁스자유에너지가가장낮은상태에도달하는것이다. 따라서평형상태에서는 dg = 0 (1.3) < 식 (1.1)> 에서의 G의정의로부터가장안정한상태는낮은엔탈피와높은엔트로피가잘조화된상태에서나타날것이다. 이와같이낮은온도에서는강한원자결합으로인해내부에너지 ( 엔탈피 ) 가최소가되므로고상이가장안정하게되지만, 높은온도에서는 -TS항이지배적으로작용함으로원자의이동이용이한액체와가체가안정하게된다. 압력의변화를고려한다면 < 식 (1.2)> 로부터알수있듯이작은부피를갖는상이높은압력에서더안정할것이다. 식 <(1.3)> 으로주어진평형의정의는다음과같이도식적으로설명될수있다. 만약가능한모든배열에대한계의자유에너지를계산할수있다면가장안정한평형배열은계의자유에너지가최소가될때될것이다. 이것을 < 그림2-1> 에서설명하였다이떄여러가지원자배열상태는가로축으로표시하였다. 배열 A는안정한평형상태로, 원자배열이약간변화되더라도 G가변화되지않는다. 즉, < 식 (1.3)> 이적용될수있다. 그러나 B 점의경우처럼자유에너지가국부적최소값을갖는반면, < 식 (1.3)> 은계속만족되나, 이자유에너지가최소값은아니다. 이런배경을안정한평형상태와구별하여준안정 (metastable) 평형상태라한다. dg 0인중간상태는불안정하므로계속존재라기힘들고순간적으로만존재하게된다. 그러므로열적요동에의해원자배열이중간상태가되더라도원자들은자유에너지가최소값을갖는안정상태로급히재배열된다. 예를들어온도와 ( 그림2-1) 24

26 그림 2-1 여기서 A상태의원자배열은최소의자유에너지를갖는것으로평형상태를나타내며 B상태에는 A상태로천이할수있는준안전상태를나타낸다. 압력을변화시켜계를안정상태에서준안정상태로이동시키더라도시간이흐르면계는새로운안정한평형상태로재배열할것이다. 어떤변태시깁스자유에너지가감소된다면, 그변태는가능하게된다. 따라서상변태가일어나는가에대한기준은다음식으로표시할수있다. ΔG = G 2 - G 1 < 0 (1.4) 여기서 G1 과 G2 는각각초기상태와최종상태의자유에너지이다. 변태가일어나는과정은직접안정한상태로되는경우도있지만중간의준안정상태를통하여안정상태로되는경우도있다. 냉각되는동안에는반응이시작되기전에어느정도의과냉각 (undercooling) 이존재해야하며, 또는가열되는동안에는실제온도가어느정도과열되어있어야한다. 즉모상 ( 母象 ) 으로부터상변화를일으키며새로운상이생성되는경우상간의계면이생성되기때문에계면에너지에의한에너지증가가상변화시에너지장벽이존재하기때문이다. 과냉각이임계과냉각보다작은경우신상생성에의한자유에너지감소가새로운계면의생성에의한에너지증가효과를극복하지못하기때문에과냉각상태로유지되더라도새로운상 ( 相 ) 의생성과성장에의한상변이가일어나지못한다. 따라서새로운상이핵생성 ( 核生成 ) 되어성장하기위해서는모상 ( 母象 ) 은임계과냉각이상으로과냉각되어상변화에필요한충분한구동력을제공할수있어야한다. 25

27 평형상태도 ( 平衡狀態圖,equilibrium diagram) 어떤상태가평형상태라하는것은그계에서열평형 (thermal equilibrium), 기계적평형 (mechanical equilibrium) 및화학평형 (chemical equilibrium) 모두가만족되는상태를나타낸다. 합금에서와같이일정한압력하에서온도와조성에따른평형상의분포및경계를표시한것을평행상태도 ( 平衡狀態圖 ) 라한다. 여기서평형은화학평형 (chemical equilibrium) 이만족되는조건으로서다른열평형이나기계적인평형은유지된다고가정한것이다. < 그림 2-2> 는이원합금계에서의가상적평형상태도를나타낸다. 이상태도 α와 δ의두가지고용체뿐만아니라, β와 r의두가지금속간화합물이존재하는경우를설명하기위한것이다. 여기서는온도와조성에따라존재하는각상을설명한다. 일반적으로단일상영역은두상의공존영역에의하여분리된다. 어떤합금에서는가열과냉각시나타나는상변화는상태도에서그조성선을따라알아볼수있다. 예로서합금1< 그림 2-2> 는 T1온도이상에서는액상상태이며, T1과 T2 사이에서는고용체로결정화됨으로액상과고상이공존하고 T2 이하에서는고용체의단일상으로존재한다. 한편합금 5는냉각하면액상상태를통과하여고상 β와액상의공존영역을지나 β화합물이된다. 그러나 T3에서이혼합물은사라지고합금은다시 α고용체와 r화함물의혼합물로된다. 두상이공존하는영역에서존재하는각상의평형조성은경계선에의해주어진다. 예를들면, 온도 T4에서합금5는 x 조성의 α상과 z조성의 r이공존하며, 두두상의상대적비율 ( 무게 ) 은단순한지렛대법칙 (lever rule) 에의하여얻을수있다. 즉 α량 : r량의비는 yz : yx 와같다. 상의상태가변화될때마다즉, 평형상태도에서가열과냉각되는동안합금의조성이경계선과교차 < 그림 2-2> 의상태도는석출 (precipitation), 공정 (eutectic), 포정 (peritectic), 공석 (eutectoid) 반응과같은중요한반응이포함된것으로서합금 1~6의경우이들반응이일어나고있음을알수있다. 실제합금의경우에는비평형상태로유지되는경우가있기때문에존재하는상의수및조성은평형상태도의경우와다르게나타날수있다는것에유의해야한다. 그림 2-2 가상적 2 원계평형상태도 26

28 4.2. 응고 ( 凝固,solidification) 응고는용융된액상이고상으로상변화하는과정을나타내며, 제조된합금의결정입도 ( 結晶粒度 ), 수 지상조직 ( 樹枝狀組織 ) 간격, 용질원자 ( 溶質原子 ) 의분포등과같은 1 차조직 ( 응고조직 ) 과응고시의부 피수축과열응력 ( 熱應力 ) 등에의해생성된응고결함 ( 凝固缺陷 ) 은그합금의최종기계적성질에큰영 향을미치기때문에응고과정을잘이해하고이들을제어하는것은공업적으로매우중요하다. 본장 에서는핵생성및고상의성장과평형, 비평형응고와같은응고의기본현상에대해서알아보고주요 Al 계합금의응고조직을알아보기로한다 핵생성 ( 核生成,nucleation) 과성장 ( 成長,growth) 온도가올라가면고상이나액상의자유에너지는떨어지며액상은고상보다더큰엔트로피를갖기때 문에자유에너지가더빠른속도로감소한다. 따라서고온에서는액상의자유에너지가고상보다낮아 안정하며저온에서는반대로고상이더안정하다. 그리고고상과액상의자유에너지가같은온도를 평형용융온도 Tm 이라한다. 한편합금의경우에는고상과액상이공존할때자유도가 1 이상이므로어 떤온도구간에걸쳐서고상 + 액상의공존영역이존재하며그상하의온도를각각액상성온도 TL 와고 상선온도 TS 라한다. 액상이용융온도 Tm 이나액상성온도 TL 이하로냉각되면액상은고상으로변화 하려는구동력을가진다. 이구동력은액상과고상의자유에너지차이로서, 즉단위체적당의응고구 동력은 ΔGV = GL - GS 으로 GL, GS 는각각액상과고상의단위체적당자유에너지이다. 이구동력은액 상의과냉각이증가할수록증가한다. 한편액상으로부터고상이생성되는경우에는고상과액상사이 의계면이생성되게된다. 이계면에서의원자구조와조성은고상이나액상에서의원자구조나조성과 다르기때문에계면에있는원자는과잉의에너지를갖으며이과잉의에너지를고 / 액계면에너지 라한다. 즉액상에서고상이생성되는경우고상의생성으로인한에너지감소뿐만아니라새로이 고 / 액계면이생성되기때문에계의에너지는증가할수있다. 따라서온도가그계의평형온도이하 로낮아져도액상이저절로고상으로상변화하지않고액상은용융온도이하에서도과냉각된액상 으로오랜시간유지할수있다. 이것은액상이고상으로응고할때상전이를위해서는극복해야하는 에너지장벽이존재한다는것을나타내며, 이와같이핵생성및성장의과정을거쳐서일어나는상변 태를 1 차상전이 (1st phase transition) 라한다. 응고시이계면에너지의영향은고상의크기가작으면 작을수록그역할이증대되기때문에액상에서고상의핵이생성될때매우중요한역할을한다. 과 냉각된액상내에서고상핵이생성되는과정은다음과같이두가지로나누어생각할수있다. 즉액상 에서다른물질의도움없이원자의요동에의해서고상핵이생성되는균일핵생성과주형벽이나산 화물등다른물질의표면에서이물질의도움을받으며생성되는불균일핵생성을들수있다 균일핵생성 ( 均一核生成 ) 핵생성에이용되는자유에너지가모상의각머무른부피 (retention volume) 에있어서같으면, 핵이 생성될확률도모든머무른부피에서같다. 이러한조건하에서일어나는핵생성을균일핵생성 (homogeneous nucleation) 이라한다. 용융온도 Tm 보다 ΔT 만큼과냉각된액상내의원자들은계속 하여요동 (fluctuation) 치고있으며, 어느순간국부적으로액상의원자구조가고상의구조와같아지 게되면고상의입자가생성된다. 요동하다가어느순간반경 r 을갖는고상입자가생겼다고하자, 이 때이고상의생성으로인한자유에너지변화는다음과같이쓸수있다. (2.1) 우변의처음항은고상생성시감소하는체적자유에너지항으로 r³ 에비례하며, 27

29 두번째항은고 / 액계면의생성으로인해증가하는계면에너지항으로서 r² 에비례한다. 반경 r에따른자유에너지변화를 그림 2-5 에나타내었다. 반경 r이작을때에는계면에너지에의한자유에너지증가가고상생성으로인한체적자유에너지감소보다우세하기때문에총자유에너지는점점증가하여반경이임계반경 r=r* 에도달하면그증가량이최대가된다. 그러나 r이임계반경 r* 보다더증가하면체적자유에너지감소가더우세하여자유에너지증가량은감소하게된다. 따라서원자의요동에의해서생성된고상입자들중임계반경보다큰고상입자의경우에는액상원자가고상으로이동되어 r이증가하면증가할수록자유에너지가낮아지기때문에고상은점점더크게자라성장한다. 이와같이임계크기보다커서과냉각된액상에서스스로성장하는고상입자를핵 (nucleus) 이라한다. 그러나액상에서원자의요동에의해생성된고상입자가임계크기보다작은경우에는액상으로부터원자가이동되면될수록자유에너지가증가하기때문에그고상표면의원자는액상으로더빨리이동되며, 결국그입자는소멸된다. 이와같이생성과소멸을반복하는임계그리고임계크기를갖는고상입자는주위의액상과불안정한평형상태를유지하며, 원자의이동방향에따라핵또는배아 ( 胚芽,embryo) 로변한다. 따라서액상에서고상핵이생성되어스스로성장하기위해서는자유에너지의최대증가량 ΔG* hom0 을넘어서야하며이것을균일핵생성시의에너지장벽 (energy barrier) 이라한다. 고상의핵생성이원자의요동에의해일어난다는것을생각하면핵생성시극복해야할에너지장벽이작아야핵생성이잘일어날수있다는것을예측할수있다. 식 (2.1) 로부터얻은핵의임계반경 r* 와균일핵생성시극복해야할에너지장벽 ΔG* hom0 은각각다음과같이표현된다. (2.2) (2.3) 따라서핵의임계반경은계면에너지 rsl 에비례하고 ΔG V 구동력에반비례함을알수있다. 그리 고에너지장벽은 r³ SL 에비례하고구동력의제곱에반비례함을알수있다. 따라서고 / 액계면에너 지가작을수록그리고응고의구동력이증가할수록핵생성이용이하게일어남을알수있다. 한편순금속의경우액상이 ΔT 만큼냉각되었을때응고구동력은다음과같이근사식으로표시할 수있다. (2.4) (2.5) 즉평형용융온도에서는임계핵의반경이로서액상으로부터고상핵이생성될수없음을알수있 으며, 고상의핵이생성되기위해서는그액상은과냉각되어야함을알수있다. 28

30 불균일핵생성 ( 不均一核生成 ) 일반적으로응고시균일핵생성은관찰되지않는다. 이것은액상이과냉각되면액상내의이물질표면또는주형벽이핵생성자리로작용하여낮은과냉각에서핵이생성되어성장하기때문이다. 그림 2-3 과같이잘린구형의핵이주형표면에서생성되는경우를생각하자. 이때고상, 액상및주형의 3상이만나는삼중점에서의접촉각을 θ라하면힘의평형조건으로부터계면에너지사이에는다음의관계가만족된다. (2.6) 여기서, r ML, r SM, r SL 는각각주형 / 액상, 고상 / 주형및고 / 액계면에너지를나타낸다. 그림 2-3. 주형벽에서접촉각 0 를이루며고상이생성되는불균일핵생성모델그림과같은불균일핵생성이일어날때계의자유에너지변화는다음과같다. (2.7) 여기서 Vs는생성된고상의체적이며, ASL, ASM은각각고 / 액계면및고상 / 주형계면의면적이다. 마지막의음의값을갖는항은주형벽에고상핵이생성됨으로서감소한액상 / 주형계면에너지이다. 그림과같이반경 r을갖는잘린구형태의고상이생성되는경우 식 (2.7) 은다음과같이쓸수있다. (2.8) 여기서 f (θ)=(2+cosθ)(1-cosθ)²/4 으로 θ=0 인경우 0으로부터 θ=π인경우 1로단조증가 ( 單調增加 ) 하는함수이다. 그리고이식은핵의모양을결정하는접촉각 θ의함수인을제외하고는균일핵생성시의에너지변화와동일함을알수있다. 따라서불균일핵생성시의결정핵 ( 結晶核 ) 크기및핵생성시의극복해야할에너지장벽은다음과같다. (2.9) (2.10) 29

31 그림 2-4 는균일핵생성시와불균일핵생성시반경 r인고상입자가생성될때의자유에너지변화를나타내는것으로서, 불균일핵성시의에너지장벽은균일핵성시의에너지장벽보다작지만, 임계핵의반경은두경우동일함을알수있다. 한편핵생성이용이하게일어나기위해서는핵생성에필요한에너지장벽이작아야하며, 이에너지장벽은접촉각 θ가작을수록감소한다. 접촉각이 180 인경우에는균일핵생성시의경우와동일하며, 접촉각 ( 接觸角 ) 이 90 인경우에는불균일핵생성시의에너지장벽의크기는균일핵생성시의 1/2 이며, 접촉각이 0인경우에는에너지장벽이없다. 접촉각 θ는 r ML - r SM 이클수록감소하므로생성되는고상과주형사이의계면에너지가작거나, 주형과액상사이의계면에너지가크면접촉각이감소하며, 이때주형은 그림 2-4 균일핵생성및불균일핵생성시의효과적으로고상을핵생성시키다. 그림 2-4 고상입자크기 r 에따른자유에너지변화 핵성장고 / 액계면은 그림2-5 과같이원자스케일로볼때계면이평활한평활계면과요철이많이있는확산계면으로분류할수있다. 확산계면의경우에는고상으로부터액상으로의천이는여러개의원자층을거쳐점진적으로일어나며, 평활계면의경우에는고상으로부터액상으로의천이가단원자층을경계로하여급격히일어난다. 실제로는좀더복잡하여응고시관찰되는평활계면은약 2 3개의원자층의두께를갖고있는것으로알려져있다. Jackson의단원자층모델에의하면일반적으로용융엔트로피 Δ H m / T m 이 4R(R은기체상수 ) 보다큰경우에는평활계면이에너지측면에서더안정하다. 그러나대부분의금속의경우에는 Δ H m / T m R 이므로고 / 액계면은확산계면을이룬다. 확산계면의경우고상으로부터액상으로이동함에따라원자의배열정도는결정의규칙적인배열로부터액상에서의임의의배열로점진적으로원자의배열의규칙도가저하한다. 즉계면내에있는원자의특성이고상으로부터액상으로점진적으로변화한다는것이다. 일반적으로금속이나합금에서고 / 액계면은확산계면이므로여기서는확산계면의성장에대해알아본다. 과냉각된액상에서고상이성장할때액상의원자는고 / 액계면을통과하여고상으로이동하고이원자는고상표면의적당한위치에자리를취해야한다. 따라서확산계면의경우에는평활계면의경우보다매우용이하게원자가액상으로부터고상으로이동될수있다. 확산계면의경우계면과접한액상내의원자는고상표면의임의의격자점으로이동될수있다. 30

32 그림2-55 고 / 액계면의구조 (a) 평활계면,(b) and (c) 확산계면따라서액상내의원자가고상으로이동될때계면의모든부분은같은속도로계면에수직인방향으로이동될것이다. 이와같은성장을연속성장 (continuous growth) 이라한다. 계면의온도가평형용융온도라면계면을경계로하여단위시간당액상에서고상으로이동하는원자의수나고상에서액상으로도약하는원자의수가같아계면은이동하지않고평형상태를유지할것이다. 고상이성장하기위해서는단위시간당액상으로부터고상으로이동하는원자수가고상으로부터액상으로이동되는원자수보다더커야한다. 화학에서의반응속도론을이용하면계면에서액상으로부터고상으로의원자이동의구동력이일때계면이동속도 V는다음과같다. (2.11) 여기서 f는고상표면에도달한원자가고상에서제자리를찾아고상에부착되는확률을나타내는인자 ( 因子 ) 로금속과같은확산계면의경우에는약 1 이다. 그리고 V0는소리의속도에해당하는속도로계면이이동할수있는최대한계속도를나타낸다. 실제응고시계면의이동속도 V는 V0에비해매우작기때문에위의식으로부터다음의식을얻을수있다. (2.12) 한편계면에서액상이고상으로응고할때의구동력은계면의온도가평형온도로부터벗어난정도인과냉각에비례하기때문에일반적으로응고속도는다음과같이쓸수있다. (2.13) 여기서 는계면동력학계수 (interface kinetics coefficient) 이며,ΔT k 는계면에서의 동적과냉각 (kinetic undercooling) 이다. 순금속의경우일반적으로계면동력학계수 ᥭ 는약 1m/sK 정도의값을갖으며통상 0.01cm/s 정도의속도로응고하는주조의경우계면의동적과냉각은약 0.001K 이하로매우작아무시할수있다. 철강과같은일반합금의응고시에도이동적과냉각은매우작아무시될수있으며, 고 / 액계면에서는국부평형이유지된다. 즉합금의응고시평면의고 / 액계면에서의고상과액상의조성은그온도에서의상태도상의고상선과액상선의조성을유지하며계면이이동한다. 31

33 수지상결정 ( 樹枝狀結晶,dendrite) 의성장기구과냉각된액상이나합금응고시생성된핵이성장하여응고가일어난다. 응고시고 / 액계면의전방에있는액상의과냉각에의해평면계면은더이상안정하지못하고불안정하여져불규칙한계면으로천이한다. 이때고 / 액계면에너지또는계면동력학계수의이방성 ( 異方性 ) 에의해고상은수지상으로성장한다. 그림 2-6 은주형표면에서핵생성된고상의성장시초기모습을보여주는것으로서표면으로부터여러개의 1차수지상결정이생성되어내부로성장한다. 이들수지상결정은서로경쟁적으로앞으로성장하려하며주위의액상에용질을농축시킨다. 따라서뒤쳐진 1차수지상결정은더이상성장하지못하고성장을멈추게된다. 일반적으로수지상결정은그계면에너지의이방성에의하여어떤특정한결정학적방향으로우선적으로성장한다.A1과같은 FCC 금속에서수지상축은 [100] 방향으로수지상선단은 그림 2-6. 응고의초기단계에서주형벽그림 2-7. 팔면체형상결정으로부터성장하는수지상수지상주축의생성과정 4개의조밀충전된 {111} 면으로둘러싸인형태를갖는다. 예를들면 A1의작은자유결정이액상에서팔면체형으로성장할때 그림 2-7 (a) 에나타낸것과같이된다. 그림 2-7 (b) 는응고시용질 ( 溶質 ) 의분배에의하여결정의표면으로방출된용질은전방으로만확산되어야하기때문에성장속도는낮다. 한편 6개의피라미드의코너에서는고상으로부터방출된용질이주위의액상으로확산되기쉽기때문에고 / 액계면전방에서용질편석이가장작게되어성장이빠르기때문에 그림 2-7) (c) 및 (d) 와같이수지상 ( 樹枝狀 ) 의주축을형성하면서돌출하기시작한다. 성장하는수지상의대칭성은계면에너지의이방성에의해결정되며주요금속에서관찰되는수지상의성장방향을 표 2-1 에나타낸다. 표 2-1 수지상정성장방향 32

34 알루미늄의결정이과냉각된액상에서성장한다면, 그림 2-8>(a) 와같이 3개의주축이같은속도로성장할것이다. 이들의계속된줄기, 1차가지는주축으로부터성장하며, 2차가지는 1차가지로부터형성된다. 그러나주형벽상에서핵생성이일어난다면주축과수지상의가지는모든방향으로동등하게성장하지않는다. 액상에서과냉은주형벽에서최대가되므로주형표면을따라성장하는두주축은 그림 2-8 (b) 에나타낸것과같이주형표면에수직인주축보다더빠르게성장한다. 그림 2-8 (c) 는주형벽을따라하나의주축만성장하는결정의성장을나타내며, 그림 2-8 (d) 는주형벽과한점에서이들모두가교차되는주축의성장을나타낸것이다. 주형벽에서성장하는결정은어떤경우에서주형표면에가장인접한주축이항상가장빠르게성장한다, 주형표면상에서동시에모두가결정화될때수지상의성장을고려해보자 그림 2-9 (a). 수지상정 ( 樹枝狀晶 ) 의성장속도는액상에서과냉도에따라좌우되며과냉은주형표면에서최대이므로수지상정이주형표면을따라먼저성장될것이다 그림 2-9>(b). 이와같이얇은고체피막이주형벽에형성되므로하나의수지상정이인접한수지상정과접촉하게된다. 열흐름에평행한수지상정축과가지가더빠르게성장하며, 주축이주형벽에수직이아닌수지상정의성장은인접결정에의하여방해를받는다. 1차수지상결정 ( 樹枝狀結晶 ) 은선택적으로성장하여 2차수지상결정 ( 樹枝狀結晶 ) 을형성한다. 그림 2-9 (d) 에나타낸것과같이수지상결정인접한수지상정과접촉하게되면수지상결정의성장방향이변화되어 1차수지상결정의원래성장방향에평행하게성장하게된다. 일반적으로성장방향에평행하게성장하는수지상결정을 1차수지상결정라하나실제적으로는주축, 1차수지상결정, 2차수지상결정및모두같은방향으로성장하는 3 차수지상결정등으로되어있다. 모든일반적인응고과정은비평형응고를어느정도포함하고있다. 비록평형응고는실제로관찰하기는힘들지만, 몇몇제한적인조건에서매우흥미로운결과를제시한다. 특히, 응고과정에서평형상태에서벗어난정도가실제로관찰되는미세조직에커다란영향을미친다 평형 / 비평형응고모든일반적인응고과정은비평형응고를어느정도포함하고있다. 비록평형응고는실제로관찰하기는힘들지만몇몇제한적인조건에서매우흥미로운결괴를제시한다. 특히응고과정에서평형상태에서벗어난정도가실제로관찰되는미세조직에커다란영향을미친다. 33

35 평형응고 그림 2-10 에서알수있는바와같이, 평형응고는 L² «Dst 관계가만족하는경우근사된다. 이때 L은응고된길이, Ds는고상내용질의확산속도, t는시간이다. 전체조성이 C 0 인합금은 T 1 에서응고하기시작해서 Ts에서완료된다. 응고하는초기의고상의조성은 kc 0 로주어지고, 이때 k는표면과액체의용질농도의비율인평형분배계수 (C* S /C* L ) 이다. 고상내에서의확산이완전하다고가정하면, 고상내에서용질의농도 (C s ) 는고상선상의표면고상용질농도 (C* L ) 와같다. 액상에서의확산역시완전하다고가정하면, 응고후에 C 0 의용질능도를갖는균일한단일상의금속이얻어진다. 2-10,11 그림 그림 고상확산이없고, 액상에서완전확산이일어난다는가정하에서 (a) 응고개시 ; (b)t=t* ; 응고완료후용질재분배를도시한그림, (d) 응고동안온도에따른조성변화를나타내주는상태도 국부평형응고상용응고공정의경우냉각속도는 ~ 100 C/s 혹은 8~180 F/s 정도이다. 이러한냉각속도로응고할때에는시편전체에서평형은유지되지않지만고 / 액계면에서는평형이유지된다. 이와같이계면에서만평형을유지하며응고하는것을국부평형응고라한다. 이경우의응고거동은고상에서의확산을무시하고, 액상에서는완전한혼합이이루어진다가정하고해석할수있다. 즉 D S 0 계면에서국부적으로평형이유지됨 (k=c* S /C* L ), 그리고 D L 이라는가정하에서이해될수있다. 이러한조건하에서응고는 그림 2-11 에나타내어진다. T1온도에서응고개시된고상은 kc0의농도를가지고있으며, 액상선아래온도에서응고계면에서고상의형성은용질농도가응고이전보다높다. 용질의균형을유지하기위해서잉여용질이액상에서핵심 (coring) 의결과로나타난다. 이러한현상은응고마지막에수지상정 ( 樹枝狀晶 ) 사이의구간에서비평형공정조직을형성한다. 형성된공정양은 식 (2.14) 으로계산할수있다. (2.14) 여기서 fe는공정 ( 共晶 ) 의조직의체적분률이고,CE는공정의농도이다. 실제관찰되는공정량은전형적인주괴주조공정영역에서의냉각속도범위에서는 < 식 (2.14)> 에의해서예측가능하다. 이비평형공정의용해 ( 溶解,dissolution) 는주괴의균질화처리시주위고상으로의용질원자의확산을통해얻어진다. 34

36 그림 고상확산이없고, 액상에서완전확산이일어난다는가정하에서 (a) 응고개시 ; (b) T=T* ; (c) 응고완료후용질재분배를도시한그림, (d) 응고동안온도에따른조성변화를나타내주는상태도 차조직 ( 응고조직,solidification structure) 알루미늄합금에서상 ( 相,phase) 규명알루미늄합금에서상규명은현 5000계열에는 Mg2Al3, Mg2Si 입자와 Cr과 Mn의금속간상이포함될수있다. 열처리가가능한단련및주조합금은비평형응고에의해생성되는금속간화합물등의상이포함된다. 이들은후처리인균질화처리시용해되어용질이수지상정으로확산되어고용되기때문에용해성상 ( 溶解性相 ) 이라할수있다. 따라서이들은열적크리프 (thermal creep) 즉비평형정도에따라조직에존재하는그양과위치가달라진다 계열의단련합금에는 CuA12 또는 CuMgAl2의용해성상이존재하며 6000계열합금에서가장일반적인금속간상은 Mg2Si이고과잉 Si입자도존재할수도있다. 7000계열합금에서는 MgZn2 가주용해성상이나다른상들도존재할수있다. 이들합금에생성된석출물은대개극히미세하며 7000계열합금에서는 Cr이힘-유된상또는 Mg2Si 입자를역시볼수있다 (Mg2Si는과잉 Mg가존재하면불용성임 ). 대부분의상용알루미늄주조합금은아공정 ( 亞共晶 ) 으로, 응고시알루미늄고용체가초정 (primary crstal) 으로생성되어수지상으로성장하며, 응고후반용질이농축된수지상사이의액상이공정온도이하에서공정반응을일으키며응고를마친다. 따라서 Al수지상사이에는공정혼합물로채워진다. 알루미늄합금주물에서공정은가끔층상조직 ( 層狀組織 ) 대신수지상간에분리된형태로분포하기도하며합금에따라금속간상또는 Si와같은합금원소가될수있다. 공정 Si 입자는용탕의개량처리 ( 改良處理,modification) ( 대개 Na) 의하여백점 ( 白點,flake) 형태의크고각진형상대신미세하고둥근형상으로변화될수있다. 알루미늄합금에나타나는상들은합금원소자체 (Si, Pb 또는 Bi), 알루미늄함유가필요없는화합물인 Mg2Si 또는 MgZn과 Al을함유하는 2원계또는 3원계합금원소로된화합물등이다. 상의차별화를나타내는기본특성은결정구조와원자배열이다. 표 2-2 는알루미늄합금의분류와열처리 (temper) 기호를나타낸것이다. 35

37 표 2-2 알루미늄합금과템퍼기호 합금분류 템퍼 (temper) 기호 ( 합금숫자뒤에문자로첨가 ) 첫번째첨가숫자는성 질에영향을미치는 2 차처리를나타냄 단련용합금제조한 4단위주합금원소 F 상태 %Al 2000 Cu 2 1/4경화 3000 Mn o 어닐링 1 냉간가공 4000 Si 4 1/2경화 5000 Mg 냉간가공 6000 Mg 및 Si H 2 냉간가공 ( 부분어닐링 ) 6 3/4경화 ( 변형경화 ) 7000 Zn 8000 기타 8 경화첫번째숫자는합금군, 두 3 냉간가공 ( 안정화 ) 번째개량처리또는불순 9 초경화 물한계, 마지막두숫자는 Al 합금또는 Al 의순도를 가가나타냄 첨가문자 F,O,H,T 또는 W 는기본처리또는상 대를나타냄 2 주조용합금 4단위 주합금원소 %Al Cu Si,Cu(Mg) Si Mg Zn 안정화열 Sn T 처리상태 다른원소 미사용계열 첫번째숫자는합금군, 두 6 번째숫자는 Al 합금또는 Al 순도, 마지막숫자는소 수점으로분리하는데주 물또는주괴 (ingot), 원래 합금을개량또는불순물 한계, 숫자앞에문자 "0" 는 실험합금표시. 대부분 3 단 위로표시 1 부분용체화 + 자연시효두번째숫자는 T템 주조품어닐링 용체화 + 냉간가공 용체화 + 자연시효 인공시효 용체화 + 인공시효 용체화 + 안정화 용체화 + 냉간가공 + 인 공시효 용체화 + 인공시효 + 냉 간가공 두번째첨가숫자는 H 상태로잔류경화를나 타냄 퍼또는세번째는 H 상태에각각사용되 며이것은특수처리 예 : 특수성질을보정 하기위한냉간가공 정도를나타냄. 예 : (1) 5152-H36 : Al-Mg 합금. 냉간가공 하고 3/4 경화상태를 얻기위한안정화처 리 (2) 6061-T6:Al- Mg-Si 합금 : 용체화처 리하고인공시효 36

38 대표적인알루미늄합금의 1차조직 ( 응고조직,solidification structure) 일반적으로알루미늄합금은주조또는단조합금으로분류될수있다. 공업적으로사용되는알루미늄및그합금에는주물, 다이캐스트용합금과가공용합금이있으며, 비열처리합금과열처리합금으로구분된다. 여기서말하는열처리란시효에의한석출경화를말하며, 주괴의균질화, 소둔 ( 燒鈍 ) 등의열처리는모든합금에공통이다. 비열처리합금의주조재에서는주로고용경화및결정립미세화 (( 結晶粒微細化 )) 와제2상의분산 ( 分散 ) 에의해서어느정도의강도를얻는다. 주조용알루미늄합금에서는금형, 사형, 셀형등의주물용합금과다이캐스트용합금이있다. 주물용합금성분은주형및주조법의종류에따른차이는없다. 다이캐스트는고압주조이기때문에용융합금과주형의달굼때문에이형성을개선하는목적으로개발된다이캐스트용합금에는사형, 금형주물에있어서가장유해한불순물이라고하는 Fe을많이함유한다. 따라서다이캐스트용합금은주물용합금과는구별된다. 한편가공재는주로압연, 인발등의냉간가공에의한가공경화 ( 加工硬化 ) 에의해서약간의강도를얻는다. 가공재는가공경화의상태에따라서, 경질 ( 硬質 ) 및적당한온도로어닐링처리한연질이있다. 또한열처리합금은주로시효석출에의해서경도를향상시킬수있는합금으로서표에나타낸바와같이원하는특성을얻기위하여 T1, T2 T6 등여러종류의열처리법이이용되고있다. 다음은대표적인주조용알루미늄합금조직과단련알루미늄합금조직이다. 조직 1> 0.45%HF, 242-T571 합금 영구 (permanent) 주형에주조하고 인공시효처리, 조직은중간회색의 조직 2> 0.5%HF, 356-T6 합금 영구주형주조, 용체화처리하고 인공시효, 수소기공 (black) Cu3NiAl6 조각에칼날같은 NiAl3 (dark gray) 를포함하고 CuAl2입자 (light) 와조같같은 Mg2Si(balck) 도역시존재한다. 조직 3> 0.5%HF, 판재, 냉간 조직 4> Keller부식액, 2024-T3판재, 압연하고 Annealing, 재결정되고등 495 C에서용체화처리하고차가운 축립자와 FeAl3(black) 의불용성입 물에 quenching, 종단면, 어두운입 자 (particle), 가공된조직에 FeAl3의 자는 CuMgAl2, Cu2MnAk20 및 크기와분포는 annealing에의하여 Cu2FeAl7등이다. 영향을받지않는다. 37

39 조직 5> barker 부식액, 판재, 조직 6> barker 부식액, 후판조직 annealing 상태, 종당면은재결정 (10mm), 345 C에서 annealing, 편광, 된입자이며, 입자연신은압연방향을입자는등축이다. 나타내나, 각입자내에결정학적방향은아니다. 조직 7> Tucker 부식액, 6063-T5 조직 8> NaOH, NaF부식, 7079-T6 압출, 횡당면, 실제크기, 압출표면에 단조, 40% 압하, 용체화처리하고인 입자는더많은가공과가열때문에 공시효함, Al-Cr-Mn상 ( 조직에서더 재결정되었음, 압출내부에입자는 어두운영역 ) 은균질화하는동안일 재결정되지않았음. 어나며수지상유핵조직의징후가있음 38

40 4.3. 경화기구 ( 硬化機構 ) 일반적으로합금의강도가커질수록연성은감소한다. 높은강도와적절한연성 ( 延性 ) 및인성 ( 靭性 ) 을갖는합금을설계해야한다. 알루미늄합금에있어서합금원소를이용한경화기구는 (1) 고용경화 ( 固溶硬化 ), (2) 석출경화 ( 析出硬化 ),(3) 분산경화 ( 分散硬化 ) 등으로분류될수있다. material UTS (psi) YS (psi) Elongation (%) YS(alloy)/YS(pure) Pure annealed A1 ( ,500 2, % Al) Commercial pure Al 13,000 5, (annealed, 99 % Al) Solid solution strengthened 16,000 6, (1.2 % Mn) Dispersion strengthened (5 42,000 22, % Mg) Precipitation strengthened 83,000 73, (5.6 % Zn 2.5 % Mg) 알루미늄및알루미늄합금의강화기구에따른기계적특성 고용경화 ( 固溶硬化,solid solution hardening) 고용경화 ( 固溶硬化 ) 는간단히말하자면, 어떤금속에용해된다른금속의작용이다. 용질원자와전위 ( 轉位 ) 의움직임과의상호작용의결과로서용질원자의첨가는결정질재료의항복강도 ( 降伏强度 ) 를증가시킨다. 이러한상호작용은용질원자들이미끄럼 (slip) 면에가깝게위치할수록증가하므로, 전위와상호작용하는용질원자는경계면 ( 境界面 ) 에위치하거나경계면의위나아래에위치하여야한다. 고용체에는두가지가있다. 용매원자와용질원자의크기가같은경우, 용질원자는결정격자 ( 結晶格子 ) 의격자점 ( 格子點 ) 을점유하며, 이것을치환형고용체 ( 置換型固溶體 ) (substitutional solid solution) 라한다 그림 용매원자와용질원자의다른크기때문에, 결정격자의규칙도를흩트리며, 전위는이렇게왜곡된격자를쉽게지나갈수없다. 전위가다시움직이기위해서는더높은응력이나온도가필요하게된다. 또한용질원자가용매원자보다훨씬작은경우에는용질원자는용매격자의격자간위치를점유하고있으며, 이것을침입형고용체 (interstitial solid solution) 라고한다.< 그림2-14>. 합금원소 ( 침입형원자 ) 가전위의이동을방해하며, 전위가이동하려면, 더욱큰응력과열적에너지가필요하게된다. 일반적으로침입형고용체의경우, 치환형고용체보다경화효과가더욱크다. 그림 치환형고용체 그림 치환형원자에의해서멈춰진전위 그림 침입형고용체 그림 침입형원자에의해서멈춰진전위 39

41 합금원소에의한경화정도는용질원와용매원자의상태적인크기차이에의존한다. 그림 2-16 는크기에있어서큰차이가결정격자의큰왜곡을가져온다는것을보여주고있다. 이러한결정격자의큰왜곡이전위의진행을더욱방해하므로결국높은강도를갖게된다. 일반적으로알루미늄합금은크게열처리를수행하는합금 (heat treatable alloy) 과열처리를수행하지않는합금 (non-heat treatable alloy) 의두종류로나눌수있다. 2000, 6000 그리고 7000 계열의합금들은열처리에의해서경화되는합금이고, 1000, 3000 그리고 5000 계열의합금들은망간과마그네슘등의고용경화효과에의해서그강도가주어지고, 냉간가공을통한가공경화기구에의해서더욱높은강도를갖게된다.Al-Mg계합금 (5000 계열 ) 의경우, 그강도가다른고용경화알루미늄합금보다강도가크므로압력용기용으로많이사용된다. 그림 2-17 은 Al-Mg 이원계상태도를나타내고있다. 그림 2-17 에나타낸것과같이 5.5wt% Mg의조성을가지는합금을냉각할때, 그림 2-18 에서보이는 TTT diagram (Time-Temperature-Transformation diagram) 에서결정화선을지나지않게어느정도급랭을하게되면, 과포화된초정알루미늄만으로된미세조직을갖는합금을얻을수있다. 그림 2-19 은마그네슘의첨가에따른상용알루미늄합금의항복강도및연신율의변화를보여주고있다. 마그네슘의첨가량이많을수록항복강도는증가하는데반하여연신율은감소한다. 또한 그림 2-20 는상용알루미늄합금의항복강도및연신율구간을보여주고있다. 그림 2-16 용질원자크기의효과 그림 Al-Mg 이원계상태도그림 상용알루미늄합금에서연신율, 항복강도및마그네슘의첨가량사이의관 그림 Al-5.5 wt% Mg 합금에서 Mg5Al8 상의 석출을보여주는계략적인 TTT diagrem 그림 상용알루미늄합금의항복강도 및연신율구간 40

42 석출경화 ( 析出硬化,precipitation hardening) 석출경화에의하여합금이강화되기위해서는먼저용체화처리 (solid solution treatment) 를행하여야한다. 합금원소들이기지내로녹아들어갈수있는온도까지합금을가열한후어느일정시간을유지시킨뒤, 합금원소들이과포화 ( 過飽和 ) 상태로있을수있는낮은온도까지급랭을하는것이용체화처리이다. 이러한고용체는낮은온도에서준안정하다. 석줄경화과정의두번째부분은시효경화 ( 時效硬化,age-hardening) 이다. 이시효과정중에석출상이생성된다. 합금을강화시키는석출상이상온에서생성되면자연시효라하는데, 일반적으로상온보다높은온도에서석출상 ( 相 ) 이생성된다. 석출경화는제2상이고온에서고용화된것을저온에서급랭과시효에의해석출상을형성하는합금에서얻을수있다. 그림 2-21 은 Al-Cu 이원계상태도를나타내고있다. 그림 Al-Cu 이원계상태도 그림 2-22 에나타낸것과같이 4wt% Cu 의조성을가지는합금을냉각할때, 냉각속도에따라 서 그림 2-22>(b) 에나타낸바와같이석출상의크기와분포가달라진다. 그림 냉각속도에따른 Al-4 wt% Cu 고용체의미세조직냉각속도가아주느리면, 그림 2-22 (a) 와같이넓은간격을가지는조대한석출상 (A12Cu) 이형성되며, 적절한냉각속도에서는 그림 2-22 (b) 와같이좁은간격의미세한석출상이형성된다. 아주빠른냉각속도에서는과포화된초정알루미늄만이존재하게된다. 그림 2-23 은 Al-4wt% Cu 합금의 TTT diagram을보여주고있다. 그림에서점선의경로를따라용체화처리후급랭하여상온에서과포화고용체를만든후일정온도로가열하여유지시키면석출상이생성된다. 이때미세조직의변화는 그림 2-24 에나타내었다. 41

43 그림 Al-4 wt% Cu합금에서 CuAl2상의석출을보여주는계략적인 TTT diagram 일정온도로가열하여유지시키면석출상이생성된다. 이때미세조직의변화는 그림 2-24 에나타내었다. 그림 2-24 용체화처리후시효처리시미세조직의변화 Al-Cu와같은석출경화계에서정합석출상의형성은여러단계로일어난다. 고용체 그림2-25 (a) 로부터급랭을하면, 합금은용질편석과클러스터 (cluster) 의영역이생긴다. Guiner와 Preston이이러한국부적인클러스터를특수한 X-선기술로써최초로확인하였기때문에, 이구조를 GP대구역 그림2-25 (b) 라고한다. 집합체는국부적인변형을일으키므로 GP(1) 의경도는고용체보다높다. 시효가진행됨에따라 Cu 원자들이기지의 {100} 면에점점규칙배열을하여경도는더욱증가하게된다. 42

44 그림 시효단계에따라석물상이형성되는과정 : (a) 과포화고용체, (b) GP zone,(c) θ", (d) θ', (e) θ 이러한구조를 GP(2) 또는 θ" 그림 2-25 (c) 라고한다. 그다음단계에서는행렬 ( 行列 ) 과정합 ( 整合 ) 을이루는 CuA12 또는 θ 의명확한판상의석출상 그림2-25>(d) 가행렬의 {100} 면에서생성된다. 정합석출상이기때문에행렬에더큰변형장 ( 變形場 ) 이생겨서경도는더욱증가한다. 시효가더욱더진행됨에따라천이석출상 θ 로부터평형상 CuA12 또는 θ 그림 2-25 (e) 가형성된다. 이러한입자는행렬과정합을이루지못하므로, 경도는 θ 가존재할때보다낮아진다. 이단계이상으로시효를계속시키면입자성장이일어나경도는더욱감소하게된다. 그림 2-26 은시효시간에따른강도의변화를나타낸다. 그림 시효시간에따른항복응력의변화 43

45 Al-Cu 합금과 Al-Cu-Mg 합금 (2000 계열 ) 위에언급되었듯이,Al-Cu 합금에서석출과정은다음과같이나타낼수있다. 과포화고용체 집합체 GP대구역 θ θ θ GP대구역과 θ 는기지와정합관계에있고, θ 와 θ는기지와부정합관계에있다. 중요한경화효과는 θ 의석출상이생성되는시효과정의초기단계에서일어난다. 거의모든합금에서의시효과정은다음과같다. GP대구역 중간석출상 평형석출상 GP대구역은행렬과정합관계에있으므로부가적인경화효과가나타난다. 그러나정합관계가있는석출상에서부정합관계가있는평형석출상의형성은재료의연화현상을가져온다. Al-Cu-Mg 합금에서는 Al2CuMg상또는 S상이석출경화효과에중요한역할을한다. Al2CuMg상으로변태과정은 CuAl2상의변태과정과비슷하며다음과같다. GP대구역 (Mg와 Cu) 정합관계의 S 평형 S 마그네슘양이많은 Al-Cu-Mg합금에서는 S상이중요한역할을하지만, 마그네슘양이적은 Al-Cu- Mg합금에서는 θ상이중요한역할을한다 Al-Mg-Si 합금 (6000 계열 ) Al-Mg-Si 합금에서경화효과를나타내는석출상은약 1~2% 의 Mg2Si상이다. 공정온도에서알루미늄행렬내에 Mg2Si상의고용도는 1.85 % 이며, 온도에따라감소하다가상온에서는약 % 이다. Mg2Si상의석출기구는아직완전히이해되지않았지만, 작은선모양의석출상에서나중에는작은판상으로성장한다고알려져있다. 높은강도를얻기위해 Al-Mg-Si 합금을용체화처리온도에서급속히냉각을시켜야한다. 이러한합금은상온에서의시간에따른강도의변화가작기때문에자연시효 (natural aging) 방법을이용하지않고짧은기간에일정한강도를얻기위해서고온시효 (artificial aging) 방법을이용한다. 또한낮은온도에서장시간시효하는것이높은온도에서짧은시간시효하는것보다더욱강도증가에효과적이다 Al-Zn-Mg-Cu 합금 (7000 계열 ) Al-Zn-Mg 합금계에서강화효과를보이는석출상은 Al2Mg3Zn2상과 MgZn2상이다. 아연이마그네슘의양보다많을경우,MgZn2상의강화효과가탁월하다. Al-Zn-Mg합금에서석출과정은다음과같이나타낼수있다. GP대구역 중간상 (transition phase) MgZn2 CuAl2상및 Al2CuMg상의형성을위해서 Al-Zn-Mg합금에구리를첨가하지만, 기본적은석출경화상은여전히 MgZn2상이다. 그림 2-27 상용알루미늄합금의항복강도및연신율구간 44

46 주조용합금에서의석출경화주조용알루미늄합금의설계는주조성및기계적특성에초점을맞추고있다. 주조용알루미늄합금에서강화효과에기여하는석출상은가공용알루미늄합금에서의석출상과같으며, 일반적인주조용알루미늄합금에서중요한석출상은 표 2-4 에나타내었다. 합금계 석출상 aluminum - copper CuAl2 aluminum - copper - silicon CuAl2 aluminum - magnesium - silicon Mg2Si aluminum - zinc - magnesium MgZn2 aluminum - magnesium Mg2Al 분산경화 ( 分散硬化,dispersion hardening) 연한행렬에서미세하게분산된 2차조직입자는일반적으로합금경화의근원이다. 많은합금계는 2차조직형성으로인해서강화될수있다. 석출경화에서는흔히행렬과석출상격자사이에정합성이존재한다. 그러나분산경화에의한복합재료에서는행렬과 2차조직입자사이에일반적으로정합성이없다. 온도강하에따라고용도가감소해야한다는조건때문에유용한석출경화합금계의숫자는제한되지만, 분산경화합금계는미세한금속분말과 2차조직입자를섞어분말야금학적으로제조하기때문에최소한이론적으로거의무한한종류의합금계가가능하다. 이러한방법의장점은매우고온에서도열적으로안정한분산경화복합재료를얻을수있다는점이다. 미세하게분산된 2차조직입자때문에이합금은단상합금보다결정립성장과재결정에대해보다큰저항성을갖는다. 행렬에대한 2차조직의매우작은고용도때문에분산입자들은석출경화합금계의 2차조직입자보다결정립성장 ( 結晶粒成長 ) 이나과시효 ( 過效處 ) 를저지하는데훨씬효과적이다. 현대의산업기술은여러가지특성을동시에갖는재료를요구하는데, 이것은전통적인금속합금, 세라믹, 고분자화합물 ( 高分子化合物 ) 등한가지유형의재료에의해서만족되기가어렵다. 이와같은복합기능을요구하는현상은특히우주항공, 수송및수송기기등의용도에서두드러진다. 예를들면, 우주항공기술자들은밀도가낮으면서강하고강성도 ( 剛性度 ) 가높으며, 마모및충격저항이있고, 내식성이있는재료를요구하고있다. 그러나이러한성질을조합하여가진재료를발견하는일은그리쉬운일이아니다. 일반적으로강한재료는밀도가높고, 강도또는강성도가높으면충격저항 ( 衝擊抵抗 ) 이감소하는것이일반적이다. 이러한많은성질을조합하여그특성범위가넓은재료는분산강화를응용한복합재료의개발에의해확대되고있다. 일반적으로복합재는여러가지상으로구성된재질로서, 각구성재료의개개성질보다향상된성질이복합되어나타난다. 복합작용원리 (principle of combined action) 에의하면, 두개이상의서로다른재료를적절하게조합함으로써향상된성질을얻을수있다고한다. 많은복합재에서는일부특성이개개의성질보다저하되기도한다. 알루미늄기지의복합재는알루미늄의낮은밀도와연성과강화재의강도및강성도를이용하는데, 그종류로는탄소섬유강화알루미늄복합재 (carbon fiber reinforced aluminum composite), 강섬유강화알루미늄복합재 (steel fiber reinforced aluminum composite) 및탄화규소입자강화알루미늄복합재 (silicon carbide particulate reinforced aluminum composite) 등이있다. 45

47 탄소섬유강화알루미늄복합재 (carbon fiber reinforced aluminum composite) 탄소섬유는낮은밀도를가지면서도알루미늄합금의강도및강성도를증가시키는강화재로서사용된다. 그러나제조과정중에생성되거나석출되는취성이강한상 (Al4C3) 때문에기계적성질에악영향을준다. 따라서이러한취성이강한상 (A4C3) 을억제하기위해여러가지방법이연구되고있으며, 그중하나가탄소섬유표면을코팅하는방법이있다. M40J 탄소섬유와 A357 알루미늄합금의계면을 그림 2-28 에나타내었다. 최근에는가로 / 세로비 (aspect ratio) 가큰탄소나노튜브 (CNT) 를이용한복합재개발에도많은연구가진행되고있다. 그림 M40J/A357 복합재단면의투과전자현미경사진. (a) 알루미늄과탄소섬유계면의명시야상 (b) 알루미늄과탄소섬유계면의 HREM 사진 강선강화알루미늄복합재 (steel wire reinforced aluminum composite) 고강도강선강화알루미늄기지복합재는하중지지구조물로사용할수있을만큼좋은기계적성질을가지고있다. 또한균열전파속도를줄이기위한덧대는패치 (patch) 로사용할수있고, 그효과가타이타늄합금의 patch보다 5배나높다 탄화규소입자강화알루미늄복합재 (silicon carbide particulate reinforced aluminum composite) 불연속적인입자강화알루미늄기지복합재는고강도, 우수한내마모성및열전도도그리고낮은열팽창계수 (CTE) 의우수한특성때문에주목받고있다. 불연속적인입자강화복합재는일반적으로액상야금법 ( 주조법 ) 이나분말야금법에의해서제조된다. 전자의경우, 액상에서입자상을기계적인방법으로분산시켜, 응고시킨것이며, 후자의경우, 고상의분말을물리적인방법에의해섞은다음. 소결법등을이용하여제조하는것이다. 액상야금법의경우, 입자상들을고르게분포시키는것이관건이며, 이를위해여러가지주조방법이연구되고있다. 그림 2-29 은주조법에의해서제조된 20wt% SiC를함유한 A359 알루미늄복합재의미세조직사진이다. 그림 2-30 는 20vol% SiC를함유한 A359 알루미늄복합재로제조된공냉식브레이크디스크이다. 그림 주조법에의해서제조된 20wt% SiC 를그림 vol% SiC 를함유한 A359 알루미늄 함유한 A359 알루미늄복합재의미세조직사진 복합재로제조된공냉식브레이크디스크 46

48 4.4. 소성변형 ( 塑性變形,plastic deformation) 알루미늄과알루미늄합금의변형거동및기계적특성을설명하는많은실험결과들이발표되어졌으며, 이를뒷받침하는수학적이론들은대부분대상금속이균일하고등방성 ( 等方性 ) 이라는가정하에전개하였다. 소성영역에서이러한이론들이실제이방성 ( 異方性 ) 을가진금속의경우에비록정확하지는않지만측정된소성거동 ( 塑性擧動 ) 을뒷받침해줄수있다. 특히, 동적하중이나충격하중의조건에서는일반적으로수학적이론보다는실험적인데이터에주로의존할수밖에없다. 이장에서는알루미늄의기본적인소성변형기구즉, 슬립시스템과쌍정 ( 雙晶 ) 에대해설명하며또한변형후의가공경화와집합조직및재결정에대해기술하였다 변형기구 ( 變形機構 ) 미끄럼 (slip) 에의한변형금속에서소성변형의일반적인방법은소위미끄럼면 (slip plane) 이라고하는특정한결정면 ( 結晶面 ) 을따라서양쪽결정이미끄러지게하는것이다. 그림 2-31 은고전적미끄럼모형을설명하고있다. 그림 2-31 (a) 에서는연마된표면을갖는금속입방체 ( 立方體 ) 에전단응력 ( 剪斷應力 ) 이가해지는상황을보여주고있다. 이전단응력이입계치를초과하게되면, 미끄럼이일어난다. 원자집단은미끄럼면을따라서원자간거리의정수배만큼이동하게되며, 따라서연마된표면에계단이형성된다. 그림 2-31 (b) 이때연마된표면을위에서현미경으로보면, 계단이선으로보이게되는데이것을미끄럼선 (slip band) 이라한다. 만일미끄럼이일어난후에표면을다시연마하면, 계단은제거되며, 따라서미끄럼선은사라지게된다. 그림 2-31 (c) 그림 슬립의고전적관념을설명하는그림변형이균일하게일어날지라도결정격자의대칭적이동때문에미끄럼이일어난후에도결정격자는미끄럼이전과같이정상적인배열상태로유지된다. 결정의미끄럼된부분의각원자는모두격자간거리의정수배만큼이동한다. 단결정 ( 單結晶 ) 이균일한소성변형후에도단결정으로남는다는사실은소성변형이일어나는방법에제한을주게된다. 미끄럼은어떤결정면에서특정한방향으로가장쉽게일어난다. 일반적으로, 미끄럼면은원자밀도가가장큰면이며, 미끄럼방향은미끄럼면에있어서원자의밀도가가장큰방향이다. 원자밀도가제일큰면은면간거리가가장커서미끄럼에대한저항이다른면들보다작다. 미끄럼방향과미끄럼면의조합을미끄럼계 (slip system) 라한다. 알루미늄의결정구조는면심입방구조 ( 面心立方構造 ) 이며면심입방구조에서는미끄럼면이 {111} 의팔면체면이고, 미끄럼방향은 110 방향이다. 면심입방구조단위격자당총 8 개의 {111} 면이있으나, 마주보는면은서로평행하므로팔면체면은 4개이다. 각 {111} 면은 3개의 110 방향을포함하고있다. 따라서면심입방구조는 12개의미끄럼계를갖는다. 이결정의변형을좀더자세히살펴보면, 면심입방구조의결정은대칭성이높고 12개의가능한미끄럼계를갖고있기때문에미끄럼계의선택의폭이넓다. 47

49 쌍결정변형 ( 雙結晶變形 ) 금속의소성변형에있어서가장중요한기구는미끄럼변형이면, 미끄럼다음으로중요한변형기구는쌍결정변형이다. 쌍결정 ( 雙結晶 ) 은결정의일부분의방위가모결정에대해서경상의관계로대칭성을이루고있는것인데, 경면에상당하는경계면은쌍결정면 ( 雙結晶面 ) 이라한다. 그림 2-32 는쌍결정현상을설명해주는그림이다. 그림 2-32 (a) 는표면에수직하고종이면에평행한저지수면을갖는단면을나타낸것이다. 쌍결정면은종이면에수직이다. 만일 그림 2-32 (a) 와같이결정이쌍결정면을따라서전단응력을받으면, 쌍결정면에서쌍결정이형성된다. 그림 2-32 (b) 쌍결정면의오른쪽부분은변형되지않았다. 쌍결정면의왼쪽면의원자들은쌍결정면에대하여오른쪽면의원자들과대칭이되도록전단변형되었다. 이와같은단순격자에서쌍결정중의각원자는균일한전단변형 ( 剪斷變形 ) 에의해이동하는데각원자의이동거리는쌍결정면으로부터의거리에비례한다. 그림 쌍정모형도 그림 2-32>(b) 에서흰원은이동하지않은원자를나타내고파선으로표시한원은위치를바꾼원자의원래위치를나타내며검은원은쌍결정중의변위된원자위치를나타낸다. 쌍결정은변형에의해형성된표면높이의변화와변형된부분과변형되지않는부분과의결정방위차이때문에연마된표면에서관찰될수있다. 만일표면을 AA단면까지연마할것같으면표면높이의차이는없어지겠지만부식시키면다시쌍결정을볼수있다. 이것은쌍결정과쌍결정되지않은구역간에연마한후에도방위차이가존재하기때문이다. 쌍결정변형은여러가지점에서미끄럼변형과다르다. 미끄럼에서는미끄럼면상 하의결정방위가변형전 후에있어서같지만, 쌍결정변형에서는쌍결정면양쪽의결정방위가서로다르다. 미끄럼은원자간거리의여러배수의거리만큼일어나는것이보통이지만쌍결정변형에서는원자의이동거리가한원자간거리보다훨씬짧다. 미끄럼은비교적넓은간격으로떨어져있는미끄럼면에서일어나지만, 쌍결정변형은쌍결정중의모든원자면이변형에참여한다. 쌍결정은기계적변형에의해서생길수도있고, 소성변형후에소둔할때도생길수있다. 전자에의해서생긴것은기계적쌍결정 (mechanical twin) 이라하고, 후자의의해생긴쌍결정을소둔쌍결정 (annealing twin) 이라한다. 쌍결정은결정구조에따라어떤특정결정면에서특정결정방향으로변위함에의해서형성된다. 면심입방구조의금속에서쌍결정면과쌍결정방향은 (111) 및 (112) 로알려져있다. 알루미늄은일반적인실험조건하에서는쌍결정을관찰하기가힘들다. 왜냐하면일반적으로면심입방구조금속의쌍결정은미끄럼변형보다훨씬높은응력을필요로하고, 면심입방구조금속에많은양의미끄럼시스템이존재함으로미끄럼에의한다양한변형이유용하기때문이다. 특히, 쌍결정방위가미끄럼방위와다르기때문에일반적인쌍결정의변형기구는매우복잡한형태로관찰된다. 시물레이션한알루미늄나노결정의변형조직이며쌍결정이관찰된경우를보여주고있다. 48

50 그림 시뮬레이션한알루미늄나노결정의변형조직 고온에서의변형금속이고온에서변형될때새로운미끄럼계가작동할수있다. 알루미늄은 260 C 이상에서는슬립이 (111)(100)(211) 면에서일어난다. 그러나슬립면은고온에서변화하더라도미끄럼방향을변하지않고항상일정하다. 고온에서의미끄럼띠는실온에서보다폭이넓고이들사이의간격도넓다. 고온이고낮은변형속도하에서는미끄럼선이거의나타나지않는다. 일정응력하에서재료가점차적으로변형하는형상을크리프 (creep) 라하며 그림 2-34 는알루미늄의크리프변형기구를나타낸것이다. 여기서변형활주 (glide) 는전위들이미끄럼평면을따라움직이며, 열적활성화에의해장해물을넘어간다. 크리프변형은전위들이공공이나침입형원자들의확산같이열의도움을받는기구에의해장애물을넘어간다. 확산크리프는공공과침입형원자들이부과응력의영향하에결정내에서유동하는것이다. Nabarro-Herring이나 Coble 크리프가이부류에속한다. 그림 알루미늄의크리프변형기구들 49

51 4.4.2 가공경화 ( 加工硬化,work hardening) 가공경화또는냉간가공은열처리로강도를높일수없고금속이나합금에사용하는중요한강화방법이다. 가공경화속도는유동곡선의기울기로부터측정된다. 온도가상승하면역시가공경화속도는낮아진다. 고용경화에의해강화된합금의가공경화속도는순수금속의거동과비교해볼때증가하거나감소하기도하다. 그러나냉간가공한고용체의최종강도는대부분같은정도로냉간가동된순금속보다높다. 그림 2-35 은냉간가공량이증가함에따른강도와연성의전형적인변화를나타낸것이다. 대부분의냉간가공과정에서금속의한방향또는두방향의치수가감소하면다른방향은팽창하기때문에, 냉간가공은주가공방향으로결정립을연신시킨다. 심한변형을행하면결정립이재배열을일으켜우선방위 ( 方位 ) 을나타낸다. 그림 2-35 에서보여준인장성질의변화외에도냉간가공은다른물리적성질의변화도일으킨다. 수십분의일퍼센트정도의밀도가감속하고, 산란 ( 散亂 ) 중심의숫자가늘기때문에전기전도도는많이감소하며, 그리고열팽창계수 ( 熱膨脹係數 ) 약간증가한다. 냉간가공된상태의내부에너지증가때문에화학반응성은증가한다. 화학반응성의증가는일반적으로부식저항성을감소시키며, 경우에따라서는응력부식균열을일으킨다. 퍼센트정도의밀도가감속하고, 산란중심의숫자가늘기때문에전기전도도는많이감소하며, 그리고열팽창계수는약간증가한다. 냉간가공된상태의내부에너지증가때문에화학반응성은증가한다. 화학반응성의증가는일반적으로부식저항성을감소시키며, 경우에따라서는응력부식균열 ( 應力腐蝕龜裂 ) 을일으킨다. 그림 냉간가공도에따른인장성질의변화높은가공경화속도는전위가교차하여전위의활주를서로방해함을의미한다. 이러한과정은 (1) 전위응력장의상호작용을통하여 (2) 부동전위를만드는전위의상호작용을통해서 (3) 조그 (jog) 전위률형성하는다른미끄럼계에의한미끄럼계의교차를통하여생긴다. 전위모델에기초한가공경화이론을발전시키는많은노력이계속되어왔고위에서기술한세가지과정에기초한이론은다음의형태로나타내어진다. 50

52 순수알루미늄합금은 150mJ/m² 보다더높은적층결함 ( 積層缺陷 ) 에너지 (SFE) 를가지며이것은다른합금들또는면심입방격자구조를가지고있는다른합금들 ( 은, 구리, 금, 납, 백금, 황동, 청동등 ) 에비해높은수치이다. 냉간가공후변형시사용되는에너지의일부 (2~10%) 가금속에저장되며결함의밀도와분포는알루미늄합금의경우불균일하게분포하고세포의하부구조를형성한다. 잔류응력 ( 殘留應力 ) 과전위밀도는순도, 결정립크기그리고변형과같은여러요인들에의해의존한다. 세포의하부구조와별개로변형후순수알루미늄과그합금들은격자결함 ( 格子缺陷 ) 분포에서두드러진이종 ( 異種 ) 이존재한다. 이것을일반적으로변형대 ( 變形帶 ) 라고한다. 일반적으로이들은재결정핵사이트가되며결정립계에인접한영역은소성변형시구별된거동을보인다. 인장시험 ( 引張試驗 ) 시소성변형을한영역에서열처리된재결정이다결정 ( 多結晶 ) 알루미늄합금의유동곡선은 Ludwik 식으로설명된다. 여기서 σ0은항복강도, K는강화상수, ɛ은진응력 ( 眞應力 ),n은변형-경화지수이다. 정형적인알루미늄합금의 n 값은 4에서 8 사이에존재하여 n이감소하면또는증가한다. 고용경화기구는알루미늄합금에서크게중요하지않다. 그주된이유는고체상태에서많은양의다른원소나용질들을용해할수없기때문이다. 그러나, 아연과마그네슘은상용알루미늄합금들에서높은고용도를가지는합금원소이다. 두번째이유는순수알루미늄의적층결함에너지 (SFE) 가매우높고고용체에서용질의존재로낮아지지않기때문이다. 이런사실에도불구하고고용체에서용질원자들은전위들과상호작용하고소성변형을하기위해높은이동전위밀도를필요로하므로전위들의이동을억제하며높은잔류응력 ( 殘留應力 ) 을가지게한다. ( 재결정의구동력 ) 그림 2-36 는순수알루미늄과마그네슘함량에따른변형-경화곡선을나타낸다. 그림 냉간압연한순수알루미늄과 Al-<Mn 합금의변형 - 경화도 51

53 집합조직 ( 集合組織 ) 다결정체에있는각결정립은보통그인접한결정립의결정방위와는다른방위를갖는다. 전체로서생각할때모든결정립의방위는어떤기준에대하여무질서하게배열하고있거나또는어떤특정한방위에정도의차이는있지만한무리로배열하려는경향을갖고있다. 후자와같은배열을한집합체는방위배열 ( 方位配列 ) 또는집합조직을갖는다고하는데이것은단순히방위결정이무질서하지않는상태라는것을정의한것이다. 우선방위는선과판등으로성형된경우에잘나타나며이러한제품에서나타나는집합조직의종류는다음과같다. 성형공정 ( 신선또는판압연 ) 자체에서형성된우선방위를변형집합조직 (deformation texture) 이라고한다. 이것은다결정체에있는각결정립이소성변형중회전하려는경향때문에생긴다. 부과된힘그리고인접결정립의미끄럼과회전에의하여결정되는복잡한방법으로각결정립은미끄럼과회전이일어나며결과적으로우선방위즉무질서하지않는방위로재결정시키면새로운결정립의조직은또한냉간가공한재료의것과는보통다른우선방위를갖게된다. 이것은재결정집합조직 (recrystallization texture) 또는소둔집합조직 (annealing texture) 이라고한다. 이것은냉간가공된소지 ( 所持,detention) 의집합조직이소지에서새로운결정립을생성하고성장시키려는경향이있기때문이다. 우선방위는공업적으로중요한것은그것이재료의거시적인성질에미치는대단히큰영향때문이다. 모든재결정은이방성이라는사실즉방향에따라서성질이다르다는사실을알면우선방위를갖는집합체는정도의차이는있지만방향에따라서다른성질을갖는다는것도알수있을것이다. 그러한성질은재료의사용목적에따라서바람직한것이되기도하고바람직한지못한성질이되기도한다. 예를들면소형전기모터의심으로사용하는강판은자성때문에모든결정립의 {100} 면이판면에나란하게배열되어야한다. 그러나이러한집합조직은딥드로잉 (deep drawing) 용철판에는적합하지못하다. 그러한판은딥드로잉의심한변형중균열이생기지않도록 (111) 면이판표면에나란한집합조직을가져야한다. 그러나딥드로잉에의해비대칭적인모양을한부품을만들때는상당히다른또는전혀다른집합조직을가져야좋은결과를얻게된다. 변형도및어닐링온도와같은생산변수를적당히선택하면어느정도집합조직의조절이가능하다. 그러나어떤특정한금속에서어떤요구되는집합조직을생성할수있는정도로집합조직의생성기구를완전히밝히고있지는못하다. 이론적으로다결정시료에특성 X-선을입사시켜얻는핀홀사진은언제나연속적이며또한원주에따라서강도가일정한동심원 (Debye환) 으로되어있다. 그러나실제는이런환은시료의개개의결정이완전히모든방향으로무질서하게배향되어있지않은한얻을수없다. 만일시료가우선방위를하고있으며그정도가적을때는 Debye환의강도는그원주에따라서불균일하다. 그리고그우선방위의정도가높으면실제로는불연속하게된다. 후자의경위 Debye환은우선방위를갖는다는증거가된다. 그리고그불균일성을해석하여우선방압연등에의해제조된판의집합조직은대부분의결정립이그어떤결정 (uvw) 은대략판표면에평행하고그면에있는어떤결정방향 [uvw] 은대략판을압연한방향에평행하도록배향되어있다. 이러한집합조직을간단하게 (hkl)[uvw] 라고기술한다. 이러한종류의이상집합조직에서판에있는결정립의방위는판에있는축에고정되어섬유조직이가졌던결정립방위의회전의자유도는없다. (nkl)[uvw] 는이상방위를규정하여준다. 어떤금속과합금은판집합조직이대단히예리하여판의결정립이아주잘배향되어있기때문에이상방위로나타내어도그조직을적절히잘표현할수있다. 그러나대분분의판집합조직은여러가지로흩어져있으며여러가지이상방위와집합조직의합에의해서상징적으로접근시키고있다. 52

54 재결정 ( 再結晶 ) 및결정립성장 ( 結晶粒成長 ) 냉간가공된상태는변형된상태는변형되지않은금속보다더큰내부에너지를갖고있는상태이다. 냉간가공된재료속의전위셀조직이기계적으로는안정하지만열역학적으로는불안정하다. 온도가증가함에따라냉간가공된상태는더욱불안정하여져, 결국금속은연화되고변형률이없는조건으로변한다. 이러한전과정을소둔이라한다. 소둔에의해심하게가공경화된금속의연성이회복되므로소둔을반복함으로써금속의많은양을변형시킬수있다. 변형된재료가가열될때, 즉소둔공정을거치게될때, 변형된재료내부의원자들은열적으로활성화되며, 안정한상태로의이행이가속화된다. 이러한원자의열적활성화는재료의미세조직변화를 그림 2-37 에나타낸다. < 그림 2-37> 에서나타내었듯이, 회복 (recovery) 시점결합들이제거되고조직내의전위구조가재배열하게된다. 이러한미세조직의변화는다소균질하게일어난다. 그러나변형중에형성된결정립계는큰영향을받지않는다. 이와같은정적회복시의미세조직변화는열간가공시발생하는동적회복 (dynamic recovery) 에서도유사하게관찰된다. 회복에의해전위조직이재배열한다면, 재결정 (recrystallization) 에이르러서는전위의밀도가매우작은새로운결정립들이변형기지를소모시키면서형성된다. < 그림 2-37>(c) 이러한재결정현상은열간가공시별도의소둔공정이없더라도일어날수있으며, 이를동적재결정 ( 動的再結晶 dynamic recystallization) 이라고한다. 그림 주된어닐링과정의개략적인그림 ; (a) 변형된상태, (b) 회복, (c) 부분적인재결정, (d) 와전재결정, (e) 결정립성장, (f) 비정상결정립성장비록재결정이전위의밀도를상당히낮추다하더라도, 재료내에는여전히열역학적으로불안정한결정립계가존재한다. 재결정이완료된후계속되는어닐링은이러한결정립계의면적을감소시킴으로서계의에너지를낮추게되는데, 이러한과정에의해결정립들의평균크기가증가하는형상을결정립성장이라고한다. 그림 2-37 (e) 그리고특수한상황에서몇몇결정립이선택적으로성장할수있는데 그림 2-37 (f), 이러한현상을비정상결정립성장 (abnormal grain growth) 또는 2차재결정 (secondary recrystallization) 이라일컫는다. 위와같은소둔과정들에서, 종종회복과결정립성장은상대적으로균질한미세조직으로나타난다. 53