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문제 정의
- 따라서 본 연구에서 Al-Zn-Mg-Cu와 Al-Zn-Mg의 두 7000계 알루미늄 합금에 미량의 Sc을 첨가하여 시효 온도에 따른 시효 경화 거동을 관찰하고 최대경도 조건에서의 기계적 성질을 알아보았다.
제안 방법
- 1 wt%의 Sc을 함유한 Al-Zn-Mg-Cu 형과 Cu가 1 wt.% 이하로 함유된 Al-Zn-Mg 형의 두 7000계 알루미늄 합금을 이용하여 시효 거동을 관찰 하였다. 시효 처리된 두 합금에서 강도는 Al-Zn-Mg-Cu 형인 B1합금이 우수하게 나타났으나, 이는 Al3Sc 석출상의 강도 기여 보다는 Zn, Cu의 주강화 원소의 영향이라고 볼 수 있다.
- 본 연구에서는 Al-Zn-Mg-Cu(B1 alloy) 및 Al-Zn-Mg(B2 alloy)계 7000계 알루미늄 합금에 Al-2 wt.%Sc 모합금을 이용하여 연속주조를 통한 압출용 합금 빌렛을 제조하였으며, 제조된 빌렛을 균질화 처리 한 후 압출온도 380oC, 압출비 25 : 1의 조건으로 열간압출하여 30φ 봉상 압출재를 제조 하였다. 같은 조건에서 제조된 Al7075 합금을 비교재로 사용하였다.
- 0.1 wt%Sc가 첨가된 두 합금 B1과 B2의 시효 온도에 따른 거동을 관찰하기 위하여 120oC, 140oC, 160oC의 세 온도에서 시효 처리를 행한 후 시효 시간에 따른 경도 변화를 그림 5에 나타내었다. (a)와 (b)에서 B1합금의 경우 세 온도에서 시효 초기 급격한 경도 증가를 나타내며, Cu의 함량이 B2 합금에 비해 많은 것으로 보아 Al-Zn-Mg-Cu 형인 B1 합금에서 Cu의 영향으로 시효 초기 G.
- 조건으로 용체화 처리를 염욕(salt bath)에서 행하고 난 후 유욕(oil bath)에서 120oC, 140oC, 160oC의 온도에서 시효 거동을 관찰 하였으며, 또한 변태 거동을 알아보기 위하여 Ar 분위기에서 무게 15 mg, 가열속도 10 mm/min.의 조건으로 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 열분석 시험을 행하였다.
- 제조된 합금과 시효 처리에 따른 합금의 미세조직을 관찰하기 위하여 미세연마 후 Dix-Keller 시약을 사용하여 에칭시켜 광학현미경으로 관찰하였으며, EPMA(Electron probe X-ray micro analyzer)를 이용하여 미세조직 상에서의 Sc의 분포를 상태를 확인하였다.
- C/2 hr. 조건으로 용체화 처리를 염욕(salt bath)에서 행하고 난 후 유욕(oil bath)에서 120oC, 140oC, 160oC의 온도에서 시효 거동을 관찰 하였으며, 또한 변태 거동을 알아보기 위하여 Ar 분위기에서 무게 15 mg, 가열속도 10 mm/min.의 조건으로 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 열분석 시험을 행하였다.
- 8 × 10−3/sec. 조건으로 인장시험을 행하여 기계적 성질 및 강도계수와 변형저항식을 계산하였다.
대상 데이터
- %Sc 모합금을 이용하여 연속주조를 통한 압출용 합금 빌렛을 제조하였으며, 제조된 빌렛을 균질화 처리 한 후 압출온도 380oC, 압출비 25 : 1의 조건으로 열간압출하여 30φ 봉상 압출재를 제조 하였다. 같은 조건에서 제조된 Al7075 합금을 비교재로 사용하였다. 제조된 합금의 성분은 표 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1. Sc을 첨가한 B1, B2 합금의 최적 시효 조건은 모두 120oC 1440분이며, 이 때 최대 경도값은 195 Hv, 168 Hv이었고, Sc 첨가로 인한 석출 초기 η' 상의 생성 촉진과 η 상으로의 변태 지연 효과로 최대경도 후의 경도 감소가 거의 나타나지 않았다.
- 2. 시효 경화량은 B1의 경우 98 ∆Hv, B2는 80 ∆Hv이었다. 이는 Cu의 영향으로 B1 합금의 시효 경화량이 크게 증가한 것으로 하였고, 주조시에 생성된 Al3Sc의 영향으로 결정립 성장이 억제됨을 알 수 있다.
- 3. 최적시효 조건에서 시효처리한 B1과 B2 합금의 경우 최대 인장강도는 각각 691 MPa, 584 MPa이며, 연신율은 각각 9%, 11%이었다.
- 시효 처리된 두 합금에서 강도는 Al-Zn-Mg-Cu 형인 B1합금이 우수하게 나타났으나, 이는 Al3Sc 석출상의 강도 기여 보다는 Zn, Cu의 주강화 원소의 영향이라고 볼 수 있다. Sc을 함유한 7000계 합금들의 열처리 조건에는 큰 변화가 없을 것으로 보이며, 기존의 일반적 열처리 조건으로 행하는 것이 주강화원소의 강도 강화 효과를 그대로 유지할 수 있을 것으로 본다.
- 또한 시효 거동 곡선에서 B1, B2 합금이 각 시효온도에서의 최대경도점 이후의 경도 감소가 낮게 나타남을 알 수 있다. 그리고 일반적인 경우 시효 온도의 상승은 빠른 최고 경도점을 나타내지만[10] B1, B2 합금에서는 120oC와 140oC의 경우 Sc가 첨가된 합금에서 경도의 차이는 있으나 같은 시효 시간에 최대경도값을 나타내고 있음을 알 수 있고, 그에 반하여 Al7075 합금의 경우 140oC에서의 최대 경도 출현 시간과 시효 경화성은 현저히 감소한 것을 알 수 있다.
- 표 2에 표 2에 시효 거동에서 관찰한 후 각 시효 온도별 최대경도값과 시효 경화량(∆Hv)을 나타내었다. 시효 경화량은 B1 합금이 우수한 것으로 나타났으며, B1 합금은 120oC와 140oC에서 1740 min.에서 98, 90의 시효경화량을 나타내었고, B2 합금은 80, 66, Al7075 합금은 82, 74로 나타났다.
- 이러한 결과에서 Sc 첨가한 7000계 알루미늄 합금 또한 통상적인 열처리를 적용하여도 무방할 것으로 보이며, 시효 시 최대 강도의 유지 시간이 길어짐에 따라 B1 합금의 경우 1300~2300 min, B2 합금은 1440~2300 min까지의 시간적 여유를 가지고 있어 보다 안정적인 열처리를 행할 수 있을 것으로 본다.
후속연구
- 고강도 Al 합금인 7000계의 경우 Zn와 Mg 또한 강도 향상을 위한 Cu를 함유하는 등의 많은 합금이 개량을 거쳐 현재까지 사용되고 있으며, Al-Zn-Mg 형과 Al-Zn-Mg-Cu 형의 7000계 알루미늄 합금등과 같은 상용합금의 경우에는 연속주조로 제조되고 있고, 균질화 처리와 열간 가공을 거치게 되어 Sc의 과포화 고용체를 형성하는 것은 불가능할 것으로 생각된다. 또한 시효 열처리 시의 온도 또한 Al3Sc 상의 생성 온도 보다는 매우 낮은 온도에서 행해지므로, Sc 첨가한 알루미늄 합금의 공업적 적용을 위하여 열처리 조건을 조사함으로써 항공기용 구조재 적용을 위한 필요할 것이다.
- 본 연구 결과에서는 고온특성 향상으로 열처리 시에 최고 강도 조건에서의 최고경도 유지 시간이 향상되어 안정된 열처리를 행할 수 있을 것이라 생각된다. 그리고 최적 시효 조건에 있어 0.
- Park[16] 등의 연구 결과에서 Sc의 천이원소의 첨가는 석출물의 활성화 에너지를 낮추어 석출을 촉진함과 동시에 안정상으로의 변태를 억제한 결과로 생각된다. 이는 그림 5의 시효 거동에서도 관찰 할 수 있는 것으로 시효 온도의 상승에도 불구하고 동일한 시간에 최대경도가 나타난 것 또한 B1과 B2 합금의 η' 상에서의 η으로의 변태가 지연되었으며, 최대 경도점 이후에 경도 감소가 늦게 나타나는 경향을 나타내는 이유로 사료되며 Sc의 첨가에 대한 석출물의 변태 거동에 대한 연구는 필요할 것으로 생각된다.
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