[논문]알루미나입자로 강화된 알루미늄합금 복합재료의 미세조직과 기계적 성질

오창섭; 한창석

doi:10.3740/mrsk.2013.23.3.199

알루미나입자로 강화된 알루미늄합금 복합재료의 미세조직과 기계적 성질
Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Composites Strengthened with Alumina Particles 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.3, 2013년, pp.199 - 205

오창섭 (한국과학기술정보연구원) , 한창석 (호서대학교 국방과학기술학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The mechanical properties and microstructures of aluminum-matrix composites fabricated by the dispersion of fine alumina particles less than $20{\mu}m$ in size into 6061 aluminum alloys are investigated in this study. In the as-quenched state, the yield stress of the composite is 40~85 MPa higher than that of the 6061 alloy. This difference is attributed to the high density of dislocations within the matrix introduced due to the difference in the thermal expansion coefficients between the matrix and the reinforcement. The difference in the yield stress between the composite and the 6061 alloy decreases with the aging time and the age-hardening curves of both materials show a similar trend. At room temperature, the strain-hardening rate of the composite is higher than that of the 6061 alloy, most likely because the distribution of reinforcements enhances the dislocation density during deformation. Both the yield stress and the strain-hardening rate of the T6-treated composite decrease as the testing temperature increases, and the rate of decrease is faster in the composite than in the 6061 alloy. Under creep conditions, the stress exponents of the T6-treated composite vary from 8.3 at 473 K to 4.8 at 623 K. These exponents are larger than those of the 6061 matrix alloy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이 복합재료의 시효특성, 실온에서 고온(723 K)까지에 대한 항복응력의 온도의존성 및 크리프특성을 모상합금과 상세하게 비교·검토하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

(a) composite A deformed 2.8 % under a stress of 60 MPa, (b) 6061 C alloy deformed 2 % under a stress of 43.6 MPa.
8 × 10¹²m⁻²의 전위밀도를 보고하였다.¹³⁾ 첨가입자의 체적율 차이를 고려하면, 본 실험의 결과와 Dutta 등의 결과는 거의 일치한다고 생각된다.

제안 방법

시효처리 후, 약 3 % 소성변형될 때까지 압축시험을 통하여 항복응력을 측정하였다. T6처리(448 K에서 28.8 ks 동안 시효처리)한 시료에 대해서 실온부터 723 K의 온도범위에 대한 항복응력의 온도의존성을 구하였다. 또한, 동일한 T6처리한 시료에 대해서 473 K에서 673 K 범위의 각 온도에서 크리프시험을 실시하였다.
8 ks 동안 시효처리)한 시료에 대해서 실온부터 723 K의 온도범위에 대한 항복응력의 온도의존성을 구하였다. 또한, 동일한 T6처리한 시료에 대해서 473 K에서 673 K 범위의 각 온도에서 크리프시험을 실시하였다. 이와 같은 시효처리 또는 변형시험을 실시한 후의 시료로부터 정밀절단기를 이용하여 약 0.
3 mm 두께의 박판을 절단하여 20 %과염소산-80 %에칠 알콜 전해액을 이용하여 twin-jet법에 의해 투과전자현미경용 시료를 제작하였다. 복합재료에 대해서는 전해연마 후, ion-milling을 이용하여 제작하였다.
열처리는 파이렉스 글래스 관에 시료를 넣고 Ar가스 분위기에서 실시하였다. 시효처리 후, 약 3 % 소성변형될 때까지 압축시험을 통하여 항복응력을 측정하였다. T6처리(448 K에서 28.
4 ks 동안 용체화처리 후 퀜칭하고, 448 K에서 시효처리를 실시하였다. 열처리는 파이렉스 글래스 관에 시료를 넣고 Ar가스 분위기에서 실시하였다. 시효처리 후, 약 3 % 소성변형될 때까지 압축시험을 통하여 항복응력을 측정하였다.
이와 같은 시료로부터 압축시험편은 3 × 3 × 5 mm, 크리프 시험편은 직경 3.2 mm, 게이지 길이 25.4 mm인 아령(dumbbell)형태로 절단한 후, 803 K에서 5.4 ks 동안 용체화처리 후 퀜칭하고, 448 K에서 시효처리를 실시하였다.
또한, 동일한 T6처리한 시료에 대해서 473 K에서 673 K 범위의 각 온도에서 크리프시험을 실시하였다. 이와 같은 시효처리 또는 변형시험을 실시한 후의 시료로부터 정밀절단기를 이용하여 약 0.3 mm 두께의 박판을 절단하여 20 %과염소산-80 %에칠 알콜 전해액을 이용하여 twin-jet법에 의해 투과전자현미경용 시료를 제작하였다. 복합재료에 대해서는 전해연마 후, ion-milling을 이용하여 제작하였다.

대상 데이터

35 kg의 용융6061Al합금에 α-Al2O3를 주체로서 3Al2O3-2SiO2가 포함되어 있는 미세입자(Micral-20)를 예열 후 첨가하여, 교반·주입에 의해 직경 127 mm, 길이 300 mm의 빌릿(billet)으로 제작하였다.
본 실험에서는 비교재료로서 모상 조성에 상당하는 6061합금을 사용하였으며, 시료의 화학분석값을 Table 1에 나타내었다. 동일 배치(batch)로부터 입수한 재료가 소량씩이었기 때문에 2종류의 복합재료와 4종류의 6061합금으로서 구별하여 나타내었다. 사용한 시료의 주요성분인 마그네슘과 규소의 조성값은 각 시료에 대해 상당한 오차가 있지만, 복합재료B의 마그네슘 값을 제외하고 6061합금의 기준 조성인 Mg:0.
본 실험에 사용한 복합재료는 Comral-85이다. 35 kg의 용융6061Al합금에 α-Al₂O₃를 주체로서 3Al₂O₃-2SiO₂가 포함되어 있는 미세입자(Micral-20)를 예열 후 첨가하여, 교반·주입에 의해 직경 127 mm, 길이 300 mm의 빌릿(billet)으로 제작하였다.
빌릿을 종방향으로 2개로 절단한 후, 733 K에서 7~20 m/min의 속도로 압출가공 하여 직경 19 mm인 로드형상으로 하였다. 본 실험에서는 비교재료로서 모상 조성에 상당하는 6061합금을 사용하였으며, 시료의 화학분석값을 Table 1에 나타내었다. 동일 배치(batch)로부터 입수한 재료가 소량씩이었기 때문에 2종류의 복합재료와 4종류의 6061합금으로서 구별하여 나타내었다.
첨가한 입자의 평균직경은 20 µm, 체적율은 20 %이다. 빌릿을 종방향으로 2개로 절단한 후, 733 K에서 7~20 m/min의 속도로 압출가공 하여 직경 19 mm인 로드형상으로 하였다. 본 실험에서는 비교재료로서 모상 조성에 상당하는 6061합금을 사용하였으며, 시료의 화학분석값을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

1) 그 중에서도 Al기 복합재료는 비강도, 비강성 등이 중요시 되는 용도에 대하여 유망한 재료로서 주목되었다.^2-3) 이와 같은 재료에 이용되는 강화재로서는 탄소, SiC, Al₂O₃, 붕소 등의 장섬유, 또는 SiC, Si₃N₄ 등의 휘스커(whisker), 특히 각종 세라믹 미세분말 등이다.
1) 용체화처리 후 퀜칭상태의 항복응력은 복합재료가 6061합금보다 40~85 MPa 정도 높다. 이것은 퀜칭 동안에 강화입자와 모상의 열팽창계수의 차이에 의해 발생한 전위의 존재에 기인한다.
2) 448 K에 대한 시효경화곡선의 최고 강도에 도달하는 시효처리 시간은 복합재료와 6061합금 간에 계통적인 차이는 나타나지 않았으며, 시효처리에 따른 강도 차이는 작아졌다.
그래프에 Nieh¹⁵⁾의 6061합금에 대한 결과도 함께 나타내었다. 2가지 시료 모두 473~673 K의 시험온도에서는 응력과 최소 변형속도의 함수 간에 직선관계가 있는 것을 알 수 있으며, 본 실험에서 조사한 응력범위에서는 복합재료A의 크리프 강도가 6061C합금보다 높은 것을 알 수 있다. ∂lnε/∂ínσ로 정의되는 응력지수(n값)는, 복합재료A에서는 시험온도 상승과 함께 473 K에서의 8.
3) 실온 압축시험에 의한 응력-변형곡선으로부터 구한 가공경화율은 복합재료가 크며, 이 현상은 입자의 분산이 가공에 따른 전위밀도의 증가를 촉진시키기 때문이다.
4) T6처리한 복합재료의 항복응력 및 가공경화율의 시험온도 상승에 따른 감소 비율은 모두 복합재료가 6061합금보다 크다.
5) T6처리한 복합재료에서는, 473~673 K의 크리프시험 온도 상승과 함께 응력지수 값은 8.3에서 4.8까지 저하하며, 이 온도범위에 대한 복합재료의 값은 6061합금보다 크다.
본 실험과 동일한 Comral-85복합재료를 사용한 실험에서도, 경도측정 결과로부터 복합재료는 시효가 촉진된다고 보고되어 있는데, 이는, 복합재료 모상 내부에 과승인 Si의 존재와 퀜칭속도가 느린 점에 따른 퀜칭 중의 석출진행에 의한다고 설명되어 있다.⁷⁾ 그러나 본 실험에서는, 다른 배치(batch)로부터 얻은 복수의 시료를 사용하였기 때문에 시료 간에 항복응력의 편차가 있겠지만, 시효경화 곡선의 최고강도나 그 시효시간에 대한 복합재료와 모상합금 간에서 큰 차이는 나타나지 않았다. 또한, 시효 석출의 주요성분인 Mg와 Si의 양 및 그 비율과 시효강화량이나 최고강도에 도달하는 시간과의 사이에 계통성도 확인할 수 없었다.

후속연구

⁷⁾ 그러나 본 실험에서는, 다른 배치(batch)로부터 얻은 복수의 시료를 사용하였기 때문에 시료 간에 항복응력의 편차가 있겠지만, 시효경화 곡선의 최고강도나 그 시효시간에 대한 복합재료와 모상합금 간에서 큰 차이는 나타나지 않았다. 또한, 시효 석출의 주요성분인 Mg와 Si의 양 및 그 비율과 시효강화량이나 최고강도에 도달하는 시간과의 사이에 계통성도 확인할 수 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al기 복합재료 중 입자를 분산시킨 Al 합금의 장점은?	2-3) 이와 같은 재료에 이용되는 강화재로서는 탄소, SiC, Al2O3, 붕소 등의 장섬유, 또는 SiC, Si3N4 등의 휘스커(whisker), 특히 각종 세라믹 미세분말 등이다.4) 이중에서 입자를 분산시킨 Al합금은 내마모성이나 흡진성 등에 관하여 휘스커 첨가합금에 가까운 효과를 얻을 수 있는 점, 성능이 등방적인 점, 복잡한 형상을 종래의 주조법과 가공법으로 제작할 수 있기 때문에 단가가 저렴한 점 등 많은 이점이 있다.1)
	금속기복합재료의 특성은?	금속기복합재료는 연속섬유강화형에 국한되지 않고, 불연속섬유강화형에서도 높은 강도특성을 나타낸다는 것이 1960년대에 뚜렷해진 이후, 자동차, 우주·항공재료 등에 본격적인 실용화를 목표로 많은 연구가 진행되었다.1) 그 중에서도 Al기 복합재료는 비강도, 비강성 등이 중요시 되는 용도에 대하여 유망한 재료로서 주목되었다.
	Al기 복합재료에 이용되는 강화재는?	1) 그 중에서도 Al기 복합재료는 비강도, 비강성 등이 중요시 되는 용도에 대하여 유망한 재료로서 주목되었다.2-3) 이와 같은 재료에 이용되는 강화재로서는 탄소, SiC, Al2O3, 붕소 등의 장섬유, 또는 SiC, Si3N4 등의 휘스커(whisker), 특히 각종 세라믹 미세분말 등이다.4) 이중에서 입자를 분산시킨 Al합금은 내마모성이나 흡진성 등에 관하여 휘스커 첨가합금에 가까운 효과를 얻을 수 있는 점, 성능이 등방적인 점, 복잡한 형상을 종래의 주조법과 가공법으로 제작할 수 있기 때문에 단가가 저렴한 점 등 많은 이점이 있다.

참고문헌 (16)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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