7xxx, 5xxx, 2xxx 계열 알루미늄 합금에 희토류 원소(REE)를 첨가하는 것에 대한 광범위한 연구가 수행되었으며, 주목할 만한 효과가 나타났습니다. 특히, 여러 합금 원소를 포함하는 7xxx 계열 알루미늄 합금은 용해 및 주조 과정에서 심각한 편석이 발생하여 상당량의 공정상이 형성됩니다. 이는 인성과 내식성을 저하시켜 합금의 전반적인 성능을 저하시킵니다. 고합금 알루미늄 합금에 희토류 원소를 첨가하면 결정립을 미세화하고, 편석을 억제하며, 기지를 정화하여 미세 조직과 전반적인 특성을 향상시킬 수 있습니다.
최근 초소성 결정립 미세화제가 주목을 받고 있습니다. 이 미세화제는 La, Ce와 같은 희토류 원소를 이용하여 결정립계와 아결정립계의 약화를 촉진합니다. 이는 결정립을 미세화할 뿐만 아니라 석출물의 균일한 분산을 촉진하고, 재결정을 억제하며, 합금 연성을 크게 향상시켜 궁극적으로 압출 공정의 생산성을 향상시킵니다.
7xxx 시리즈 알루미늄 합금에서는 일반적으로 희토류 원소가 다음 세 가지 방법으로 첨가됩니다.
1. 희토류 원소만;
2. Zr과 희토류 원소의 조합;
3. Zr, Cr, 희토류 원소의 조합.
희토류 원소의 총 함량은 일반적으로 0.1~0.5중량% 이내로 관리됩니다.
희토류 원소의 메커니즘
La, Ce, Sc, Er, Gd, Y와 같은 희토류 원소는 여러 메커니즘을 통해 알루미늄 합금에 기여합니다.
입자 미세화: 희토류 원소는 균일하게 분포된 침전물을 형성하여 이질적인 핵 생성 부위로 작용하여 수지상 구조를 등축 미세 입자로 변환하여 강도와 연성을 향상시킵니다.
분리 억제: 용융 및 응고 과정에서 희토류 원소는 원소 분포를 더욱 균일하게 하고, 공정 혼합물 형성을 줄이며, 매트릭스 밀도를 증가시킵니다.
매트릭스 정제: Y, La, Ce는 용융물(O, H, N, S)의 불순물과 반응하여 안정적인 화합물을 형성하여 가스 함량과 함유물을 낮추고, 이는 합금 품질을 향상시킵니다.
재결정 거동 변화: 특정 희토류 원소는 결정립계와 아결정립계를 고정시켜 전위 운동과 결정립계 이동을 억제할 수 있습니다. 이는 재결정을 지연시키고 열처리 과정에서 미세 아결정립 구조를 보존하여 강도와 내식성을 향상시킵니다.
주요 희토류 원소와 그 효과
스칸듐(Sc)
Sc는 희토류 원소 중 원자 반경이 가장 작으며, 전이 금속이기도 합니다. 변형된 알루미늄 합금의 특성을 향상시키는 데 매우 효과적입니다.
알루미늄 합금에서는 Sc가 응집성 Al₃Sc로 침전되어 재결정 온도를 높이고 결정립 조대화를 억제합니다.
Zr과 결합하면 고온에서 안정한 Al₃(Sc,Zr) 입자가 형성되어 등축정밀 미세결정립 형성을 촉진하고 전위 이동 및 결정립계 이동을 억제합니다. 이는 강도, 내피로성, 응력 부식 성능을 향상시킵니다.
과도한 Sc는 거친 Al₃(Sc,Zr) 입자를 생성하여 재결정 능력, 강도 및 연성을 감소시킬 수 있습니다.
에르븀(Er)
Er은 Sc와 비슷하게 작동하지만 비용 효율성이 더 높습니다.
7xxx 계열 합금에서는 적절한 Er 첨가로 결정립을 미세화하고, 전위 운동과 결정립계 이동을 억제하고, 재결정을 억제하고, 강도를 향상시킵니다.
Zr과 공동 첨가하면 Al₃(Er,Zr) 입자가 형성되며, 이는 Al₃Er 단독보다 열적으로 더 안정적이어서 재결정 억제 효과가 더 좋습니다.
과도한 Er은 Al₈Cu₄Er 상을 생성하여 강도와 연성을 모두 감소시킬 수 있습니다.
가돌리늄(Gd)
적당한 양의 Gd를 첨가하면 결정립이 미세해지고, 강도와 연성이 증가하며, 매트릭스 내 Zn, Mg, Cu의 용해도가 향상됩니다.
생성된 Al₃(Gd,Zr) 상은 전위와 아결정립계를 고정시켜 재결정을 억제합니다. 또한, 결정립 표면에 활성막이 형성되어 결정립 성장을 더욱 제한합니다.
과도한 Gd는 입자의 조대화를 유발하고 기계적 성질을 저하시킬 수 있습니다.
란타늄(La), 세륨(Ce), 이트륨(Y)
라(La)는 곡물을 정제하고, 산소 함량을 낮추며, 곡물 표면에 활성 필름을 형성하여 성장을 억제합니다.
La와 Ce는 GP 영역과 η′상 침전을 촉진하여 매트릭스 강도와 내식성을 향상시킵니다.
Y는 매트릭스를 정화하고, 주요 합금 원소가 고용체로 용해되는 것을 방해하고, 핵생성을 촉진하고, 결정립계와 내부 사이의 전위차를 줄여서 내식성을 향상시킵니다.
과도한 La, Ce 또는 Y는 거친 블록형 화합물을 생성하여 연성과 강도를 감소시킵니다.
주요 희토류 원소의 성질 및 알루미늄에서의 특성
게시 시간: 2025년 8월 21일
