구리
알루미늄-구리 합금의 알루미늄 함량이 높은 부분이 548일 때, 알루미늄에 대한 구리의 최대 용해도는 5.65%입니다. 온도가 302°C로 낮아지면 구리의 용해도는 0.45%입니다. 구리는 중요한 합금 원소이며 일정한 고용체 강화 효과를 가지고 있습니다. 또한, 시효 처리로 석출된 CuAl2는 시효 강화 효과가 뚜렷합니다. 알루미늄 합금의 구리 함량은 일반적으로 2.5%에서 5% 사이이며, 구리 함량이 4%에서 6.8% 사이일 때 강화 효과가 가장 좋으므로 대부분의 두랄루민 합금의 구리 함량은 이 범위 내에 있습니다. 알루미늄-구리 합금은 규소, 마그네슘, 망간, 크롬, 아연, 철 및 기타 원소를 더 적게 함유할 수 있습니다.
규소
Al-Si 합금계의 알루미늄이 풍부한 부분이 577°F의 공융 온도를 가질 때, 고용체에서 실리콘의 최대 용해도는 1.65%이다. 온도가 낮아짐에 따라 용해도는 감소하지만, 이러한 합금은 일반적으로 열처리로 강화될 수 없다. 알루미늄-실리콘 합금은 우수한 주조 특성과 내식성을 가지고 있다. 마그네슘과 실리콘을 알루미늄에 동시에 첨가하여 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금을 형성할 경우, 강화상은 MgSi이다. 마그네슘과 실리콘의 질량비는 1.73:1이다. Al-Mg-Si 합금의 조성을 설계할 때, 마그네슘과 실리콘의 함량은 매트릭스에서 이 비율로 구성된다. 일부 Al-Mg-Si 합금의 강도를 향상시키기 위해 적절한 양의 구리를 첨가하고, 적절한 양의 크롬을 첨가하여 구리가 내식성에 미치는 악영향을 상쇄한다.
Al-Mg2Si 합금계의 평형 상태도에서 알루미늄이 풍부한 부분에서 알루미늄에 대한 Mg2Si의 최대 용해도는 1.85%이며, 온도가 낮아짐에 따라 감소폭이 작습니다. 변형된 알루미늄 합금에서 알루미늄에 실리콘을 단독으로 첨가하는 것은 용접 재료에 국한되며, 알루미늄에 실리콘을 첨가하면 어느 정도 강화 효과도 있습니다.
마그네슘
용해도 곡선은 알루미늄에서 마그네슘의 용해도가 온도가 낮아짐에 따라 크게 감소함을 보여주지만, 대부분의 산업용 변형 알루미늄 합금에서 마그네슘 함량은 6% 미만입니다. 실리콘 함량 또한 낮습니다. 이러한 합금은 열처리로 강화할 수 없지만, 용접성, 내식성, 그리고 중간 정도의 강도를 가지고 있습니다. 마그네슘에 의한 알루미늄의 강화는 명백합니다. 마그네슘 함량이 1% 증가할 때마다 인장 강도는 약 34MPa 증가합니다. 망간을 1% 미만으로 첨가하면 강화 효과가 보완될 수 있습니다. 따라서 망간을 첨가하면 마그네슘 함량을 줄이고 고온 균열 발생 경향을 줄일 수 있습니다. 또한, 망간은 Mg5Al8 화합물을 균일하게 석출시켜 내식성과 용접 성능을 향상시킬 수 있습니다.
망간
Al-Mn 합금계의 평형 평형 상태도의 공정 온도가 658°F일 때, 고용체에서 망간의 최대 용해도는 1.82%이다. 합금의 강도는 용해도가 증가함에 따라 증가한다. 망간의 함량이 0.8%일 때, 신장률은 최대값에 도달한다. Al-Mn 합금은 비시효 경화 합금, 즉 열처리로 강화할 수 없다. 망간은 알루미늄 합금의 재결정 과정을 방지하고, 재결정 온도를 높이며, 재결정립을 상당히 미세화할 수 있다. 재결정립의 미세화는 주로 MnAl6 화합물의 분산된 입자가 재결정립의 성장을 방해하기 때문이다. MnAl6의 또 다른 기능은 불순물 철을 용해시켜 (Fe, Mn)Al6를 형성하여 철의 유해한 영향을 줄이는 것이다. 망간은 알루미늄 합금에서 중요한 원소이다. 망간은 단독으로 첨가하여 Al-Mn 이원 합금을 형성할 수 있습니다. 다른 합금 원소와 함께 첨가하는 경우가 더 흔합니다. 따라서 대부분의 알루미늄 합금에는 망간이 함유되어 있습니다.
아연
알루미늄의 아연 용해도는 Al-Zn 합금계의 평형 상태도의 알루미늄이 풍부한 부분에서 275에서 31.6%인 반면, 125에서 용해도는 5.6%로 떨어진다. 알루미늄에 아연만을 첨가하면 변형 조건에서 알루미늄 합금의 강도가 매우 제한적으로 향상된다. 동시에 응력 부식 균열이 발생하는 경향이 있어 적용이 제한된다. 알루미늄에 아연과 마그네슘을 동시에 첨가하면 합금에 상당한 강화 효과가 있는 강화상 Mg/Zn2가 형성된다. Mg/Zn2 함량을 0.5%에서 12%로 늘리면 인장 강도와 항복 강도를 크게 높일 수 있다. 마그네슘 함량이 Mg/Zn2 상을 형성하는 데 필요한 양을 초과하는 초경 알루미늄 합금에서 아연과 마그네슘의 비율을 약 2.7로 제어하면 응력 부식 균열 저항성이 가장 크다. 예를 들어, Al-Zn-Mg에 구리 원소를 첨가하면 Al-Zn-Mg-Cu 계열 합금이 형성됩니다. 이 합금은 모든 알루미늄 합금 중 가장 높은 기지 강화 효과를 나타냅니다. 또한 항공우주, 항공 산업, 전력 산업에서도 중요한 알루미늄 합금 소재로 사용됩니다.
철과 실리콘
철은 Al-Cu-Mg-Ni-Fe 계열 단조 알루미늄 합금에 합금 원소로 첨가되고, 규소는 Al-Mg-Si 계열 단조 알루미늄과 Al-Si 계열 용접봉 및 알루미늄-규소 주조 합금에 합금 원소로 첨가됩니다. 기본 알루미늄 합금에서 규소와 철은 일반적인 불순물 원소로 합금의 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 이들은 주로 FeCl3와 유리 규소로 존재합니다. 규소가 철보다 크면 β-FeSiAl3(또는 Fe2Si2Al9) 상이 형성되고 철이 규소보다 크면 α-Fe2SiAl8(또는 Fe3Si2Al12) 상이 형성됩니다. 철과 규소의 비율이 부적절하면 주조물에 균열이 발생합니다. 주조 알루미늄의 철 함량이 너무 높으면 주조물이 취성이 됩니다.
티타늄과 붕소
티타늄은 알루미늄 합금에 일반적으로 사용되는 첨가 원소로, Al-Ti 또는 Al-Ti-B 모합금 형태로 첨가됩니다. 티타늄과 알루미늄은 TiAl2 상을 형성하며, 이 상은 결정화 과정에서 비자발적인 핵이 되어 주조 조직과 용접 조직을 미세화하는 역할을 합니다. Al-Ti 합금이 패키지 반응을 거칠 때, 티타늄의 임계 함량은 약 0.15%입니다. 붕소가 존재할 경우, 속도 감소는 0.01% 정도로 미미합니다.
크롬
크롬은 Al-Mg-Si계, Al-Mg-Zn계, 그리고 Al-Mg계 합금에서 흔히 사용되는 첨가 원소입니다. 600°C에서 알루미늄에 대한 크롬의 용해도는 0.8%이며, 실온에서는 기본적으로 불용성입니다. 크롬은 알루미늄에서 (CrFe)Al7 및 (CrMn)Al12와 같은 금속간 화합물을 형성하여 재결정의 핵생성 및 성장 과정을 방해하고 합금의 강도를 강화합니다. 또한 합금의 인성을 향상시키고 응력 부식 균열에 대한 민감성을 감소시킬 수 있습니다.
그러나 이 부위는 담금질 감도를 증가시켜 양극 산화 피막을 황색으로 변하게 합니다. 알루미늄 합금에 첨가되는 크롬의 양은 일반적으로 0.35%를 초과하지 않으며, 합금 내 전이 원소의 증가에 따라 감소합니다.
스트론튬
스트론튬은 금속간 화합물 상의 결정학적 거동을 변화시킬 수 있는 계면활성 원소입니다. 따라서 스트론튬 원소를 이용한 변성 처리는 합금의 소성 가공성과 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 스트론튬은 효과적인 변성 시간이 길고, 효과와 재현성이 우수하여 최근 Al-Si 주조 합금에서 나트륨을 대체하여 사용되고 있습니다. 압출용 알루미늄 합금에 0.015%~0.03%의 스트론튬을 첨가하면 잉곳의 β-AlFeSi 상이 α-AlFeSi 상으로 변하여 잉곳 균질화 시간을 60%~70% 단축하고, 재료의 기계적 성질과 소성 가공성을 향상시키며, 제품의 표면 조도를 개선합니다.
고규소(10%~13%) 변형 알루미늄 합금의 경우, 0.02%~0.07%의 스트론튬 원소를 첨가하면 초정립을 최소화할 수 있으며, 기계적 성질도 크게 향상됩니다. 인장강도(бb)는 233MPa에서 236MPa로, 항복강도(б0.2)는 204MPa에서 210MPa로, 연신율(б5)은 9%에서 12%로 향상됩니다. 과공정 Al-Si 합금에 스트론튬을 첨가하면 초정립 실리콘 입자의 크기를 줄이고, 소성 가공 특성을 향상시키며, 원활한 열간 및 냉간 압연을 가능하게 합니다.
지르코늄
지르코늄은 알루미늄 합금에 흔히 첨가되는 첨가제입니다. 일반적으로 알루미늄 합금에 첨가되는 양은 0.1%~0.3%입니다. 지르코늄과 알루미늄은 ZrAl3 화합물을 형성하여 재결정 과정을 방해하고 재결정립을 미세화할 수 있습니다. 지르코늄은 주조 조직을 미세화할 수도 있지만, 티타늄보다 그 효과가 작습니다. 지르코늄의 존재는 티타늄과 붕소의 결정립 미세화 효과를 감소시킵니다. Al-Zn-Mg-Cu 합금에서 지르코늄은 크롬과 망간보다 담금질 감도에 미치는 영향이 작으므로, 재결정 조직을 미세화하기 위해 크롬과 망간 대신 지르코늄을 사용하는 것이 적합합니다.
희토류 원소
희토류 원소는 알루미늄 합금 주조 시 부품의 과냉각을 증가시키고, 결정립을 미세화하며, 2차 결정 간격을 줄이고, 합금 내 가스 및 개재물을 감소시키고, 개재물 상을 구상화하기 위해 알루미늄 합금에 첨가됩니다. 또한, 용탕의 표면 장력을 감소시키고, 유동성을 증가시키며, 잉곳 주조를 용이하게 하여 공정 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 다양한 희토류 원소를 약 0.1% 첨가하는 것이 좋습니다. 혼합 희토류 원소(혼합 La-Ce-Pr-Nd 등)를 첨가하면 Al-0.65%Mg-0.61%Si 합금에서 시효 G?P 영역 형성의 임계 온도를 낮출 수 있습니다. 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금은 희토류 원소의 변성을 촉진할 수 있습니다.
불결
바나듐은 알루미늄 합금에서 VAl11 내화 화합물을 형성하여 용해 및 주조 과정에서 결정립 미세화에 기여하지만, 티타늄이나 지르코늄에 비해 그 역할은 미미합니다. 또한 바나듐은 재결정 조직을 미세화하고 재결정 온도를 높이는 효과도 있습니다.
알루미늄 합금에서 칼슘의 고용도는 매우 낮으며, 알루미늄과 CaAl4 화합물을 형성합니다. 칼슘은 알루미늄 합금의 초소성 원소입니다. 약 5%의 칼슘과 5%의 망간을 함유하는 알루미늄 합금은 초소성 특성을 보입니다. 칼슘과 규소는 알루미늄에 불용성인 CaSi를 형성합니다. 규소의 고용량이 감소함에 따라 산업용 순수 알루미늄의 전기 전도도가 약간 향상될 수 있습니다. 칼슘은 알루미늄 합금의 절삭 성능을 향상시킬 수 있습니다. CaSi2는 열처리를 통해 알루미늄 합금을 강화할 수 없습니다. 미량의 칼슘은 용융 알루미늄에서 수소를 제거하는 데 도움이 됩니다.
납, 주석, 비스무트 원소는 저융점 금속입니다. 알루미늄에 대한 고용도가 낮아 합금의 강도는 다소 감소하지만 절삭 성능은 향상시킬 수 있습니다. 비스무트는 응고 과정에서 팽창하여 이송에 유리합니다. 고마그네슘 합금에 비스무트를 첨가하면 나트륨 취성을 방지할 수 있습니다.
안티몬은 주로 주조 알루미늄 합금의 개질제로 사용되며, 변형 알루미늄 합금에는 거의 사용되지 않습니다. Al-Mg 변형 알루미늄 합금에서는 나트륨 취성을 방지하기 위해 비스무트만 대체하여 사용합니다. 안티몬 원소는 일부 Al-Zn-Mg-Cu 합금에 첨가되어 열간 프레스 및 냉간 프레스 공정의 성능을 향상시킵니다.
베릴륨은 변형된 알루미늄 합금의 산화막 구조를 개선하고 용해 및 주조 과정에서 연소 손실과 개재물을 감소시킬 수 있습니다. 베릴륨은 인체에 알레르기성 중독을 유발할 수 있는 독성 원소입니다. 따라서 식품 및 음료와 접촉하는 알루미늄 합금에는 베릴륨을 함유할 수 없습니다. 용접 재료의 베릴륨 함량은 일반적으로 8μg/ml 미만으로 관리됩니다. 용접 모재로 사용되는 알루미늄 합금 또한 베릴륨 함량을 관리해야 합니다.
나트륨은 알루미늄에 거의 녹지 않으며 최대 고용도는 0.0025% 미만입니다. 나트륨의 녹는점은 낮습니다(97.8℃). 합금에 나트륨이 존재하면 응고 중에 수지상 표면이나 결정립계에 흡착되고, 열간 가공 중에 결정립계의 나트륨이 액상 흡착층을 형성하여 취성 균열이 발생하고 NaAlSi 화합물이 형성되며 유리 나트륨이 존재하지 않으므로 "나트륨 취성"이 발생하지 않습니다.
마그네슘 함량이 2%를 초과하면 마그네슘이 규소를 제거하고 유리 나트륨을 침전시켜 "나트륨 취성"을 유발합니다. 따라서 고마그네슘 알루미늄 합금에는 나트륨염 플럭스를 사용할 수 없습니다. "나트륨 취성"을 방지하는 방법으로는 염소 처리(나트륨을 NaCl로 전환하여 슬래그로 배출), 비스무트를 첨가하여 Na2Bi를 형성하고 금속 매트릭스로 유입, 안티몬을 첨가하여 Na3Sb를 형성하거나 희토류 원소를 첨가하는 방법 등이 있습니다.
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 8월 8일
