기계재료 (4) - 비철금속재료 - Al 합금

알루미늄은 가볍고(비중 2.7) 가공성, 내식성이 양호하며, 전기 및 열의 전도도가 높고 색도 아름답기 때문에 각종 공업용 및 생활용품으로 널리 사용되며, 금속재료 중 알루미늄 합금의 사용량은 철강재료 다음으로 많다.

 

알루미늄 합금은 다음 표에 나타낸 바와 같이 가공용 알루미늄 합금과 주물용 알루미늄 합금으로 대별할 수 있으며, 각각 열처리형 합금과 비열처리형 합금으로 분류할 수 있다.

가공용 합금	비열처리형 합금	순수 Al Al-Mn 계 Al-Si 계 Al-Mg 계	1000번대 3000번대 4000번대 5000번대
	열처리형 합금	Al-Cu 계 Al-Mg-Si 계 Al-Zn 계	2000대 6000대 7000대
주물용 합금	비열처리형 합금	Al-Cu 계 Al-Mg 계
	열처리형 합금	Al-Cu 계 Al-Si-Mg 계

 

[1] Al 합금의 석출경화 열처리

 

석출경화(precipitation hardening)는 금속기지 내에 조밀하고 미세한 입자를 석출시켜 전위의 이동을 방해함으로써 합금을 강화시키는 열처리법이다.

 

알루미늄 합금의 석출경화과정을 구리 4.5% 함유한 알루미늄 합금을 예로 들어 설명하기로 한다. 석출경화가 가능한 합금계는 다음 그림에 나타낸 Al-Cu 합금계와 같이 온도가 감소함에 따라 고용도가 감소하는 고용체(그림에서 α고용체)를 갖는 합금이어야 한다.

Al-Cu 평형상태도

구리 4.5%의 조성은 평형상태도상에서 고상선의 온도인 T₁과 용해한도선상의 온도 T₂ 사이에서는 균일한 하나의 고용체 (α) 상태로 존재한다. 그러나 T₂ 이하의 온도에서는 α + θ 의 2개의 상이 혼합된 상태로 존재한다. 이러한 합금에 있어 석출경화과정은 다음의 3단계를 거쳐 이루어진다.

 

(1) 용체화 처리 (solution treatment)과정

시편을 용해한도선상의 온도(T₂)와 고상선상의 온도(T₁) 사이의 온도로 가열하여 균일한 고용체 (α 고용체)가 될 때까지 유지한다.

 

(2) 담금질(quenching)과정

시편을 상온의 물에 급랭하면 θ상이 석출되지 못하고 과고용된 α고용체의 불안정한 상태를 유지한다.

 

(3) 시효처리(aging)과정

담금질된 시편을 상온(자연시효) 또는 상온보다 높은 온도(인공시효)로 유지하면 과포화된 α 상에서 용질원자가 미세하게 석출된다. 이러한 석출과정은 원자의 확산을 위한 시간이 필요하므로 시간이 경과함에 따라 석출되는 양은 증가하게 된다.

시효처리의 목적은 미세한 석출물에 의해 합금을 강화시키는 것이므로 인공시효의 경우 시효온도와 시간의 선택에 유의하여야 한다.

 

다음 그림은 Al-Cu계 합금(2014) 시효온도와 시간에 따른 항복강도의 변화를 나타낸 것이다.

Al-Cu계 합금(2014)의 시효온도 및 시간에 따른 항복강도의 변화

그림에서 보는 바와 같이 시효온도가 높을수록 석출경화현상이 빨리 일어나며, 높은 시효온도에서는 경화현상이 일어나지 않음을 알 수 있다. 또한 시효시간이 길어지면 재료는 연화된다. 이와 같은 현상은 석출물의 크기가 커져 석출물에 의한 재료의 강화효과가 없어지기 때문이며, 과시효(overaging)되었다고 한다.

 

 

[2] 가공용 AI 합금

 

가공용 알루미늄 합금은 기본적으로 상기 "Al 합금의 분류 표"에서 보는 바와 같이 미국 알루미늄협회(Aluminum Association of America)의 기호에 의하여 네 자리 숫자로 분류된다. 첫 번째 자리 숫자는 표에 나타낸 각각의 합금계를 나타내며, 두 번째자리 숫자는 그 합금이 개량된 것에 붙인다. 마지막 두 자리 숫자는 합금번호를 나타낸다. 다만 순수 알루미늄의 경우 마지막 두 자리 숫자는 소수점 이하의 순도를 나타낸다. 예로서, 1050은 순도 99.50%인 순수 알루미늄을 나타낸다. 가공용 알루미늄 합금은 냉간가공, 열처리 등에 의해 기계적 성질이 달라지므로 추가로 다음과 같은 기호를 붙여 구분한다.

 

F: 제품 그대로(즉 압연, 압출, 주조한 그대로)

Q: 어닐링한 재질(가공재에만 사용)

H: 가공경화한 재질(여기에는 다음과 같은 보조기호를 쓴다)

H1n : 가공경화를 한 그대로

H2n: 가공경화 후 적당한 어닐링 처리를 한 재질

H3n: 가공경화 후 안정화 처리를 한 재질

         n에는 다음과 같은 숫자를 기입한다.

         n=2(1/4경질), 4(1/2경질), 6(3/4경질), 8(경질), 9(초경질)

W: 펜칭처리 후 시효경화가 진행중인 재질, 예컨대 W30은 펜칭 후 30일 경과한 것임

T: F, O, H 이외의 열처리를 한 재질

T2 : 어닐링 한 재질(주물에만 사용한다)

T3 : 퀜칭처리 후 상온 가공경화를 한 재질. 단, 이것은 굽힌 것을 펴는 정도의 가공이고, 가공도가 클 때에는 T36을 사용한다.

T4 : 퀜칭처리 후 상온하의 시효(자연시효가 완료된 재질

T5 : 퀜칭처리를 생략하고 템퍼링(인공시효)처리만을 한 재질

T6 : 퀜칭처리 후 템퍼링(인공시효)된 재질

T7 : 퀜칭처리 후 안정화 열처리를 한 재질

T8 : 퀜칭처리 후 상온 가공경화, 다음에 템퍼링(인공시효)된 재질

T9 : 퀜칭처리 후 템퍼링(인공시효 처리, 그 다음에 상온 가공경화를 한 재질

T10 : 퀜칭처리를 생략하고, 템퍼링(인공시효)한 다음에 상온 가공경화를 한 재질

 

 

가공용 Al 합금으로 실용적으로 중요한 합금들로는 다음과 같은 것들이 있다.

 

(1) Al-Cu 계 합금

이 합금은 2000번 대의 합금으로 두랄루민, 초두랄루민으로 유명하다. A2014 합금은A2017 합금에 비하면 규소량이 많고 퀜칭, 템퍼링(T6) 처리하면 규소첨가에 의하여A2017 합금보다 강도가 향상된다. A2017 합금의 계통으로 구리와 마그네슘량을 감소시킨 A2117 합금은 연질이고 리벳용재 등에 사용된다. A2024 합금은 마그네슘량을 증가하고 CuAl₂ 및 Al₅Cu₂Mg₂에 의한 경화로, 상온 시효성이 가장 우수하다. 니켈을 첨가한 A2018합금은 내열합금으로 사용되지만 사용온도한계는 200~250℃이다.

 

 

(2) Al-Mn 계 합금

3000번 대의 합금으로 실용합금으로는 망간 1.2%를 첨가한 A3003 합금이 있고, 내식성은순알루미늄과 변함이 없지만, 강도는 10% 정도 높다. 주방기기 및 패널용으로 사용된다.

 

 

(3) Al-Mg 계 합금

5000번 대의 합금으로 마그네슘이 2~5% 정도의 합금이 구조용재에 사용된다. 대표적인 합금으로서는 A5052, A5056, A5083 등이 있다. 모두 비열처리형 합금이다. 마그네슘이많은 합금에는 응력부식방지를 위해 망간, 크롬이 첨가되고 있다.

 

 

(4) Al-Mg-Si 계 합금

6000번 대의 합금으로 Al-Mg 계에 규소를 첨가함으로써 시효경화처리가 가능하며 내식성, 강도가 우수하다. 대표합금으로서는 A6061 과 A6063이 있고 전자는 구조물, 후자는 건축새시 등에 사용되고 있다.

 

 

(5) Al-Zn-Mg 계 합금

7000번 대의 합금으로 A7075 합금이 대표적이다. 이것은 강도가 높아 항공기용 구조재로 널리 사용된다.

 

 

[3] 주물용 AI 합금

 

알루미늄 합금주물은 철강 주물에 비해 가벼우므로 자동차를 비롯하여 산업기계, 전기기기, 정밀기기 및 생활용품 등에 널리 사용되며 크게 Al-Cu 계와 Al-Si 계로 대별된다. 다음 표에는 현재 실용적으로 널리 사용되고 있는 주물용 AI 합금을 나타내었다.

합금계	KS기호	상당 합금	성분	비고
Al-Cu Al-Cu-Si Al-Cu-Si Al-Cu-Ni-Mg	AC1A AC2A AC2B AC5A	AA295 로털 " Y 합금	Cu 4.5 Cu 4 - Si 4.5 Cu 3 - Si 6 Cu 4 - Ni 2 - Mg 1.5	Al-Cu 계
Al-Si Al-Si-Mg Al-Si-Mg Al-Si-Mg-Cu Al-Si-Cu Al-Si-Cu-Ni-Mg Al-Si-Cu-Ni-Mg	AC3A AC4A AC4C AC4D AC4B AC8A AC8B	실루민 -실루민 AA356 AA355 Cu 실루민 low Ex. low Ex.	Si 12 Si 9 - Mg 0.5 Si 7 - Mg 0.3 Si 5 - Mg 0.5 - Cu 1 Si 8 - Cu 3 Si 12 - Cu 1 - Ni 2 - Mg 1 Si 9 - Cu 3 - Ni 1 - Mg 1	Al-Si 계

주물용 알루미늄 합금은 일반적으로 가공용 알루미늄 합금에 비해 합금량이 많고, 융점이 낮아 주조성을 개선시킨 것이 사용되고 있다. 알루미늄 합금주물은 대형제품은 사형이이용되지만, 소형제품은 다이캐스팅을 포함한 금형에 의해 주조된다.

 

실용적으로 중요한 주물용 알루미늄 합금으로는 다음과 같은 것들이 있다.

 

(1) Al-Cu 합금

AC1A, AC1B는 구리 4~5%의 합금으로, 기계적 성질은 좋지만 주조성은 좋지 않다.자동차 부품, 항공기용 유압부품 등에 사용되고 있다.

 

(2) Al-Cu-Si 합금

Al-Cu 합금의 주조성을 좋게 하기 위해 규소를 첨가하고 있고, 매니폴드(manifold), 실린더 헤드, 자동차용 부품 등에 사용되고 있다. 시효경화성이 있으며 일명 로털(lautal)이라 하며, AC2A, AC2B 합금에 상당한다.

 

(3) Al-Cu-Ni-Mg 합금

Al-Cu 합금에 니켈 2%, 마그네슘 1.5%를 첨가한 합금으로 고온강도, 전열성이 좋고열팽창계수가 적으므로 실린더 헤드, 디젤기관, 피스톤 등에 사용되고 있다. AC5A에 상당하며, Y 합금(Y alloy)이라 한다.

 

(4) Al-Si 합금

다음 그림은 Al-Si 합금의 상태도이며, 주물용으로서는 공정점 부근의 10~13% 규소합금을 사용하고 이것을 실루민 (silumin)이라 한다.

Al-Si 합금의 상태도

AC3A가 상당 합금이며, 이 합금은 탕내의 흐름이 좋다. 또한 응고수축이 작고, 주물 표면도 미려한 대표적 알루미늄 주물합금이다. 이 합금은 공정조직을 미세하게 할 목적으로 개선처리를 하고 있다. 실루민은 규소의 고용량이 적으므로 시효경화처리는 불가능하고 케이스 커버 등 두께가 얇은 주물에 사용되고 있다. 최근에는 규소를 17~25% 첨가한 과공정의 실루민이 고온강도가 높고, 열팽창계수가 적으므로 실린더, 피스톤 등에 사용되고 있다. 이 과공정 실루민은 초정 규소가 조대하게 되지만, 인을 첨가하면 초정이 미세화된다.

 

(5) Al-Si-Mg 및 Al-Si-Mg-Cu 합금

Al-Si의 규소량을 줄이고 소량의 마그네슘을 첨가한 합금을 γ-실루민이라 하며, AC4A가 상당 합금이다. 시효경화성이 있으며 AC4C, AC4D는 γ - 실루민과 같은 경향의 합금으로 AC4D는 구리와 마그네슘을 동시에 포함하고 있다. 이것은 단단하며 고온강도도 높고, 용접도 가능하므로 엔진부품 및 실린더 헤드 등에 사용되고 있다.

 

(6) Al-Si-Cu 및 Al-Si-Cu-Ni-Mg 합금

AC4B에 해당하며, AC4D 합금에 니켈을 첨가한 합금을 로-엑스(low ex. : low expansion의 약어)라 하며, 열팽창계수가 적고, 고온강도가 큰 것으로 내연기관의 피스톤, 실린더 헤드 등에 사용되고 있다.