본문내용
1. 석출경화(Precipitation Hardening)
1.1. 실험 이론 및 원리
1.1.1. 석출경화의 개념
석출경화(Precipitation Hardening)란 금속 합금의 모재상 내부에 미세하고 균일한 분포의 2차 상의 입자를 형성함으로써 금속의 강도와 경도를 증가시킬 수 있는 현상이다. 이러한 공정은 미세한 입자의 "석출상"의 형성을 수반하므로 석출 경화라고 하며, 시간에 다라 경도가 증가하므로 "시효 경화"라고도 한다.
석출 경화에 의해 경화되는 합금에는 알루미늄-구리, 구리-베릴륨, 구리-주석, 마그네슘-알루미늄 등이 있으며, 다수의 철합금도 석출경화가 가능하다. 석출 경화는 모재상 내부에 미세한 제2상 입자를 형성시켜 전위 이동을 방해함으로써 재료의 강도와 경도를 증가시키는 기구이다.
이러한 석출경화 현상은 열처리 과정을 통해 이루어지며, 우선 고용체 온도에서 용체화 처리를 하여 제2상 입자를 모재 내에 고용시킨 뒤, 이를 급냉하여 과포화 고용체 상태로 만든다. 그 후 저온에서 시효처리를 하면 과포화 고용체로부터 미세한 제2상 입자가 석출되어 강화가 일어나게 된다.
따라서 석출경화는 열처리 공정을 통해 과포화 고용체에서 제2상 입자가 석출되는 현상을 의미하며, 이로 인해 금속의 강도와 경도가 증가하게 되는 것이다.
1.1.2. 석출경화 과정
석출경화 과정은 다음과 같다.
첫째, 용체화 처리이다. 합금을 고용 한계선 이상의 온도로 가열하여 균일한 α 고용체가 얻어질 때까지 유지한다. 이때 고상선 직하의 온도로 가열하면 빠른 시간 내에 균질화를 이룰 수 있다.
둘째, 급랭이다. 용체화 처리 후에 합금을 급랭하면 원자들이 확산해서 핵생성할 만한 시간적 여유가 없기 때문에 θ 상이 형성되지 못한다. 따라서 급랭 후에도 조직은 단상의 α 고용체로 된다. 이 고용체를 과포화 고용체라 부르며, 과잉의 Cu를 함유하고 있으므로 비평형 조직이다.
마지막으로, 시효 처리이다. 이 과포화 α 고용체를 고용 한계선 이하의 어느 온도로 가열하면 과잉으로 함유되어 있던 Cu 원자들이 수많은 핵생성 장소로 확산 이동하여 θ 석출물을 형성하게 된다. 따라서 이 시효 과정에서 미세한 석출물이 형성되어 강화되므로 석출 강화를 시효 강화라고도 한다.""
1.1.3. 석출경화에 영향을 미치는 요인
석출경화에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.
첫째, 기지상(matrix)과 석출물(precipitate)의 특성이다. 기지상은 연성이 커야 하고, 석출물은 단단한 성질을 가져야 한다. 석출물은 전위 슬립에 대한 강력한 장애물 역할을 담당하고, 기지상은 합금에 최소한의 연성을 부여한다.
둘째, 석출물의 분포 형태이다. 석출물은 불연속적으로 존재해야 하며, 기지상은 연속적이어야 한다. 만약 석출물이 연속적으로 존재하면 균열이 전체 조직을 통해 전파할 수 있지만, 불연속적인 석출물에서는 석출물과 기지상 계면에서 균열 전파가 저지된다.
셋째, 석출물의 크기와 수이다. 석출물의 크기가 작고 수가 많을수록 강화 효과가 크다. 작은 크기의 석출물이 균일하게 분포되어 있을 경우 전위의 이동을 효과적으로 방해할 수 있다.
넷째, 석출물의 형상이다. 구형에 가까운 석출물이 응력 집중을 적게 일으키므로 균열 발생 가능성이 낮다.
다섯째, 석출물의 부피분율이다. 석출물의 부피분율이 클수록 강도가 증가한다.
위와 같은 요인들이 석출경화에 영향을 미치며, 이들 요인을 최적화하여 합금을 설계하면 더 높은 강도를 얻을 수 있다.
1.2. 시험 방법
1.2.1. 시험재료
시험재료는 2024 Al 합금이다. 2024 Al 합금은 대표적인 고강도 Al-Cu 합금으로, 합금 조성은 Al-4.5Cu-0.8Mn-1.5Mg이다. 이 합금은 알루미늄에 구리를 4.5% 정도 첨가하여 강도를 크게 높인 합금이다. 마그네슘과 망간 등의 합금 원소를 소량 첨가하여 기계적 성질을 더욱 향상시킨 것이 특징이다.
2024 Al 합금은 항공기 외판, 구조재 부품 등 항공기 산업에 널리 사용되는 대표적인 고강도 알루미늄 합금이다. 용체화 처리 후 인공시효(T6 열처리)를 통해 최대 강도를 발현할 수 있으며, 응력부식균열에 강한 특성을 지니고 있다.
1.2.2. 시편 준비
시편 준비"
2024 Al 합금(대표적인 고강도 Al-Cu 합금임) 봉상 합금에서 대략 폭 1㎝ TIMES 깊이 1㎝ times 높이 0.5㎝ 의 시편을 온도별로 2개 정도 채취하였다. 이렇게 준비된 시편은 용체화 처리를 위해 Medium-Temperature Salt Bath(허용온도범위 100-250℃)에서 가열되었다. 고온에서는 salt가, 저온에서는 시중에서 판매되는 옥수수 기름이 사용되었다.
1.2.3. 열처리 방법
2024 Al 합금의 열처리 방법은 다음과 같다.
Medium-Temperature Salt Bath를 사용하여 열처리를 진행하였다. 허용온도 범위는 100-250℃이며, 고온에서는 salt 용액을, 저온에서는 시중에서 판매되는 옥수수 기름을 사용하였다.
열처리 방법은 다음과 같다. 먼저 2024 Al 합금을 450℃에서 2시간 용체화 처리한 후, 로 안에 옥수수 식용유에 담가 170℃에서 30분, 1, 3, 6, 9, 12시간 동안 인공시효 처리하였다. 이러한 열처리 과정을 "T6 처리"라고 한다.
이와 같은 열처리 과정을 통해 2024 Al 합금의 강도와 경도를 향상시킬 수 있었다. 용체화 처리 후 급냉하면 과포화 고용체 상태가 되며, 이후 시효 처리 과정에서 고용된 Cu 원자들이 미세한 석출물을 형성하면서 경화가 진행된다. 이러한 열처리 과정을 통해 2024 Al 합금의 기계적 성질을 향상시킬 수 있었다.
1.2.4. 경도 시험
시편 준비 과정 후에는 경도 시험이 수행되었다. 경도 시험은 브리넬 경도 시험기를 사용하여 진행되었다. 시편을 용체화 처리한 후와 용체화 처리 후 시효 처리한 시편에 대해 경도 시험을 실시하였다. 브리넬 경도 시험을 통해 한 시편당 5회씩 경도를 측정하였고, 그 평균값을 사용하였다.
경도 시험 결과, 용체화 처리만 한 시편의 평균 브리넬 경도는 102.34 HB이었다. 이에 반해 용체화 처리 후 시효 처리를 한 시편의 경도값은 시효 시간에 따라 차이를 보였다. 시효 처리 30분 후의 평균 경도는 112.44 HB, 1시간 후 110.86 HB, 3시간 후 107.38 HB, 6시간 후 110.4 HB, 9시간 후 116.56 HB, 12시간 후 118.74 HB로 나타났다.
이를 통해 시효 처리 시간이 증가함에 따라 경도값이 증가하다가 12시간 이후 다시 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 시효 처리 시간이 증가하면서 석출물의 크기와 분포가 변화하기 때문인 것으로 보인다. 초기에는 미세한 석출물 생성으로 인해 경도가 증가하지만, 장시간 시효 처리 시 조대한 석출물이 생성되면서 경도가 감소하는 것으로 이해할 수 있다.
종합적으로 시편 제작 및 열처리 과정을 통해 용체화 처리와 시효 처리가 Al-Cu 합금의 미세조직 및 경도 특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.
1.3. 시험 결과
1.3.1. Al-Cu 합금의 상태도
Al-Cu 합금의 상태도는 알루미늄과 구리의 이상 상태를 나타낸 것으로, 이 상태도를 통해 용체화 처리 온도와 시효에 따른 석출 현상을 이해할 수 있다.
Al-Cu 합금의 상태도에 따르면, 순수 알루미늄은 녹는점이 660°C이고, 구리는 1085°C이다. 이 두 금속을 합금으로 만들면 녹는점이 낮아지며 구리의 고용한계도 감소한다. 예를 들어 Cu 4.5% 함유된 Al-Cu 합금의 경우 녹는점이 548°C로 낮아진다.
이 상태도에서 'X' 지점은 Cu 4.5% 합금의 조성을 나타내며, 이 조성을 가진 합금을 고용체 상태로 만들기 위해서는 최소 548°C 이상으로 가열해야 한다. 이때 합금 내부의 구리가 알루미늄 격자 내에 완전히 고용된다.
이렇게 용체화 처리한 합금을 급랭하면 구리가 알루미늄 격자에 과포화 상태로 고용된다. 이후 적절한 온도에서 시효 처리하면 구리 원자가 확산되어 미세한 CuAl2 석출물을 형성하게 된다. 이 석출물의 생성과 성장이 석출경화의 핵심 메커니즘이다.
따라서 Al-Cu 합금의 상태도는 용체화 처리와 시효 처리에 따른 구리 원자의 거동을 이해하는데 매우 중요한 기초 정보를 제공한다고 할 수 있다.
1.3.2. Al-Cu 합금의 시효곡선
Al-Cu 합금의 시효곡선은 용체화 처리 후 시효처리에 따른 경도 변화를 나타낸 것이다. 용체화 처리한 Al-Cu 합금을 170°C에서 시효 처리하면 시간에 따라 경도가 변화하게 된다.
시효 시간이 30분일 때 경도는 112.44 HV로 용체화 상태의 102.34 HV보다 증가했다. 이는 과포화 고용체 상태에서 시효 처리에 의해 미세한 CuAl2 석출물이 형성되면서 금속 기지의 강도와 경도가 향상되었기 때문이다.
시효 시간이 1시간일 때는 경도가 110.86 HV로 최대값을 기록했다. 이는 시효 처리 초기에 석출물의 크기와 분포가 최적화되어 전위 이동을 가장 효과적으로 방해했기 때문이다.
시효 시간이 3시간, 6시간으로 증가함에 따라 경도는 점차 감소해 ...
