본문내용
1. 서론
1.1. 실험 주제: 알루미늄 합금의 석출 및 경화
알루미늄 합금의 석출 및 경화
알루미늄 합금은 알루미늄에 다른 금속 원소를 첨가하여 알루미늄의 성질을 개선한 합금이다. 그중에서도 구리가 첨가된 Al-Cu계 알루미늄 합금은 대표적인 석출경화형 합금이다. 이 합금은 용체화 처리와 시효처리를 통해 석출경화 현상이 일어나며, 이로 인해 강도와 경도가 크게 향상된다.
Al-Cu계 합금에서의 석출경화 과정은 다음과 같다. 먼저 합금을 약 500°C 부근의 온도에서 가열하여 용체화 처리를 한다. 이때 Cu 원소가 Al 기지 내에 고용되어 과포화 고용체를 형성한다. 그 후 급냉을 통해 이 과포화 고용체를 상온에서 유지시킨다. 상온에서 시간이 지남에 따라 Cu 원소가 Al 기지 내에서 석출되어 Al2Cu라는 금속간화합물을 형성한다. 이러한 미세한 석출물의 생성으로 인해 합금의 강도와 경도가 크게 증가하게 된다. 이를 시효경화라고 한다.
시효 시간이 지속되면 석출물의 크기가 점점 커지고 분포가 조밀해져 강도와 경도가 최대에 도달하게 된다. 그러나 과도한 시효 처리를 하면 석출물이 과도하게 성장하여 오히려 강도와 경도가 낮아지는 과시효 현상이 일어난다. 따라서 Al-Cu계 합금의 최적의 기계적 성질을 얻기 위해서는 적절한 시효 처리 시간이 필요하다.
이러한 Al-Cu계 알루미늄 합금의 석출경화 특성은 항공기, 자동차, 선박 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 두랄루민(duralumin)이라고 불리는 Al-4%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn 합금은 항공기 구조재료로 널리 사용되고 있다.
1.2. 실험 목적
알루미늄 합금의 용체화에 따른 재료 특성의 변화를 살펴보고, 용체화 시킨 합금을 시효시켜, 시효시간에 따른 합금의 경도변화를 관찰함으로써 석출경화 현상을 이해하고, 도출한 결과를 미세조직 사진과 비교하여 석출경화에 따른 경도변화를 관찰하는 것이 이 실험의 목적이다."
1.3. 이론적 배경
1.3.1. 석출 경화
석출 경화는 금속 재료가 경화하는 기구의 일종이다. 합금이 경화하는 원인으로 석출 경화와 가공경화를 들 수 있는데, 석출 경화는 용매 금속 중에서 용질 금속이 고체상으로 석출되기 때문에 경화하는 현상이다. 석출 경화를 일으키는 대표적인 재료로는 두랄루민이 있으며, 이 밖에도 다른 합금에서도 많은 실례가 있다.
고용 한계를 넘어서 하나의 상이 될 때까지 합금을 가열한 다음 급랭시키면 과포화 고용체의 상태에서 상온으로 변화한다. 이 때 시간의 경과와 함께 고용체에서 다른 금속 또는 금속간 화합물이 석출되어 합금의 경화 현상을 일으키게 된다. 이 현상을 이용해서 강하고 단단한 재료를 얻을 수 있다.
용체화 처리에 의하여 과포화하게 함유된 금속이 시효에 의하여 석출할 때 일어나는 경화 현상을 좁은 의미의 석출 경화라고 한다. 그러나 일반적으로는 현미경 검사에서 석출물이 보이지 않더라도 경화되어 버리는 경향이 많다.
1.3.2. 용체화 처리
용체화 처리는 알루미늄 합금을 500℃ 전후로 가열하여 시효 경화에 관계되는 첨가 원소를 충분히 고용시킨 후 상온에 유지시키는 조작이다. 이는 과포화된 고용체를 얻기 위한 방법이다.
일반적으로 금속 재료는 고용 한계를 넘어서 하나의 상이 될 때까지 가열한 다음 급랭시키면 과포화 고용체의 상태로 되는데, 시간의 경과와 함께 이 고용체에서 다른 금속 또는 금속간 화합물이 석출되어 합금의 경화 현상을 일으킨다. 이러한 현상을 이용하여 강하고 단단한 재료를 얻을 수 있다.
용체화 처리에 의하여 과포화하게 함유된 금속이 시효에 의하여 석출할 때 경화 현상이 일어나는데, 이를 좁은 의미의 석출 경화라고 한다. 그러나 일반적으로는 현미경 검사에서 석출물이 보이지 않더라도 경화되어 버리는 경향이 많다.
용체화 처리를 통해 단일상의 고용체를 얻기 위해서는 오랜 시간 동안 고용 한계선 이상의 온도를 유지하여 다른 상이 완전히 용해될 때까지 기다려야 한다. 그 후 낮은 온도(보통 상온)로 급랭시켜 확산과 이에 따른 새로운 상의 생성을 막는다. 이렇게 하면 상온에서는 존재할 수 없었던 단일상이 과포화된 비평형 상태로 존재하게 된다. 또한 낮은 온도에서 용질 원자의 확산 속도가 매우 느리기 때문에 이 비평형 상태가 오랫동안 유지될 수 있다.
즉, 용체화 처리는 높은 온도에서 용질 원자를 완전히 고용시킨 후 급랭하여 상온에서 과포화 고용체 상태를 만드는 것이다. 이렇게 얻어진 과포화 고용체는 매우 불안정한 상태이므로 시효 처리를 통해 용질 원자의 석출이 일어나게 된다.
1.3.3. 시효 처리
시효 처리란 과포화된 고용체를 상온 또는 약간 높은 온도에서 유지함으로써 용질원자를 금속간화합물로서 석출시켜 매트릭스를 강화하여 기계적 성질을 향상시키는 처리이다. 용체화 처리 후 담금질에 의해 얻어진 과포화고용체는 고용한도 이상의 경화원소를 포함한 알루미늄 합금은 대단히 불안정한 상태이므로 경화원소를 점차 석출하여 평형상태로 가고자 하는 경향이 있다. 이 때문에 상온 또는 상온보다 약간 높은 온도에서 경화원소가 시간에 따라 석출하는 내부변화가 생기게 되며, 이러한 현상을 시효 처리라고 한다. 시효 처리에는 상온...
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