Al-Cu계합금(2000계열)

Al-Cu계합금(2000계열)

 

  Al에 제 2 첨가원소로 Cu를 함유하는 알루미늄 합금을 A2xxx계 합금이라 칭하는데, 대표적인 A2xxx계 합금으로 고력 알루미늄합금인 두랄루민(duralumin)이 있다. 두랄루민은 Cu를 포함하는 제2상의 석출에 의해 강화되는 시효 경화형 알루미늄 합금이다. 두랄루민을 개발한 A.Wilm에 의해서 1906년에 Al-Cu계 합금에서 시효경화현상이 일어난다는 사실이 알려진 후 강화 입자의 시효석출거동 즉, 석출물의 생성과 성장 과정, 석출물의 구조와 종류 등에 관하여 많은 연구가 지난 100여 년 동안 이루어졌으며 이를 통해 다양한 고력 알루미늄 합금과 이 합금의 제조 및 열처리 공정기술이 개발되었다.

  두랄루민을 500~510℃정도로 가열한 후 물속에서 급속 냉각(T4)시키면 매우 연한 상태가 되는데 이것을 상온에 방치하면 시간이 경과될수록 경화되는 현상이 나타나는데 이를 자연시효경화라고 한다. 자연시효경화에 의해 두랄루민의 기계적 강도는 철강재의 기계적 강도에 이르게 되는데 두랄루민의 비중이 2.8정도로서 철강의 1/3정도이므로 중량당 강도는 매우 높다. 따라서 두랄루민재료는 경량화를 중시하는 비행기재료로 많이 사용된다. 두랄루민이 비행기 재료로 최초로 사용된 이래 두랄루민의 개량은 곧바로 비행기의 성능향상으로 이어졌으며, 그 동안 A.Wilm이 개발한 초기의 두랄루민보다 기계적 특성이 우수한 두랄루민이 많이 개발되었다. 오늘날 많이 사용되는 Al-Cu-Mg계 소재인 A2014, A2017, A2024는 미국에서 항공기용 구조재료로서 개발된 두랄루민으로서 A.Wilm이 발명한 두랄루민보다 마그네슘이 1%정도 많이 함유된 합금이다. 그러나 이들 두랄루민은 구리를 다량 포함하고 있어 알루미늄 합금 중에서도 내식성이 좋지 않은 단점을 가지고 있다. 따라서 내식성을 향상시키기 위해 두랄루민 소재 표면에 순알루미늄 판재를 붙여 압연한 크래드재가 사용되기도 한다. 또한 두랄루민은 용접성이 열악하여 소재를 용융한 후 접합하는 용융용접은 피하고 리벳트 접합, 본드결합, 저항스폿트용접 등의 방법을 통해 접합하게 된다. A2011은 Pb, Bi원소를 소량 첨가한 합금으로 절삭성이 매우 우수하여 기계부품에 많이 사용되고 있으며, A2014는 고강도 단조재로서 널리 사용되고 있다. 표1은 Al-Cu계 합금 전신재의 화학성분을 보이고 있다.

 2000계 알루미늄합금은 Cu와 Mg이 주된 첨가원소이지만 Si, Fe, Mn, Zn, Cr, Ti, Zr, Ni, V 등이 미량 첨가되고 있다. 이들 미량 첨가 원소 중 Mn, Cr, Zr은 주로 재결정을 억제하고 결정립을 미세화하기 위한 목적으로 첨가되는 원소이다. 이들 미량원소는 Al20Cu2Mn3, Al12Mg2Cr, Al3Zr등의 미세한 석출입자를 형성하여 재결정을 억제하게 되며 이로 인하여 소재의 기계적 강도와 피로특성의 향상을 가져온다. 한편 Fe, Ni, V은 Al과 함께 고온 안정성이 우수한 화합물을 만들어 소재의 내열성을 향상시킨다. 이들 전신재 알루미늄 합금의 강도를 증가시키기 위해서는 대부분 용체화 처리-급냉-시효처리의 단계를 거친다. 용체화 처리는 보통 480-530oC에서 행하며, 용체화 처리된 소재를 물속에 넣어 급냉처리한다. 그 후 석출물의 형성을 위해 시효처리를 하게 되는데 일부 합금은 자연 시효처리를 하기도 하나 일반적으로는 160-190oC 온도에서 행함으로써 시효처리 시간을 단축하게 된다.

 한편, Al-Cu합금에 미량의 Zr원소를 첨가하여 초소성(superplasticity) 특성을 띠게 만든 합금이 있다. 이는 Al-6Cu-0.4Zr합금을 기본으로 하는 초소성 알루미늄 합금으로 영국에서 개발되었으며 Supral합금으로 알려져 있다. 미량 첨가된 Zr은 미세한 Al3Zr(L12형 구조) 입자를 형성하며 이들이 알루미늄 합금소재의 재결정화 시 재결정 입계의 이동을 저지하기 때문에 재결정립의 성장을 억제하는 역할을 한다. 또한 Al-Zr 화합물인 q, q'상은 재결정의 핵으로 작용하여 재결정립의 형성을 촉진하는 역할을 하게 된다. 따라서 Al-Cu-Zr합금은 재결정화 시 균일 분포된 다량의 미세한 q, q'상에 의해 다수의 재결정립이 생성되고 Al3Zr 석출물에 의한 입계 이동이 억제되어 수 마이크론 정도의 미세 결정립 구조를 가지게 되며 이로 인하여 초소성의 특성을 보이게 된다.

 

<표 1. Al-Cu계합금 전신재의 화학성분>

 

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