Al-Mg-Si계 합금(6000계열)

Al-Mg-Si계 합금(6000계열)

Al-Mg-Si계 합금은 적당한 강도를 유지하면서 동시에 내식성과 성형가공성이 우수한 전신재로서 활용도가 대단히 높다.

 

그러나 용접성이 열악하여 통상적으로 리벳트나 볼트접합에 의해서 구조물을 조립하고 있다.

 

대표적인 Al-Mg-Si계 합금인 A6063은 압출성과 표면처리특성이 매우 뛰어나서 건축용 샤시재로서 많이 사용되고 있다. 반면 6061합금은 압출성은 6063합금보다 떨어지지만 기계적 강도가 6063합금보다 높아 경량/고강도를 요구하는 철탑, 크레인, 자동차용 범퍼 등에 사용된다.

6061합금은 6063합금의 조성에 Mg과 Si을 추가로 첨가하여 Mg2Si 석출물의 양을 증가시켜 강도를 향상시킨 합금이다. 그림1는 Al-Mg2Si 상태도를 보이고 있다.

 

<그림1. Al-Mg2Si상태도, researchgate 참조>

α-Al에 대한 Mg2Si의 최대 고용도는 595oC에서 1.85%(1.14%Mg, 0.66%Si, Mg/Si=1.73)에 이르지만 Mg2Si의 고용도는 온도강하와 함께 급격히 감소하고 실온에서 거의 0에 가깝다.

 

따라서 Al-Mg-Si계 합금은 열처리를 통하여 다량의 Mg2Si 상을 석출시킴으로써 기계적 강도를 대폭 향상시킬 수 있다.

 

Al-Mg-Si계 합금은 515-550oC에서 용체화처리한 후 수냉하고, 다시 170-180oC에서 8시간 정도 유지하여 시효경화처리를 한다.

 

이와 같은 방법으로 제조된 6061-T6 합금은 신율 12%이상, 인장강도 300MPa, 항복강도 250MPa 등 SS41 강종에 견줄만한 우수한 기계적 특성을 보인다. 우수한 강도와 내식성, 용접성 및 피로 강도를 나타내는 6061합금은 전신용 소재뿐만 아니라 주조용 소재 및 압연판재로서도 널리 사용된다. 일반적으로 Al-Mg-Si계합금은 0.25-1.5%Mg과 0.2-1.5%Si을 주축으로 한 합금이며, 불순물로서 0.7%이하의 Fe를 유지하도록 하고 Cu 0.04-0.9%, Mn 0.05-1.0%, Cr 0.05-0.35% 등이 소량 첨가된다. 표1은 대표적인 압출용 Al-Mg-Si계합금의 종류와 화학성분을 보이고 있다.

 

<표1. 대표적인 압출용 Al-Mg-Si계 합금의 화학성분>

압출 형재의 대부분을 차지하는 6063 합금은 조성, 제조방법, 열처리방법에 따라 다양한 특성을 나타내기 때문에 통상적으로 공급자와 사용자가 요구조건을 협의하여 제조하게 된다.

 

압출성이 뛰어난 6063합금은 0.4-0.9% Mg과 0.2-0.6% Si을 함유하고 있는 반면 6061합금은 0.8-1.2% Mg과 0.4-0.8% Si를 함유함으로써 Mg과 Si의 함량이 상대적으로 많고 동시에 인성과 피로강도를 개선하기 위해 Mn, Cr, Cu량도 증가시켰다.

 

이들 첨가원소는 재결정을 억제하고 압출 시 섬유조직의 생성을 조장하여 압출재의 인성과 피로강도를 향상시킨다.

 

섬유조직이 강하게 발달한 압출재는 압출방향으로의 강도가 현저히 증가하는데 이를 프레스효과 또는 압출특성효과라고 부른다.

 

그러나 6061합금은 압출성형성과 프레스 소입성이 나쁘기 때문에 6063합금과 6061합금의 중간정도의 강도를 가지는 6005A합금 또는 6N01합금이 개발되었다.

 

6063합금과 6061합금은 그림1-3에서 보는바와 같이 Mg/Si함량 기준선의 기울기를 1.73으로 유지하면서 Mg과 Si를 증가시키고 있다.

 

반면 6005A합금과 6351합금은 6063합금이나 6061합금에 비해서 Mg/Si 함량 기준선의 기울기가 1.73보다 작아 Si량이 과잉으로 첨가된 반면 Mg 함유량은 6063합금의 조성과 거의 같게 유지하고 있다.

 

이는 Si을 과잉으로 첨가하여 강화효과를 크게 하면서 동시에 압출성이 뛰어난 6063합금의 Mg조성(0.4-0.8%Mg)을 유지함으로서 압출성이 저하되지 않도록 하기 위한 목적이다.

 

그러나 Si이 과잉으로 첨가되어 Mg/Si 함량비가 낮은 영역의 합금은 입계균열을 일으키기 쉽고 인성이나 용접성이 저하되는 경향이 있어 Mn, Cr을 소량 첨가하여 입계균열이 진행되지 못하도록 보완하게 된다.

 

이외에 Al-Mg-Si계 합금인 6151합금은 단조가공성이 우수하고 내식성과 표면처리특성도 양호하기 때문에 복잡형상을 가지는 자동차부품에 적용되고, 6262합금은 6061합금과 비슷한 강도를 가지면서도 쾌삭성이 우수하여 카메라 경통, 브레이크 부품 및 기화기 등에 사용한다. 압연재로서는 6061합금이 약간 사용되며, 자동차보디시트용 압연재로는 6009와 6010합금이 응용되고 있다.

 

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