Al-Zn-Mg계 합금(7000계열)

Al-Zn-Mg계 합금(7000계열)

 Al-Zn-Mg계 합금은 알루미늄 전신재 합금 중에서 기계적 강도가 가장 높은 고력합금으로서 1930년대 후반부터 초두랄루민(Extra Super Duralumin)으로 알려져 왔다. 이 합금은 일반적으로 항공기, 철도차량, 스포츠용품 등 비강도를 중요시하는 구조재료에 사용되고 있다.

 

이 합금은 Cu를 함유한 Al-Zn-Mg-Cu계 합금과 Cu를 함유하지 않은 Al-Zn-Mg계 합금으로 구분된다.

 

Cu를 함유한 대표적인 Al-Zn-Mg-Cu계 합금으로는 7075합금이 있으며 주로 고강도를 요구하는 구조재료에 응용되고 있다.

 

Cu를 함유하지 않는 대표적인 Al-Zn-Mg계 합금으로는 7N01합금이 있으며 강도는 7075합금보다 떨어지지만 압출가공성, 용접성, 내식성이 우수하여 철도차량과 같이 용접구조용재로 사용되고 있다.

 

표1는 대표적인 Al-Zn-Mg계 합금의 화학성분을 보이고 있다.

<표1. 대표적인 Al-Zn-Mg계 합금의 화학성분>

표1에서 보는바와 같이 Al-Zn-Mg계 합금에서 강도를 증가시키기 위해서 Cu를 첨가하는 7010, 7050, 7075, 7178합금이 있으며, 용접성을 향상시키기 위해서 Cu를 첨가하지 않는 7003, 7072, 7N01합금이 있다.

 

7072합금은 경우에 따라 7075판재의 부식을 방지하기 위한 클래드 재의 표면측 피복재로 사용되기도 한다. Mn, Cr, Zr, V 등 미량원소는 합금의 미세조직제어를 목적으로 첨가되며, 주조 시 결정립미세화를 위해서 미량의 Ti-B가 첨가되기도 한다.

 

7075합금은 알루미늄 합금중 최고의 강도를 나타내지만 내부응력부식균열(Season Corrosion Crack)이 쉽게 발생하여 이에 대한 방지대책이 중요하다. 내부응력부식균열을 방지하기 위해서는 첫째 합금원소의 조성을 적절히 선택하는 것이 필요하다.

 

Al-Zn-Mg계 합금은 Zn와 Mg의 첨가량이 증가하면 강도는 증가하지만 내부응력부식균열에 대한 저항성은 저하된다. 일반적으로 Zn/Mg 중량비는 2.7-3.0 이 양호하고 Mn, Cr, Zr, Cu, Ag 등의 원소를 미량첨가하면 내부응력부식균열에 대한 저항성은 개선된다.

 

Mn, Cu, Zr은 재결정의 억제와 재결정립의 미세화에 유효하고, Cu와 Ag는 입계와 입내와의 전위차를 완화시켜 부식저항성을 증가시키는 데 유효하다. 둘째 적절한 열처리조건을 선택하여 내부응력부식균열 저항성을 개선할 수 있다.

 

용체화 처리온도가 높거나 용체화 처리 후 냉각 속도가 너무 빠르면 내부응력부식균열이 쉽게 발생한다.

 

7075합금을 T73, T76 조질처리함으로써 강도는 T6 열처리한 경우에 비해 10-20%정도 희생하더라도 응력부식균열 저항성을 개선시킨 열처리방법이 있다.

 

한 강도의 희생을 최소화 하면서 내부응력부식균열 저항성을 향상시키는 복원시효처리(Retrogression Aging)가 알코아 회사에서 개발되었다.

 

이것은 T6 처리 후 고온(160-240oC)에서 단시간(0.8-300min)의 복원처리를 하고 다시 T6 상당의 시효처리를 행하는 것이다.

금속조직과 내부응력부식균열 저항성과의 연관 관계에 대해서는 여러 가지 논의가 있지만 응력부식균열 저항성을 개선하는데 유효하다고 여겨지는 미세조직학적 접근법으로는 다음 3가지가 있다. (i) 입계석출물의 분포를 저밀도화하고 크기를 조대하게 제어하는 것 (ii) 입계경사각을 작게 하는 것 (iii) 결정립을 미세화시키는 것이다. 입계석출물의 분포를 저밀도화하고 크기를 조대화시키는 방법으로 T73, T76 및 복원시효처리 등의 열처리 방법이 있고, 비재결정조직을 유지하거나 재결정 결정립을 미세화시키는 방법으로 Cr, Mn, Zr원소를 첨가하는 방법이 있다.

 

용접구조용 Al-Zn-Mg계 합금의 내부응력부식균열 저항성을 개선하는 방법을 정리하면 표2과 같다.

 

<표2. 용접구조용 Al-Zn-Mg계합금의 내부응력부식균열의 개선방법>

예로서 7075합금에서는 Cr원소를 미량첨가하여 재결정조직의 형성을 억제하거나 재결정조직을 미세화함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 증가시킨다.

 

한편, Zr원소는 Cr원소에 비해 소입성을 크게 저하하지 않으면서 결정립 미세화 효과를 얻을 수 있어 응력부식균열 저항성을 향상시키는데 효과적이다.

 

따라서 급냉처리가 어려운 후판이나 대형 단조재에 적용되는 7075 합금에는 미량의 Zr원소가 첨가된다.

 

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