Al-천이금속계 합금

Al-천이금속계 합금

일반적으로 전신재용 알루미늄합금에는 천이금속원소를 미량첨가되는 경우가 많지만 주요첨가원소로 첨가하는 경우가 있다. 이 경우 천이금속원소로 Fe, Cr, Ti, Zr등이 주요첨가원소로 들어가며 내열성의 개선을 주요 목표로 하고 있다. Al-천이금속계 합금은 급냉응고방법으로 개발하는 경우가 많다. 내열성을 목표로 하는 Al-천이금속계 합금은 다량의 Fe, Cr, Ti원소를 사용하고 있으며 제3원소를 미량첨가하는 삼원계이상의 합금이고 급냉응고분말제조법으로 통상 제조를 한다. 주된 Al-천이금속계 합금은 Al-Fe계, Al-Cr계 및 Al-Ti계가 FeAl3, CrAl3, TiAl3 등 평형상의 금속간 화합물로 존재하고 있다. Al-Fe계 합금으로 Al-Fe-Ce, Al-Fe,-Mo-V, Al-Fe-Zr-V등이 있으며, Al-Cr계 합금으로 Al-Cr-Fe, Al-Cr-Zr-Mn등 삼원계이상의 합금을 열거할 수 있고, Al-Ti계와 Al-Zr계합금은 주로 이원계 합금으로 이루워져 있다.

Al-Fe계 합금은 조성이 다른 많은 금속간화합물인 FeAl3, FeAl6, Fe2Al7, Fe6Al19이 있으나 평형상의 FeAl3와 비평형상인 FeAl6가 자주 금속간화합물로서 거론된다. 평형상의 FeAl3와 비평형상인 FeAl6은 Fe조성의 차이에서 뿐 아니라 응고조건에 따라 일어날 수 있다. 즉 응고속도가 빠르고 온도구배가 높은 급속응고를 수행할 경우 준안정 공정반응이 일어나고 비평형상인 FeAl6금속간화합물을 얻을 수 있다. Al-Fe계 합금을 급속응고시키면 고용한의 확대가 이루어지지만 과포화고용체의 분해과정은 GP대, 중간상, 준안정상인 FeAl6의 생성이 먼저 일어나고 후에 평형상인 FeAl3상이 얻어진다. Fe량의 증가에 따라 석출경화량은 증가하지만 Al-Fe합금의 평형고용한을 확대시키기 위해서는 대단히 빠른 냉각속도의 급속응고가 필요하다. 105-106K/sec의 냉각속도범위에서는 초정의 정출은 억제되지만 셀경계에 준안정상의 공정화합물이 분포된 수지상 셀조직으로 응고가 된다. Al-8wt%Fe합금을 냉각속도 105K/sec로 급속응고시킬 경우 1um이하의 균일하고 미세한 수지상 셀조직을 보여 우수한 고온 특성을 보인다. 이는 Al-Fe합금을 급속응고시킬 경우 다량의 Fe첨가가 가능하고 강도 특히 고온강도의 증가효과를 발휘할 수 있어 Al-Fe-X합금은 내열알루미늄합금으로 각광을 받는다. 그림1-5는 급속응고Al-Fe-Ce계 합금의 항복강도가 온도에 미치는 영향을 다른 고강도 알루미늄합금인 2024, 2219, 7178합금과 비교하여 보이고 있다.

<그림1. 급속응고시킨 Al-8Fe-4Ce합금에서 항복강도가 온도에 미치는 영향>

그림1에서 보는바와 같이 급속응고분말야금방법으로 제조한 Al-8Fe-4Ce합금은 200℃이상에서 고온강도가 우수하다는 점을 알 수 있고, 특히 300oC이상에서는 2024-T81, 2219-T87, 7178-T6합금보다 2-3배의 높은 고온강도를 가지고 있다. 이는 급속응고에 의해 미세한 수지상 셀조직과 함께 FeAl6금속간화합물이 미세하게 분산되어 있어 일반 시효경화형합금의 석출입자에 비해서 열적으로 안정이 되어 있기 때문이다. 내열알루미늄합금으로 미국 알코아회사에서 개발한 Al-Fe-Ce합금이 대표적이지만 Al-Fe-Mo, Al-Fe-Co, Al-Fe-Ni 등 3원계와 Al-Fe-Mo-V, Al-Fe-Zr-V 등 4원계합금도 많이 알려져 있다. Al-Fe계 합금은 고온강도의 향상뿐 아니라 탄성율과 경도의 증가도 있다. 탄성율은 Fe 1wt%당 2.5%정도의 증가를 가진다.

Al-Cr계 합금은 Al중에 Cr의 고용한이 평형상태에서 0.77wt%정도이지만 3x103K/sec로 냉각속도를 높이면 3wt%까지 고용한이 증가하고, 105K/sec로 급속응고시키면 10wt%까지 고용한을 증대시킬 수 있다. Al-Cr합금을 급속응고시키면 Cr이 3wt%이상에서 괴상의 Al7Cr이 정출하고 수지상 셀조직을 형성하여 경도를 증가시킨다. 그림2은 급속응고시킨 Al-Cr합금의 Cr첨가에 따른 경도변화를 보이고 있다. Cr원소의 첨가에 따라 경도는 직선적으로 계속증가하다가 4-5wt%Cr이상부터는 경도의 증가가 둔화된다.

<그림2 급속응고시킨 Al-Cr합금의 Cr첨가에 따른 경도변화>

Al-천이금속계합금은 일반적으로 급속응고를 통하여 천이금속원소의 고용한도를 높여 준안정상인 금속간화합믈들을 강제적으로 고용시키고 균일미세한 수지상 셀조직을 얻어 고온강도나 경도를 향상시키는데 목적을 두고 개발되었다.

 

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