(1) 7xxx계 알루미늄 합금의 특성
7XXx 계열 알루미늄 합금은 Zn을 주요 합금 원소로 하는 알루미늄 합금이며 열처리가 가능한 알루미늄 합금입니다. 합금에 Mg를 첨가하면 Al-Zn-Mg 합금이 됩니다. 이 합금은 열 변형 특성이 좋고 담금질 범위가 넓습니다. 적절한 열처리 조건에서 고강도와 양호한 용접 특성을 얻을 수 있습니다. 일반적으로 내식성이 좋고 응력 부식에 대한 일정한 경향이 있습니다. 고강도 용접이 가능한 알루미늄 합금입니다. Al-Zn-Mg-Cu 합금은 Cu를 첨가하여 Al-Zn-Mg 합금을 기반으로 개발되었습니다. 강도는 2X 계열 알루미늄 합금보다 높습니다. 일반적으로 초고강도 알루미늄 합금이라고 합니다. 합금의 항복 강도는 인장 강도에 가깝고 항복 강도비가 높고 비강도도 높지만 가소성과 고온 강도가 낮습니다. 실온 및 120도 이하에서 사용되는 하중 지지 구조 부품에 적합합니다. 합금은 가공하기 쉽고 내식성이 좋으며 인성이 높습니다. 이 합금 시리즈는 항공 및 항공우주 분야에서 널리 사용되며 이 분야에서 가장 중요한 구조 재료 중 하나가 되었습니다.
(2) 합금원소 및 불순물원소와 그 기능
① Al-Zn-Mg 합금 Al-Zn-Mg 합금의 주요 합금 원소는 Zn과 Mg이며, 그 함량은 일반적으로 7.5% 이하이다.
Zn 및 Mg: 합금의 Zn 및 Mg 함량이 증가함에 따라 인장 강도 및 열처리 효과는 일반적으로 그에 따라 증가합니다. 합금의 응력 부식 경향은 Zn 및 Mg 함량의 합과 관련이 있습니다. 높은 Mg 및 낮은 Zn 또는 높은 Zn 및 낮은 Mg 합금의 경우 Zn 및 Mg 함량의 합이 7%를 넘지 않는 한 합금은 우수한 응력 부식 저항성을 갖습니다. 합금의 용접 균열 경향은 Mg 함량이 증가함에 따라 감소합니다.
Al-Zn-Mg 합금에 첨가된 미량의 원소에는 Mn, Cr, Cu, Zr 및 Ti가 포함되고, 주요 불순물에는 Fe와 Si가 포함됩니다.
Mn과 Cr: Mn과 Cr을 첨가하면 합금의 응력 부식 저항성을 개선할 수 있습니다. Mn 함량은 0.2%~
{{0}}.4%에서는 효과가 크다. Cr 첨가 효과는 Mn 첨가 효과보다 크다. Mn과 Cr을 동시에 첨가하면 응력부식경향 저감효과가 더 좋을 것이다. 적정 Cr 첨가량은 0.1%~0.2%이다.
Zr: Zr은 A{{0}}Zn-Mg 합금의 용접성을 크게 향상시킬 수 있습니다. AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35 합금에 0.2% Zr을 첨가하면 용접 균열이 크게 줄어듭니다. Zr은 또한 합금의 최종 재결정 온도를 높일 수 있습니다. AlZn4.5Mg1.8Mn0.6 합금에서 Zr 함량이 0.2%보다 높으면 합금의 최종 재결정 온도는 500도 이상입니다. 따라서 재료는 담금질 후에도 강도를 유지합니다. 변형된 조직. Mn을 함유한 Al-Zn-Mg 합금에 0.1%~0.2% Zr을 첨가하면 합금의 응력 부식 저항성을 향상시킬 수도 있지만 Zr은 Cr보다 효과가 낮습니다.
Ti: 합금에 Ti를 첨가하면 주조 상태에서 합금의 입자 크기를 미세화하고 합금의 용접성을 개선할 수 있지만 효과는 Zr보다 낮습니다. Ti와 Zr을 동시에 첨가하면 효과가 더 좋습니다. Ti 함량이 0.12%인 AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 합금에서 Zr 함량이 0.15%를 초과하면 합금의 용접성과 신장성이 양호하며 0.2% 이상의 Zr을 단독으로 첨가했을 때와 동일한 효과를 얻을 수 있습니다. Ti는 또한 합금의 재결정 온도를 높일 수 있습니다.
Cu: Al-Zn-Mg 합금에 소량의 Cu를 첨가하면 응력 부식 저항성과 인장 강도를 개선할 수 있습니다. 그러나 합금의 용접성은 감소합니다.
Fe: Fe는 합금의 내식성과 기계적 성질을 감소시킬 수 있으며, 특히 Mn 함량이 높은 합금의 경우 그렇습니다. 따라서 Fe 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 그 함량은 0.3% 미만으로 제한되어야 합니다.
Si: Si는 합금의 강도를 감소시키고 굽힘 성능을 약간 감소시키며 용접 균열 경향을 증가시킬 수 있습니다. 합금의 Si 함량은 0.3% 미만으로 제한되어야 합니다.
② Al-Zn-Mg-Cu 합금 Al-Zn-Mg-Cu 합금은 열처리 합금입니다. 주요 강화 원소는 Zn과 Mg입니다. Cu도 어느 정도 강화 효과가 있지만 주요 기능은 재료의 내식성을 개선하는 것입니다.
Zn 및 Mg: Zn 및 Mg는 주요 강화 원소입니다. 공존하면 η(MgZn2) 및 T(Al2Mg2Zn3) 상을 형성합니다. η 상 및 T 상은 AI에서 큰 용해도를 가지며 온도의 상승 및 하강에 따라 극적으로 변합니다. 공융 온도에서 MgZn₂의 용해도는 28%이며 실온에서 4%~5%로 감소합니다. 강력한 노화 강화 효과가 있습니다. Zn 및 Mg 함량의 증가는 강도와 경도를 크게 향상시킬 수 있지만 가소성, 응력 부식 저항성 및 파괴 인성이 감소합니다.
Cu: Zn/Mg가 2.2보다 크고 Cu 함량이 Mg보다 클 때 Cu 및 기타 원소는 강화된 S(CuMgAlz) 상을 생성하여 합금의 강도를 증가시킬 수 있지만 반대의 경우 S 상의 존재 가능성은 매우 작습니다. Cu는 입계와 입내 사이의 전위차를 줄일 수 있으며 침전상 구조를 변경하고 입계 침전상을 미세화할 수도 있지만 입계 비침전대의 폭에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 입계 균열 경향을 억제하여 합금의 응력 부식 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 Cu 함량이 3%보다 클 때 합금의 내식성이 저하됩니다. Cu는 합금의 과포화를 증가시키고 합금의 인공 시효 과정을 100~200℃ 사이에서 가속화하고 GP 구역의 안정된 온도 범위를 확장하며 인장 강도, 가소성 및 피로 강도를 향상시킬 수 있습니다. Cu 함량이 너무 높지 않은 범위에서는 Cu 함량이 증가함에 따라 순환 변형 피로 저항성과 파괴 인성이 증가하고 부식성 매체에서 균열 성장률이 감소하지만 Cu를 첨가하면 입계 부식과 침식 부식이 발생하는 경향이 있습니다. 파괴 인성에 대한 Cu의 영향은 Zn/Mg 비율과 관련이 있습니다. 비율이 작을 때 Cu 함량이 높을수록 인성이 나빠지고 비율이 클 때 Cu 함량이 높더라도 인성이 여전히 매우 좋습니다.
합금에는 Mn, Cr, Zr, V, Ti, B와 같은 미량 원소도 소량 들어 있습니다. Fe와 Si는 합금의 유해한 불순물이며, 이들의 상호 작용은 다음과 같습니다.
Mn, Cr: Mn 및 Cr과 같은 소량의 전이 원소를 첨가하면 합금의 구조 및 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 이러한 원소는 주괴의 균질화 어닐링 중에 분산된 입자를 생성하고, 전위 및 결정립계의 이동을 방지하여 재결정 온도를 높이고, 입자 성장을 효과적으로 방지하고, 입자를 미세화하고, 열간 가공 및 열처리 후 구조가 미재결정 또는 부분적으로 재결정되도록 하여 강도를 향상시키고 응력 부식 저항성을 개선합니다. 응력 부식 저항성을 향상시키는 측면에서 Cr을 첨가하는 것이 Mn을 첨가하는 것보다 좋습니다.
Zr: 최근 Cr과 Mn을 Zr로 대체하는 추세가 있습니다. Zr은 합금의 재결정 온도를 크게 높일 수 있습니다. 열간 변형이든 냉간 변형이든 열처리 후 비재결정 구조를 얻을 수 있습니다. Zr은 또한 합금의 경화성, 용접성, 파괴 인성, 응력 부식 저항성 등을 향상시킬 수 있습니다. Zr은 Al-Zn-Mg-Cu 합금에서 매우 유망한 미량 첨가 원소입니다.
Ti 및 B: Ti와 B는 주조 상태에서 합금의 입자를 미세화하고 합금의 재결정 온도를 높일 수 있습니다.
Fe 및 Si: Fe 및 Si는 7XxX 알루미늄 합금에서 피할 수 없는 유해 불순물로, 주로 원료, 제련 및 주조에 사용되는 도구 및 장비에서 나옵니다. 이러한 불순물은 주로 단단하고 취성인 FeAl: 및 자유 Si의 형태로 존재합니다. 이러한 불순물은 또한 Mn 및 Cr을 갖는 (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr)과 같은 거친 화합물을 형성할 수 있습니다. FeAl3는 입자를 정제하는 효과가 있지만 내식성에 더 큰 영향을 미칩니다. 불용성 상의 함량이 증가함에 따라 불용성 상의 부피 분율도 증가합니다. 이러한 불용성 2차 상은 변형 중에 파손되고 길어져 띠형 구조가 되고 입자는 변형 방향을 따라 직선으로 배열됩니다. 불순물 입자는 입자 내부 또는 입자 경계에 분포되기 때문에 소성 변형 중에 일부 입자-매트릭스 경계에 기공이 발생하여 미세 균열이 발생하고 이것이 거시 균열의 원인이 됩니다. 또한 피로균열의 성장 속도에 큰 영향을 미칩니다. 파괴 시 국부 가소성을 감소시키는 일정한 효과가 있습니다. 불순물 수의 증가는 입자 간 거리를 단축시켜 균열 끝 주변의 소성 변형 유동성을 감소시킵니다. Fe와 Si를 함유한 상은 실온에서 용해하기 어렵기 때문에 노치 역할을 하며 쉽게 균열 원인이 되어 재료가 파손되어 연신율, 특히 합금의 파괴 인성에 매우 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 새로운 합금을 설계하고 생산할 때 Fe와 Si의 함량을 엄격히 제어합니다. 고순도 금속 원료를 사용하는 것 외에도 이 두 원소가 합금에 섞이는 것을 방지하기 위해 용융 및 주조 공정 중에 몇 가지 조치를 취합니다.