스크랩 알루미늄합금에 첨가되는 원소의 영향

[바보아빠]

● 알루미늄합금에 첨가되는 원소의 영향

1. 첨가원소의 영향

1) 구리 Cu ( Copper )

- Cu는 Zn, Mg과 함께 고온(용체화처리 온도)에서 고용(固溶)되며, 저온에서 析出

相을 형성하여 강도를 높여 준다.

2) 아연 Zn ( Zinc )

- 단독으로 쓰이지 않고 보통 Mg과 같이 사용하며 이때는 열처리에 매우 민감하게

되어 알루미늄 합금중에서 가장 큰 강도를 가지게 된다.

3) 규소 Si ( Silicon )

- 합금원소로 존재할때 다량의 Si 함량은 주조성을 좋게 하고, 소량일 경우(6xxx계)

에서와 같이 강도(Mg과 화합하여 Mg2Si를 형성)를 높이는 역할을 한다.

- 보통 Si량이 증가함에 따라 용탕의 유동성이 좋아지고, 강도가 증가하게 되는데

공정점(12.6%)에서 최대로 된다.

이 이상에서는 판상의 초정Si의 석출로 강도가 급격히 떨어지게 된다.

※ 공정( Eutectic Crystal )

2종의 금속성분이 어느 일정한 비율로 동시에 정출(晶出)하여 생긴 혼합물을 공정

이라고 한다.  여기서 말하는 정출은 액체에서 고체가 나오는 것을 말한다.

공정점에서 용융점이 가장 낮다.

4) 망간 Mn ( Manganese )

- Mn의 효과는 재결정온도를 증가시키고, 열간 가공에서 섬유조직의 형성을 촉진

시키므로 결정립 성장을 억제시킨다.

- 균질온도가 높을수록 , 어닐링시의 가열속도가 빠를수록 재결정립은 미세해진다.

그러나 고온에서 장시간 열처리를 할 경우 Mn은 입자가 성장하게 되고 분산상태

도 나빠진다.

- 1%이상 투입시 3xxx계 에서와 같이 강도를 증가시키고 성형성을 좋게하는 역할

을 한다.

- 첨가원소, 주조온도에 따라서 조대한 초정 금속간 화합물이 형성되기도 하는데

이러한 화합물은 불순물로서 가공시 균열과 Pin Hole의 원인이 되기도 한다.

- Mn은 보통 순수알루미늄 에서는 불순물로 작용한다.

- 열처리형 합금에 있어서 Mn, Cr, Zr, Fe등의 천이원소(재결정 방해 원소)는 Si

및 Al과 화합물을 형성하여 기지조직 중의 Si량을 감소시키기 때문에 시효경화

속도를 늦추고 최대 경도를 저하 시킨다.

5) 마그네슘 Mg ( Magnesium )

- Cu와 거의 비슷한 효과를 가지고 있다.

- 상온에서도 어느정도 고용도가 있어 5xxx계에서와 같이 고용경화의 효과를 준다.

- Mg는 비중(1.74)이 낮고 융점(650℃)도 낮아 산화되기 쉽다.

6) 철 Fe ( Iron )

- Fe는 알루미늄에서 발견되는 가장 일반적인 불순물이다. 용융Al에 높은 고용도를

가지고 있어 용융 상태에서 쉽게 용해 되어진다.  Al내에 존재하는 Fe의 대부분은

Al이나 다른 요소와의 화합물인 제2상으로 나타난다.

- Fe는 기계적성질을 해치므로 적당량을 투입하기도 한다.

소량 투입시 Grain Size를 감소시켜 약간의 강도증가와 온도의 증가에 따른 더 좋

은 Creep(금속에 응력을 가하면 비교적 저하중시에도 고온에서는 서서히 연속적

인 소성적 신장이 일어나는 현상)성질을 제공한다.

- 내열성을 중요시 할 때 적당량을 투입하기도 한다.

7) 크롬 Cr ( Chromium )

- 소량 투입시 조직 미세화 역할을 하나 용체화처리후 냉각속도가 느리거나 고온에

서 장시간 유지할 경우 Cr입자가 성장할 뿐만 아니라 Cu와 화합물을 형성하여 Cu

량을 감소 시키므로 강도를 저하시킨다.

- Cr은 열처리형 합금에 있어서 열간가공 및 열처리 중에 재결정 및 결정립 성장을

억제하는 역할을 한다. 또한 발달된 섬유조직은 응력부식에 대한 민감성을 감소

시키고 인성을 개량한다.

- Cr은 양극산화 피막에 노란색을 띄게 된다.

8) 납 Pb ( Lead )

- Pb는 Bi와 함께 저융점 금속으로서 기계가공성(절삭성)을 향상 시킨다.

- Pb는 비중이 무겁기 때문에 용해 및 주조 중에 편석이 발생할 우려가 많다.

- Al-Cu-Mg합금에서 Pb는 열간균열을 일으키기 쉽다.

- Pb는 독성이 있다.

9) 비스무스 Bi ( Bismuth )

- Bi는 Pb, Sn, Cd와 같은 저융점 금속으로서 절삭성 합금에 첨가된다.

- Al-Mg합금 에서는 Na에 의한 열간균열을 방지하기 위해서 0.002~0.02%를 첨가

하는 경우가 많다.

10) 티타늄 Ti ( Titanium )

- Ti는 결정립 미세화제(Grain Refiner)로써 사용된다.

- 결정립 미세화 효과를 극대화 시키기 위해서는 Ti 단독 첨가가 아닌 Ti + B를

첨가해야 한다.

- Ti는 알루미늄의 전기전도도를 감소 시키지만 B첨가에 의해서 생성되는 TiB2에

의해 감소되는 범위를 줄일 수 있다.

11) 붕소 B ( Boron )

- Boron은 입자 미세화와 전기 전도도를 좋게 한다. 즉 Al내에 있는 V, Ti, Cr, Mo

와 같은 불순물이 전기 전도도에 미치는 유해한 영향을 개량하기 위해 첨가한다.

- Boron은 0.005~0.1%의 수준으로 첨가되며 응고 시 미세화 원소로 작용된다.

Ti를 B보다 많은량을 같이 첨가하면 결정립 미세화 효과는 크다.

12) 베릴륨 Be ( Beryllium )

- Mg를 함유하고 있는 합금에서는 0.001~0.005%의 Be를 첨가 함으로서 산화와

제품의 탈색을 크게 감소시킨다.

- Al-Mg-Si 합금에서는 0.01~0.05%의 첨가량에 의해서 용탕의 유동성과 주조성

그리고 제품에 대해서는 연성을 증가 시킨다.

- Be는 열간균열을 방지하는데 기여함으로 주조 시 Crack이 발생하기 쉬운 합금에

대해서는 0.001~0.01%의Be를 첨가하는 경우도 있다.

- Be는 알루미늄의 부식저항에 영향을 주지 않는다.

- Be의 약점은 노출시에 강도와 내구성과 관련해서 특히 민감하며 Be을 포함하는

화합물, 먼지의 흡입은 심각한 독성을 일으킬 수 있다. 따라서 용접 할 때는 Be의

함량을 제한하고 있으며, 음식이나 음료의 용기로는 사용할 수 없다.

13) 바나듐 V ( Vanadium )

- Vanadium은 전도성을 감소시키나, 알루미늄 합금에서는 금속간 화합물로 석출

하여 전도성을 향상 시키는 역할을 하므로 전도체 합금에 이용된다.

- 합금의 재결정 온도를 상승시키고 결정립을 미세화 하는데 도움을 주며  강도를

높이면서 열팽창 계수를 감소시킨다.

14) 코발트 Co ( Cobalt )

- 일반적으로 알루미늄 합금에는 Co를 첨가하지 않는다.  Al-Si+Fe합금에 있어서

Co를 첨가하면 침상의 β상을 구형상으로 만들어 강도 및 신율에 기여한다.

15) 몰리브덴 Mo ( Molybdenum )

- Al에 Mo는 0.1~1.0 ppm(0.00001~0.0001%)만큼 불순물로써 함유하고 있다.

- Mo는 결정립 미세화 역할을 하나 현재는 사용하지 않는다.

16) 주석 Sn ( Tin )

- Sn은 Pb, Bi 등과 같이 기계가공성(절삭성)을 향상시킨다.

- Al-Cu합금에 Sn을 0.05%정도 첨가하면 용체화열처리 및 인공시효 열처리 특성이

개선되어, 강도증가 및 부식저항의 향상에 영향을 준다. 하지만 적은량의 Mg가

존재 한다면 Mg와 Sn이 부정합 2차상의 화합물을 형성하여 인공시효 특성을 크게

감소시킨다.

- Sn 첨가량이 많으면 열간균열이 발생하기 쉽다.

17) 카드뮴 Cd ( Cadmium )

- 알루미늄에서는 저융점 원소로서 제한적으로 사용되고 있다.

- Al-Zn-Mg에 있어서 Cd는 기계가공성(절삭성)을 향상시키다. Pb와 Bi보다 융점이

높기 때문에 Pb와 Bi보다 쾌삭성이 우수하다. 또한 시효시간을 단축 시키는 역할

도 한다.

- Cd화합물은 독성을 일으키기 쉽다.

18) 인듐 In ( Indium )

- 저융점 원소로서 쾌삭성 합금에 사용되고 있다.

- In은 Cd처럼 상온시효를 감소 시키지만 인공시효는 증가시킨다.

- In이 첨가된 합금에 Mg를 첨가하면 In의 효과는 감소된다.

19) 스트론튬 Sr ( Strontium )

- Al-Si합금에서 Sr은 Na와 함께 개량처리제로 사용된다.

20) 안티몬 Sb ( Antimony )

- Al-Mg합금에 있어서 열간균열 방지용으로 첨가되는 Bi 대신에 사용하기도 한다.

- Al-Si합금에서 Si의 개량화 및 공정Si의 미세화 역할을 한다.

- Sb는 독성 문제 때문에 사용이 제한되고 있다.

21) 인 P ( Phosphorus )

- 과공정Al-Si합금(14~25%Si)에서 Si의 개량화 및 미세화 역할을 한다.

- 아공정Al-Si합금(5~9%Si)에서 P는 존재하는양 만큼 개량화처리를 방해 한다.

22) 칼슘 Ca ( Calcium )

- Al-Si합금에서 Si의 개량처리제로 사용되고 있다.  강도는 감소하고 연신율은 증가

되는 특성을 가지고 있다.

- 용탕중의 수소가스를 제거하는 효과가 있다.