알루미늄 합금의 강도는 어떻게 높이나요?

Question

가벼운 알루미늄을 구조용 부품으로 사용할 때 충분한 강도를 확보해야 하는데, 합금 조성이나 가공 및 열처리 조건을 조절하여 기계적 성질을 변화시키는 방법에는 어떤 것들이 있는지 의견 부탁 드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

알루미늄은 순수 상태보다는 구리, 마그네슘, 아연, 실리콘 같은 원소를 첨가해 합금으로 만들게 되면 강도를 크게 증가시킬 수 있습니다.

합금 원소가 알루미늄 결정 속에 들어가 원자의 이동을 방해하는 고용강화가 기본적인 방법이고, 용체화처리와 시효처리를 통해 미세한 석출물을 만들면 전위 이동을 막기 때문에 강도가 크게 증가하는 석출 강화를 얻을 수 있게 됩니다.

그리고 압연이나 인발 같은 냉간가공을 하게 되면 전위가 늘어나서 가공경화가 일어나면서 강도와 경도가 올라가는 효과를 볼 수 있고, 결정립을 미세하게 만드는 것도 변형이 진행되는 경로를 방해하기 때문에 강도를 높이는 데 효과적인 방법입니다.

물론 강도를 너무 높일 경우 연성이나 성형성이 떨어지기 때문에 용도에 따라서 합금 조성과 가공량, 열처리 조건을 함께 잘 조절해야 합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

알루미늄 강도를 높이는 방법은 크게 세 갈래옝. 첫째는 합금 원소 첨가예요. 순수 알루미늄은 무른데 구리, 마그네슘, 아연, 규소 같은 원소를 섞으면 크기가 다른 원자가 원자 배열 사이에 끼어들면서 변형이 일어나기 어려워져요. 항공기용 두랄루민이 구리를 섞은 대표적인 예죠.

둘째는 열처리인데, 알루미늄에서 특히 중요한 게 석출 경화예요. 합금을 고온에서 녹아든 상태로 만든 뒤 급랭하고, 다시 적당한 온도로 데워 시효처리를 하면 합금 원소가 아주 미세한 입자로 재료 곳곳에 흩어져 나와요. 이 입자들이 변형의 통로를 막는 장애물 역할을 해서 강도가 몇 배로 뛰어요. 7000번대 합금이 이 방식으로 강철에 버금가는 강도를 내요.

셋째는 가공경화에요. 압연이나 인발로 재료를 눌러 변형시키면 내부 결함이 엉키면서 단단해져요. 결정 알갱이를 잘게 만드는 것도 강도를 올리는 방법이고요.

실무에서는 이 방법들을 조합해서 T6 같은 조질 기호로 관리해요. 용도에 맞는 합금 번호와 열처리 조건을 고르는 게 설계의 시작인 셈이죠 :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

알루미늄 합금의 강도를 높이는 대표적인 방법은 마그네슘 실리콘 아연 등의 원소를 첨가해 고용강화와 석출강화가 일어나도록 합금 조성을 조절하는 것입니다 또한 압연 단조 같은 소성가공으로 결정 내부의 전위를 증가시키는 가공경화를 이용할 수도 있습니다 특히 열처리가 가능한 6000계 7000계 합금은 용채화 처리 후 급냉하고 시효처리하여 미세한 석축물을 형성하면 강도가 크게 향상됩니다 다만 강도를 지나치게 높이면 연성 인성이나 내식성이 떨어질 수 있으므로 사용 환경에 맞춰 합금 조성 가공량 열처리 온도와 시간을 함께 최적화해야 합니다