알루미늄 및 알루미늄 합금

본 논문 요약은 ['ASM International']에서 발행한 ['Aluminum and Aluminum Alloys'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

제목: 알루미늄 및 알루미늄 합금 (Aluminum and Aluminum Alloys)
저자: J.R. Davis
발행 연도: 2001년
발행 학술지/학회: ASM International®
키워드: (본문에서 명시적으로 제공되지는 않았으나, 내용으로부터 추론 가능) 알루미늄, 알루미늄 합금, 합금화, 특성, 응용, 주조, 가공 합금, 부식, 열처리, 용접, 브레이징, 솔더링, 기계 가공, 성형, 결정립 미세화제, 상 형성

Fig. 1 Relationships among commonly used alloys in the 2xxx series (Al-Cu)

2. 초록 또는 서론

본 자료는 "알루미늄 및 알루미늄 합금"은 알루미늄과 그 합금에 대한 입문 및 개요를 제공하며, 일반적인 특성과 다용도 응용 분야를 강조합니다. 알루미늄과 그 합금은 연성 포장재에서부터 까다로운 엔지니어링 응용 분야에 이르기까지 광범위한 용도에 적합한 매우 다재다능하고 경제적이며 매력적인 금속 재료로 제시되며, 구조용 금속으로서 강철 다음으로 널리 사용됩니다.

주요 특징으로는 강철 밀도의 약 1/3에 해당하는 낮은 밀도(2.7 g/cm³)가 있으며, 이는 우주, 항공, 육상 및 해상 운송 수단을 포함한 다양한 영역의 차량에 유리한 경량이지만 강력한 구조를 가능하게 합니다. 더욱이, 알루미늄은 철 녹과는 달리 긁힐 경우 즉시 재밀봉되는 얇고 불활성인 산화알루미늄 피막을 형성하여 점진적인 산화에 대한 저항성을 나타냅니다.

적절한 합금화 및 처리를 통해 알루미늄은 물, 염분, 환경적 요인 및 다양한 화학적, 물리적 작용제에 대한 내식성을 나타냅니다. 본 논문은 "합금화가 부식 거동에 미치는 영향(Effects of Alloying on Corrosion Behavior)" 섹션에서 알루미늄 합금의 부식 특성을 자세히 검토합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

알루미늄과 그 합금은 독특한 특성의 조합으로 인해 중요한 엔지니어링 재료입니다. 낮은 밀도와 높은 강도 대 중량비, 뛰어난 내식성 및 다용도 가공성은 수많은 산업 분야에서 필수 불가결하게 만듭니다. 본 논문은 알루미늄 합금의 기본적인 특성을 다루어 재료 과학 및 관련 분야의 엔지니어와 전문가에게 기초적인 이해를 제공합니다.

기존 연구 현황:

알루미늄 야금에 대한 이해는 합금화 원리, 가공 기술 및 특성 최적화에 대한 광범위한 연구를 통해 확고히 자리 잡았습니다. 알루미늄 협회(Aluminum Association)의 합금 명명 시스템은 널리 인정되고 사용되고 있으며, 이는 표준화된 지식 체계를 나타냅니다. "Metals Handbook Desk Edition"과 같은 기존 문헌은 화학 조성 및 국제 명칭에 대한 포괄적인 데이터를 제공하여 성숙한 연구 분야임을 보여줍니다.

연구의 필요성:

알루미늄 합금 기술이 성숙한 단계에 있음에도 불구하고, 핸드북 수준의 포괄적인 개요는 여전히 중요합니다. 이는 다양한 엔지니어링 응용 분야에서 기본적인 지식을 보급하고, 재료 선택을 안내하며, 제조 공정을 최적화하는 데 필수적입니다. 본 논문은 알루미늄 합금 야금의 핵심 측면을 단일하고 접근 가능한 문서로 통합하는 통합 자원 역할을 합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 논문의 주요 목적은 알루미늄 및 알루미늄 합금에 대한 핸드북 수준의 개요를 제공하고, 그 특성, 분류, 가공 특성 및 응용 분야를 상세히 설명하는 것입니다. 이는 다이캐스팅 기술 및 관련 엔지니어링 분야의 전문가를 위해 필수 정보를 통합하여 이 중요한 재료 시스템에 대한 쉽게 접근할 수 있는 자료를 제공하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

본 논문은 알루미늄 합금에 대한 기존 지식과 확립된 연구 결과를 종합합니다. 다양한 합금 시스템, 가공재 및 주조재, 그리고 재료 특성 및 가공 거동에 대한 합금 원소의 영향을 체계적으로 분류하고 설명합니다. 주요 연구 영역은 다음과 같습니다.

합금 원소 및 강화 메커니즘에 따른 알루미늄 합금 분류.
가공재 및 주조재 합금 시리즈(1xxx ~ 8xxx)에 대한 상세 검토.
기계적 특성, 내식성 및 가공 특성(성형, 기계 가공, 용접, 브레이징, 솔더링)에 대한 합금 원소의 영향.
결정립 미세화제 및 아공정 Al-Si 합금의 개량에 대한 논의.
알루미늄 합금의 상 형성 및 재료 거동에 미치는 영향 분석.

연구 가설:

핸드북 수준의 개요로서 본 논문은 새로운 연구 가설을 제시하지 않습니다. 대신, 알루미늄 합금의 거동을 설명하고 분류하기 위해 재료 과학 및 야금학의 확립된 원리를 기반으로 작동합니다. 근본적인 전제는 알루미늄 합금의 특성과 가공 특성이 조성, 미세 구조 및 가공 이력에 의해 근본적으로 결정된다는 것이며, 이는 논문 전체에서 체계적으로 탐구되고 설명됩니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 논문은 핸드북 챕터의 특징인 기술적이고 설명적인 연구 설계를 채택합니다. 확립된 야금학적 원리 및 산업 표준을 기반으로 알루미늄 합금에 대한 정보를 체계적으로 제시합니다. 설계는 명확성과 이해 용이성을 위해 합금과 특성을 분류하여 포괄적인 개요를 제공하도록 구성되었습니다.

자료 수집 방법:

본 논문은 알루미늄 야금 분야의 기존 문헌, 핸드북 및 확립된 지식으로부터 자료와 정보를 종합합니다. 자료는 표(표 1-11), 그림(그림 1-36) 및 설명 텍스트 형태로 제시되며, 모두 확립된 출처와 이전 연구에서 직접 파생되었습니다.

분석 방법:

분석 방법은 주로 질적 및 기술적이며, 합금 조성, 미세 구조, 가공 및 특성 간의 관계를 설명하는 데 중점을 둡니다. 본 논문은 상 다이어그램(그림 5, 그림 7), 강도 및 연신율의 그래픽 표현(그림 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 26, 28, 33, 34, 35, 36) 및 미세 구조 이미지(그림 24, 25, 29, 31, 32)를 사용하여 주요 개념과 추세를 설명합니다. 분석에는 합금 분류, 합금 원소 및 가공에 따른 특성 변화 설명, 구조화된 형식으로 확립된 지식 요약이 포함됩니다.

연구 대상 및 범위:

본 논문의 주제는 가공재 및 주조재 조성을 모두 포함하는 알루미늄 및 그 합금입니다. 범위는 광범위하며, 합금 분류, 강화 메커니즘, 가공 기술(성형, 기계 가공, 접합), 부식 거동 및 내마모성을 다룹니다. 본 논문은 상업적으로 중요한 알루미늄 합금과 다양한 산업 분야에서의 응용에 중점을 둡니다.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

본 논문은 알루미늄 합금에 대한 풍부한 정보를 체계적으로 제시하며, 주요 결과는 다음과 같이 요약됩니다.

합금 분류: 알루미늄 합금은 가공재 및 주조재 합금으로 분류되며, 주요 합금 원소(가공재 합금의 경우 1xxx ~ 8xxx 시리즈, 주조재 합금의 경우 1xx.x ~ 9xx.x 시리즈)를 기준으로 패밀리로 더 세분화됩니다.
가공재 합금 종류: 각 가공재 합금 시리즈(1xxx-9xxx)에 대한 자세한 설명이 제공되며, 특징적인 합금 원소, 특성 및 일반적인 응용 분야를 간략하게 설명합니다. 예를 들어, 2xxx 시리즈 합금(Al-Cu)은 항공기 응용 분야에서 높은 강도로 강조되는 반면, 6xxx 시리즈 합금(Al-Mg-Si)은 우수한 압출성 및 용접성으로 언급됩니다.
주조재 합금 종류: 주조재 합금 시리즈(1xx.x-9xx.x)에 대한 설명이 제시되며, 형상 주조의 경우 3xx.x 시리즈(Al-Si 기반)가 가장 일반적이며, 고강도 주조 응용 분야의 경우 2xx.x 시리즈(Al-Cu)가 강조됩니다.
합금 원소 효과: 본 논문은 다양한 합금 원소(구리, 마그네슘, 실리콘, 아연, 망간 등) 및 불순물(철, 실리콘)이 강도, 내식성, 가공성 및 용접성을 포함한 알루미늄 합금의 특성에 미치는 영향을 자세히 설명합니다. 그림 1, 2, 3 및 4는 각각 2xxx, 5xxx, 6xxx 및 7xxx 시리즈 내에서 일반적으로 사용되는 합금 간의 관계를 시각적으로 나타냅니다.
가공 특성: 알루미늄 합금의 성형, 기계 가공, 용접, 브레이징 및 솔더링에 대한 포괄적인 개요가 제공되며, 각 기술에 대한 합금 조성 및 가공 매개변수의 영향을 강조합니다.
결정립 미세화 및 개량: 본 논문은 결정립 미세화제(티타늄, 붕소) 및 개량제(나트륨, 스트론튬, 안티몬, 인)를 논의하며, 특히 Al-Si 시스템에서 미세 구조를 제어하고 특성을 향상시키는 데 사용됩니다. 그림 22, 23, 24, 25, 26, 28은 결정립 미세화제 및 개량제의 효과를 보여줍니다.
부식 및 내마모성 거동: 상세 섹션에서는 다양한 알루미늄 합금 시리즈의 부식 거동과 내식성에 대한 합금 원소의 영향을 다룹니다. 또한 알루미늄-실리콘 합금의 내마모성을 검토하여 실리콘 상의 역할을 강조합니다.

제시된 데이터 분석:

표와 그림을 포함한 제시된 데이터는 논문 전체의 기술적 설명을 일관되게 뒷받침합니다. 다양한 가공재 및 주조재 합금의 강도 범위(표 2 및 3)는 다양한 합금 시스템에 걸쳐 특성 변화를 정량화합니다. 일반적인 가공재 및 주조재 합금의 조성 범위(표 4 및 5)는 합금 선택에 대한 실질적인 지침을 제공합니다. 합금 관계(그림 1-4)와 합금 원소의 효과(그림 7-21, 30)를 보여주는 그림은 합금 거동 및 특성 추세에 대한 텍스트 설명을 시각적으로 강화합니다. 미세 구조 이미지(그림 24, 25, 29, 31, 32)는 결정립 미세화 및 개량 기술의 영향을 시각적으로 보여줍니다.

그림 목록:

Fig. 2 Relationships among commonly used alloys in the 5xxx series (Al-Mg). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units.

Fig. 3 Relationships among commonly used alloys in the 6xxx series (Al-Mg-Si). Tensile strength (TS) and yield
strength (YS) are in ksi units — Fig. 3 Relationships among commonly used alloys in the 6xxx series (Al-Mg-Si). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units

Fig. 4 Relationships among commonly used alloys in the 7xxx series (Al-Zn-Cu-Mg-Cr). Tensile strength (TS) and yield strength (YS) are in ksi units

Fig. 7 Equilibrium binary solid solubility as a function of temperature for alloying elements most frequently added to aluminum

Fig. 20 Effect of MgZn2 and MgZn2 with excess magnesium on tensile properties of wrought 95% Al; 1.59 mm (0.0625 in.) specimens, quenched in cold water from 470 °C (875 °F)

Fig. 21 Effect of zinc on aluminum alloy containing 1.5% Cu and 1 and 3% Mg; 1.6 mm (0.064 in.) thick sheet. Alloy with 1% Mg heat treated at 495°C (920 °F); that with 3% Mg heat treated at 460 °C (860 °F). All specimens quenched in cold water, aged 12 h at 135 °C (275 °F)

그림 1: 2xxx 시리즈(Al-Cu)에서 일반적으로 사용되는 합금 간의 관계
그림 2: 5xxx 시리즈(Al-Mg)에서 일반적으로 사용되는 합금 간의 관계. 인장 강도(TS) 및 항복 강도(YS)는 ksi 단위입니다.
그림 3: 6xxx 시리즈(Al-Mg-Si)에서 일반적으로 사용되는 합금 간의 관계. 인장 강도(TS) 및 항복 강도(YS)는 ksi 단위입니다.
그림 4: 7xxx 시리즈(Al-Zn-Cu-Mg-Cr)에서 일반적으로 사용되는 합금 간의 관계. 인장 강도(TS) 및 항복 강도(YS)는 ksi 단위입니다.
그림 5: 알루미늄-실리콘 상 다이어그램 및 순수 성분과 다양한 조성의 합금의 주조 미세 구조. Si가 12% 미만인 합금은 아공정, Si가 12%에 가까운 합금은 공정, Si가 12% 초과인 합금은 과공정으로 지칭됩니다.
그림 6: 주요 알루미늄 합금
그림 7: 알루미늄에 가장 자주 첨가되는 합금 원소에 대한 온도의 함수로서의 평형 2원 고용체 용해도
그림 8: 일부 상업용 알루미늄 합금에 대한 인장 항복 강도, 연신율 및 마그네슘 함량 간의 상관 관계
그림 9: 어닐링(O 템퍼)된 13mm(0.5인치) 두께의 Al-Mg-Mn 합금 판재 형태의 인장 특성
그림 10: 고순도 가공 알루미늄-구리 합금의 인장 특성. 시트 시편은 폭 13mm(0.5인치), 두께 1.59mm(0.0625인치)였습니다. O, 어닐링; W, 용체화 열처리 후 수냉 직후 테스트; T4, W와 동일하지만 상온에서 시효 경화; T6, T4와 동일하지만 고온에서 석출 경화 처리
그림 11: 합금 2419에 대한 냉간 가공 및 Mg 첨가의 효과. (a) 0.18 at.% Mg을 함유한 합금에 대해 149°C(300°F)에서 시효 경화에 대한 항복 강도 반응에 대한 냉간 가공의 효과. (b) Mg를 함유하지 않은 합금에 대해 149°C(300°F)에서 시효 경화에 대한 항복 강도 반응에 대한 냉간 가공의 효과.
그림 12: 자연 시효 경화된 재료에서 알루미늄-구리 합금 2419의 항복 강도에 대한 냉간 가공의 효과
그림 13: 525°C(980°F)에서 열처리된 Al-4%Cu-0.5%Mg 합금의 인장 특성과 망간 함량 간의 관계
그림 14: T6 템퍼에서 Al-0.3%Mn-0.2%Zr-0.1%V 합금의 구리 함량에 따른 인장 특성 변화
그림 15: 3가지 알루미늄 합금의 사형 주조 바에 대한 수소 기공률에 따른 극한 인장 강도
그림 16: 알루미늄 합금 356의 인장 및 항복 강도에 대한 가스 함량의 영향
그림 17: 알루미늄의 인장 강도 및 항복 강도에 대한 철과 실리콘 불순물의 영향
그림 18: H321 템퍼에서 13mm(0.5인치) 알루미늄-마그네슘-망간 판재의 인장 특성
그림 19: 565°C(1050°F)에서 냉수에 담금질한 1.6mm(0.064인치) 두께의 99.95% Al 가공재 시편의 인장 특성에 대한 망간의 효과
그림 20: 470°C(875°F)에서 냉수에 담금질한 1.59mm(0.0625인치) 시편의 95% Al 가공재의 인장 특성에 대한 MgZn₂ 및 과잉 마그네슘을 함유한 MgZn₂의 효과
그림 21: 1.5% Cu 및 1% 및 3% Mg을 함유한 알루미늄 합금에 대한 아연의 효과; 1.6mm(0.064인치) 두께의 시트. 1% Mg 합금은 495°C(920°F)에서 열처리; 3% Mg 합금은 460°C(860°F)에서 열처리. 모든 시편은 냉수에 담금질하고 135°C(275°F)에서 12시간 시효 경화
그림 22: 알루미늄 합금 356에서 다양한 모합금 결정립 미세화제의 효과 비교
그림 23: 알루미늄 합금 356 및 319에서 티타늄-붕소 결정립 미세화제의 효과
그림 24: 결정립 미세화 효과를 보여주는 주조 Al-7Si 잉곳. (a) 결정립 미세화제 없음. (b) 결정립 미세화. Poulton의 에칭액을 사용하여 에칭; 둘 다 2배
그림 25: 미개량(A)에서 잘 개량된(F) 상태까지의 다양한 알루미늄-실리콘 공정 개량 정도. 다양한 개량제의 효과에 대해서는 그림 26 참조
그림 26: 시간의 함수로서의 나트륨 및 스트론튬 개량제의 효과. 개량 정도에 대해서는 그림 25 참조
그림 27: 다양한 개량제를 사용하여 알루미늄 합금 356 용융물의 유지 온도 함수로서의 수소 함량.
그림 28: 개량 및 결정립 크기의 함수로서의 주조 A356 합금 인장 시편의 기계적 특성
그림 29: Al-22Si-1Ni-1Cu 합금의 미세 구조에 대한 인 개량 효과. (a) 미개량. (b) 인 개량. (c) 개량 및 플럭스 처리. 모두 100배
그림 30: 알루미늄의 전해 용액 전위에 대한 주요 합금 원소의 효과. 전위는 고순도 2원 합금 용체화 열처리 및 담금질에 대한 것입니다. 25°C(77°F)에서 유지된 53g/L NaCl + 3g/L H₂O₂ 용액에서 측정
그림 31: A357.0 아공정 합금의 일반적인 미세 구조
그림 32: A390.0 과공정 합금의 미세 구조. (a) 미개량(Graff-Sargent 에칭). 어두운 영역은 공정 실리카 외에 조대한 1차 실리콘 입자를 포함합니다. (b) 개량(연마 상태). 120배
그림 33: 5mm(0.2인치) 직경 인장 시편의 파단 변형률에 대한 미크론 크기 금속간 화합물 입자 및 기지 조성의 부피 분율 효과. Ao는 초기 단면적입니다. A는 파단 면적입니다.
그림 34: 어닐링 및 H34 템퍼에서 알루미늄 합금의 성형성에 대한 마그네슘 및 망간의 효과; 1.6mm(0.064인치) 두께의 시트
그림 35: 합금 2036에서 항복 강도 및 연신율에 대한 석출의 효과
그림 36: 다양한 알루미늄 합금의 상대적 단조성에 대한 온도의 영향. 수직 스케일은 생산 경험에서 추정된 단위 에너지당 변형을 기준으로 합니다.

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 핸드북 챕터는 다양성이 풍부한 알루미늄 및 알루미늄 합금의 세계를 포괄적으로 개괄합니다. 주요 연구 결과는 알루미늄의 다용도성이 독특한 특성으로 인해 강조되며, 이는 합금화를 통해 더욱 맞춤화된다는 점을 강조합니다. 가공재 및 주조재 합금에 대한 분류 시스템은 사용 가능한 방대한 재료 배열을 이해하는 데 구조화된 접근 방식을 제공합니다. 구리, 마그네슘, 실리콘 및 아연과 같은 합금 원소는 알루미늄 합금의 기계적 특성, 내식성 및 가공 특성을 결정하는 데 중요합니다. 열처리, 성형, 기계 가공 및 접합과 같은 가공 기술은 합금 조성에 의해 크게 영향을 받으므로 최적의 응용을 위해서는 신중한 고려가 필요합니다. 결정립 미세화 및 개량 기술은 특히 주조 공정에서 미세 구조를 제어하고 성능을 향상시키는 데 필수적입니다.

연구의 학문적 의의:

본 논문은 알루미늄 합금 야금에 대한 광범위한 정보를 단일하고 접근 가능한 핸드북 챕터로 통합하여 귀중한 학문적 자료 역할을 합니다. 합금 분류, 특성-조성 관계 및 가공 고려 사항에 대한 구조화되고 체계적인 개요를 제공합니다. 이 포괄적인 종합은 재료 과학, 야금학 및 엔지니어링 분야의 학생, 연구원 및 전문가에게 학문적으로 중요하며, 알루미늄 합금 기술에 대한 기초적인 이해를 제공합니다.

실용적 의미:

본 논문의 실용적 의미는 알루미늄 합금을 사용하는 엔지니어와 실무자에게 상당합니다. 응용 분야 요구 사항, 가공 방법 최적화 및 성능 예측에 기반한 재료 선택에 대한 필수 지침을 제공합니다. 합금 종류, 특성 변화 및 가공 특성에 대한 자세한 설명은 설계, 제조 및 품질 관리에서 정보에 입각한 의사 결정을 가능하게 합니다. 내식성 및 내마모성 거동에 대한 정보는 다양한 환경 및 응용 분야에서 장기적인 성능과 신뢰성을 보장하는 데 특히 관련성이 높습니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

핸드북 챕터로서 본 논문은 광범위한 개요를 제공하며 고도로 전문화되거나 최첨단 연구 분야를 깊이 파고들지는 않습니다. 각 특정 합금 시스템 및 가공 기술에 대한 심층적인 범위는 단일 논문의 범위에 의해 필연적으로 제한됩니다. 향후 연구는 다음과 같은 특정 측면을 확장할 수 있습니다.

알루미늄-리튬 합금 및 기타 새로운 합금 시스템의 최신 발전에 대한 심층 조사.
새로운 가공 기술이 미세 구조 및 특성에 미치는 영향에 대한 상세 연구.
특정 서비스 환경에서 고급 알루미늄 합금의 장기 부식 거동에 대한 추가 연구.
합금 설계 및 공정 최적화를 위한 전산 모델링 및 시뮬레이션 도구 탐색.
다양한 산업 분야를 위한 지속 가능하고 비용 효율적인 알루미늄 합금 솔루션의 지속적인 개발.

8. 참고 문헌:

Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys, J.R. Davis, Ed., ASM International, 1999
ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys, J.R. Davis, Ed., ASM International, 1993
Aluminum and Aluminum Alloys, in Metals Handbook Desk Edition, 2nd ed., J.R. Davis, Ed., ASM International, 1998, p 417–505
D.G. Altenpohl, Aluminum: Technology, Applications, and Environment, 6th ed., The Aluminum Association Inc. and TMS, 1998
Aluminum: Properties and Physical Metallurgy, J.E. Hatch, Ed., American Society for Metals, 1984

9. 저작권:

본 자료는 "[J.R. Davis]"의 논문: "[Aluminum and Aluminum Alloys]"을 기반으로 합니다.
논문 출처: DOI:10.1361/autb2001p351

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Tags: Al-Si alloy; ,Alloying elements; ,aluminum alloy; ,aluminum alloys; ,Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Microstructure; ,Quality Control