Zn/Mg 비가 높은 Al-Zn-Mg 합금의 시효경화특성

국문 초록 (Abstract)

1. 目的
알미늄輕合金中 超强力合金인 Al-Zn-Mg系 合金(ESD, 75S等)은 第2次大戰中 世界重要 各國에서 거의 同時에 開發되어 主로 軍用航室機의 製造에 쓰여져 왔다. 그러나 이 合金은 應力腐食感受性이 敏感하기 때문에 充分히 그 自體强度를 發揮하지 못하는 缺點이 있다. 大戰後 今日까지 이 合金에 關한 硏究는 精力的으로 계속되어왔고 諸特性의 機構等도 大部分 明白히 알려졌다. 그러나 ESD나 75S가 實用化되면서부터 30餘年經過한 오늘날까지 그 組成이며 熱處理方法 및 應力腐食感受性等에 關하여 實用上 뚜렷한 改善이 되어 있지 않다. 따라서 그 物理的(機械的)化學的 性質도 開發當初에 比하여 거의 向上되어 있지 않은 것은 極히 奇妙한 現象이라고 느껴진다.
戰前 많은 사람들에 依하여 硏究되었으나 實用化되지 못한 Al-Zn-Mg系 强力合金을 檢討하여 보면 거의 例外없이 Zn와 同時에 Mg量도 높다. 卽 高Zn 高Mg로서 Zn/Mg 比가 낮은 것이 特徵이다. 이것은 狀態圖上으로서는 T區域合金이다. 이들 合金은 强度는 높으나 高溫變形抵抗이 크고 또 應力腐食 感受性이 대단히 敏感하여 實用化되지 못하였다. 따라서 現在의 實用合金은 이를 合金보다 Zn와 함께 Mg의 量도 낮은 것이 常例이다. 한편 Zn量을 높이고 Mg量을 낮게한 所謂 Zn/Mg 比가 높은 Al-Zn-Mg系合金(η相區域)에 對하여서는 現在까지 거의 硏究되어 있지 않다. 따라서 Zn/Mg 比가 높은 高Zn 低Mg의 Al-Zn-Mg合金에 對하여 一聯의 檢討를 加하는 것은 더 優秀한 新合金開發에 對한 實用的 見地뿐만 아니라 金屬學的 面에서도 意義깊다고 生覺한다.
Fig.1-1은 200℃에서의 Al-Zn-Mg三元系의 Al귀의 擴大斷面圖이다. 이것으로 볼 때 從來의 三元合金 範圍의 Zn7% 以下, Mg 1.2% 以上은 어느 것이나 α+T相임을 알 수 있다. Fig.1-2는 Fig.1-1과 같은 斷面圖에 이제까지의 硏究에 依한 抗張力 曲線이다. 그림이 있어서 X票는 現在쓰이고 있는 Al-Zn-Mg系 世界 主要國의 漂準規格合金이다. α+η相區域에서의 O票는 本 硏究에서 取扱한 合金으로 이 領域에서의 同强度線은 本實驗結果로 採擇한 것이다. 이들 曲線은 α-T區域의 曲線延長과 잘 連結됨을 알 수 있다.
2. 實驗方法
試料는 Zn 10%에다 Mg을 0.5, 0.75, 1.0% 添加한 高純度合金을 主로 하고 比較하기 爲하여 市販實用合金과 組織이 비슷한 Zn 5%, Mg 1.6% 高純度三元合金 및 7NOl(JIS)合企을 擇하였다.
以下에서는 Zn 10%系合金을 X合金, 比較試料인 Zn 5%, Mg 1.6% 合金을 A合金, 7NOl 合金을 B合金이라고 부르기로 한다. Table 1에 이들 合金의 化學組成을 나타냈다. 時效硬化의 測定은 Vickers 硬度計에 依하였다. 本報에서는 (1) 時效溫度의 影響, (2) 二段時效에 있어서의 豫備時效의 影響, (3) 直接燒入과 復元後의 時效, (4) 時效擧動에 의한 Mg의 影響, (5) 燒入速度의 影響, (6) 活性化 energy等에 對하여 實驗한 結果에 對하여 報告한다.
3. 結果
3.1. 時效溫度의 影響
450℃, 30分의 溶體化 處理後 0℃의 食鹽水에 燒入한 試料에 對하여 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 170°, 190℃의 各溫度에서 時效를 行하였다. Fig. 2-1, 2는 例로서 60℃ (2-1)와 150℃(2-2)의 時效硬化曲線을 나타냈다. 120℃ 以上의 高溫時效의 경우 一般三元合金에서는 二段時效의 影響이 현저히 나타난다. 이 때문에 60℃에서 H_v=120에 到達하기까지 豫備時效를 行하고 150℃의 溫度에서 時效한 結果의 一例를 Fig. 3에 나타냈다. Fig. 2-2와 Fig. 3을 比較하면 A, B 合金에서는 二段時效의 效果가 현저하나 X合金에서는 復元完了後의 硬化는 Fig. 2-1과 거의 같으며 따라서 二段時效의 影響이 없다.
3.2. 二段時效에 있어서의 豫備時效의 影響
Fig. 4-1, 2는 豫備時效溫度의 影響을 實驗한 것으로 H_v=100까지 30°∼120℃의 各溫度에서 豫備時效를 行한 것을 190℃에서 時效硬化 處理하였을 때의 硬化曲線을 X合金과 A合金을 比較하여 나타냈다. 여기서도 X合金과 A合金과의 二段時效硬化의 差異는 현저함을 알 수 있다.
3.3. 直接燒入과 復元後의 時效
3.3.1. 直接燒入
X合金에 二段時效의 影響이 없는 것은 一般三元合金에 比하여 T_c가 높은 것에 基因한다고 生覺된다. 이點을 檢討하기 爲하여 X合金에 對하여 溶體化處理溫度부터 各種溫度의 油浴에 直接 燒入하고 그때의 硬度變化를 測定한 것이 Fig.5이다. 그림에서 보는 바와 같이 150℃, 160℃의 直接時效에 對하여 硬度는 漸漸增加하나 165℃ 以上의 時效일 때는 硬度가 上昇하지 않고 燒入直後의 硬度値와 별로 다름이 없다. 따라서 이 合金의 T_c 는 165℃ 근방이라고 解釋된다. 이것은 이 溫度近方에서 過剩空孔이 全部 消滅하고 따라서 核形成을 하기 爲한 活性化 energy가 높고 全面析出이 抑制되는 結果轉位며 粒界에 少數의 粗大한 粒子가 析出成長하기 때문이라고 生覺된다.
3.3.2. 復元後의 時效
Fig. 6은 X-10合金에 對하여 60℃에서 H_v=100에 達할때까지 aging한後 200℃에 30秒間 復元處理를 하고 다시 60℃로 再時效한 때와 冷水燒入 時效를 比較한 것이다. 또 Al-10% Zn 二元合金에 對하여 같은 處理를 行한 曲線을 參考로 나타냈다. 復元處理는 純 二元系에는 影響이 크며 最高硬度에 達하기까지는 10^6倍나 늦어진다. 이것은 復元處理에 依하여 空孔이 sink에 消滅한 때문에 G. P zone의 形成이 抑制되었기 때문이라고 生覺된다. 이에 對하여 X合金은 最高硬度에 達할 때까지의 時間에 關한限 遲延이 없다. 卽 Al-10%Zn 純二元系에 Mg을 1.0% 添加한 것은 空孔의 sink에의 消滅速度가 相當히 制限을 받음을 알 수 있다. 이것은 Mg原子에 依하여 空孔이 捕獲되었기 때문이라고 解釋된다.
3.4. 時效擧動에 미치는 Mg의 影響
Fig. 7은 Al-10% Zn 純二元系의 30°, 60°, 90°, 120℃의 時效曲線이다. 純二元系에 있어서는 時效速度는 대단히 빠르고 30℃에서는 約 20分에 最高硬度에 達한다. 또 60℃에서는 30秒, 90℃ 및 120℃의 時效에서는 數秒에 벌써 最高硬度에 達하고 以後 過時效에 依하여 軟化가 始作된다. Fig. 8은 Al-10% Zn 純二元系에 Mg을 0.1% 添加한 合金에 對한 30°∼120℃에 對한 時效曲線이다. 卽 Al-10% Zn 純二元系에 0.1%Mg을 添加하므로 因하여 最高溫度가 H_v=85에서 H_v=95로 上昇하고, 어느경우에 있어서도 時效速度가 대단히 抑制되고 10⁴_10^5倍나 늦어진다. 이 그림에 依하여 30° 및 60℃는 이 合金의 T_c 以下의 溫度이고 90℃ 는 T_c 近方, 120℃는 T_c 以上의 溫度임을 알 수 있다.
3.5 燒入速度의 影響
Fig. 9는 450℃의 溶體化溫度에서 0℃의 鹽水에 燒入한 것과 空冷한 것의 60℃의 時效曲線이다. 前述한 燒入-再時效에 依하여서는 豫測된 것처럼 燒入時의 感受性은 大端히 鈍感하며 空冷한 것과 冷水燒入한 것은 時效速度나 硬度値가 거의 같음을 알 수 있다. 이것을 實用材로서 大端히 取扱하기 쉬운 特徵이라고 할 수 있다.
3.6 活性化 Energy
上述한 바와 같이 X系合金 및 A.B合金共히 이들 合金은 30°∼120℃ 範圍의 溫度에서는 二段時效의 影響이 없고 硬度가 單調히 增加한다. 따라서 析出이 單一熱活性化 過程에 依하여 律速된다고 生覺된다. 따라서 다음式이 成立된다. H_v∝αf(t)·exp-Q/kT, Fig.10의 H_v=120으로 하였을 때 이 式에 依하여 Q를 求한 結果를 나타냈다. 卽 이 그림으로부터 活性化 energy Q는 0.56∼0.63 ev임을 알 수 있다.
4. 總括
Zn/Mg가 높은 高Zn 低Mg의 Al-Zn-Mg 合金의 時效硬化의 特徵을 一般의 三元合金과 比較하여 檢討한 結果
1. 時效硬化速度가 빠르고 最高値가 높다.
2. 二段時效의 影響이 없고 高溫時效일 때도 一段時效處理로서 可하고 또 常溫放置를 하여 結果的으로 二段時效로 되어도 마이너스의 效果는 認定되지 않는다.
3. 燒入感受性도 純感하여 空冷으로서 燒入이 可能하고 時效硬化能을 減退시키지 않는 時效硬化特徵을 가지고 있음이 明白하게 되었다. 또 Al-Zn 二元系에 Mg을 添加하면 高最硬度値는 上昇하나 時效析出은 相當히 抑制되고 10⁴∼10^5倍나 늦어진다(0.1% Mg). X系合金 및 A,B合金의 Zone形成의 活性化 energy는 二元系(Al-Zn) 때보다 0.1∼0.2 ev 增加함이 本實驗結果로서 明白히 되었다.