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Al-4Cu-1.5Mg 분말 소결 합금의 공정조건에 따른 기계적 물성 향상 방안

초록/요약

논문 요약 (Abstract) 자동차 경량화를 위해 알루미늄을 이용한 부품 제작에 대한 연구가 증가하는 추세이다. 우수한 치수정밀도, 대량생산성 및 조성의 선택이 용이한 분말야금 공법을 적용하여 우수한 강도를 가지는 분말합금 소결체 제조 공정을 최적화 하고자 한다. 알루미늄 분말 합금의 문제점인 난소결성을 해결하고 기계적 물성을 증가시키고자 한다. 소결특성을 향상시키기 위해서는 적합한 성형압력 및 소결온도를 선정하여야 한다. 일반적으로는 높은 성형압력이 높은 성형밀도를 보장하나, 우수한 기계적 물성으로는 이어지지 않는 문제점이 있다. 소결온도의 선정 역시 다양한 온도범위를 가지고 있어 최적의 온도 선정이 요구되는 바이다. 알루미늄 합금 중 Cu와 Mg를 포함하는 2XXX 계열은 용체화처리를 통해 고용강화를 할 수 있으며, 이후 시효처리를 통해 석출강화도 가능하다. 석출상 형성에 미치는 요인은 용체화처리 온도, 시간 및 시효처리 온도, 시간 등이다. 이 중 과거 연구에서는 용체화처리 온도에 따른 연구와 시효처리의 다양성에 대한 연구를 많이 진행되었으나, 용체화처리 시간에 따른 석출상의 형성과 특징에 대한 연구는 널리 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 소결특성 향상과 기계적 물성 증가를 위한 연구를 진행하였으며, 첫 번째는 성형압력 및 소결 온도에 따른 알루미늄 분말의 소결 및 기계적 물성을 연구하였고, 두 번째는 용체화처리 시간에 따른 미세석출상의 변화 및 기계적 물성의 변화를 연구하였다. 성형압력과 소결온도에 따른 소결특성을 연구한 결과 성형압력 400MPa, 소결온도 615℃에서 가장 우수한 기계적 물성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 해당 압력 조건에서 분말간의 치밀화가 잘 일어나고 기공이 대부분 제거되며, 소결과정에서 액상소결과 고상소결이 일어나 액상소결이 진행됨과 동시에 기공채움이 일어나 우수한 소결밀도와 높은 기계적 물성을 가지는 것을 확인하였다. 용체화처리 시간에 따른 변화를 관찰한 결과 분말 입계에 잔류하던 Cu 액상이 기지 Al 상으로 고용되는 것을 확인하였다. 동시에 S 및 θ 석출상은 정합에서 반정합, 부정합으로 변하며 석출상의 조대화를 관찰하였으며, θ의 비율이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이는 임계크기(rcrit)를 초과하며 석출물들이 부정합으로 변화하며 조대화로 이어지고, 안정화된 고용체가 형성되어 형성에너지가 낮은 S상이 지배적으로 변하는 것을 관찰하였다.

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목차

1. 서 론 1
2. 이론적 배경 3
2-1. Al 분말 합금 3
2-1-1. Al-Cu 분말 합금 6
2-1-2. Al-Mg 분말 합금 9
2-1-3. 기타 Al 분말 합금 13
2-2. 소결 이론 17
2-2-1. 고상 소결 17
2-2-2. 액상 소결 18
2-3. Al 분말 합금의 소결 특성에 미치는 인자 21
2-3-1. 성형 압력 21
2-3-2. 윤활제 23
2-3-3. 소결 분위기 26
2-4. Al 분말 합금의 열처리 27
2-4-1. 용체화처리 27
2-4-2. 시효처리 27

3. 실험방법 33
3-1. 원료 분말(Al-4Cu-1.5Mg) 33
3-2. 성형 및 소결 조건 33
3-3. 열처리 조건 33
3-4. 특성 평가 34

4. 결과 및 고찰 39
4-1. 성형압력과 소결온도에 따른 소결특성 평가 39
4-1-1. 분말 성형 거동 평가 39
4-1-2. 미세조직 분석 42
4-1-3. 기계적 물성 평가 49
4-2. 용체화처리 시간에 따른 특성 평가 52
4-2-1. 용체화처리 시간에 따른 미세조직 변화 52
4-2-1-1. 용체화처리 시간에 따른 치밀화 거동 분석 52
4-2-1-2. 용체화처리 시간에 따른 석출상 거동 분석 57
4-2-2. 용체화처리 시간에 따른 기계적 물성 평가 64
5. 결 론 66
참고 문헌 67

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