알루미늄 합금의 석출강화 (Precipitation strengthening)

Behavior of precipitation

1. Formation of a cluster (group of atoms)
2. Guinier–Preston (GP) zone (coherence with matrix)
3. Metastable / Intermediate phase (semi coherence with matrix)
4. Stable phase (incoherence with matrix)
General precipitation process:
Super-saturated solid solution - cluster - precipitates

 

Precipitation strengthening
Shear mechanism and Orowan mechanism
Shear stress is inversely proportional to grain size and distance.
Thus, fine precipitation is important.

석출 강화 과정에 대한 주요한 분석방법
경도시험: 시효시간에 따른 경도의 변화를 알 수있다.
전도율측정: 주요한 고용원자의 농도의 변화를 알 수 있다.
DSC측정: 석출의 유무를 알 수 있다.
TEM관찰: 석출물을 직접 관찰하는 것이 가능하다.

특히, 경도, 전도율의 변화에 따라 석출 거동에 대해 이해할 수있다.
여기에서, 전도율은 용질의 농도와 용질 1개에 대한 저항의 기여에 의존한다. 클러스터의 경우 고용된 상태일 때 보다 저항에 대한 기여가 크다. 석출물이 생성되면, 그 만큼 모상(matrix) 내에 고용된 용질의 농도가 감소하게 되어, 전도율이 상승하게 된다. 클러스터가 생성하는 단계에서는 경도의 증가와 전도율의 감소가 동시에 일어난다. 석출이 일어나면 전도율이 증가하게 된다. 단, 전위의 회복에 따른 전도율의 증가 등 석출 이외의 영향을 받을 수 있기 때문에 해석에 있어 주의가 필요하다.

안정상의 석출물이 형성되기 까지의 과정에 대한 모식도 [1]

 

용체화처리한 합금에 대해서 age-hardening process를 진행하게 되면, 고강도를 얻을 수 있게 된다. 일반적으로 Precipitation hardening한다. 금속의 모재(matrix) 내부에 미세하고 균일한 2차 상의 입자를 형성함으로써 금속의 강도와 경도를 증가시킬 수 있다. 이러한 공정은 미세한 입자의 석출상의 형성을 수반하므로 석출 경화라고 하며 시간에 따라 경도가 증가하므로 시효경화(age hardening)라고 하기도 한다. 석출 경화는 용체화열처리 석출열처리 순서에 의해 수행된다.

 

용체화열처리(solution heat treatment)를 하게 되면, 용질 원자가 완전히 모상 내에서 고용체로 존재하게 된다. 단일상만 존재하는 온도를 유지해서 용질이 완전히 용해되도록 한 후, 급랭시키면 용질 원자의 확산을 막고, 용질 원자가 용매의 모상 내에서 과포화 상태가 된다. 이러면 용질 원자가 모상에 과포화된 비평형상태로 존재하게 된다. 일반적으로 낮은 온도에서는 용질의 확산 속도는 굉장히 느려서 비평형상태가 상당히 오랫동안 유지된다.

 

석출열처리 (precipitation heat treatment)를 하게 되면 과포화된 고용체의 확산이 일어나게 되고, 석출상(precipitate)이 미세하게 분산된 입자의 형태로 형성 된다. 적당한 시효 시간 후에 합금은 상온으로 냉각하게 되면, 석출상은 합금의 강도와 경도를 현저히 증가시키는데, 그 정도는 현재 온도와 시효시간에 따라 달라진다.

알루미늄-구리 상태도와 알루미늄-구리 합금에서 열처리 과정 중 관찰 가능한 조직의 모식도 [2]

 

참고문헌
[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering

[2] Raymond Aurelius Higgins, Engineering Metallurgy, 6Th Edition