2000계 알루미늄-구리 2원계 합금 (Binary Al-Cu alloys)

1926년 미국에서 처음 개발된 2원계 Al-Cu합금은 5.5% Cu를 함유한 2025합금이다. 이 합금은 아직도 단조용으로 일부 사용되고 있지만, 1954년 개발된 6.3% Cu를 함유하는 2219합금으로 대부분 대체되었다. 2219합금은 용접성, 내식성이 좋고, 고온 특성이 좋고, 강도범위가 넓고 높다. Screw machine의 부품을 고속생산하기 위해 우수한 절삭성이 필요할 때는 5.5% Cu, 0.4% Bi, 0.4% Pb를 함유하는 2011합금을 사용한다. 

 

상태도

Cu는 가장 중요한 Al 합금원소 중 하나이다. Cu는 고용강화를 상당히 일으키며 적절한 열처리를 통해 석출물을 형성하고, 강도를 증가시킬 수 있다. Al에 대한 Cu의 최대 고용도는 공정온도 548도씨에서 5.65 wt.%이며, 온도가 내려감에 따라 급속히 감소하여 상온에서는 약 0.1 wt.% 미만으로 감소한다. 

 

Al-Cu phase diagram by ThermoCalc

 

Al-Cu 합금의 석출경화처리

최대의 석출경화 효과를 얻기 위해 Al-Cu 합금은 다음과 같이 처리한다.

1. alpha 고용체 영역(약 515도)으로 고용화 처리(solution heat treatment)한다.

먼저 Al-4%Cu 합금을 약 515도까지 가열하여 Cu와 Al 원자가 무질서하게 확산되어 균일한 고용체가 되도록 한다. 이 단계에서 합금은 alpha 고용체이다. 이 첫 단계의 고용경화 처리를 고용화 처리라고 한다. 

2. 상온 또는 그 이하로 급속히 quenching한다.

고용화처리 한 다음, 합금을 상온의 물에 급냉한다. 이 처리로 Al에 Cu가 과포화된 고용체를 만든다. 이 상태의 합금은 불안정하며, 전체 에너지를 낮추기 위해 준안정상(metastable phase)를 형성하고자 힘쓰게 된다. 준안정상을 석출시키는 구동력 (driving force)은 Al에 불안정하게 Cu가 과포화된 고용체를 이루고 있는 높은 에너지 상태이다.

3. 130-190도 범위에서 인공시효한다.

만일 상온에서 준안정상의 석출이 일어난다면 이 합금은 자연시효(natural aging)되었다고 한다. 어떤 합금은 자연시효로도 상온에서 만족할 만한 강도를 얻을 수 있지만, 대부분의 합금은 좀더 높은 온도에서 시효경화 즉 인공시효(artificial aging)를 해야한다. Al-4%Cu 합금의 경우 인공시효 온도로 130-190도 사이로 진행한다.

 

Al-Cu 합금에서 시효 중 형성되는 조직

석출경화된 Al-Cu 합금에는 과포화고용체, GP1 zone, GP2 zone (theta''), theta', theta (CuAl2)의 5가지 조직이 순서대로 확인된다. 이러한 5가지 상이 모든 시효온도에서 나타나는 것은 아니다.

GP1 zone: GP1 zone은 낮은 온도 약 130도 이하에서 형성되며, Al-Cu 합금의 과포화고용체 내에 Cu원자의 편석으로 인해 형성된다. GP1 zone은 지름이 약 8-10 nm 정도이고, 두께는 원자 몇 개 정도 0.4-0.6 nm인 원판 형태로 형성된다. {100}의 입방면에 형성되며, Cu 함량이 낮다. Cu 원자의 지름은 Al 원자보다 11% 작으므로 zone의 입방격자의 격자상수는 Al모상의 격자상수보다 작으며 정방형으로 변형이 일어난다. GP1 zone에서는 변형되는 부분이 생기므로 투과전자현미경으로 확인이 된다. GP1 zone은 전위의 이동을 방해하므로 경도를 증가시키고, 연성을 감소시킨다.

GP2 zone: 합금모상의 {100}면에  정합(coherent)되어 형성된 경우를 말한다. 130도에서의 시효시간이 길어질수록 zone의 크기도 커지지만, Cu함량도 증가한다. 지름은 10-100 nm 정도까지 성장한다.

theta' phase: 모상(matrix)과 부정합(incoherent)하게 형성된 준안정상이다. 과시효(overaging)되게 되면 이 theta'상이 많이 형성되게 된다. 이 상은 불균일하게 핵생성(nucleation)하며 특히 전위가 있는 곳에 핵생성이 잘된다. 크기는 시효온도 및 시간에 따라 다르며 보통 두께는 10-600 nm 이상으로 성장한다. 

theta phase: 약 190도 또는 그 이상의 온도에서 오랜 시간 시효하게 되면 부정합의 안정상인 theta, 즉 CuAl2를 생성한다. 이상은 BCT 구조이며 theta'으로 부터 형성되기도 하고, matrix에서 직접 생성되기도 한다. 

 

과포화고용체(supersaturated solid solution, SSSS) - GP1 zone - GP2 zone (theta'') - theta' - theta phase (CuAl2)

 

GP zone에 대한 추가설명은 아래 링크 참조

https://www.jeol.co.jp/en/words/emterms/search_result.html?keyword=GP%20zone 

Keywords | Glossary of TEM Terms | JEOL

 

참고문헌

[1] Smith, Structure and properties of engineering alloys, 2nd edition