KR920007926B1 - 알루미늄-리튬합금의 열처리방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

알루미늄-리튬합금의 열처리방법

제1도는 Al-Li합금중의 δ,δ'상의 솔버스라인(solvus line)을 나타낸 상태도.

제2도는 본 발명의 열처리방법을 개략적으로 보인 흐름도.

제3도는 본 발명의 열처리방법에 대한 일실시예의 열처리 과정을 보인 설명도.

본 발명은 알루미늄-리튬합금의 연신율을 향상시키기 위한 열처리방법에 관한 것이다.

금속리튬(Li)은 그 비중이 0.53g/㎤로서 금속중에서 가장 가볍고 연성이 매우 우수한 반면에 화학적으로 활성이 매우 커서 리튬금속 단독으로는 이용가치가 높지 못하나, 알루미눔에 첨가되어 알루미늄-리튬합금으로 되는 경우에는 알루미늄의 강도를 크게 향상시킴은 물론 알루미늄 합금자체의 중량을 상당히 감소시키는 역할을 한다.

특히, 알루미늄-리튬합금은 밀도가 낮은 한편 강도가 높고 탄성율이 높다는 특성을 지님에 따라 항공, 우주산업 분야를 비롯한 초경량 구조제 재료로서의 재료로서의 이용 뿐만이 아니라 상기 특성을 요하는 각종 산업분야에의 이용이 기대되고 있다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면, 현재 일반적으로 사용되고 있는 항공기구조용 고력알루미늄 합금을 알루미늄-리튬합금으로 대체할 경우 7-9%정도의 중량감소가 가능하여 항공기의 항속, 항공거리 증가는 물론 수송능력의 향상을 도모할 수 있으며, 또한 고강도 및 고경도가 요구되는 기존의 알루미늄 장갑재와 동등 수준의 방호력일 경우에 10%정도의 경량구조를 제작이 가능하여 장갑판재나 미사일분야에 적합한 소재로서의 유용성이 기대되고 있다.

그런데, 알루미늄-리튬합금은 기존의 2×××계 및 7×××계 고력알루미늄합금에 비해 연신율 및 파괴인성이 매우 낮다는 재질특성상의 문제점을 지니고 있다. 이같이 알루미늄-리튬합금에서 연신율 및 파괴인성이 낮은 원인으로는 주로 알루미늄-리튬합금계의 주석출상인 δ'(Al₃Li)에 의한 평면슬립(planer slip)의 발생과 이로인한 입계무석출물대(grain boundary precipitate free zone)에서의 우선변형에 따른 입계취화에 기인하는 것으로 알려져 있다.

따라서, 알루미늄-리튬합금의 연신율 및 파괴인성을 높이기 위한 방편으로 δ'상에 의한 전위의 평면슬립을 억제하기 위해서는 기지내에 δ'이외의 다른 부정합석출물을 석출시켜 전위의 평면슬립을 분산시킴으로써 입계취화를 방지하는 것이 요구된다.

이같이 알루미늄-리튬합금내에 δ'상 이외의 부정합석출물을 석출시킨 형태의 합금으로서 2090알루미늄합금을 들 수 있는데, 이 2090알루미늄합금은 알루미늄-리튬이원합금에 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr)이 첨가된 합금이다.

여기서 구리는 강화원소로 첨가되어 판상의 T₁상(Al₂CuLi)을 형성하여 기지와 부정합을 이루며 석출되어 전위의 평면슬립을 효과적으로 저지시킴으로써 합금의 강화에 기여한다. 그리고, 지르코늄은 주조조직을 미세화시키는 한편으로 구형의 β상(Al₃Zr)을 형성하여 입계이동을 저지시켜 재결정을 억제한다.

그런데, 현재 알려져 있는 Al-Li-Cu계의 2090합금은 구리와 리튬의 함량비에 따라 그 석출거동이 달라지는 것으로 보고되고 있기 때문에 2090합금범위의 모든 구리 및 리튬의 함량 변화조건에 대해서 동일한 열처리를 적용하기에는 어려움이 따르고, 또한 현재에 이르기까지 각 조성범위에 대한 구체적인 열처리 조건이 뚜렷하게 규격화되어 있지는 않고 있다.

이같은 Al-Li-Cu계 2090합금의 열처리방법으로서 일반적으로 사용되고 있는 방법의 예로는 최고강도를 얻기 위하여 용체화처리후 190℃에서 최고강도조건에 이르기까지 시효를 시키는 방법과 용체화 처리후 1-5%스트레칭(stretching) 혹은 냉간압연(cold rolling)한 후 190℃에서 시효시키는 방법등을 들 수 있다.

그러나, 이와같은 종래의 열처리방법을 통한 연신율의 향상은 한계가 있는 바, 특히 Al-2.3∼2.5 Li-2.7∼3.0 Cu-0.08∼0.15Zr범위의 2090합금은 리튬이 비교적 많이 함유되어 있어 연신율이 더욱 저하되는 경향을 보이는데, 대개 용해로 얻어진 시료에 대해서 실험한 결과 아래의 표 1에서와 같이 용체화 처리 후 스트레칭을 한 경우조차 1%이하의 매우 저조한 연신율을 나타내고 있음을 알 수 있다.

따라서 Al-Li-Cu계 2090합금의 연신율을 향상시키기 위해서는 새로운 열처리방법의 개발이 요구되고 있다.

[표 1]

이에따라, 본 발명은 2090알루미늄-리튬합금의 연신율 향상을 위한 새로운 열처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 이같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2090알루미늄-리튬합금의 강화효과가 δ'(Al₃Li)상과 T₁(Al₂CuLi)상의 두가지 석출물에 기인되고, 이들 중 δ'상은 전위의 평면슬립을 유도하여 입계파괴를 유발하는 반면에 T₁상은 전위의 이동을 저지하고 분산시킨다는 점을 감안하여 석출속도가 느린 T₁상을 충분히 석출시키는 한편으로 과시효된 δ'상을 선택적으로 재고용시킨 후 다시 석출시키는 열처리방법을 수행한다.

한편, Al-Li이원합금에서는 입계에서 불연속석출(DP : discontinuous precipitation)이 일어나는 것으로 알려지고 있는데, 이와같이 입계에서 불연속석출이 일어나게 되면 입계가 취약해져서 취성파괴의 요인으로 작용하게 된다(참조 : D.B Williams 및 J.W.Edington, ACYA METALL., Vol. 24, p323, 1976).

Al-Li-Cu계 및 Al-Li-Cu-Mg계의 실용합금에서 불연속석출이 관찰된 예는 거의 없으나, 본 발명은 취성파괴의 요인으로 작용하는 불연속석출을 배제하기 위하여 제1도의 δ, δ'상의 솔버스라인(solvus line)을 보인 상태도에서 관찰되는 불연속석출범위를 피하여 열처리를 행한다.

그리고, 본 발명에서는 열처리의 온도가 높아짐에 따라 조대한 입계석출물이 발생하는 것을 방지하기 위하여 용체화처리후 상온 시효를 거친 다음 스트레칭 혹은 냉간압연과 1단계 저온시효를 행함으로써 δ'상의 균일한 석출을 유도한다.

본 발명은 2090알루미늄-리튬합금중에서도 Al-1.9∼2.6 Li-2.4∼3.0 Cu-0.08∼0.15Zr 조성범위의 알루미늄-리튬합금의 가공열처리를 이용한 시효열처리방법에 관한 것으로 그 단계별 처리과정을 제2도의 흐름도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, Al-1.9∼2.6 Li-2.4∼3.0 Cu-0.08∼0.15Zr조성범위의 알루미늄-리튬합금을 용체화처리한후 약 24시간에 걸쳐 상온시효를 시킨다. 이어서 5%의 냉간압연 또는 스트레칭을 하고 120℃에서 24시간동안 1단계시효처리를 수행한 다음 석출된 δ'상을 재고용시키기 위하여 230℃-300℃에서 1분간 리버팅(reverting)처리를 한후 200℃-250℃에서 20분간에 걸쳐 2단계시효처리를 함으로써 δ'을 재석출시킨다.

상기 본 발명의 알루미늄-리튬합금의 열처리방법에서 열처리 조건을 한정한 이유를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

Al-Li합금은 다른 알루미늄 합금에 비해 열처리 조건에 따라 재질 특성이 민감하게 변화한다. 특히 주강화원소인 δ'(Al₃Li)상은 기지조직과 정합을 이루어 평면슬립(planar slip)을 조장하기 때문에 재료의 연신율을 저하시키는 결과를 낳는 반면에 T₁(Al₂CuLi)상은 전위의 이동을 효과적으로 저지시키기 때문에 평면슬립을 억제시키는 석출물로 작용함에 따라 δ'상의 생성을 억제시키고, T₁상을 미세하게 충분히 분포되도록 하는 열처리를 하면, Al-Li합금의 가장 큰 단점인 낮은 연신율을 개선시킬 수 있다. 그러나 δ'상은 용체화 처리하는 도중에서도 생성될 만큼 빨리 그리고 쉽게 형성되기 때문에 T₁상이 충분히 생성되는 조건에서는 이미 상당량 생성되거나 과잉성장되어 있는 상태가 된다.

따라서 기지조직내에 T₁상을 주로 생성시키고 δ'상의 과잉성장을 억제하기 위해서는 이미 생성되어 있는 δ'상을 선택적으로 재고용시키는 열처리조건을 필요로 하게된다.

Al-Li합금중의 δ,δ'상의 솔버스라인을 나타낸 제1도에서와 같이 리튬이 1.9-2.6wt%함유되어 있는 합금은 원자비로는 약 7.00-9.40at%정도되므로 이 경우 δ'의 고용한계 온도는 225℃-295℃범위가 된다. 따라서 δ'상을 재고용시키기 위한 열처리 온도는 합금조성에 따라 230℃-300℃의 범위내로 유지되어야 한다. 일단 δ'상이 재고용된 시료는 강도가 많이 떨어지기 때문에, 강도를 회복시키기 위해서는 적당량 및 크기를 갖는 δ'상과 T₁상을 충분히 성장시켜야 한다. T₁상은 190℃이상에서 시효시켜야 충분히 성장하나, 190℃부근의 온도에서 장시간 시효시키게 되면 δ'상이 재석출, 과잉성장하게 되므로 재료의 연신율을 저하시키는 결과를 가져온다. 따라서, 2단계 시효처리는 합금 조성범위에 따라 200℃-25-℃에서 20분정도의 짧은 시간동안 실시함으로써 δ'상의 과잉성장을 억제시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 열처리방법에서 스트레칭 후 예비시효 처리는 T₁상을 작고 미세하게 분포시키기 위한 처리로써 스트레칭에 의해 재료 내부에 생긴 전위나 결함등은 T₁상의 핵생성을 위한 처리이다.

이와같은 본 발명의 열처리방법을 통하여 얻어진 2090알루미늄-리튬합금은 합금본래의 강도를 거의 그대로 유지한 채 연신율을 5-6%까지 향상시킬 수 있으며 다른 조성범위의 합금에 대해서도 본 발명을 적용하는 경우에 비교적 높은 강도와 함께 연신율의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

[실시예]

본 출원인에 의해 선출원된 특허출원 제90-8873호의 대기용해에 의한 알루미늄-리튬합금의 제조방법을 통하여 Al-2.33 Li-2.5 Cu-0.09Zr조성의 알루미늄-리튬합금을 제조한 다음, 이 시료에 대하여 균질화처리를 수행하고 압출한 후 450℃에서 열간압연하여 2.2㎜두께의 판재를 제작하였다.

이같은 판상의 시료를 제3도의 열처리과정 설명도에서와 같이 570℃에서 1시간동안 용체화처리 한다음 24시간 동안 상온시효를 시키고 나서 5%냉간압연과 120℃에서 24시간에 걸친 저온시효를 행하였다. 석출된 δ'상을 재고용시키기 위하여 270℃에서 1분동안 리버팅처리를 하였으며 230℃에서 20분간 시효처리하여 δ'상을 재석출시킴으로써 시편 1을 제작하였다.

다음, 위의 시편1과 동일한 열처리 과정을 수행하되 단지 5%의 냉간압연 대신 5%의 스트레칭을 행하여 시편2를 제작하였으며, 또한 위의 시편 1과 동일한 열처리과정을 수행하되 리버팅처리온도 250℃로 하고 δ'상의 재석출을 위한 2단계시효처리를 250℃로 변화시켜 시편 3을 제작하였다. 이같은 본 발명의 열처리방법을 통하여 얻어진 시편들에 대한 강도 및 연신율의 측정결과는 아래의 표 2와 같다.

[표 2]

위의 표 2에서와 같은 본 발명의 열처리방법을 통해 얻어진 시편은 표 1에 나타난 바의 3%스트레칭을 행하는 종래의 열처리 방법에 의해 제작된 재료에 비하여 강도는 다소 떨어지고 있으나 연신율의 면에서 월등히 증가하고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 열처리방법은 리튬의 조성이 변화함에 따라 제1도의 δ'상 및 δ상의 솔버스라인에 대한 조건으로부터 리버팅온도를 230℃-300℃까지 변화시키는 것을 가능하고, δ'상의 재석출처리를 위한 2단계시효처리도 200℃-250℃의 범위내에서 변화가 가능하다.

Claims (1)

1. Al-1.9∼2.6 Li-2.4∼3.0 Cu-0.08∼0.15Zr조성의 알루미늄-리튬합금을 용체화처리 후 상온시효를 행한 다음 5%의 냉간압연 또는 스트레칭과 120℃에서의 1단계저온시효를 하고, 230℃-300℃에서 1분간 리버팅처리하여 δ'을 재고용한 다음 200℃-250℃에서 20분간 2단계시효처리하여 δ'상을 재석출시킴으로써 알루미늄-리튬합금의 연신율을 향상시킴을 특징으로 하는 알루미늄-리튬합금의 열처리방법.

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