알루미늄 70계열 성질과 가공

7xxx계열 알루미늄 합금

 Al-Zn-Mg계 합금은 시효경화성이 우수하며, 생산량 측면에서는 다른 알루미늄 합금에 비해 적지만 7000계열 가공재합금으로써 AA 또는 JIS에 등록되어 항공기, 철도차량, 스포츠용품 등 일반적으로 높은 강도가 요구되는 구조재에 사용된다. Al-Zn-Mg계 합금을 대별하면 Cu를 함유하여 알루미늄 합금중 가장 높은 강도를 가지는 고강도 계열과 Cu를 함유하지 않고, Zn, Mg량을 적게 하여 용접성, 압출가공성, 부식성을 높인 중 강도 계열의 2계열로분리된다. 전자는 1938년에 일본에서 개발된 ESD(초두랄루민)가 시발점이지만, 후자도 그로부터 수년 후에 원조적 합금(ACD합금)이 개발되었다. 그후 합금조성, 가공, 열처리 등에 대해서 다수 검토, 개량되었으며, ESD개발로부터 반세기가 넘는 지금까지 AA에 등록된 합금의 종류는 7000계가가장많다.  

금속조직, 재료특성, 실용 합금의 용도등 기초에서 응용에 이르는 넓은 범위에 걸쳐, 현재의 Al-Zn-Mg계 합금에 대해 정리했다. 또 JIS규격에는 정해져있지 않지만, 일부 사용하고 있는 주물용 Al-Zn-Mg계 합금 및 7000계열의기초가되고 기초적 연구가 다수 행하여지고 있는 Al-Zn 2원합금에 대하여도 언급하였다.

화학 조성 및 주요용도

7XXX 계열의 열처리가 가능한 단련 Al 합금은 Al에 4∼8wt%Zn과 1∼3wt%Mg을 함께 첨가하여 만든다. 이 합금 중에는 어떤 상용 Al 합금보다도 가장 강도가 큰 합금이 있다. Zn 및 Mg은 둘 다 Al에서 높은 고용도를 가지며 일반적으로 높은 석출 경화성을 나타낸다. 이 Al-Zn-Mg 합금에 1∼2wt% Cu를 첨가하면 강도가 더욱 증가하여 고 강도 항공기용 Al 합금으로 사용할 수 있다. 

다방면에 걸친 연구 끝에 1945년에 7075합금이 개발되었다. 이 7XXX계열합금의 성공적인 개발은 Cr의 유익한 효과 때문이었으며, 이 합금으로 만든 판의 내응력 부식균열 (Stress-Corrosion Cracking Resistance)을 크게 향상 시켰다. 7075합금은 5.6%Zn, 2.5%Mg, 1.6%Cu 및 0.3%Cr을 함유한다. 좀 더높은 강도를 갖도록 7075 합금을 개량한 것이 7178 합금인데 1951년에개발되었다. 이 합금은 Zn, Mg 및 Cu의 함량이 좀 높다. 1960년에 개발된 7001합금이 공업적으로 생산되고 있는 가장 높은 강도를 가진 합금이며 7.4%Zn, 3.0%Mg 및 2.1%Cu를 함유한다.  

중간 정도의 강도를 지니고 용접성이 좋은, Cu가 함유되지 않은(0.1% 미만) Al-Zn-Mg 합금이 개발되었다. 7004 및 7005합금등은 트럭차륜, 트레일러 부품, 이동식교량, 기차 등에 사용된다. 표 10-1에 Al-Zn-Mg 및 Al-Zn-Mg-Cu 합금의 화학 조성과 주된 용도를 나타내었다.

Table1. Al-Zn-Mg합금및 Al-Zn-Mg-Cu합금의화학조성및주요용도 
 

7075 합금 판의 인공시효를 위해 2중시효처리가개발된것이다. 한가지 예를 들면 7075 합금판을 100℃에서 4시간 시효한 다음 157℃에서 8시간시효하며, 또 다른 방법은 120℃에서 3시간그리고 175℃에서 3시간시효한다. 이러한 시효처리로 작은 G.P존이 높은 밀도로 핵생성하고 성장하는 것 이므로 시효 온도가 더 높으면 약간 큰존이 높은밀도로 분포하게 된다.  

Al-Cu-Mg 합금의 경우와는 대조적으로 이 합금은 웅칭과 시효처리 사이에서 냉간 가공하여도 강도를 향상 시키지 못하며 약간 강도가 내려간다. 7XXX계열 합금은 거의 냉간 가공 처리하여도 좋은 반응을 얻을 수없다. 따라서 고용화 처리하고 웅칭한 다음 냉간가공에 의하여 새로운 전위를 많이 만들어도 Al-Cu-Mg 합금의 경우와 같이 경화상의 석출을 가속하지 못한다. 즉 그러한 처리로써는 Al-Zn-Mg-Cu 및 Al-Zn-Mg 합금의 강도를 증가시키는 것이 아니라 오히려 감소 시킨다. 　

Al-Zn-Mg 계 합금 특성

대표적인 열처리가 가능한 단련 Al-Zn-Mg 합금 및 Al-Zn-Mg-Cu 합금의 기계적 성질을 표2에 나타내 었다. 　

Table 2. 단련Al-Zn-Mg합금및단련 Al-Zn-Mg-Cu합금의대표적인기계적성질 
 

모든 Al 합금 중에서 상온 강도가 제일 큰 것은 Al-Zn-Cu-Mg 합금에서 개발되었다. 7.4%Zn, 3.0%Mg 및 2.1%Cu를 함유하는 7001 합금은 T651 조질로 열처리할 때 68.6kg/mm²의 최대 인장강도와 9%의 연신율을 갖는다. 이것이 7XXX계열합금에서 가장 강도가 큰 합금의 하나이다. 7XXX 계열 합금중에서 가장 널리사용 되고 있는 7075합금은 Zn, Mg 및 Cu의 함량이 낮으며(5.6%Zn, 2.5%Mg 및 1.6%Cu), T651 조질로 열처리할 때 58kg/mm²의 최대인장강도와 11%의 연신율을 갖는다. 이와 같은 높은 강도는 2중 시효처리에 의하여 생긴 높은 밀도의 G.P 존 과 betha' 석출물 때문에 얻을 수 있다. 알루미늄 합금에는 우선 강도가 요구되지만, 그 밖의 용도에 따라서 인성, 피로특성, 내 응력부식 균열성(내SCC성)등이 요구된다. Cu의 첨가는 강도의 내SCC성, 내피로 및 내부식 피로특성, 상온과 극저온에서의 연성 등을 높인다고 말한다. 실용의 고 강도 합금에는 Cu첨가에 의한 강화가 채용되고 있다.  

최근 파괴 역학에 입각해서 균열이 존재하는 재료의 불안정 파괴가 일어나기 어려움을 표시하는 파괴인성 KIC로 항공기등의 경량화를 추구하는 동시에 안정성이 요구되는 구조물에 사용되고 있다.