Al-Cu 계 공정조성 부근 합금의 일방향 응고

Abstract

Commercially pure Al - Cu $Al_2$계의 공정부근의 합금 (29 ∼ 33.7wt.%Cu) 을 수직로에서 일방향응고 시켜 성장조건에 따른 조직변화를 고찰하고, 이에 따른 인장강도 및 연신율을 측정하였으며, 파면에 대한 주사전자현미경 검사도 수행하였다. $10^{-2} ∼ 10^{-3} cm/\sec$ 범위의 결정성장속도에서 일방향 응고시켰으며 이때에 액상의 온도구배는 $7 ∼ 84.5$℃/cm 범위로 하였으므로 G/R의 값은 약 $10^3 ∼ 10^5$℃/㎠/$\sec$ 범위에서 조절되었다. 일방향 응고시킨 조직을 광학현미경으로 관찰한 결과 각 조성에서 형성되는 조직은 G/R의 값에 따라 다르게 나타났으며, G/R이 클 경우에는 대체로 넓은 조성범위에서 lamellar조직 폭은 colony조직이 형성되었고 G/R이 작을 경우에는 dendrite형성 조성범위가 넓어졌다. 이때에 순수한 Al - Cu 합금에서 나타나는 ``Coupled growth``조성구간보다는 작은 ``Coupled growth``조성구간을 형성하여, G/R이 ``O``에 가까워질 경우에 Coupled growth 조성구간은 32 ∼ 33.5 wt.%Cu 로 나타났고, lamellar to dendritic transition부근의 성장조건하에서는 colony조직이 형성되었다. Colony조직내의 interlamellar spacing을 측정한 결과 lamellar 성장이론식인 $\lambda^2 R = A (where A = 1.8 \times 10^{-10}$ ㎤/$\sec$)를 만족하였다. 이는 성장도중에 colony가 형성될 경우에 중앙부의 lamellar가 접하는 고액계면은 거의 평활한 계면을 갖고 성장하기 때문이라고 사료된다. 일방향응고시킨 조직이 colony조직인 시편의 인장강도와 연신율은 lamellar조직과 마찬가지로 1 ∼ 3 μm interlamellar spacing범위에서 interlamellar spacing이 감소할 수록 증가하였고 lamellar조직을 가진 시편의 인장강도보다 낮은 인장강도를 나타내었으며, 주조상태의 시편에 비하여 전반적으로 인장강도와 연신율이 향상되었다. 이때에 얻은 최대 인장강도 및 연신율의 증가량은 각기 최소의 interlamellar spacing (∼ 1 μm)을 얻었을 때에 10 kg/㎟, 0.3%로 나타났다. 한편 파단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 연한 Al 상의 파괴 양상에 대한 model 설명을 덧붙였다. 본 연구의 의의는 commericially pure 공정조성부근의 합금을 G/R비를 크게하여 성장시킴으로써 넓은 조성구간에서 완전한 공정 조직을 얻을 수 있고, 이에 따라 인장강도 및 연신율이 향상될 수 있다는 데에 있다. 불순물을 첨가한 곰정합금을 시효시키면 기계적 성질 (인장강도 및 연신율)이 증가된다는 보고를 감안하면, 불순물을 첨가하고 넓은 조성범위에서 G/R비를 크게 (단R은 될수록 작게) 일방향응고시켜 lamellar조직을 얻으면 최대 인장강도 및 연신율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.