알루미늄 합금의 개요 및 응용 분야.

알루미늄 합금은 알루미늄을 기반으로 한 합금을 통칭하는 용어입니다. 주요 합금 원소로는 구리, 실리콘, 마그네슘, 아연, 망간 등이 있으며, 부원소로는 니켈, 철, 티타늄, 크롬, 리튬 등이 포함될 수 있습니다.

알루미늄 합금은 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 비철금속 구조용 소재입니다. 항공, 항공우주, 자동차, 기계 제조, 조선, 화학 산업 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있습니다.

알루미늄 합금은 밀도는 낮지만 상대적으로 강도가 높아 고급 강철에 근접하거나 그 이상의 강도를 가지고 있습니다. 가소성이 우수하고 다양한 프로파일로 가공할 수 있습니다.

또한 전기 전도성, 열 전도성, 내식성이 뛰어납니다. 그 결과 알루미늄 합금은 산업 분야에서 널리 사용되고 있으며 그 사용량은 강철에 이어 두 번째로 많습니다.

알루미늄 합금은 우리 일상에서 매우 흔한 소재입니다. 문, 창문, 침대, 조리기구, 식기, 자전거, 자동차 등 모든 제품에 알루미늄 합금이 포함되어 있습니다.

초고강도 알루미늄 합금.

소개: 고강도 알루미늄 합금은 경량, 고강도, 우수한 가공 성능 및 우수한 용접 성능의 특성을 가지고 있습니다. 항공 산업 및 민간 산업과 같은 분야, 특히 주요 구조 재료 중 하나로 매우 중요한 위치를 차지하는 항공 산업에서 널리 사용됩니다.

최근 수십 년 동안 국내외 학자들은 고강도 알루미늄 합금의 열처리 공정 및 성능에 대한 광범위한 연구를 수행하여 상당한 진전을 이루었으며 항공 산업 생산의 다양한 측면에서 이러한 재료의 광범위한 적용을 크게 촉진했습니다.

초고강도 알루미늄 합금은 주로 AI-Cu-Mg 및 A1-Zn-Mg-Cu 합금으로 구성됩니다. 전자는 후자보다 정적 강도가 약간 낮지만 사용 온도가 더 높습니다. AI-Cu-Mg 시리즈 합금은 가장 초기에 개발된 열처리 강화 합금입니다. 항공 산업의 발전은 이 합금 계열의 개선을 촉진했습니다.

2014 합금과 2024 합금은 각각 1920년대와 1930년대에 개발되었고, 이어서 2618 합금이 개발되었습니다. 이 합금 시리즈의 개발은 더 성숙해졌으며 10가지 이상의 등급이 공식화되었습니다. 이러한 합금은 항공 재료 및 기타 재료로 널리 사용되었습니다.

도체에 고강도 알루미늄 합금 적용

국제 사회에서는 알루미늄-마그네슘-실리콘 타입의 고강도 알루미늄 합금 도체가 70년 이상 사용되어 왔습니다. 그 장점과 생산 기술의 지속적인 개선으로 인해 더욱 실용적이되었습니다. 프랑스로 대표되는 유럽에서는 송전선로에서 널리 사용되며 전체 선로 길이의 대부분을 차지합니다.

일본 내 송전선로 중 50% 이상이 알루미늄 합금을 사용합니다. 미국과 캐나다도 큰 비중을 차지하고 있습니다. 인도, 인도네시아, 필리핀 등 동남아시아 개발도상국에서도 도체 송전선로에 알루미늄 합금을 사용하고 있습니다.

초고강도 알루미늄 합금의 개발 동향

초고강도 알루미늄 합금은 광범위한 응용 가능성을 가진 중요한 경량 고강도 구조 재료입니다. 현재 다음과 같은 측면에 대한 개선이 필요합니다:

1. 복합 미세합금은 알루미늄 합금의 강화를 위한 중요한 방향이며, 연구 개발은 심도 있고 체계적으로 진행되어야 합니다;

2. 전통적인 잉곳 야금 준비 기술을 개선하고 고품질 잉곳 구조를 얻기 위해 고급 스프레이 성형 준비 공정을 개발합니다.

초고강도 알루미늄 합금은 높은 비강도, 높은 비계수, 높은 내손상성 및 내식성을 목표로 발전하고 있습니다. 정제 제련과 첨단 빌릿 생산 기술은 개발의 전제 조건이며, 강화 이론은 그 기반이 됩니다.

기존의 강화 이론을 바탕으로 첫째, 미세 역학 이론과 미세 결정 결함 이론을 결합하여 합금 조성 최적화 설계 수준을 향상시킵니다;

둘째, 다단계 및 다상 종합 강화 이론을 개발하여 미세 합금을 사용하여 합금의 잠재력을 탐색하고 합금 성능을 개선하며 새로운 알루미늄의 종류 합금;

셋째, 합금의 미세 구조를 정밀하게 제어하여 구조 및 성능에 대한 정밀 제어 이론을 형성하고 종합적인 성능이 향상된 초고강도 알루미늄 합금을 개발합니다.

고강도 알루미늄 합금의 개발 동향.

고강도 알루미늄 합금은 광범위한 응용 가능성을 가진 중요한 경량 고강도 구조용 소재입니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 적용에는 다음과 같은 어려움이 있습니다. 티타늄 및 티타늄 합금과 복합 재료로 대체되고 있지만, 주요 구조 재료로서의 위치는 기본적으로 변함이 없습니다.

현재 고강도 알루미늄 합금의 개발 추세는 다음과 같은 측면에서 이루어지고 있습니다:

(1) 미량 전이 원소와 희토류 원소를 추가한 복합 미세 합금으로 다양한 요구를 충족하는 다양한 새로운 고강도 알루미늄 합금을 개발합니다.

(2) 전통적인 잉곳 야금 준비 기술을 개선하고, 다양한 고급 용융 정제 및 변형 처리 방법을 사용하고 연구하여 잉곳의 야금 품질을 향상시킵니다.

(3) 고 용질 상태의 합금 열처리 공정에 대한 심층 연구, 합금 고용체 처리의 침전 강화 메커니즘 및 다양한 조건에서 다단계 및 다상 노화 침전을 연구하고 합금 매트릭스의 과포화 용해도를 개선하고 침전 된상의 체적 분율을 증가시키고 합금의 고강도, 고인성 및 우수한 내식성을 달성하기 위해 MPt, GBP 및 PEZ의 매칭을 최적화하는 것입니다.

내열성 알루미늄 합금

급속 응고 내열 알루미늄 합금의 적용 및 현안 문제

급속 응고 내열 알루미늄 합금 개발의 궁극적인 목표는 항공기 부품에서 티타늄 합금을 대체하는 것입니다. 최근 몇 년 동안 연구 결과에 따르면 이 분야에서 상당한 진전이 이루어졌으며 급속 응고 내열 알루미늄 합금의 일부 특성은 이미 특정 티타늄 합금과 비슷하거나 더 나은 것으로 나타났습니다.

빠르게 응고된 내열 알루미늄 합금은 압축기 블레이드와 베인, 터빈, 방열판 및 가스 터빈 엔진의 기타 부품을 제조하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 또한 로켓과 우주선의 특정 부품을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

급속 응고 내열 알루미늄 합금을 항공기 부품 제조에 사용할 경우 일반적으로 비용은 티타늄 합금의 30%에서 50%에 불과하지만 항공기 무게는 약 15%까지 줄일 수 있습니다. 내열성이 더욱 개선되면 적용 범위가 더욱 확대될 것입니다.

향후 내열 알루미늄 합금 연구 방향

급속 응고 내열 알루미늄 합금의 향후 연구 방향은 주로 다음과 같은 측면에 초점을 맞출 것입니다:

새로운 저비용 급속 응고 공정 개발. 스프레이 증착 급속 응고 공정은 RS/PM 공정에 비해 생산 공정을 단순화하고 원래 분말 입자의 계면 산화 문제를 방지하며 합금의 인성을 개선하는 동시에 생산 비용을 절감할 수 있습니다.

따라서 스프레이 증착 급속 응고 공정은 실제 적용을 위해 더욱 개선되어야 합니다.

가열 과정에서 과포화 매트릭스의 역할을 포함하여 합금의 내열 메커니즘에 대한 추가 연구가 진행 중입니다.

합금의 온도 취성 원인을 연구하고 인성을 더욱 향상시킬 수 있는 솔루션을 찾습니다.

알루미늄 기반 복합 소재.

복합 재료는 현대 과학 발전의 요구를 충족시키기 위해 등장한 강력한 생명력을 가진 재료입니다. 복합 소재는 서로 다른 특성을 가진 두 가지 이상의 재료로 구성되며 다양한 기술적 수단을 통해 결합됩니다.

복합 소재는 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다: 폴리머 기반 컴포지트(PMC), 금속 기반 컴포지트(MMC), 세라믹 기반 컴포지트(CMC)입니다.

금속 기반 복합재의 매트릭스는 주로 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 티타늄 등입니다. 알루미늄은 경량, 작은 밀도, 우수한 가소성, 마스터하기 쉬운 복합 기술, 쉬운 가공 등 복합 소재를 만드는 데 있어 많은 특성을 가지고 있습니다.

또한 알루미늄 기반 복합재는 비강도와 비강성이 높고, 고온 성능이 우수하며, 피로 저항성과 내마모성이 우수하고, 감쇠 성능이 우수하며, 열팽창 계수가 낮습니다.

다른 복합 재료와 마찬가지로 특정 기계적 및 물리적 특성을 결합하여 제품의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 따라서 알루미늄 기반 복합재는 금속 기반 복합재 중에서 가장 일반적으로 사용되고 중요한 소재 중 하나가 되었습니다.

주요 유형 및 애플리케이션 개요.

보강재의 종류에 따라 알루미늄 기반 복합재는 섬유 강화 알루미늄 기반 복합재와 입자 강화 알루미늄 기반 복합재로 나눌 수 있습니다.

섬유 강화 알루미늄 기반 복합재는 높은 비강도, 높은 비계수, 우수한 치수 안정성 등과 같은 일련의 우수한 특성을 가지고 있지만 가격이 비쌉니다.

현재 우주선, 인공위성, 우주정거장 등의 구조재로 항공우주 분야에서 주로 사용되고 있습니다. 입자 강화 알루미늄 기반 복합재는 인공위성 및 항공우주용 구조재, 항공기 부품, 금속 거울 광학 시스템, 자동차 부품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다;

또한 마이크로파 회로 부품, 관성 항법 시스템용 정밀 부품, 터보차저 추진기, 전자 패키징 장치 등을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다.

알루미늄 기반 컴포지트의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다:

알루미늄과 그 합금은 금속 매트릭스 복합재의 매트릭스로 적합합니다. 알루미늄 기반 복합재의 보강재는 연속 섬유, 단섬유 또는 구형부터 불규칙한 모양까지 다양한 입자가 될 수 있습니다.

현재 알루미늄 기반 복합재료의 입자 강화 재료로는 SiC, AL2O3, BN 등이 있습니다. Ni-Al, Fe-Al, Ti-Al과 같은 금속 간 화합물도 강화 입자로 사용되었습니다.

알루미늄 기반 복합 재료의 성능.

1. 낮은 밀도.

2. 치수 안정성이 우수합니다.

강도, 모듈러스 및 가소성. 알루미늄 기반 복합 소재에 보강재를 추가하면 강도와 탄성률은 증가하지만 가소성은 감소합니다.

4. 내마모성.

높은 내마모성은 알루미늄 기반 복합 소재(SiC 또는 Al2O3로 강화)의 특징 중 하나입니다.

5. 피로와 골절 인성.

그리고 피로 강도 은 일반적으로 모재보다 높은 반면 파단 인성은 감소합니다. 알루미늄 기반 복합재료의 피로 성능과 파괴에 영향을 미치는 주요 요인은 보강재와 매트릭스 사이의 계면 결합 상태, 매트릭스와 보강재 자체의 특성, 매트릭스 내 보강재의 분포입니다.

6. 열 성능.

보강재와 매트릭스 사이의 열팽창 불일치는 모든 복합 소재에서 피하기 어렵습니다.

복합 재료의 열팽창 계수를 효과적으로 줄이고 반도체 재료 또는 세라믹 기판과 열적으로 일치하도록 유지하기 위해 저팽창 합금을 매트릭스로 사용하고 크기가 다른 입자의 부피 비율이 높은 복합 재료를 제조하는 경우가 많습니다.

표 1 일반적인 보강재의 성능

알루미늄 기반 복합 재료의 응용.

(1) 자동차 산업에서 알루미늄 기반 복합 재료의 응용.

자동차 산업에서 알루미늄 기반 복합 소재의 적용에 대한 연구는 일찍부터 시작되었습니다. 1980년대에 도요타는 복합 소재를 사용하여 엔진 피스톤을 성공적으로 제조했습니다.

미국에서는 자동차 브레이크 디스크 제조를 위해 입자 강화 알루미늄 기반 복합 소재를 개발하여 무게를 줄이고 내마모성을 개선하며 소음을 크게 줄이고 마찰 열 방출이 빠른 자동차 브레이크 디스크를 제조했습니다.

이 회사는 또한 입자 강화 알루미늄 기반 복합 재료를 사용하여 엔진 피스톤과 기어박스와 같은 자동차 부품을 제조했습니다.

복합 재료로 만든 기어박스는 알루미늄 합금 기어박스에 비해 강도와 내마모성이 크게 향상되었습니다. 알루미늄 합금 복합재는 브레이크 로터, 브레이크 피스톤, 브레이크 패드, 캘리퍼 및 기타 브레이크 시스템 구성품을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다.

알루미늄 기반 복합 소재는 드라이브 샤프트 및 로커 암과 같은 자동차 부품 제조에도 사용할 수 있습니다.

(2) 항공우주 산업에서 알루미늄 기반 복합소재의 응용 분야

현대 과학 기술의 발전으로 특히 가볍고 유연한 고성능 항공기 및 위성을 제조해야 하는 항공 우주 분야에서 소재 성능에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 알루미늄 기반 복합 소재는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

투자금을 사용하여 캐스팅 프로세스 복합 소재를 개발하기 위해 티타늄 합금을 대체하여 직경이 크고 무거운 항공기용 카메라 렌즈 브래킷을 제조할 수 있으며, 열 전도성을 개선하면서 비용과 무게를 크게 줄일 수 있습니다.

동시에 이 복합 소재는 위성 리액션 휠과 방향 프레임용 지지 브래킷을 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다.

(3) 전자 및 광학 기기에서의 애플리케이션

알루미늄 기반 복합 재료, 특히 강화 알루미늄 기반 복합 재료는 낮은 열팽창 계수, 저밀도 및 우수한 열전도율의 장점으로 인해 전자 장비 라이닝 재료, 방열판 및 기타 전자 부품을 제조하는 데 적합합니다.

입자 강화 알루미늄 기반 복합 재료의 열팽창 계수는 전자 장치 재료의 열팽창 계수와 완전히 일치할 수 있으며 전기 및 열전도율도 우수합니다. 정밀 기기 및 광학 기기의 응용 연구 측면에서 알루미늄 기반 복합 재료는 망원경의 지지 프레임 및 보조 거울과 같은 부품을 제조하는 데 사용됩니다.

또한 알루미늄 기반 복합 소재는 관성 항법 시스템, 회전식 스캐닝 미러, 적외선 관측 미러, 레이저 미러, 레이저 자이로스코프, 반사경, 미러 베이스, 광학 기기 브래킷 등 다양한 정밀 기기 및 광학 기기용 정밀 부품을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다.

(4) 스포츠 장비에 적용.

알루미늄 기반 복합재는 목재와 금속 소재를 대체하여 테니스 라켓, 낚싯대, 골프채, 스키 등을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 입자 강화 알루미늄 기반 복합재로 만든 자전거 체인 기어는 가볍고 단단하며 쉽게 구부러지거나 변형되지 않아 알루미늄 합금 체인 기어보다 성능이 우수합니다.

실리콘 카바이드 입자 강화 알루미늄 기반 복합재.

가장 유망한 알루미늄 기반 복합 소재는 탄화규소 입자 강화 알루미늄 기반 복합 소재입니다.

실리콘 카바이드 입자 강화 알루미늄 기반 복합재는 가장 경쟁력 있는 제품 중 하나로 널리 알려져 있습니다. 금속의 종류 매트릭스 복합 재료.

기계적 특성, 특히 강도는 연속 섬유 복합재와 비교할 수 없지만 상당한 비용 이점이 있으며 보다 유연하고 다양한 제조 방법으로 쉽게 제조할 수 있습니다. 또한 전통적인 야금 장비를 사용하여 2차 가공할 수 있어 대량 생산이 용이합니다.

1990년대 냉전 종식 이후 여러 국가의 방위 산업 투자 감소로 인해 항공 우주와 같은 첨단 기술 분야에서도 섬유 강화 알루미늄 기반 복합재의 높은 비용을 감당하기가 점점 더 어려워졌습니다.

따라서 입자 강화 알루미늄 기반 복합재는 다시 한 번 광범위한 관심을 받고 있습니다. 특히 최근에는 주요 하중 지지 부품으로서 마침내 첨단 항공기에 적용되기 시작했고, 그 적용 전망이 더욱 낙관적으로 바뀌면서 연구 개발 작업이 다시 활발해졌습니다.

개발 동향 및 방향

현재 알루미늄 기반 복합재가 직면한 주요 문제는 특히 섬유 강화 알루미늄 기반 복합재의 경우 제조 비용이 높다는 점입니다.

보강재와 매트릭스 간의 결합 이론에 대한 추가 연구와 저비용 보강재 및 제조 공정의 지속적인 개발, 폐자재 재활용과 함께 알루미늄 기반 복합재는 우수한 성능을 유지하면서도 비용 효율성이 더욱 향상되어 적용 분야가 점점 더 넓어질 것입니다.

알루미늄 합금의 발전 전망

알루미늄 합금의 개발 방향은 다음과 같습니다:

• 열교환기용 복합 알루미늄 합금.
• 희토류 알루미늄 합금.

알루미늄 합금에 적절한 희토류 원소를 첨가하면 다음과 같은 정제 효과를 얻을 수 있습니다:

희토류는 알루미늄 합금에 정련 효과가 있습니다.

희토류는 알루미늄-실리콘 합금에 변형 효과가 있습니다.

희토류 알루미늄 합금은 전선 및 케이블 제조에서 구리를 대체할 수 있는 이상적인 소재입니다. 중국 제련소에서 생산되는 알루미늄 잉곳은 천연 자원의 영향으로 실리콘 함량이 높으며, 실리콘은 전도도에 영향을 미치는 주요 유해 불순물입니다.

과거에는 중국에서 생산되는 알루미늄 전선의 전기 전도도가 국제전기기술위원회의 표준을 충족하지 못하는 경우가 많았는데, 이는 알루미늄 전선 산업의 오랜 문제가 되었습니다.

중국 과학자들은 희토류의 도움으로 이 문제를 해결했습니다. 그들은 세계 최초로 미량의 희토류를 사용하여 알루미늄 액체를 처리하여 입자 경계에서 실리콘 침전과 함께 실리콘 화합물을 형성할 수 있도록 했습니다.

또한 희토류의 미세 합금 효과는 실리콘의 유해한 영향을 극복하여 전도성을 크게 향상시킵니다. 희토류는 또한 입자를 정제하고 매트릭스를 강화하여 전선 및 케이블의 기계적 강도와 처리 성능을 향상시킬 수 있습니다.

그 결과 중국산 알루미늄 전선 및 케이블의 전기 전도도는 국제전기기술위원회의 표준보다 약간 높을 뿐만 아니라 기계적 강도도 20%, 내식성은 두 배, 내마모성은 약 10배 증가했습니다.

이는 중국 알루미늄 와이어 및 케이블 생산의 후진성을 완전히 바꾸어 제품을 국제 선진 수준으로 끌어올렸습니다.

결론

실제로 우리 그룹은 대학에서 주최한 알루미늄 합금에 대한 연구 보고서가 매우 의미 있고 필요하다고 생각했습니다.

자율 학습을 통해 프로젝트 보고서를 작성하면서 이전에는 알지 못했던 인사이트를 얻을 수 있었습니다.

 먼저, 우리는 사회에 진출할 때 함께할 자가 학습 방법을 배웠습니다;

둘째, 정보를 수집하고 정리하는 방법을 배웠습니다;

 셋째, 팀워크가 무엇인지 배우고 단합과 협력의 중요성을 이해하게 되었습니다. 이전에는 이에 대해 잘 몰랐지만 이번 학습 활동을 통해 더 잘 알게 되었습니다.

처음에는 알루미늄 합금이 무엇인지 몰랐습니다. 생활 곳곳에 쓰인다는 것만 알았지 그 성질과 분류는 몰랐어요. 지금은 알고 있고 프로젝트 보고서에서 독학을 통해 배웠습니다.