시효 온도에 따른 Ni 고용도 변화가 Al-Mg-Si 합금의 석출 거동에 미치는 영향 = Solubility-dependent role of Ni in precipitation and thermal stability of Al-Mg-Si alloy

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 인공시효 동안 미량원소의 고용도에 특히 주목하여 Ni 첨가가 Al-
Mg-Si 합금의 석출 거동에 미치는 역할을 조사하였다. 실험은 Base 합금(Al-
0.73Mg-0.42Si)과 Ni-added 합금(Al-0.73Mg-0.42Si-0.11Ni)을 대상으로 200 ℃ 및
260 ℃에서 인공 시효하여 수행되었다. 그 결과, Ni 첨가는 시효 온도와 무관하게
Si 가 Ni-rich 클러스터에서 이종 핵 형성함으로써 βʺ의 미세화를 유도하여 시효
경화 반응을 현저히 향상시키는 것으로 나타났다. 반면 260 ℃에서는 βʺ 및 βʹ
계면에서의 Ni 편석이 더욱 뚜렷해져 과시효 시 열 안정성 향상에 기여한다는
사실도 확인되었다.
Ni 는 βʺ의 저밀도 실린더 구조 또는 βʹ의 habit plane 에서 sub-unit 구조를
형성하는 점에서 Cu 와 유사한 solute partitioning 거동을 보인다. 그러나 Cu 와
달리 Ni 는 장기간의 과시효 동안 궁극적으로 pure 상으로 배출되는데, 이는 Ni 가
C 나 Q’ 같은 4 원계 석출물로 안정화될 수 없기 때문으로 추정된다. APT 분석은
Ni 의 두 가지 서로 다른 용질 상태 간 비율이 시효 온도에서의 고용도에 따라
달라지며, 이것이 βʺ 및 βʹ의 기지/석출물 계면 편석에 기여하는 Ni 의 용질의
양을 주로 결정함을 보여준다. 이러한 결과는 시효 온도에서의 고용도가
저고용도 미량원소의 역할을 결정하는 것에 중요함을 강조하며, Ni 가 Al-Mg-Si
합금의 석출 경로를 조절하는 데 있어 Cu 에 대한 독특한 대안이 될 수 있음을
시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the role of Ni addition on the precipitation behavior of Al-Mg-Si
alloys, with particular emphasis on the solubility of trace elements during artificial aging.
Comparative experiments were performed on a Base alloy (Al-0.8Mg-0.4Si) and a Ni-added
alloy (Al-0.8Mg-0.4Si-0.05Ni) subjected to aging at 200 °C and 260 °C. The results reveal that
Ni addition significantly enhances the age-hardening response by refining βʺ precipitates, which
is primarily attributed to heterogeneous nucleation of Si clusters at Ni-rich clusters, regardless
of aging temperature. Whereas at 260 °C, Ni segregation at the βʺ and βʹ precipitate interfaces
becomes more pronounced, contributing to improved thermal stability during over-aging. Ni
exhibits solute partitioning behavior similar to Cu forming sub-unit structure at the low-density
cylinder structure of βʺ and (100) or (510) habit plane of βʹ. However, unlike Cu, Ni is
ultimately expelled as a pure phase during prolonged over-aging, which is presumed to be
because Ni cannot be stabilized by forming quaternary precipitates such as C or Qʹ phases. Atom
probe tomography demonstrates that the ratio between two different solute states of Ni is
dependent on solubility at the aging temperature, and this mainly determines how many Ni
solutes contributes to solute segregation at the matrix/precipitate boundary of βʺ and βʹ. These
results emphasize the importance of solubility at the aging temperature in governing the role of
low-solubility trace elements and suggest that Ni provides a unique alternative to Cu for tailoring
precipitation pathways in Al-Mg-Si alloys.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 이론적 배경 3
• 1. 알루미늄 합금 3
• 2.1.1 Al-Mg-Si 계 (6000 계) 합금 4
• 2.1.2 Al-Mg-Si-Cu 계 (6000 계) 합금 6
• 2. 6000 계 알루미늄 합금의 열처리 9
• 2.2.1 균질화 처리 9
• 2.2.2 T6 열처리 10
• 3. Al-Mg-Si 계 합금의 첨가 원소 영향 13
• 2.3.1 Ag, Sc, Ge 첨가의 효과 13
• 2.3.2 Ni 첨가의 효과 14
• 4. 원자 탐침 단층 촬영법 (Atom Probe Tomography, APT) 15
• 2.4.1 APT 의 원리 및 특징 15
• 2.4.2 APT 시편 준비 방법 16
• III. 실험방법 19
• 1. 합금 제조 및 조성 분석 19
• 2. 열처리 공정 21
• 3. 경도 측정 및 열안정성 평가 23
• 4. 석출거동 평가 (DSC, TEM) 23
• 5. 석출물 분포 및 조성 확인 (APT) 23
• IV. 결과 25
• 1. 전반적인 시효 경화 거동 25
• 2. Peak aging 에서의 석출과 용질 분포 (200 ℃, 260 ℃) 26
• 3. 260 ℃ 인공시효 시 과시효된 석출물의 구조 37
• V. 고찰 42
• 1. 석출에 대한 간접적 효과: Ni-rich cluster 에 의한 석출물 미세화 44
• 2. 석출에 대한 직접적 효과 및 시효 온도 의존성 47
• 3. Al-Mg-Si-(Cu) 합금에서 Ni 첨가의 활용 52
• VI. 결론 53
• VII. 참고문헌 55
• 영문 초록 62