알루미늄 합금에 대한 금속 조직 검사는 어떻게 수행되나요?

육안 검사

육안 검사는 간단한 방법을 통해 알루미늄 제품의 넓은 영역에 걸쳐 내부 결함을 탐지하므로, 효과적인 일상 검사 방법입니다.

거시적 표본 준비

검사 목적이나 적용되는 표준에 따라 선정된 위치에서 저배율 알루미늄 합금 시편을 채취합니다. 검사 표면은 밀링 가공 또는 기타 방법을 통해 표면 거칠기가 라 3.2 μm 이하이어야 한다. 거시적 구조를 선명하게 관찰할 수 있도록 가솔린, 에탄올, 아세톤 또는 기타 용매를 사용하여 기름을 제거한다.

일반적으로 알칼리 에칭이 사용됩니다. 주물 및 주조 잉곳 시편은 실온에서 80~120 g/L의 NaOH 용액(또는 질량 기준으로 10%-15%)에 담가 에칭합니다. 단조 제품 시편의 경우 실온에서 150~250 g/L의 NaOH 용액을 사용합니다. 에칭 시간은 합금에 따라 3분에서 30분까지 다양하며, 구조적 결함이 명확하게 드러날 때까지 계속합니다. 에칭액의 부피와 침지된 시편의 부피 비율은 최소 10:1이어야 합니다. 에칭 후에는 물로 헹군 다음, 20%-30% HNO로 검은 부식막을 제거합니다.₃ 용액에 담가 처리한 후, 다시 헹구고 건조시킵니다. 시편을 면봉을 이용한 에칭 처리할 수도 있으나, 침지 에칭이 표준 방법입니다.

거시적 평가

주조 알루미늄 합금의 저배율 검사를 위한 금속 조직 검사 기준은 핀홀의 심각도를 5등급으로 분류하고 참조 이미지를 제시합니다. 시편을 이러한 이미지와 육안으로 비교하여 등급을 결정합니다. 주조 알루미늄에는 그 밖에도 많은 거시적 결함이 발생하지만, 표준에서 아직 모든 유형을 정의하고 있지는 않으므로, 검사 시에는 단조 알루미늄 및 알루미늄 합금 잉곳의 결함에 관한 표준을 참조할 수 있습니다.

거시적 결함 유형

해당 저배율 표준은 잉곳, 압출재, 단조품, 판재 및 기타 가공 제품의 시편 준비, 시편 에칭, 조직 검사, 결함 분류 및 시험 보고서를 다룹니다. 이 표준은 결함을 22가지 유형으로 분류합니다.

미세구조 검사

금속 조직 검사 시편 준비

시편 준비 시 깊은 변형층이 생기지 않도록 주의해야 합니다. 시편을 수동 또는 기계적으로 절단한 후, 밀링 커터, 줄, 또는 거친 사포를 사용하여 검사 표면을 평평하게 다듬고 1~3 mm를 제거하십시오. 절단이나 평탄화 작업에 연삭 휠을 사용해서는 안 됩니다. 적당한 압력을 가하며 거친 금속 조직용 사포에서 미세한 사포로 순차적으로 연마하고, 거친 연마재가 다음 단계의 작업에 오염되지 않도록 주의하십시오. 예비 연마기를 사용하는 경우, 냉각 및 윤활을 위해 등유를 사용하는 것이 좋습니다.

도금층과 같이 표면을 관찰해야 하는 작은 시료나 표본은 마운팅할 수 있습니다. 마운팅 시 발생하는 열로 인해 일부 알루미늄 합금이 인위적으로 노화될 수 있으므로, 냉간 마운팅을 권장합니다. 알루미늄은 기계적, 화학적 또는 전기화학적 방법으로 연마할 수 있으며, 그중에서도 기계적 연마가 가장 일반적입니다. 거친 연마는 물에 약 5 μm 크기의 알루미나 또는 산화크롬이 농축된 현탁액이나 다이아몬드 페이스트를 사용하여, 분당 500~600회전(r/min)의 속도로 고운 캔버스나 펠트 위에서 수행합니다. 정밀 연마에는 입자 크기가 1 μm 미만인 희석 현탁액이나 다이아몬드 페이스트를 사용하며, 실크 위에서 분당 150~200회(r/min)의 속도로 연마합니다.

부적절한 전처리를 하면 회백색의 산화막이 형성되는데, 이는 에칭 후 회색으로 보이며 고배율로 관찰 시 알루미늄 기질 내에 수많은 작은 검은 반점이 나타납니다. 올바르게 연마된 표면은 거울처럼 반짝이며 흠집이나 오염이 없습니다. 미세 연마로도 상업용 순수 알루미늄이나 고순도 알루미늄의 흠집을 제거할 수 없는 경우, 전해 연마를 사용할 수 있습니다.

에칭제 선택

에칭액의 선택은 합금 조성, 재료 상태 및 검사 목적에 따라 달라집니다. 일반적으로 사용되는 용액으로는 HF (1 mL) + H₂O (200 mL); HF (50 mL) + H₂O (50 mL); HF (2 mL) + HCl (3 mL) + HNO₃ (5 mL) + H₂O (190 mL); HNO₃ (25 mL) + H₂O (75 mL); H₂SO₄ (10~20 mL) + H₂O (80~90 mL); 및 H₃PO₄ (10 mL) + H₂O (90 mL). 이를 통해 알루미늄의 전반적인 구조, 결정립 구조 및 다양한 상을 확인할 수 있다. 시약 등급의 화학 물질과 증류수를 사용해야 한다. 연마된 시편은 편광 하에서 잉곳 결정립, 어닐링 처리된 시편 및 변형된 미세구조를 관찰하기 전에 양극 산화 처리를 거쳐야 한다.

주조 알루미늄 합금에 대한 규격

주조 합금의 금속 조직 검사는 연마 상태 또는 에칭 상태에서 수행할 수 있다. 중국 표준 JB/T 7946.1-2017은 주조 Al-Si 합금의 변형을 평가하며, JB/T 7946.2-2017은 열처리 후의 초기 용융 구조를 평가하며, JB/T 7946.4-2017은 주조 Al-Cu 합금의 결정립 크기를 평가합니다. 또한 금속 조직 검사에는 일반적으로 미세 기공 검사가 포함됩니다.

주조 Al-Si 합금의 개질 평가

개질 평가가 주조 알루미늄 금속 조직 분석의 핵심 요소입니다. JB/T 7946.1-2017은 나트륨 및 인 개질에 대한 별도의 방법을 제시하고 있으며, 그중 나트륨 개질이 더 일반적으로 사용됩니다. 스트론튬 개질도 산업 현장에서 널리 사용되고 있으나, 중국에는 현재 이에 상응하는 금속조직학적 표준이 없으므로 나트륨 개질 평가 방법을 실질적인 참고 기준으로 활용할 수 있습니다.

연마 후, 나트륨 처리된 시편을 질량 기준으로 0.5% HF 용액에서 5~10초 동안 에칭합니다. 전체 검사 표면을 200배율로 관찰하고, 대부분의 영역을 대표하는 기준 등급에 따라 등급을 매깁니다. 공융 실리콘의 형태에 따라 6가지 등급으로 분류됩니다: 변형되지 않은 상태(바늘 모양의 실리콘이 있는 경우), 변형이 부족한 상태(짧은 막대 및 바늘 모양의 실리콘이 있는 경우), 정상 변형 상태(점 및 벌레 모양의 실리콘이 있는 경우), 변형 약화 상태(실리콘 입자가 거칠어진 경우), 약간 과변형된 상태, 그리고 심하게 과변형된 상태입니다.

인(P)을 첨가한 주조 Al-Si 공융 시편을 0.5% HF 용액 또는 0.5 mL HF + 1.5 mL HCl + 2.5 mL HNO를 함유한 혼합산 용액에서 에칭한다.₃ + 95.5 mL H₂O. 평가는 대부분의 분야를 대표하는 표준 등급을 기준으로 100배율에서 수행됩니다. 네 가지 등급은 ‘변형 없음’, ‘잘 변형됨’, ‘정상적으로 변형됨’, ‘변형 부족’입니다.

주조 Al-Si 합금에서 발생하는 초기 용융 현상 평가

이 평가는 열처리 가능한 합금에 적용됩니다. 응고 과정에서 형성된 분리상 및 저융점 유텍틱은 후속 용체화 처리 온도에서 재용융될 수 있습니다. 주요 특징으로는 초기 용융 삼각형, 입계 용융, 재용융된 구상, 재용융된 유텍틱 등이 있습니다.

열처리 과정에서 결정립 교차점에서 가장 마지막에 응고된 저융점 유텍틱이 재용융되고, 표면장력에 의해 날카로운 모서리를 가진 삼각형이 형성되면 초기 용융 삼각형이 만들어집니다. 덴드라이트 내의 저융점 유텍틱이 용융되어 액체가 구형화되면, 재용융된 유텍틱 구상체가 형성된다. 유지 온도가 너무 높으면, 저융점 성분들이 용융되어 이원계, 삼원계 또는 기타 재용융된 유텍틱 형태로 재고형화된다.

등급은 정상, 과열, 경미한 초기 용융, 초기 용융, 심한 초기 용융의 5단계로 정의된다. 하중을 가해 가공한 대조봉에서 시편을 채취한다. 연마된 표면 전체를 400배율로 관찰하며, 가장 심한 부위를 기준으로 등급을 결정한다. 정상적인 용체 처리 조직은 주로 모서리가 둥글고 응집 현상이 없는 입자상 공융 실리콘으로 구성됩니다. 용융 초기 조직은 응집되고 입자가 거칠어진 공융 실리콘을 보이며, 대부분 모서리가 직선이고 전형적인 재용융 구상 및 다성분 재용융 공융을 나타냅니다.

Al-Cu 주조 합금의 입자 크기

중국 표준 JB/T 7946.4-2017은 주조 Al-Cu 합금의 입자 크기를 평가합니다. 시편은 일반적으로 인장 시험편에서 절단하거나 기술 문서에 명시된 대로 채취한다. 연마 및 광택 처리 후, 0.5% HF 용액 또는 0.5 mL HF + 1.5 mL HCl + 2.5 mL HNO₃ 용액에서 에칭한다.₃ + 95.5 mL H₂O. 전체 표면을 100배율로 관찰한 후, 대부분의 영역을 대표하는 표준 등급에 따라 평가한다. 입자 크기는 8개 등급으로 구분된다.

전신 알루미늄 검사

중국 표준 GB/T 3246.1-2012는 주로 가공 알루미늄 및 알루미늄 합금 재료와 제품의 미세구조 검사에 적용된다.

추가 통합 검사 절차

1. 잉곳 및 열처리 제품의 미세구조. 연마된 상태에서 상의 형태, 기공, 내포물 및 기타 결함을 검사한다. 에칭된 시편에서는 수지상 구조를 관찰하고, 상을 식별하며, 급냉된 재료의 초기 용융 현상을 평가한다. 급냉 및 어닐링 처리된 가공 제품은 일반적으로 200배~500배 배율로 결정립 상태와 초기 용융 현상을 검사한다. GB/T 3246.1-2012는 정상 및 초기 용융된 잉곳, 주조 압연 시트, 그리고 담금질되거나 초기 용융된 가공 제품에 대한 비교 현미경 사진을 제공합니다.
2. 고온 산화. 고온 처리 중 용광로 내 습도가 높으면, 열처리 후 표면에 기포가 생기거나 표면 바로 아래에 입계 기공이 발생할 수 있습니다. 이를 고온 산화라고 합니다.
3. 외장재 두께. 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 내식성을 높이거나 가공 요건을 충족하기 위해 합금 시트에 클래딩 처리되는 경우가 많습니다. 횡단면을 검사하고, 연마 과정에서 클래딩층이 손상되지 않도록 시편 클램프나 고정 장치를 사용하십시오. 두께 측정값 5~10개를 평균 내고, 이를 시트의 총 두께로 나누어 클래딩 비율을 구하십시오.
4. 구리 확산. Al-Cu-Mg 알클래드(Alclad) 시트를 장기간 고온 처리하는 동안, 구리는 입계면을 따라 클래딩층으로 확산된다. 확산 깊이가 깊어질수록 내식성 저하 정도도 커진다. 시편을 전해 연마한 후, 양면 클래딩층에서 구리 확산의 최대 깊이를 조사한다.
5. 입자 크기. 입도 검사는 일반적으로 매트릭스인 α-알루미늄 고체 용액 내의 입자를 측정합니다. 미량 상, 내포물 및 기타 성분은 고려 대상에서 제외됩니다. 검사 방법은 일반적으로 다른 금속의 경우와 동일하며, 등급 평가는 표준 비교 차트, 면적 측정법 또는 절편법을 사용할 수 있습니다.