[논문]마그네슘합금 주조재의 결정립 미세화 기술

김영민; 임창동; 유봉선

마그네슘합금 주조재의 결정립 미세화 기술
Grain Refining Techniques of Cast Magnesium Alloy 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.27 no.2, 2007년, pp.49 - 55

김영민 (한국기계연구원 에너지재료연구센터) , 임창동 (한국기계연구원 에너지재료연구센터) , 유봉선 (한국기계연구원 에너지재료연구센터)

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문제 정의

본 기술자료에서는 마그네슘합금 주조재의 대표적인 결정립 미세화 기술 및 최근 연구동향과 함께 알루미늄을 함유하는 마그네슘 합금에서 가장 효과적인 것으로 알려져 있는 탄소함유화합물을 이용한 결정립 미세화 방법과 기구에 초점을 맞춰서 자세히 고찰하였다.
하지만 이 미세화제는 미세화 효과는 뛰어나지만 첨가 중 인체에 치명적인 염소 가스를 발생시키기 때문에 사용 규제 대상 물질로 포함되어 있어 상용화 할 수 없다는 문제점이 있다. 이 때문에 최근 10년 동안 일본을 중심으로 한 여러 연구팀에 의해 CzCIfi를 대체할 수 있는 탄소 함유 미세화제를 개발하고자 연구가 진행되었으며, 본 연구팀에서도 CzCls와 유사한 혹은 그 이상의 미세화 효과를 가지면서 환경 및 인체 친화적인 미세화제를 개발하기 위해 탄소를 함유한 여러 종류의 미세화제에 대해서 미세화 거동을 분석하였다.

가설 설정

Jine EPMA (electron probe microanalyzer) 분석 결과 (Fig. 5)를 바탕으로 탄소가 마그네슘 용탕 내에 어느 정도의 용해도를 가질 것을 가정하면서 탄소가 용탕 중의 A1과 탄화물을 형성하지 않고 원소 상태로. 고액 계면에 편석되어 결정립 성장을 억제하기 때문에 미세화 시킨다고 주장하였다[26].

성능/효과

6 wt.% CQ6를 첨가한 시편의 미세조직을 분석한 결과(Fig. 2), 두 시편 사이의 유일한 차이는 ALiQ 상의 존재 유무가 아니라 Al8Mn5 입자의 형상 변화였으며(Fig. 7), 미세화처리한 시편에서 관찰되는 약 3 Km 정도의 크기를 가지는 다각형의 Al8Mn5 입자들이 대부분 결정립의 중앙에 위치하고 있다는 사실로부터 Al8Mn5 상이 AZ91 합금의 결정립 미세화의 주요 원인이라는 결론을 얻을 수 있었다. 물론 Al8Mn5 입자가 Mg-Al계 합금에서 결정립 미세화를 일으키는 주요 인자라는 결과는 기존의 다른 연구자들이 지지했던 A14C₃ 입자 이론과 상반되는 것이라 할 수 있다.
3wt.%의 Mn> 포함하고 있어 MgCQ의 첨가에 의해 결정립도가 약 460呻에서 63pim로 크게 감소하였다(Fig. 9(a)).
1) 탄소 첨가에 의한 결정립 미세화 효과는 알루미늄을 함유한 마그네슘합금에서만 유효하다.
2) 탄소 혹은 탄소를 함유한 화합물(AI4C₃)은 Mg-Al 합금에서 온도에 의존하는 용해도가 있다.
3) AI4C₃ 입자는 고온에서 용탕에 용해되고, 응고 시에는 정출(precipitate)하게 되여 핵생성장소로 작용한다.
3) 탄소 첨가한 합금에서는 'Less fading' 현상이 있다.
%Mn의 첨가에 의해 결정립도가 340|im에서 87|im로 감소하였다[30]. 따라서 이 결과로부터 Mg-Al계 합금에서 결정립 미세화 효과를 극대화하기 위해서는 N血의 존재가 필수적임을 알 수 있다. 널리 알려진 바와 같이 Zre 순 마그네슘 및 Mg-Zn계 합금에서는 강력한 미세화 효과를 일으키지만, Mg-Al계 합금에서는 오히려 결정립을 조대하게 만든다.
이처럼 탄소 첨가에 의한 마그네슘 합금의 결정립 미세화 기구와 관련된 여러가지 가설이 보고되어 왔지만, 이론을 뒷받침하는 결정적인 증거의 부족, 동일한 합금에 대해 실험조건에 따른 상이한 결과 그리고 탄소의 용해도에 대한열역학 자료의 부족 등의 이유로 아직까지 명확하게 미세화 기구가 밝혀지지 못하고 있는 실정이다. 본 연구팀에서는 탄소첨가법에 의한 Mg-Al계 합금의 결정립 미세화에 대한 많은 연구를 행하였으며, 그 결과로부터 기존의 가설들에서 다루지 않았던 혹은 무시되었던 인자들이 실제로 중요하게 작용하고 있음을 확인하였다. 즉, 미세화처리를 하지 않은 AZ91 합금과 740PC에서 AZ91 합금에 0.
주조한 AZ63 합금의 결정립 크기는 현저하게 미세화 되었고 기계적 특성 또한 뚜렷하게 향상되었다. 결정립 미세화의 원인이 탄소전극에서 떨어져 나온 탄소 분말이 용탕 속으로 유입된 것으로 밝혀지면서 그 후 각종 탄소를 함유한 물질이 결정립 미세화 효과를 나타낼 수 있다는 연구결과가 연이어 보고되었다.

후속연구

알루미늄합금의 경우 결정립 미세화에 대한 연구는 50년 이상 활발하게 진행되어 이미 낮은 가격의 효과적인 미세화제가 상용화되고 있는 반면, 마그네슘합금의 경우 아직까지 결정립 미세화에 대한 연구가 미미하고 특히 탄소 첨가법은 상용 마그네슘 합금의 대부분을 차지하는 Mg-Al계 합금의 결정립을 미세화 시킬 수 있는 가장 효과적이 방법이나 현재까지 탄소 첨가에 의한 Mg-Al계 합금의 결정립 미세화 기구가 명확하게 규명되지 못했기 때문에 효과적이면서도 친환경적인 결정립 미세화 기술 및 미세화제가 개발되지 못하였다. 따라서 우선적으로 탄소 첨가법에 의한 결정립 미세화 기구와 더불어 결정립 미세화를 위한 주조공정 기술에 대해서 보다 깊은 이해와 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
USAMP-AMD에서 발표한 "Magnesium Vision 2020, 에 따르면 자동차부품에 적용되고 있는 마그네슘합금의 양을 현재의 5 kg 수준에서 2020년에는 약 150kg까지 증가시키는 목표를 제시하고 있다[1]. 이처럼 향후 자동차 구조용 부품에 마그네슘 합금의 적용분야를 넓히기 위해서는 합금 자체의 경량성 뿐만 아니라 높은 강도와 인성을 가지는 마그네슘 합금의 개발과 제조기술의 향상이 우선되어야 할 것이다. 최근에는 주조기술 측면에서 고압 다이캐스팅 기술의 발전과 더불어 대형구조용 주조품의 제조를 위한 저압주조와 사형주조에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이 외에도 압출.

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