[논문]CaO 첨가와 열간압연이 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 영향

원성빈; 이동복

doi:10.5695/jkise.2012.45.4.155

CaO 첨가와 열간압연이 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 영향
Effect of CaO and Hot Rolling on the High Temperature Oxidation of Magnesium Alloys 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.45 no.4, 2012년, pp.155 - 161

(성균관대학교 신소재공학과) , (울산대학교 첨단소재공학부) , 원성빈 (성균관대학교 신소재공학과) , 이동복 (성균관대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Magnesium alloys of AZ31, AZ31 + (0.5, 1, 1.5)wt.% CaO were cast, hot rolled, and oxidized between 450 and $650^{\circ}C$ in atmospheric air. The added CaO enabled to cast the AZ31 alloy in air. It decomposed and precipitated along the grain boundaries of the AZ31 alloy as $Al_2Ca$. The more the amount of CaO was, the more $Al_2Ca$ formed. The oxidation limit was about $450^{\circ}C$ for the AZ31 alloy. But, It increased to $650^{\circ}C$ in the CaO-added alloys. Hot rolling destroyed the precipitates that formed along the grain boundaries of the AZ31 alloy. During oxidation, MgO oxide scales that incorporated CaO formed at the outer surface of the formed oxide layer.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

%Zn) Mg합금을 선정하여 CaO를 첨가한 시편을 제조하고 열간압연한 후, CaO 함량과 압연이 마그네슘 합금의 고온 내산화성에 미치는 영향을 고온산화시험을 통해 조사하고 미세조직 변화, 산화속도 측정, 내산화성 평가, 산화막 분석, 산화억제기구를 규명하였다. 본 연구의 목적은 상용 마그네슘 합금개발을 위해 CaO를 첨가함에 따른 내열성 평가와 내열성 향상기구 해석이다.

제안 방법

5)wt.% CaO 마그네슘합금을 주조한 후 열간압연하여 CaO 첨가와 열간압연이 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 영향을 조사하였다. CaO 첨가효과는 첫째, CO₂+ 1%SF₆ 보호가스없이 마그네슘 합금을 대기 중에서 주조할 수 있도록 하며, 둘째, 내열성을 크게 증진시켜 AZ31 합금의 산화한계를 450℃ 정도에서 650℃ 정도로 증가시키는 것이다.
% CaO 주괴와 압연재를 10 × 10 × 3 mm3 크기로 절단한 후, 열중량분석기(TGA)를 이용하여 대기중에서 450-600℃의 온도에서 최대 100시간까지 산화시키면서 산화시간에 따른 무게증가량을 측정하여 최고 사용가능온도와 산화속도를 조사하였다.
5)wt.% CaO 합금을 4 mm 두께의 판재로 절단하고, 350℃에서 10분 동안 예열한 후, 3 m/분의 압연속도로 3 mm 두께(압하율 75%)로 열간압연하였다. 준비된 AZ31 + (0, 0.
CaO는 가격이 Ca보다 훨씬 저렴하고, 활성금속이어서 발화위험성이 있는 Ca와 달리 안전하게 운반, 취급이 가능한 장점이 있기 때문에 CaO-첨가 마그네슘 합금제조는 친환경 마그네슘 기술이지만, CaO 첨가가 Mg합금의 내산화성을 증진시키는 정확한 이유와 제조된 Mg합금을 상업적으로 응용하기 위해 압연판재로 가공할 경우 내산화성의 변화 여부 등은 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 Mg합금 중에서 주로 압연 또는 압출에 의해 소성가공되어 상업적으로 이용되는 AZ31(3wt.%Al, 1wt.%Zn) Mg합금을 선정하여 CaO를 첨가한 시편을 제조하고 열간압연한 후, CaO 함량과 압연이 마그네슘 합금의 고온 내산화성에 미치는 영향을 고온산화시험을 통해 조사하고 미세조직 변화, 산화속도 측정, 내산화성 평가, 산화막 분석, 산화억제기구를 규명하였다. 본 연구의 목적은 상용 마그네슘 합금개발을 위해 CaO를 첨가함에 따른 내열성 평가와 내열성 향상기구 해석이다.
% CaO 주괴와 압연재를 10 × 10 × 3 mm³ 크기로 절단한 후, 열중량분석기(TGA)를 이용하여 대기중에서 450-600℃의 온도에서 최대 100시간까지 산화시키면서 산화시간에 따른 무게증가량을 측정하여 최고 사용가능온도와 산화속도를 조사하였다. 산화된 시편은 주사전자현미경(SEM), X선회절 분석기(XRD) 및 투과전자현미경(TEM)를 이용하여 미세조직, 화학조성 및 존재하는 상을 조사하였다.
% CaO 마그네슘합금을 열간압연하였다. 이 들 시편 중 CaO 첨가와 열간압연이 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 영향을 조사하기 위하여 AZ31 주괴, AZ31 압연재, AZ31 + 0.5% CaO 주괴, AZ31 + 0.5% CaO 압연재, AZ31 + 1% CaO 압연재, AZ31 + 1.5% CaO 압연재를 선정하여 그림 1에 나타낸 바와 같이 SEM 조직사진을 촬영하고 상분석기(image analyser)를 이용하여 석출물의 부피 분율을 측정하고, 결과를 표 1에 나타내었다. 압연은 석출물을 파괴시켜 부피 분율을 크게 감소시키고, CaO를 첨가할수록 석출물의 분율이 증가하였다.

대상 데이터

5)wt.% CaO 마그네슘합금을 주조하였다. 여기서, CaO 분말은 38-100 µm 크기로서 400℃로 예열된 상태에서 10 g/분의 속도로 첨가하였고, 균일하게 섞기 위해 도가니의 윗부분에 위치한 교반기를 이용하여 800회/분의 속도로 10분간 교반하였다.
10 kg의 상용의 AZ31 마그네슘합금을 전기저항로를 사용하여 CO₂+ 1%SF₆의 보호가스 하에서 680℃까지 승온하여 철 도가니내에 용융 주조하였다. 동일한 주조장비를 사용하여 보호가스없이 680℃의 대기 중에서 AZ31 합금에 (0.

이론/모형

그림 2는 모재상과 석출물상을 조사하기 위해 X선 회절분석한 결과로서 JCPDS번호도 기입하였다. AZ31합금은 Mg, Al 및 Zn이 고용된 α-Mg 결정립과 이를 둘러싸고 있는 β-Al₁₂M₁₇ 석출물로 구성되는데^16,17), 그림 2(a)에서는 Al 함량이 충분하지 않아서 β상이 적게 석출되어 관찰되지 않고, α-Mg 모재상만 관찰된다.

성능/효과

산소이온의 내부확산과 Mg이온의 외부확산에 의해 MgO 피막은 성장하였다. 따라서, CaO를 첨가하면 외표면에 CaO를 형성시켜 Mg시편이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지하는 역할을 하여 Mg 합금의 내산화성을 증진시키게 됨을 알 수 있다.
5% CaO 판재시편을 600℃에서 20시간동안 대기중에서 산화시킨 후 TEM/EDS 분석한 결과로서 점 1~9 사이에서의 화학조성은 표 2에 나타내었다. 표면쪽의 MgO 산화막내에는 Ca와 Al이 편석되어 있어서 고온산화시 Ca뿐만 아니라 Al도 농도구배에 따라 어느 정도 외부확산함을 알 수 있으며, 결과적으로 산화막 아래쪽에는 Al과 Ca가 결핍되어 있고, Zn은 모재내의 농도가 낮아서 농도구배에 따른 외부확산경향은 거의 없는 것을 알 수 있다. 그림 9와 10에서 표면쪽 CaO 결정립보다 내부 MgO 결정립의 크기가 더 조대함이 특징인데, 이 사실로 부터 CaO는 MgO 결정립의 성장을 억제함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘 합금에 Ca대신 CaO를 첨가할 때 장점은?	그런데, 생산기술연구원에서는 범용 Mg합금에 금속 Ca 대신에 CaO 산화물을 첨가할 경우에도 Mg합금 주조시 SF6 및 SO2 배제가 가능하고 산화 및 발화저항성 향상이 가능함을 발견하고11), 지난 수년간 기계적 성질과 내열특성이 우수한 Mg합금개발을 추진해오고 있다12-15). CaO는 가격이 Ca보다 훨씬 저렴하고, 활성금속이어서 발화위험성이 있는 Ca와 달리 안전하게 운반, 취급이 가능한 장점이 있기 때문에 CaO-첨가 마그네슘 합금제조는 친환경 마그네슘 기술이지만, CaO 첨가가 Mg합금의 내산화성을 증진시키는 정확한 이유와 제조된 Mg합금을 상업적으로 응용하기 위해 압연판재로 가공할 경우 내산화성의 변화 여부 등은 아직까지 정확히 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 Mg합금 중에서 주로 압연 또는 압출에 의해 소성가공되어 상업적으로 이용되는 AZ31(3wt.
	마그네슘 합금의 특성은?	마그네슘 합금은 알루미늄과 철 다음으로 세계에서 3번째로 매장량이 풍부한 구조용 금속으로서 높은 비강도, 우수한 주조성, 전자파 차폐성, 기계 가공성, 낮은 탄성율 및 무게가 철강재의 25%, 알루미늄의 70% 수준으로 노트북 등 휴대용 전자제품은 물론 자동차, 항공기 등의 수송기기 부품으로서 경량화 친환경 소재로 부각되고 있다1). 그러나, 마그네슘 합금을 용해할 때 산소와 접촉하면 발화하거나 산화하기 때문에 마그네슘합금 용탕을 보호하기 위해 SF6, SO2와 같은 온실가스를 사용하여야 하기 때문에 심각한 공해가 발생한다2).
	마그네슘 합금의 단점은?	마그네슘 합금은 알루미늄과 철 다음으로 세계에서 3번째로 매장량이 풍부한 구조용 금속으로서 높은 비강도, 우수한 주조성, 전자파 차폐성, 기계 가공성, 낮은 탄성율 및 무게가 철강재의 25%, 알루미늄의 70% 수준으로 노트북 등 휴대용 전자제품은 물론 자동차, 항공기 등의 수송기기 부품으로서 경량화 친환경 소재로 부각되고 있다1). 그러나, 마그네슘 합금을 용해할 때 산소와 접촉하면 발화하거나 산화하기 때문에 마그네슘합금 용탕을 보호하기 위해 SF6, SO2와 같은 온실가스를 사용하여야 하기 때문에 심각한 공해가 발생한다2). SF6 가스는 GWP(Global Warming Potential)가 이산화탄소의 23900배로 선진국에서는 사용이 제한되어 있으며, 유럽, 미국, 호주 등의 선진국에서는 마그네슘 합금용 SF6, SO2 대체가스로서 HFC-134a(CSIRO가 개발한 1,1,1,2-Tetrafluoroethane 가스) 및 Novec-612(3M사가 개발한 Mg 보호가스) 등을 개발하고 있고3,4), 일본에서는 금속 Ca을 첨가하여 SF6-free 마그네슘 합금을 개발 중이다5).

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