[논문]AZ31 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 CaO 첨가 영향

원성빈; 이동복

doi:10.5695/jkise.2013.46.2.080

AZ31 마그네슘 합금의 고온산화에 미치는 CaO 첨가 영향
Effect of CaO Addition on the High-temperature Oxidation of AZ31 Magnesium Alloys 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.46 no.2, 2013년, pp.80 - 86

원성빈 (성균관대학교 신소재공학과) , 이동복 (성균관대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Magnesium alloys of AZ31 containing (0.5, 1, 1.5) wt.% of initially added CaO particles were cast in air, and their oxidation behavior was studied at $450-650^{\circ}C$ in air. The initially added CaO particles either decomposed to dissolve in the ${\alpha}$-Mg matrix or precipitated as $Al_2Ca$ along the grain boundaries of the matrix during casting. The ignition temperatures were $565.4^{\circ}C$ for AZ31, $608.6^{\circ}C$ for AZ31+0.5 wt.%CaO, and $689.7^{\circ}C$ for AZ31+1 wt.%CaO. No ignition occurred for AZ31+1.5 wt.%CaO up to $700^{\circ}C$, displaying good oxidation resistance. The CaO-rich oxide scales that formed on the surface of the AZ31+(0.5, 1, 1.5) wt.%CaO alloys improved the oxidation resistance of AZ31 alloys.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그런데, 최근 생산기술연구원에서는 Mg용탕에 Ca 금속대신에 CaO 산화물을 첨가할 경우에도 주조시 용탕표면에 CaO 산화막을 형성하여 용탕의 발화를 방지하고, 산화를 지연시키는 효과가 있고¹⁾, 조직미세화, 기계적 특성 향상에도 도움이 됨을 발견하고, CaO산화물을 첨가한 Mg합금 제조·가공·성형·내열 특성에 대해 연구개발을 진행하고 있다^8-11). 이를 발전시키기 위해서 본 연구에서는 상용의 AZ31(Mg-3 wt.%Al-1 wt.%Zn) 합금에 CaO를 첨가한 시편을 주조한 후, CaO가 고온 내산화성에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 미세조직, 산화속도, 산화막 분석, 산화억제기구를 규명하였다.

가설 설정

3. X-ray diffraction patterns of (a) cast AZ31 ingot, (b) cast AZ31+1.5%CaO ingot.
(b)에서도 α-Mg 모재상 이외에는 β상과 Al2Ca상은 생성량이 적어서 인식하기 힘들다.

제안 방법

% CaO 합금을 10 × 10 × 3 mm3 크기로 절단한 후, 열중량분석기(TGA)를 이용하여 대기중에서 450-650℃의 온도에서 최대 20시간까지 산화시키면서 산화시간에 따른 무게증가량을 측정하여 사용가능온도와 산화속도를 조사하였다.
10 kg의 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.
CaO 첨가에 따른 모재조직의 조성변화를 알기 위해 AZ31+1.5%CaO에 대해 EPMA 정량분석을 실시하였다. 그림 11에서 점 1은 98.
% CaO 합금을 10 × 10 × 3 mm³ 크기로 절단한 후, 열중량분석기(TGA)를 이용하여 대기중에서 450-650℃의 온도에서 최대 20시간까지 산화시키면서 산화시간에 따른 무게증가량을 측정하여 사용가능온도와 산화속도를 조사하였다. 산화된 시편은 주사전자현미경(SEM), 전자빔 미세분석기(EPMA), X선회절 분석기(XRD) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 미세조직, 화학조성 및 존재상을 분석하였다.

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 800 회/분의 속도로 10분간 교반하였다.

성능/효과

5)% CaO합금의 대기중 산화곡선을 그림 7에 나타내었다. 625℃의 그림 7(a)에서 모든 시편은 아주 작은 무게 변화를 보이는데, AZ31+0.5%CaO은 수 시간 이후에는 산화막 박리가 우세하고, AZ31+1%CaO은 약간의 산화막 박리가 일어나지만 전반적으로는 산화막 생성이 우세하고, AZ31+1.5%CaO은 산화막 생성이 처음부터 지속적으로 우세하였다. 순수한 Mg의 용융점인 648℃보다 높은 650℃에서는 그림 7(b)와 같이 AZ31+0.
5%CaO은 산화막 생성이 처음부터 지속적으로 우세하였다. 순수한 Mg의 용융점인 648℃보다 높은 650℃에서는 그림 7(b)와 같이 AZ31+0.5%CaO은 초기의 선형적 산화 이후에, 2시간 이후부터는 산화속도가 느려졌으며, AZ31+(1, 1.5)%CaO 은 무게 변화량이 여전히 작아서 CaO첨가에 의해 내산화성이 증진됨을 알 수 있다. 참고로, CaO가 없는 AZ31은 625℃ 이상에서는 수 십분이내에 시편 표면에서부터 순간적으로 발화되어 분말화되어 내산화성이 전혀 없었다.
5)%CaO 시편 표면에 대한 SEM 사진이다. 모든 시편에서 시편 준비과정 중 생긴 연마자국이 보일 정도로 얇은 산화막이 형성되었으며, CaO 첨가량이 많을수록 표면 위쪽에는 엉기성기 연결된 산화물 군락들이 많이 보였는데, EDS 분석에 의하면 이들은 CaO-잉여상이었다.
발화온도는 565.4℃ (AZ31), 608.6℃ (AZ31+0.5%CaO), 689.7℃ (AZ31+1%CaO)로 증가하였으며, 특히, AZ31+1.5%CaO은 700℃ (Mg의 용융점 이상)까지도 발화되지 않는 우수한 내산 화성을 가졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘이란?	마그네슘은 매장량이 풍부하고, 구조용 금속 중에서 가장 가볍고, 전자파 차폐성이 우수하고, 용융점이 낮아서 재생에 필요한 에너지가 적어서 친환경적이고, 플라스틱에 비해 방열성이 높으며, 알루미늄에 비해 생산성, 가공성, 치수 안정성 및 주조성이 좋은 친환경 경량소재로서, 앞으로 휴대용 전자제품, 자동차, 항공기 등의 부품으로서 수요가 크게 증가될 것으로 전망된다. 그러나, 마그네슘을 용해할 때 공기에 노출되면 폭발하기 때문에 용탕을 보호하기 위해 공기보다 무거운 SF6, SO2와 같은 온실가스를 사용하기 때문에 심각한 공해가 발생하고, 특히 SF6 가스는 GWP(Global Warming Potential)가 이산화탄소의 23,900배로 선진국에서는 사용이 제한되어 있다1).
	마그네슘 합금 중 난연성 마그네슘을 얻기 위해 Ca를 첨가할 때 장점은?	그러나, 지속적으로 증가하는 경량화 요구에 대응하기 위해서는 고온 내열특성이 향상된 다양한 마그네슘 합금개발이 요구된다. 난연성 마그네슘 합금 개발의 일환으로 Ca, Be, Y 등의 합금원소를 첨가하는 방안이 있는데3), Mg보다 가볍고 산소와 친화력이 높은 Ca를 첨가하면 보호 가스를 도포하기 위한 별도의 부가장치를 필요로 하지 않기 때문에 공정상 장점이 있음이 보고되었다4-7). 주조시 Mg 용탕에 Ca를 소량 첨가하면 용탕 표면에 CaO보호막을 형성하여 용탕의 급격한 산화와 발화가 방지되는데, 순수한 Mg에 5 wt.
	마그네슘 용해시 발생하는 문제는?	마그네슘은 매장량이 풍부하고, 구조용 금속 중에서 가장 가볍고, 전자파 차폐성이 우수하고, 용융점이 낮아서 재생에 필요한 에너지가 적어서 친환경적이고, 플라스틱에 비해 방열성이 높으며, 알루미늄에 비해 생산성, 가공성, 치수 안정성 및 주조성이 좋은 친환경 경량소재로서, 앞으로 휴대용 전자제품, 자동차, 항공기 등의 부품으로서 수요가 크게 증가될 것으로 전망된다. 그러나, 마그네슘을 용해할 때 공기에 노출되면 폭발하기 때문에 용탕을 보호하기 위해 공기보다 무거운 SF6, SO2와 같은 온실가스를 사용하기 때문에 심각한 공해가 발생하고, 특히 SF6 가스는 GWP(Global Warming Potential)가 이산화탄소의 23,900배로 선진국에서는 사용이 제한되어 있다1). 또한, 마그네슘은 고온내열특성이 극히 열악하여 사용환경이 실온인 부품에 제한적으로 사용되고 있다2).

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