[논문]마그네슘용탕의 니켈 함량에 미치는 알루미늄, 망간 및 지르코늄의 영향

정대영; 문영훈; 문병기; 박원욱; 손근용

doi:10.7777/jkfs.2015.35.1.008

마그네슘용탕의 니켈 함량에 미치는 알루미늄, 망간 및 지르코늄의 영향
Effect of Aluminum, Manganese, and Zirconium on the Content of Nickel in Molten Magnesium 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.35 no.1, 2015년, pp.8 - 14

정대영 (인제대학교 나노융합공학과) , 문영훈 (인제대학교 나노융합공학과) , 문병기 (재료연구소 경량금속연구단) , 박원욱 (인제대학교 나노융합공학과) , 손근용 (인제대학교 나노융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Variations of nickel contents and microstructures in molten magnesium alloys on the addition of aluminum, zirconium, and manganese have been investigated. Specimens were prepared by melting under $SF_6$ and $CO_2$ atmosphere and casting into a disc of 29 mm diameter with 7~10 mm thickness from the melt acquired at the top of crucible. Before casting, the molten metal was stirred for 3 minutes after each addition of alloying elements and maintained for 30 minutes for settling down. Results showed that zirconium did not significantly affect the content of nickel while aluminum remarkably reduced it by forming $Al_3Ni_2$ phase. When manganese are added to Mg-1wt%Ni alloy along with aluminum, both elements remarkably reduced the content of nickel. The addition of 1.5 wt% manganese to Mg-1wt%Ni alloy containing aluminum further reduced the content of nickel by more than 30%, during which an additional intermetallic phase $Al_{10}Mn_3Ni$ was precipitated in the molten magnesium.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

6b)까지 향상시킴으로써, 동일한 시간 동안 18%p의 부가적인 니켈 제거 효율을 나타냈다. 따라서 이 결과를 근거로, Mg-Ni계 마그네슘 용탕에 알루미늄과 망간을 함께 첨가할 경우 니켈의 제거 메커니즘을 다음과 같이 제시하고자 한다. 알루미늄과 망간을 함께 첨가하면, 용탕 내에서 Al₃Ni₂상과 Al₁₀Mn₃Ni상이 복합적으로 형성되며, 이들 화합물은 상대적으로 높은 밀도와 빠른 성장속도로 인하여 용탕 하부에 쉽게 침전된다.
따라서 이 결과를 근거로, Mg-Ni계 마그네슘 용탕에 알루미늄과 지르코늄을 함께 첨가할 경우 니켈의 제거 메커니즘을 다음과 같이 제시하고자 한다. 즉, 지르코늄은 반응에 크게 관여하지 않았으며 마그네슘합금 용탕에서 니켈의 함량을 감소시키는데 있어 주목할 만한 영향을 주지 못한 반면, 알루미늄은 용탕 중에서 니켈과 반응하여 고융점의 Al₃Ni₂를 형성하였다.
본 연구의 목적은 우선, 이들 합금 원소를 소량 첨가함으로써 마그네슘합금 용탕 내에 잔존하는 니켈의 함량에 어떤 영향을 주는 지 확인하고자 하였으며, 다음으로 니켈의 함량에 변화가 있을 경우, 미세조직상 어떤 상이 형성됨으로써 변화가 발생하였는지를 분석하여 니켈 함량의 저감기구를 규명하고자 하였다. 또한, 마그네슘합금 용탕에서 니켈의 함량을 효과적으로 저감시키는데 있어 고려해야 할 요소가 무엇인지 고찰하고자 하였다.
본 연구에서는 마그네슘에서 불순물로 작용하는 니켈의 함량을 저감시키기 위해, 니켈을 함유하고 있는 마그네슘 용탕에 알루미늄, 지르코늄 및 망간을 단독 또는 복합 첨가하여 일정 시간이 지난 후 용탕 내에 잔존하는 니켈의 함량 변화를 조사하였다. 본 연구의 목적은 우선, 이들 합금 원소를 소량 첨가함으로써 마그네슘합금 용탕 내에 잔존하는 니켈의 함량에 어떤 영향을 주는 지 확인하고자 하였으며, 다음으로 니켈의 함량에 변화가 있을 경우, 미세조직상 어떤 상이 형성됨으로써 변화가 발생하였는지를 분석하여 니켈 함량의 저감기구를 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 마그네슘에서 불순물로 작용하는 니켈의 함량을 저감시키기 위해, 니켈을 함유하고 있는 마그네슘 용탕에 알루미늄, 지르코늄 및 망간을 단독 또는 복합 첨가하여 일정 시간이 지난 후 용탕 내에 잔존하는 니켈의 함량 변화를 조사하였다. 본 연구의 목적은 우선, 이들 합금 원소를 소량 첨가함으로써 마그네슘합금 용탕 내에 잔존하는 니켈의 함량에 어떤 영향을 주는 지 확인하고자 하였으며, 다음으로 니켈의 함량에 변화가 있을 경우, 미세조직상 어떤 상이 형성됨으로써 변화가 발생하였는지를 분석하여 니켈 함량의 저감기구를 규명하고자 하였다. 또한, 마그네슘합금 용탕에서 니켈의 함량을 효과적으로 저감시키는데 있어 고려해야 할 요소가 무엇인지 고찰하고자 하였다.

제안 방법

실험과정은 다음과 같다. Mg-1wt%Ni 마그네슘 합금 용탕에 상기 합금원소를 첨가한 후 3분간 교반하였고, 720℃에서 30분간 유지시킨 후 도가니 상층부의 용탕을 약 5 cm³ 채취하여 평균직경 29mm, 두께 7~10mm인 디스크형태의 시편을 금형 주조하여 제조하였다. 한편, 도가니 하층부에 존재하는 침전물의 미세조직 및 화학성분을 분석하기 위해 도가니를 천천히 기울여 약 90%이상의 용탕을 제거한 다음, 도가니 하층부에 잔류한 용탕으로부터 약 5 cm³를 채취하여 위에서 언급한 디스크 형태의 시편을 금형 주조하였다.
채취한 시료의 니켈함량은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 질량분석법을 이용하여 측정하였고, 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 각 시편의 미세조직을 관찰하였다. 또한, EDS(energy dispersive spectrometry)와 X-선 회절법(X-ray diffractometry)를 이용하여 관찰되는 각각의 상을 분석하였다.
마그네슘합금 용탕 내에 존재하는 니켈의 함량을 제어하기 위해 Mg-1wt%Ni합금에 알루미늄, 지르코늄, 망간을 단독 또는 복합 첨가한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
채취한 시료의 니켈함량은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 질량분석법을 이용하여 측정하였고, 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 각 시편의 미세조직을 관찰하였다. 또한, EDS(energy dispersive spectrometry)와 X-선 회절법(X-ray diffractometry)를 이용하여 관찰되는 각각의 상을 분석하였다.
Mg-1wt%Ni 마그네슘 합금 용탕에 상기 합금원소를 첨가한 후 3분간 교반하였고, 720℃에서 30분간 유지시킨 후 도가니 상층부의 용탕을 약 5 cm³ 채취하여 평균직경 29mm, 두께 7~10mm인 디스크형태의 시편을 금형 주조하여 제조하였다. 한편, 도가니 하층부에 존재하는 침전물의 미세조직 및 화학성분을 분석하기 위해 도가니를 천천히 기울여 약 90%이상의 용탕을 제거한 다음, 도가니 하층부에 잔류한 용탕으로부터 약 5 cm³를 채취하여 위에서 언급한 디스크 형태의 시편을 금형 주조하였다.

대상 데이터

9%)을 5 wt% 함유하고 있는 모합금을 사용하여 Mg-1wt%Ni 잉곳트를 제조하였다. 2 kg의 Mg-1wt%Ni 잉곳트를 연강(mild steel) 재질의 도가니를 사용하여 SF₆와 CO₂의 혼합가스 분위기로 유지되어 있는 저항로에서 용해한 후, 첨가원소인 Zr(0~1 wt%), Al(1~5%) 및 Mn의 함량을 변화시켜 시료를 제조하였다. 지르코늄은 직경 1 mm 이하의 입자상의 순 지르코늄(99.
순 마그네슘(99.8%)에 니켈(99.9%)을 5 wt% 함유하고 있는 모합금을 사용하여 Mg-1wt%Ni 잉곳트를 제조하였다. 2 kg의 Mg-1wt%Ni 잉곳트를 연강(mild steel) 재질의 도가니를 사용하여 SF₆와 CO₂의 혼합가스 분위기로 유지되어 있는 저항로에서 용해한 후, 첨가원소인 Zr(0~1 wt%), Al(1~5%) 및 Mn의 함량을 변화시켜 시료를 제조하였다.
2 kg의 Mg-1wt%Ni 잉곳트를 연강(mild steel) 재질의 도가니를 사용하여 SF₆와 CO₂의 혼합가스 분위기로 유지되어 있는 저항로에서 용해한 후, 첨가원소인 Zr(0~1 wt%), Al(1~5%) 및 Mn의 함량을 변화시켜 시료를 제조하였다. 지르코늄은 직경 1 mm 이하의 입자상의 순 지르코늄(99.8%)의 형태로 첨가하였고, 망간도 같은 형태의 순 망간(99.98%)을 사용하여 첨가하였다. 실험과정은 다음과 같다.

성능/효과

Fig. 8(b)의 XRD결과를 보면 이들 화합물은 주로 Al₃Ni₂상과 Al₁₀Mn₃Ni상으로 구성되어 있으며, Mg₁₇Al₁₂상도 일부 존재하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
1) 마그네슘 용탕에 알루미늄과 지르코늄을 복합 첨가하였을 때, 마그네슘 용탕 상부에서 니켈의 함량 감소에 주도적인 역할을 하는 원소는 알루미늄이다. 이 과정에서 알루미늄은 마그네슘 용탕 중에 있는 니켈과 반응하여 Al₃Ni₂를 형성하고, 이상이 빠르게 조대화 되어(~10 μm) 용탕 하부로 침전됨으로써 니켈의 함량이 감소한다.
2) 알루미늄과 망간을 복합 첨가하였을 경우에는, 두 원소 모두 니켈 함량의 감소에 효과적으로 기여하였다. 알루미늄만 첨가(5 wt%)하였을 경우에는 니켈의 함량감소율이 57%이었으나, 알루미늄(5 wt%)과 망간(1.
3) 알루미늄과 망간 복합 첨가에 따른 니켈 저감효율 향상은 마그네슘 용탕 내에 존재하는 니켈이 알루미늄 및 망간과 반응하여 고밀도의 조대한 Al₃Ni₂상과 Al₁₀Mn₃Ni상이 복합적으로 형성되어, 용탕 하부로 침전됨에 기인하는 것으로 확인되었다.
5a). Mg-1wt%Ni합금에 지르코늄을 1 wt% 첨가한 경우에는 수지상간에 용질의 농도가 다소 증가하였으나, 제2상의 형상 및 분포의 변화는 그리 크지 않음을 확인할 수 있다(Fig. 3b). 그러나 이 합금에 알루미늄을 2 wt% 첨가한 후 용탕 상부에서 채취한 시료의 경우(Fig.
3b). 그러나 이 합금에 알루미늄을 2 wt% 첨가한 후 용탕 상부에서 채취한 시료의 경우(Fig. 3c)에는 수지상간에 존재하는 제2상의 분율이 현저히 감소하였으며, 수지상정의 윤곽이 거의 소멸되고, 제2상이 시료 전체에 비교적 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 수지상간에 존재하던 제2상의 분율이 감소하였다는 것은 그 상을 구성하는 성분이 다른 원소, 즉 알루미늄과 반응하여 침전되었다는 것을 암시한다.
2) 알루미늄과 망간을 복합 첨가하였을 경우에는, 두 원소 모두 니켈 함량의 감소에 효과적으로 기여하였다. 알루미늄만 첨가(5 wt%)하였을 경우에는 니켈의 함량감소율이 57%이었으나, 알루미늄(5 wt%)과 망간(1.5 wt%)을 복합 첨가하였을 경우에는 75%까지 감소하여 30%이상의 니켈 저감효율 향상 효과가 있었다.
2(b)의 그래프가 얻어진 조건 또한 니켈의 함량이 이미 현저히 감소한 상태이기 때문에 그 효과는 다소 낮더라도 지르코늄이 니켈의 함량 감소에 영향을 준 것으로 사료된다. 요약하면, 마그네슘 용탕 내 니켈의 함량 감소에 주도적인 역할을 하는 원소는 알루미늄이며, 지르코늄에 의한 마그네슘 용탕 내 니켈의 저감 효과는 상대적으로 적다고 할 수 있다. 이는 알루미늄과 지르코늄을 복합 첨가 하였을 때 지르코늄의 주된 영향으로 니켈의 함량이 감소하였다고 보고한 G.
이 공정조직(Te = 506℃) 은 XRD분석 결과 α-Mg와 Mg2Ni상으로 구성되어 있음을 확인하였다(Fig. 5a).
이 상은 마면 한 변의 크기가 4~6 μm로서 10~13 μm인 Al3Ni2상과 달리 성장속도가 크지 않기 때문에 니켈의 저감효과는 제한적이지만, 이 상이 존재하는 경우 5%알루미늄만 첨가하였을 때 나타냈던 57% (Fig. 2a)의 니켈 저감률을 75% (Fig. 6b)까지 향상시킴으로써, 동일한 시간 동안 18%p의 부가적인 니켈 제거 효율을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘합금의 특성은?	마그네슘합금은 실용의 구조용 금속 중에서 가장 가볍고, 비강도 및 비탄성률이 우수할 뿐 아니라, 주조성이 우수하여 90년대 이후 국내외적으로 자동차부품을 비롯하여 전자부품 및 스포츠/레저부품에 이르기까지 폭 넓게 적용되고 있다[1-3]. 특히, 최근 지구온난화 문제와 함께 환경부하의 감소를 위한 자동차 경량화 추세와 맞물려 시트프레임, 스티어링 휠 코어 및 트랜스미션 케이스 등 그 적용 범위가 점차 증가하고 있다.
	상용마그네슘합금에서 니켈을 20ppm이하로 제한하는 이유는?	그 중에서 니켈은 대부분의 상용마그네슘합금에서는 20ppm이하로 제한하고 있다. 특히, 650℃의 마그네슘 용탕에서는 32 wt%[7]까지 고용되기 때문에 재활용 과정에서 발생하는 오염에 대한 고용한도가 실제로 거의 없다고 할 수 있고, 다이캐스팅 및 금형 주조한 AZ91 부품의 부식을 진행시키는 효과가 구리보다도 100배 이상 높다고 알려져 있다[8]. 따라서, 사용 후 수명을 다하여 폐기되는 자동차 또는 전자기기로부터 마그네슘합금 부품을 재활용하여 사용할 경우 니켈이 쉽게 유입될 수 있다.
	마그네슘 및 마그네슘이 포함된 합금의 단점은?	그러나, 마그네슘 및 그 합금은 마그네슘이 가지고 있는 낮은 수소전위(−2.37 V[4])에 의해 부식이 쉽게 진행이 되며, 특히, 전기화학적 환원전위가 높은 니켈(Ni), 구리(Cu), 또는 철(Fe) 등의 원소들은 미량만 함유되어 있어도 마그네슘의 부식 속도가 크게 증가되는 단점이 있다[5,6]. 그 중에서 니켈은 대부분의 상용마그네슘합금에서는 20ppm이하로 제한하고 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
M.C. Kang, Trend & Technology of Magensium, 31, October 2011, 11-13.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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