[논문]마그네슘합금의 산화저항성에 미치는 산화칼슘 첨가의 영향

김기범; 김상필; 김권후

doi:10.12656/jksht.2020.33.3.129

마그네슘합금의 산화저항성에 미치는 산화칼슘 첨가의 영향
The Effect of Calcium Oxide on Oxidation Resistance of Magnesium alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.33 no.3, 2020년, pp.129 - 134

김기범 (부경대학교 마린융합디자인협동과정) , 김상필 (부경대학교 마린융합디자인협동과정) , 김권후 (부경대학교 공과대학 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to excellent properties such as high specific strength and low density, application of magnesium alloys have been rapidly increased. However, magnesium alloy has a serious problem that is easily oxidized when exposed to high-temperature. For this reason, magnesium alloys have been generally used for SF6 gas such as protective cover gas in casting and melting, but it has been reported that this gas has a serious influence on global warming. Therefore, many researchers have been studied to improve the oxidation resistance of magnesium alloy. It was reported that addition of Be, Ca and CaO in magnesium alloy can improve the oxidation properties. In this study, the possibility of improving the oxidation resistance by adding CaO extracted from oyster shells was investigated. Oyster shells were completely decomposed into CaO and CO2 by annealing. With the addition of CaO, a coexistence region of MgO + CaO was formed in the oxide layer and its thickness was also reduced.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Thermo-decomposition curve of oyster shell from TGA measurement[6].
그림 Fig. 2. Thermo-decomposition curve of oyster shell from TGA measurement.
그림 Fig. 3. Grain structure map observed on the mid-plane section by SEM and EDS measurement after cast - (a) 0.54% CaO, (b) 0.80% CaO respectively.
그림 Fig. 4. Macroscopic images of (a) Pure magnesium, (b) Mg-0.54%CaO and (c) Mg-0.80%CaO at 450℃ after 5h oxidation exposure, and (d) Pure magnesium, (e) Mg-0.54%CaO and (f) Mg-0.80%CaO at 500℃ after 5h oxidation exposure, respectively[6].
그림 Fig. 5. Pure magnesium after oxidation test at 450℃ for 5h - (a) SEM image, (b) Mg, (c) O and (d) Ca EPMA mapping, respectively.
그림 Fig. 6. Mg-0.54% CaO after oxidation test at 450℃ for 5h - (a) SEM image, (b) Mg, (c) O and (d) Ca EPMA mapping, respectively.
그림 Fig. 7. Mg-0.80% CaO after oxidation test at 450℃ for 5h - (a) SEM image, (b) Mg, (c) O and (d) Ca EPMA mapping, respectively.
그림 Fig. 8. EPMA line analysis of cross-sectional oxide layer after oxidation test for 5h [6].
그림 Fig. 9. Oxide layer thickness versus CaO concentration of Pure Mg, Mg-0.54% CaO and Mg-0.80%CaO alloys during oxidation test at 450℃ and 500℃ [6].

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 아직 굴 패각을 처리하는 연구는미비하다. 따라서, 이에 대한 대책의 하나로 본 연구에서 굴패각으로부터 추출한 사용되는 산화칼슘(CaO)을 첨가하여 마그네슘합금을 제작하고 각 첨가량에 따른 산화저항성의 변화를 알아보는 것을 연구목표로 한다.

제안 방법

앞에서 언급한 것과 같이, 마그네슘에 산화칼슘(CaO)를 첨가하면 마그네슘 산화층을 억제된다는 것을 실험결과에 확인했다. 따라서 이를 상세하게 확인하기 위해서, 순마그네슘과 CaO가 첨가된 합금의단면적을 EPMA분석을 통해 표면 산화층에 대한 원소 분포분석을 실시하였다.
무게 증가는 산소와의 반응으로 인한 산화로 무게가 증가하는 것을 의미하며, 이는 산화의 척도로 삼을 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 순 마그네슘의산화온도인 450^oC와 500^oC에서 장시간 노출시켜 시편의 표면 및 무게 변화를 측정했다.
또한, 산화시험 후의 시료 표면에 생성된 산화층의화합물 등을 확인하기 위해서 X선 회절시험과 EPMA 분석을 실시하였다.
산화칼슘(CaO)의 함량에 따른 산화저항성 평가를확인하기 위해 6×6×5 mm의 크기로 절단하여 시료를 제작한다. 마그네슘합금의 급격한 산화가 진행되는 온도인 450^oC와 그 이상의 온도인 500^oC에서 5시간씩 노출하여 산화 진행정도를 거시적으로 확인하고, 그 진행 정도를 상세하게 확인하기 위해서 시료의 무게 변화를 측정했다.
산화칼슘(CaO)의 함량에 따른 산화저항성 평가를확인하기 위해 6×6×5 mm의 크기로 절단하여 시료를 제작한다.
순 마그네슘에 산화칼슘(CaO)의 첨가량을 달리하여 마그네슘합금을 제작하고, 산화칼슘(CaO)의 첨가에 따른 마그네슘합금의 산화저항성에 미치는 영향에대해서 조사하였다. 그 결과는 다음과 같다.
이 결과로부터, 진공튜브로를 이용하여800^oC, Ar분위기에서 열처리 실험을 실시하여 첨가원소인 산화칼슘(CaO)을 추출한다. 열처리에 의해산화칼슘(CaO)이 추출되었는지 확인하기 위해서, X선 회절기를 이용하여 성분분석을 했다.
C까지가열시킨다. 이 결과로부터, 진공튜브로를 이용하여800^oC, Ar분위기에서 열처리 실험을 실시하여 첨가원소인 산화칼슘(CaO)을 추출한다. 열처리에 의해산화칼슘(CaO)이 추출되었는지 확인하기 위해서, X선 회절기를 이용하여 성분분석을 했다.
제작된 산화칼슘(CaO)을 앞에 언급한 주조방법으로 순 마그네슘 용탕에 첨가하여 산화칼슘(CaO)의함량이 다른 마그네슘합금을 제작했다. 보호가스를제거하고 용탕을 금형에 주입하더라도 어떠한 발화현상은 일어나지 않았으며, 냉각된 시료의 표면에 소량의 산화만이 발생된 것을 확인했다.
이후 철제 금형에 중력 주조하여 CaO함량이 다른Mg-CaO 합금을 제작한다. 제작된 합금 내에 존재하는 산화칼슘(CaO)의 함량을 조사하기 위해 SEMEDS분석을 실시하였다.

성능/효과

2) 순마그네슘은 MgO로만 구성된 산화층을 형성시켰으며, 산화칼슘(CaO)을 첨가한 두 개의 마그네슘합금은 MgO와 CaO로 구성된 산화층을 형성시켰다.
3) 온도가 올라갈수록, 산화칼슘(CaO)의 함량이 올라갈수록 표면층의 CaO의 함량이 올라갔으며, 이는산화층이 작아지는 효과를 얻었다. 이는 산화칼슘(CaO)의 첨가가 마그네슘합금의 산화 방지에 효과적이라는 것을 의미한다.
따라서, 마그네슘이 칼슘에 비해서 확산이 잘 일어나기 때문에, 마그네슘이 산소와 우선적으로 반응하여 MgO 산화층이 형성되고 이후 칼슘의 산화가 진행된다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 산화칼슘(CaO)이 첨가된 마그네슘합금은 표면층에서Ca성분을 확인할 수 있으며, 온도가 올라갈수록 산화칼슘(CaO) 함량이 증가할수록 Ca성분의 양이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는 표면층에 CaO 산화층 형성이 활발해지고, MgO + CaO 공존영역의증가한다는 것을 의미한다.
열처리전에는 탄산칼슘(CaCO3)의 peak만 확인할 수 있었으며, 열처리 후에는 탄산칼슘(CaCO3)이열분해에 의해서 산화칼슘(CaO)와 이산화탄소(CO₂)로 분해되어 이산화탄소(CO₂)는 날아가고, 산화칼슘(CaO) 분말만 잔존해 있는 것을 열처리 후의 X-선회절 시험결과로 확인할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 첨가원소인 산화칼슘(CaO)을 열처리에 의해 얻어진 것을 확인할 수 있다.
이는 순 마그네슘에서는 기지의 마그네슘 원소와산소와의 반응으로 MgO 산화층이 형성되었지만, 산화칼슘(CaO)이 첨가된 두 종류의 마그네슘합금은 칼슘의 표면 산화층으로의 확산에 의해서 기존의 다공성 구조의 MgO 산화층이 아닌 MgO와 CaO의 공존된 산화층이 형성되었다는 것을 알 수 있다. 따라서, 순 마그네슘과 다르게 표면 산화층에 Ca 원소가집중적으로 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.(Fig.
이는 표면층에 CaO 산화층 형성이 활발해지고, MgO + CaO 공존영역의증가한다는 것을 의미한다. 또한, Fig. 9에서 볼 수있듯이, 산화층의 두께도 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 MgO + CaO 공존영역의 증가에 의해서산화층의 변화가 일어나고, 이는 MgO + CaO 산화층에 의해서 내부 마그네슘의 산화 및 증발이 억제되는데 효과가 있다는 것을 의미한다.
앞에서 언급한 것과 같이, 마그네슘에 산화칼슘(CaO)를 첨가하면 마그네슘 산화층을 억제된다는 것을 실험결과에 확인했다. 따라서 이를 상세하게 확인하기 위해서, 순마그네슘과 CaO가 첨가된 합금의단면적을 EPMA분석을 통해 표면 산화층에 대한 원소 분포분석을 실시하였다.
1은 탄산칼슘(CaCO3)의 열분해 거동을 확인하기 위해서 파쇄된 굴패각 분말의 TGA 결과를 나타낸 것이며, 10^oC/min의 속도로 승온하여 800^oC까지 가열하여 무게 변화를 측정한 결과이다. 온도의증가에 따른 무게 변화를 알 수 있으며, 약 650^oC부터 급격한 무게 변화가 진행되었고, 약 765^oC부터무게의 감소가 완만해진 것을 확인할 수 있다. 또한,그림에서 볼 수 있는 것과 같이 800^oC까지 가열하면 약 44%의 무게 손실이 발생된다.

참고문헌 (8)

W. Park and B. You : J.KFS, 195 (1999) 377.
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J. Kim and S. Kim : Mater. Trans, 52 (2011) 1483.

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B. Pilling, R. E. Bedworth : J. Inst. Met, 29 (1923) 529.
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김상필 : 공학석사학위논문 (2017).
C. Yim and B. You : J.KFS, 291 (2009) 7.
J. Rao and H. Li : Int. J. Adv. Manuf. Technol, 51 (2010) 225.

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