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Ca 첨가에 의한 Mg-Al계 합금의 결정립 미세화 기구

전문가 제언: ○ AZ31, AZ61, AZ91 등 Mg-Al계 합금의 주조 시 소량의 Ca을 첨가함으로써 결정립을 미세화 할 수 있다는 것이 알려져 있다. 결정립 미세화에 기여하는 두 가지 요소는 (1)용질원소가 결정립 성장을 억제하는 정도를 나타내는 성장제한인자(Q)와 (2)고/액 계면에서의 용질 재분포에 의한 조성적 과랭(ΔTCS)이다. 본 연구에서는 Ca 첨가에 의한 결정립 미세화 메커니즘을 밝히기 위해 분석적 모델을 사용하여 이 두 가지 요소들의 기여도를 분석한다.

○ Mg-3A, Mg-6Al, Mg-9Al 2원합금에 소량(0.1∼0.4wt.%)의 Ca을 첨가하여 결정립 미세화 실험을 실시하였다. Mg-3Al의 경우 0.2%Ca에서 결정립 미세화 효과가 최대로 나타났고, Mg-6Al과 Mg-9Al의 경우에는 Ca 첨가의 효과가 미미하였다. 결정립도 d를 Q의 함수로 나타내는 StJohn 등의 분석적 모델(d = a + b/Q)에 의한 Mg-Al-Ca 합금의 결정립도 예측은 Q의 증가보다는 ΔTCS에 의한 핵생성 이벤트 활성화가 Mg-Al 합금의 결정립 미세화에 더 중요하다는 것을 보였다.

○ Mg-Al계 합금에 Ca를 첨가하면 결정립 미세화 외에도 용탕의 발화/산화 억제, Al2Ca 석출에 의한 고온 크리프 내성 향상 등 부수적 효과도 있어 연구자들의 관심을 끌고 있다. StJohn 등의 모델은 결정립 미세화에 있어서의 Q와 ΔTCS의 역할을 정량적으로 제시하였다. 최근 다성분 용질 원소들 간의 상호작용을 무시한 기존의 2원합금 기준 Q 계산법에 문제가 있는 것이 밝혀져 Q의 정확한 계산법이 필요해졌고, 열역학 데이터베이스를 이용한 Scheil 응고 시뮬레이션이 대안으로 제시되었다.

○ 국내 연구자들이 해외 저널에 발표한 Ca 첨가에 의한 Mg-Al계 합금의 결정립 미세화 연구는 1건뿐이다(2009년 KIMS). 그밖에 위에 언급한 Ca 첨가의 부수적 효과에 대한 해외 발표 논문이 1건 있다. KIMS 팀의 연구에서도 AZ31에의 Ca 첨가량을 0.7%에서 2.0%로 늘려도 결정립도에 차이가 없는 것으로 나타나 본 연구의 결과와 일맥상통한다. 앞으로 Mg합금에 대한 Ca와 다른 접종제의 동시 첨가 또는 Ca 외의 다른 용질원소의 첨가 등에 의한 결정립 미세화 연구가 기대된다.

저자: B. Nagasivamuni, K.R. Ravi
자료유형: 니즈학술정보