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CaO 첨가에 의한 마그네슘 합금 주물의 결정립 미세화

전문가 제언: ○ Mg 합금의 결정립 미세화를 위해서는 여러 가지 방법이 사용되고 있지만, 고체 상태에서의 가공열처리보다는 주조 시의 액체 상태에서의 처리가 훨씬 저렴하고 효율적이다. 주조 시의 결정립 미세화는 보통 두 가지 방향에서 접근한다. 첫째는 용질원소의 편석을 이용한 조성적 과랭 영역의 확대이고, 둘째는 접종제 상의 불균질 핵생성 에너지 감소를 통한 핵생성 속도의 증가이다. CaO는 이 두 가지 조건을 동시에 만족시키는 효과적인 접종제가 될 수 있을 것으로 기대된다.

○ FCC 구조의 CaO는 HCP 구조의 Mg와 결정학적 정합도가 높기 때문에 Mg의 결정핵이 CaO 입자 위에서 생성되기 위한 에너지 장벽이 낮다. 따라서 위의 둘째 조건을 만족시킨다. 한편 Mg의 높은 반응성 때문에 CaO의 일부가 Ca로 환원되어 α-Mg 결정 내에서 현저한 편석을 일으키는 용질효과에 의해 결정성장을 억제한다. 즉, 첫째 조건을 만족시킨다. Ali 등은 실험을 통하여 CaO에 대한 이런 가정들이 모두 사실임을 입증하였다.

○ 해외에서는 합금의 주조에서 결정립 미세화를 추구하는 방안으로 전술한 두 가지 방법이 활발히 연구되어 왔다. 핵생성 활성화 에너지를 낮추기 위해 결정구조를 비교하는 E2EM(Edge-to-Edge Matching) 모델에 의해 Al2Ca, HfC, AlN, ZnO 등이 접종제로 연구되었고, 용질효과가 큰 원소들로는 Ca, Zn, Al, Zr 등이 제시되었다. 그러나 이런 접종제들은 모두 여러 가지 제한요소들을 가지고 있어서 좀 더 효과적이고 범용적인 접종제의 개발이 요구되고 있다.

○ 국내의 2000년 이후 Mg 합금의 주조과정에서 결정립 미세화를 위해 접종제를 첨가하는 연구는 3건에 불과하다. 즉, 재료연구소(KIMS)의 경금속 연구그룹에서 Mg-Al계 합금의 결정립 미세화를 위해 C와 MnCO3를 각각 접종제로 첨가한 연구 결과를 해외 학술지(2007, 2010)와 국내 대한금속학회지(2014년)에 발표한 것이 전부이다. 용해주조 단계에서의 접종제 첨가에 의한 결정립 미세화는 에너지 절약과 효율 면에서 매우 유리한 방법이므로 지금보다 더 활발한 연구가 필요하다.

저자: Yahia Ali a, Dong Qiua, Bin Jiang b, Fusheng Pan b, Ming-Xing Zhang
자료유형: 니즈학술정보