비철금속/ 차세대 환경친화형 비철소재에 관한 현황보고(III)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (III)
-마그네슘 합금 소재의 열 표면 처리 기술-

정 홍 규(부산대학교 ERC/NSDM 전임연구원)/강 충 길(부산대학교 기계공학부 교수)

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (III)
-Heat/Surface Treatment Technology of Magnesium Alloys-


Hong-Kyu Jung(Researcher of Engineering Research Center for Net Shape and Die Manufacturing (ERC/NSDM), School of Mechanical Engineering, Pusan National University)
Chung-Gil Kang(Faculty Member of School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

ABSTRACT: Magnesium alloy in its molten state will oxidize rapidly in air, leading to burning on the melt surface. In order to process molten magnesium safely, the melt is protected from oxidation by blanketing the surface with a cover gas. The present method of magnesium melt protection uses a cover gas mixture that results in the formability of a thin, coherent and stable film on the melt surface. The cover gas usually contains air or CO2, combined with a small amount of an inhibiting agent. Sulphur hexafluoride (SF6) has proved to be a successful inhibitor. It is non-toxic, non-corrosive and provides effective protection of molten magnesium at concentrations as low as 0.1 vol. %. However, the increasing cost of SF6 and concern regarding the contribution of SF6 to the greenhouse effect has resulted in the need for a more detailed examination of these cover gas techniques. This article describes the characterization and heat/surface treatment technology of magnesium alloys.
Keywords: Cover gas mixture, Heat/surface treatment technology, Magnesium melt protection, Oxidation, Sulphur hexafluoride (SF6).

1. 서 론

전 세계적으로 자동차 및 항공기 등 운송 수단의 경량화, Recycling, 연비 향상 및 환경적인 측면에서 차세대 친환경 경량 소재를 이용한 부품 성형 공정에 관한 연구가 관심의 대상이 되고 있다.
마그네슘 합금은 치수 안정성이 우수하고, 비강도, 전자기파 차폐성, 동적 진동 감쇠능 등 알루미늄 합금 및 철강 소재에 비해 우수한 특징을 보임에도 불구하고, 마그네슘 합금은 고가 (동일 중량의 알루미늄 합금의 약 2배)이고, 60 % 이상이 다이 캐스팅에 의해 제조되고 있으므로 후가공으로 인한 원가 상승의 원인이 되고 있으며, 열악한 내식성이 그 사용을 제한하고 있다.
그러나 최근에 마그네슘 합금의 내식성에 관한 연구 결과 내식성이 우수한 AZ 91계 합금이 개발되었고, 연성이 우수한 AM계 합금이 개발되면서 마그네슘 합금에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (III)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금 소재의 열 표면 처리 기술에 관하여 제시 하고자 한다.

2. 마그네슘 합금 소재의 열처리 및 치수 안정성

AZ 91D 마그네슘 합금의 다이 캐스팅에서는 응고 시 비교적 빠른 냉각속도에 의해서 결정립이 미세화되며, 200~300 에서 용체화 처리를 하면 경도는 감소하지만 결정 내부의 조직 변화는 없다.
하지만, 마그네슘 다이 캐스팅 제품을 360 에서 8시간 이상 용체화 처리를 하면 급격한 경도 감소와 함께 내부 조직이 변하게 되며 용체화 처리 후 급냉하고 180 에서 8시간 이상 시효 처리를 하면 (즉 T6 열처리를 하면) 인장강도 260 MPa, 연신율 5 % 이상의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 마그네슘 합금의 경우 외부 온도의 변화에 따른 원자간의 결합 에너지의 값이 큰 차이가 없기 때문에 제품의 치수 안정성을 보장할 수 있다.

3. 마그네슘 합금에서 수소 발생을 방지하기 위한 방안

마그네슘은 원래 순수한 물에서는 수소를 발생하지를 않지만 산성 용액에서는 수소가 발생하기 쉬우며, 마그네슘 합금 역시 합금 원소가 첨가되는 양이 4~10 % 정도로서 수소가 발생한다.
따라서, 수소 발생을 방지하기 위한 방안으로는 수용액을 알칼리화 시킨다든지 아노다이징 처리, 니켈 도금 등 표면처리를 하는 방법이 있다.

4. 마그네슘 합금 소재의 표면 처리

마그네슘 합금의 내식성은 합금계의 종류가 다양하기 때문에 부식 속도 등을 정확하게 기술하기는 어렵지만, 마그네슘 합금 자체의 내식성은 우수하지 못하다.
마그네슘은 전기 화학적 음성도가 다른 금속원소에 비해 높기 때문에 특히 Fe, Cu, Ni, Si 등이 기지 내에서 금속간 화합물 형태의 작은 입자로 석출되면, 기지 상에 비하여 음극을 형성하여 경계면에서 전기 화학적인 부식이 국부적으로 일어나며 이들 원소들을 최소화해야만 내식성을 확보할 수 있다.
Fig. 1(sequence of magnesium die casting process with surface treatment)은 마그네슘 합금의 표면 처리 및 다이 캐스팅 공정에 대한 Flow chart를 나타낸 것이다. Fig. 1에서 알 수 있듯이, 마그네슘 다이 캐스팅 공정은 성형 이후에 트리밍 및 기계 가공 등을 통해 완전한 제품의 형상을 만든 후 수작업으로 세부적인 주조 결함을 제거하는 사상 공정 (Grinding)을 진행하게 되고 사상 공정 이후 화학 약품을 통한 표면 처리를 하게 된다.
그리고, 마그네슘의 표면에 형성되는 자연적인 피막도 상당한 부동태 성질을 가지며 흔히 염기성을 띄고 있어 모든 주변 환경에 잘 견디지 못해서 표면 처리를 필요로 한다.
따라서 도장관련 표면 처리 기술은 마그네슘 합금의 내식성 확보의 측면에서 필요 불가결한 기술로서 일반적으로 크로메이트로 표면 처리한 후 도장을 하지만 최근 크롬의 환경 유해성 판정으로 인하여 무전해 니켈 도금이나 아노다이징 처리하는 방향으로 선회되고 있다.
마그네슘 합금의 표면 처리 방법은 각 회사의 노하우로서 공개를 하지 않고 있기 때문에 Mass production을 위해서는 컬러 아노다이징 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
마그네슘 합금의 도장성 평가 방법으로는 ASTM D117-97 및 ASTM B117을 근거로 한 Salt spray (염수 분무시험), CASS 테스트, 습식 분위기에서 고온 및 저온을 반복하는 Cyclic 테스트, 도장막 밀착성 테스트 등이 있다.

5. 결 론

본 저자는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금 소재의 열 표면 처리 기술에 관하여 제시하였다. 마그네슘 합금은 치수 안정성이 우수하고, 비강도, 전자기파 차폐성, 동적 진동 감쇠능 등 알루미늄 합금 및 철강 소재에 비해 우수한 특징을 보임에도 불구하고, 마그네슘 합금은 동일 중량의 알루미늄 합금의 약 2배 정도의 고가이고, 60 % 이상이 다이 캐스팅에 의해 제조되고 있으므로 후가공으로 인한 원가 상승의 원인이 되고 있다.
아울러, 열악한 내식성이 그 사용을 제한하고 있다.
따라서, 기존의 주조품에서 나타나는 각 종 문제점을 소성 가공으로 해결하기 위한 여러 가지 방안이 검토 중에 있으며 마그네슘 합금을 이용한 차세대 성형 신기술에 대한 필요성이 강력히 대두되고 있다.
본 원고에 대한 문의는 저자: 정 홍 규/ E-mail: hongkyuj@hanmail.net

Acknowledgments

The authors deeply give appreciations to the ERC/NSDM, CANSMC (RRC), KITECH, KNCPC, KIMM, KOSEF, KISTI, KISTEP, ITEP, MOST (Ministry of Science and Technology), MOCIE (Ministry of Commerce, Industry and Energy) and OPM (Office of the Prime Minister) for providing the invaluable aid.

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