비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철소재에 관한 현황 보고(VI)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VI)
-마그네슘 합금의 부식 특성 및 내식성 향상 방안-

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

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (VI)
-Corrosion Characteristics of Magnesium Alloys and Enhancement of Their Corrosion Resistance -


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: Corrosion performance is an imperative topic, as it influences the operating life of magnesium alloy components in a transportation system. It is well known that the addition of rare earth (RE) elements is an efficient way to enhance the mechanical performance of magnesium alloys at elevated temperatures. The improvement has mainly been attributed to the formation of metastable RE-containing phases along the grain boundaries which remarkably increase the creep resistance. The addition of RE elements is also considered to have an imperative influence on the corrosion resistance of magnesium alloys. In the RE-containing high temperature magnesium alloys, zirconium (Zr) is often added to refine the grain size and to enhance the mechanical characteristics. Therefore, the current contribution presents the corrosion characteristics of magnesium alloys and the solutions for improving their corrosion resistance.
Keywords: Corrosion performance, Creep resistance, Metastable RE-containing phases, Rare earth (RE) elements, Zirconium (Zr).

1. 서 론

마그네슘 합금은 경량화 및 환경 친화적인 측면에서 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 융점이 낮아 고온에서의 적용의 한계성, 열악한 내부식성으로 인하여 적용 범위가 제한되어 있다.
이러한 문제점을 해결하고 자동차 및 항공 우주 산업 분야에 마그네슘 합금의 광범위한 적용을 위한 방안으로 미국, 일본, 호주를 중심으로 마그네슘 합금의 열악한 부식 특성을 개선하고, 비강도, 연성 및 인성을 향상시킨 새로운 마그네슘 맞춤 합금 (Tailored magnesium alloys)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VI)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 부식 특성 및 내부식성 향상 방안에 관하여 제시하고자 한다.

2. 마그네슘 합금의 부식 특성

마그네슘은 25 에서 수소 전극에 대해 -2.363 V의 표준 전극 전위를 가진다. 표면 보호막이 없는 Bare metal은 부식 저항성이 약하며 다른 전기적 양성 원소와 접촉할 경우 부식은 더욱 잘 일어나게 된다.
부식 환경의 특성은 마그네슘과 그 합금의 부식에 큰 영향을 미친다.
수분이 없는 상온에서의 마그네슘은 부식이 잘 되지 않으며 대기 중 300 ppm의 CO2, 1 ppm의 SO2가 포함된 산성 가스와 수분이 있을 경우 3MgCO3Mg(OH)23H2O (Hydromagnesite)나 MgSO46H2O 등이 표면에 형성되어 마그네슘을 보호하지만 쉽게 용해되기 때문에 금속표면을 대기 중에 다시 노출시킨다.
수용액 내에서 마그네슘은 금속 표면에 Mg(OH)2라는 피막이 형성되어 기지가 보호되지만 이 피막은 산성 용액에서는 쉽게 용해가 일어나 기지 보호 능력이 사라진다.
그러나 pH 10.5이상의 염기성 수용액에서는 Mg(OH)2의 고용도가 부동태를 이룰 정도로 충분히 낮아져 부식 저항성이 커지게 된다.
마그네슘의 Galvanic 부식은 합금 설계에 있어서 매우 신중히 고려해야 할 요인이다. 마그네슘이 EMF series에서 더 귀한 원소와 접촉하게 되거나 재료 내에 편석이나 불균질 등이 존재하면 Galvanic 쌍이 일어나게 되어 마그네슘의 양극 분해를 유발시킨다.
일반적으로 수소와 전압이 낮은 석출상들과 금속들은 다른 원소들 보다 훨씬 악영향을 미치며 합금 표면 위의 피막은 Cl-, Br-, SO2-와 같은 활성 양이온과의 작용으로 인해 국부적으로 용해되어 Galvanic 부식이 더욱 가속화된다.
Fe, Ni, Cu, Co 등의 4가지 원소는 부식 특성에 악영향을 미치며, 실제 적용 시 한계 범위내에 있어야 한다.
많은 연구 결과에서 불순물 원소의 허용치를 제시하고 있는데 Fe는 0.017 %를 초과하면 내식성에 상당히 치명적이며 Ni는 0.001 %이하로 제한해야 하며, 그 이외에 Cu는 0.015 %, Si는 0.02 % 이상이 되면 마그네슘 합금의 내식성을 저해한다고 보고되고 있다.
Na, Si, Pb, Sn, Mn, Al 등은 Ag, Cu, Zn 보다 덜 해로우며 Zr과 Mn은 Fe와 같은 해로운 원소의 임계 고용한도를 증가시킨다.

3. 마그네슘 합금의 내식성 향상 방안

마그네슘 합금의 내식성을 향상시키는 원소로는 Mn이 있는데 Mg-Mn 2원계 합금의 경우 Mn을 약 1 wt % 미만 첨가하였을 경우 Mn이 용탕으로부터 Fe 입자들을 침전시켜서 생성물 중의 Fe 함량을 낮추거나 혹은 응고 시에 Mn이 Fe를 둘러싸는 경향이 있어 Fe 불순물의 국부적인 음극 역할을 억제하는 효과가 있다.
특히 AZ계열의 실용 합금의 부식 저항성을 개선하기 위해 Mn을 첨가하고 있다.
Zn 및 희토류 원소 (Rare earth elements)의 첨가 역시 내식성의 향상에 도움이 되고 있으며 대부분의 희토류 원소들이 마그네슘의 전위와 비슷하거나 더욱 Active한 표준 전위 값을 갖기 때문에 합금 표면상에서 국부 전지가 형성될 때 양극성을 띠어 마그네슘을 보호함으로써 부식 저항성을 개선하기 때문이다.
또 다른 방법으로는 아노다이징 처리나 크로메이트 처리 등 표면 처리에 의해 내식성을 향상시키는 방법이 있다.
크로메이트 처리는 전기적인 방법에 의하지 않고 처리액과 알루미늄과의 화학 반응을 이용해 활성화하는 방법으로 비교적 낮은 비용으로 간단한 처리가 가능하고 내식성이 좋으며 외관이 균일하다는 장점이 있는 반면에 크롬 등의 중금속의 사용으로 인하여 환경적인 문제가 제기되고 있다.
아노다이징 처리는 전기 화학적 방법을 이용하여 소재의 표면에 마그네슘 산화층을 형성시켜 내식성, 내마모성, 전기 저항성 등을 향상시키는 표면 처리 방식이다.
이 방법의 장점은 제조 비용이 저렴하고 공정이 간단하고 관리하기 용이하며 어떤 색상도 재현 가능하다는 것과 아노다이징 표면이 균일하다는 점이다.
하지만 공정의 효율이 좋지 않아 아노다이징 소요 시간이 길다는 단점이 있다.
앞서 기술한 여러 가지 사항들을 고려해 볼 때 내식성을 향상시키기 위한 방법은 다음과 같이 요약될 수 있다.

(1) 증류 환원법에 의해 제조된 고순도 마그네슘을 사용하여 음극성 불순물을 줄이는 방법

(2) 마그네슘에 대해 양극성을 지닌 희토류 원소나 합금 원소를 첨가하여 국부 전지가 형성될 때 우선적으로 부식이 되면서 주위의 기지를 보호하는 방법

(3) 기지에 고용되어 있는 불순물과 반응성이 높은 제 3 합금 원소를 첨가하여 화합물을 형성함으로써 단독 불순물 허용치를 낮추는 방법

(4) 급냉 응고로 조성적 편석을 줄이거나 조직 미세화로 인한 균질화 효과와 고음극상의 미세 분산 효과로서 부식 속도를 감소시키는 방법

(5) 첨가 원소들이 마그네슘 표면에서 마그네슘 보다 우선적으로 산화되어 치밀한 부동태 피막을 형성하는 방법

(6) 아노다이징 처리 등 표면 처리를 통한 내식성의 향상

4. 결 론

본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VI)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 부식 특성 및 내부식성 향상 방안에 관하여 제시하였다.
비용 및 Lead-time 절감의 측면에서 R & D 과정에서 발생한 문제들에 대한 합리적인 해결을 위하여 기존의 개념을 확장 및 응용하여 동시 공학 (Concurrent engineering)적인 접근이 필요할 것으로 사료된다.

본 원고에 대한 문의는 저자: 정 홍 규/ E-mail: hongkyuj@hanmail.net

Acknowledgments

The authors would like to express heartfelt thanks 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 their invaluable comments and assistance.

References

[1] ASM Specialty Handbook, Magnesium and Magnesium Alloys, ASM International, Materials Park, OH, USA, Edited by M. M. Avedesian and H. Baker, 1999, pp. 1-296.
[2] D. N. Li, J. R. Luo, S. S. Wu, Z. H. Xiao, Y. W. Mao, X. J. Song, G. Z. Wu, Study on the Semi-Solid Rheocasting of Magnesium Alloy by Mechanical Stirring, J. Mater. Process. Technol., Vol. 129, 2002, pp. 431-434.
[3] Z. Koren, H. Rosenson, E. M. Gutman, Y. B. Unigovski, A. Eliezer, Development of Semisolid Casting for AZ 91 and AM 50 Magnesium Alloys, J. Light Met., Vol. 2, 2002, pp. 81-87.
[4] B. Y. Johnson, J. Edington, M. J. O'Keefe, Effect of Coating Parameters on the Microstructure of Cerium Oxide Conversion Coatings, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 361A, 2003, pp. 225-231.
[5] 정 홍 규, 차세대 환경 친화형 비철 소재를 이용한 성형 신기술 및 재료 분석/특성 평가 기술 개발, 과학 기술부 (MOST) 산하 한국 과학 재단 (KOSEF) 지정 기계 공학 연구 정보 센터 (METRIC) 콘텐츠 경연 대회 수상, 2004.
[6] A. N. Khan, J. Lu, H. Liao, Heat Treatment of Thermal Barrier Coatings, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 359A, 2003, pp. 129-136.
[7] C. G. Kang, H. K. Jung, Semisolid Forming Process -Numerical Simulation and Experimental Study, Metall. Mater. Trans. B, Vol. 32B, 2001, pp. 363-371.
[8] A. Eliezer, E. M. Gutman, E. Abramov, Ya. Unigovski, Corrosion Fatigue of Die-Cast and Extruded Magnesium Alloys, J. Light Met., Vol. 1, 2001, pp. 179-186.
[9] C. G. Kang, H. K. Jung, A Study on Solutions for Avoiding Liquid Segregation Phenomena in Thixoforming Process: Part II. Net Shape Manufacturing of Automotive Scroll Component, Metall. Mater. Trans. B, Vol. 32B, 2001, pp. 129-136.
[10] G. Song, A. L. Bowles, D. H. StJohn, Corrosion Resistance of Aged Die Cast Magnesium Alloy AZ 91D, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 366A, 2004, pp. 74-86.
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