KR100427644B1

KR100427644B1 - 입계공학을 이용한 납축전지용 양극기판의 부식 저항성향상법

Info

Publication number: KR100427644B1
Application number: KR10-2002-0019457A
Authority: KR
Inventors: 황선근; 유회수; 이동섭
Original assignee: 학교법인 인하학원
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2004-04-28
Also published as: KR20030080692A

Abstract

본 발명은 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 본 발명은 상용하는 납축전지의 양극기판용 납 합금을 냉간압연한 후 열처리하는 반복가공열처리 공정을 수행하여, 상용하는 납축전지용 양극기판의 입계부식에 대한 저항성을 향상시키는 것으로, 본 발명에 따른 납 합금은 상용하는 납축전지용 양극기판의 합금조성의 변화 또는 원소의 추가 없이 종래 방법의 문제점인 입계부식 저항성을 Low Σ CSL 입계분률(3≤Σ≤29)을 최고 91%까지 향상시킴으로써, 납축전지의 수명연장 뿐만 아니라 전극기판의 두께를 최소화할 수 있어 납축전지의 에너지밀도 향상 및 제품의 원가도 감소시킬 수 있다.

Description

입계공학을 이용한 납축전지용 양극기판의 부식 저항성 향상법{A METHOD FOR IMPROVING THE CORROSION RESISTANCE IN POSITIVE LEAD-ACID BATTERY GRIDS BY GRAIN BOUNDARY ENGINEERING}

본 발명은 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 본 발명은 상용하는 납축전지의 양극기판용 납 합금을 냉간압연한 후 열처리하는 반복가공열처리 공정을 수행하여 상용하는 납축전지용 양극기판의 입계부식에 대한 저항성을 향상시키는 것이다.

납축전지는 약 1860 년경부터 실용적인 형태로 개발되어 다양한 용도로 사용되고 있으며, 대표적으로 자동차의 기초 전원으로 사용되고 있다. 이러한 납축전지는 제조 단가가 싸고 넓은 온도 조건에서 고출력을 낼 수 있으며, 크기가 다양하여 잠수함용으로부터 무선 전화기 용도로도 널리 사용되고 있다.

그러나, 납축전지의 에너지 밀도는 3O ∼ 4O Wh/kg 정도인 반면에 다른 전지 형태인 Ni/MH 및 리튬 이온전지의 경우는 각각 70 ∼ 95 Wh/kg 및 80 ∼ 13O Wh/kg의 에너지 밀도를 가짐으로써, 납축전지의 에너지 밀도를 높이려는 연구가 활발하다.

또한, 납축전지에 대한 관심은 납축전지의 경량화에 집중되고 있는 가운데 GM(General Motors)등의 자동차 업체뿐만 아니라, GNB 인더스트리얼 파워(GNB Industrial Power) 및 바이폴라 파워 주식회사(Bipolar Power Co.)의 축전지 업체들에 의해 연구가 주도되어 왔으며 70 년대 중반부터 80 년대 말에 본격화되었다.

납축전지의 경량화는 상기 납축전지 구성 재료 중에서 가장 큰 비율을 차지하는 기판의 경량화를 의미한다. 이러한 납축전지에 사용되는 기판은 화학에너지를 전기에너지 또는 전지에너지를 화학에너지로 변환시키는 과정에서 전하의 이동을 원활하게 하는 전기적 도체 역할을 할 뿐만 아니라, 전극 표면에서 실제 반응에 참여하는 활물질을 물리적으로 지지 또는 고착시키는 역할을 한다.

상기의 역할을 수행하기 위해 납축전지를 구성하는 기판은 황산 수용액에서 반응하므로 산에 대한 강한 내식성을 가져야 하며 기판 제조 공정에 적합한 기계적 강도 및 경도를 가져야 한다.

이러한 기판으로 사용되고 있는 것은 수소과전압이 높아 산에 대한 강한 내식성이 우수한 납이 주로 사용되지만 납 자체가 너무 연한 성질을 가짐으로써, 적합한 기계적인 강도 및 경도를 갖기 위해서는 다른 원소를 첨가하는 납 합금의 형태가 사용되고 있다. 그의 일례로서, Sb를 다량 첨가하는 Pb-Sb 합금이 있으나 상기의 방법은 충ㆍ방전 시 가스가 다량 발생하여 전해액의 현격한 감액현상을 유발하고 자기방전 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 최소화하기 위하여, 최근에는 Ca을 첨가한 합금이 사용되고 있다. 상기 Pb-Ca의 합금은 Pb-Sb 합금에 비해 수소과전압이 상대적으로 높아 충ㆍ방전 시 가스가 적게 발생하여 전해액이 크게 감소하지 않으나 내식성의 저하로 인해 전지수명이 단축되고 부풀림 현상(Swelling)이 발생한다.

상기 부풀림 현상을 감소시킬 목적으로 Pb-Ca 합금에 Sn을 추가로 첨가하는방법이 제시되었다. 상기 Pb-Ca-Sn의 합금은 부풀림 현상이 감소될 뿐 아니라 PbO₂사이에 반전도성의 Pb-Sn의 산화물이 형성되어 산화납(PbO)의 생성을 막는 효과로 전기전도도를 향상시켰다.

그러나, 상기 Pb-Ca-Sn 합금 역시 가장 문제가 되는 것은 납축전지 사용 중 기판의 입계부식이 불가피하다는 것이다. 하기 반응식 1과 같이 일어나는 납축전지의 충ㆍ방전 시 일어나는 화학반응에서 입계부식은 하기 화학식 2의 양극기판에서 일어나는 화학반응에 따라 부피의 변화로 인하여 발생한다. 또한 상기 입계부식은 크랙 및 크리프를 발생시켜 양극기판의 파괴를 유발하여 기판의 수명을 단축시킨다.

Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄↔2PbSO₄+ 2H₂O (전지전체 기전반응)

PbO₂↔PbSO₄(양극기판에서의 반응)

상기에서 서술한 바와 같이, 기판 중 양극기판의 입계부식으로 인한 양극기판의 파괴는 납축전지의 충ㆍ방전 효율을 감소시키고, 이러한 문제점은 사용함에 따라 충ㆍ방전의 효율이 점차 감소한다. 이는 모든 이차 전지의 공통된 문제점이다. 또한 미래의 납축전지는 장기간의 수명이 요구되므로 이러한 전지의 개발은 양극 활물질과 기판에 직결되는 문제이다[강홍렬 외, 한국화학공학회, 1989].

상기 입계부식은 합금의 조성 및 조직에 따라 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있으므로 Ag, Sn, Ba, Al 등의 합금원소를 첨가하여 기판의 내식성을 개선하려는 시도가 이루어져왔다[김관휴 외, 한국부식학회지, 1999]. 그 중 Ag, Al, Ba의 첨가에 의해 특성을 향상시킨 바 있으나, 별도의 합금원소를 첨가로 인해 제조 비용을 증가시키는 단점 이외에도 내부저항이 크고 내변형 특성이 약화되는 문제점이 있다.

최근에는 결정립계특성 조절개념[T. Watanabe, Res. Mechanica, 11, 47, 1984]을 도입하여 물성을 향상시키고자 하는 연구들도 시도되고 있다. 결정립계특성 조절이란 재료의 제조공정 변수 중에 가공열처리 등의 방법으로 결정립계 구조를 변화시킴으로써 재료의 물리적ㆍ기계적ㆍ화학적 특성 등을 향상시키는 기술이다. 재료의 결정립계는 높은 에너지 상태의 고경각입계와 낮은 에너지를 갖는 저경각입계, 그리고 고경각입계 중에서도 결정립간의 특수한 방위관계로부터 CSL(Coincidence Site Lattice; 이하 "CSL"이라 한다)조건을 만족하는 낮은 에너지 상태의 특수한 결정립계(Special Grain Boundary)로 구분된다.

CSL 입계는 1949년 크론베르그(Kronberg)와 윌슨(Wilson)에 의해 처음 제안되었으며, 격자 일치도에 따라 CSL 입계를 분류하고 Σ로 명명한다. 가령, Σ3의경우 격자 일치도가 1/3을 의미하고 Σ5의 경우 1/5의 격자 일치도를 나타낸다. 또한 Low Σ CSL 입계분률(3≤Σ≤29)는 입계부식 및 크리프와 크랙 등에 대한 큰 저항성을 가지는 것으로 알려져 왔으나[Kronberg and Wilson, AIME, 1949], 결정립계 분석기술의 제한적 요소들로 인하여 큰 발전을 이루지 못하였다.

그러나 최근 개별입자의 결정방위 정보를 쉽게 얻을 수 있는 EBSD (Electron Back Scattering Diffraction)장비의 보급으로 인하여 많은 연구가 진행되었고, CSL 입계분률은 재료의 제조공정(주조, 압연(변형), 재결정열처리 등등)에 영향을 받는다는 것이 실험적으로 증명되었다. 랜들(Randle)은 강한 집합조직이 형성되면 입계에너지가 낮은 저경각입계(즉, Σ1 입계)가 증가되고, 낮은 적층결함에너지를 가지는 재료는 재결정열처리 시 어닐링쌍정(즉, Σ3 입계)이 증가된다고 하였다[V. Randle,Acta Mater., 1999]. 그러나 이와 같은 공정들이 모든 재료에 다 적용되는 것은 아니며 아직까지 각 재료마다 Low Σ CSL 입계분률 향상에 대한 기구는 밝혀지지 않았다.

납축전지의 양극 기판에 사용되고 있는 납 합금의 물성향상을 위하여 적절한 가공열처리를 적용하여 Low Σ CSL 입계분률을 증가시킬 경우 결정립계특성 변화에 의한 입계부식 및 크리프와 크랙에 대한 저항성 향상효과가 나타나는 것으로 알려져 있다[Palumbo,Journal of Power Sources, 1999].

이러한 부식특성 및 기계적 특성을 향상시키고자 입계공학을 적용하는 방법이 이미 캐나다의 Integran Technologies INC.사 [G. Palumbo, WO 01/26171 A1, 2001] 및 한국타이어(주)에서 제안하였다. 특히 캐나다의 Integran TechnologiesINC.사는 납축전지의 양극기판용 납 합금 중 Pb-0.073wt%Ca-0.7wt%Sn합금에 3 회 반복가공열처리(냉간압연(40% 두께감소)+재결정열처리(270℃/10min.)를 실시하여 Low ΣCSL 입계분률을 51%까지 증가시켰으며, Pb-0.065wt%Ca-0.7wt%Sn-0.03wt%Ag합금에 2 회 반복가공열처리(냉간압연(40% 두께감소)+재결정열처리(250℃/10min.)를 실시하여 Low ΣCSL 입계분률을 70%까지 증가시켰다. 이와 같이 제조된 합금을 전지로 제조하여 부식시험을 통해 입계부식에 대한 저항성이 크게 향상되었음을 확인하였다.

이에, 본 발명자들은 납축전지의 입계부식을 억제하여 전지의 수명을 연장하면서 동시에 경량화 할 수 있는 방법을 모색하던 중, 상기 종래 제시된 입계공학을 한 차원 높여 개량한 것으로서, 상용하는 납축전지의 양극기판용 납 합금을 냉간압연한 후 열처리하는 것으로 구성된 반복가공열처리 공정을 수행하여, 상용하는 납축전지용 양극기판의 합금조성의 변화 또는 별도의 원소를 추가 없이 반복가공열처리를 통해 Low Σ CSL 입계분률(3≤Σ≤29)을 최고 91%까지 증가시켜 입계부식에 대한 저항성을 크게 향상시키고 이에 따른 양극기판의 파괴를 억제하여 납축전지의 수명연장 뿐만 아니라 전극기판의 두께를 최소화할 수 있으며 납축전지의 에너지밀도 향상시킨 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 납 합금을 사용하여 냉간압연한 후 열처리하는 것으로 구성된 반복가공열처리 공정을 수행하여 납축전지의 부식 저항성을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 납 합금을 사용하여 냉간압연한 후 열처리하는 반복가공열처리 공정을 수행하여 얻어지며, 최고 91%의 Low Σ CSL 입계분률을 갖는 납 합금을 제공하는 것이다.

도 1은연속 주조된 상용 납 합금의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과이고,

도 2는본 발명의 실시예 1에서 제조된 납 합금에 대하여,

a: 제조된 납 합금의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과이고,

b: 제조된 납 합금의 어긋남 방위분포를 관찰한 결과이고,

c: 제조된 납 합금의 입계특성분포도이고,

d: 제조된 납 합금의 Σ3 ∼ 29까지의 CSL 입계분률(%)을 나타낸 것이고,

도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 납 합금에 대하여,

b: 제조된 납 합금의 어긋남 방위분포를 관찰한 결과이고,

c: 제조된 납 합금의 입계특성분포도이고,

도 4는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 납 합금에 대하여,

b: 제조된 납 합금의 어긋남 방위분포를 관찰한 결과이고,

c: 제조된 납 합금의 입계특성분포도이고,

도 5는 본 발명의 비교예 1에서 제조된 납 합금에 대하여,

b: 제조된 납 합금의 어긋남 방위분포를 관찰한 결과이고,

c: 제조된 납 합금의 입계특성분포도이고,

도 6은 종래 상용합금 및 본 발명에서 제조된 실시예의 납 합금에 대한 CSL 입계분률(%)을 비교한 것이고,

도 7은 본 발명의 납 합금 및 상용 납 합금에 대한 양극분극(실험조건:4.8 M H₂SO₄전해액, 25℃) 곡선을 나타낸 것이다.

본 발명은 상용하는 납 합금을 사용하여 냉간압연한 후 열처리하는 가공열처리 공정의 1 ∼ 3 회 수행으로 납축전지의 부식 저항성을 향상시키는 방법을 제공한다.

본 발명은 납 합금에 입계공학을 적용하여 미세조직 내 입계중 상대적으로 정합성이 좋은 CSL 입계분률을 증가시켜 입계부식 및 크리프의 저항성을 향상시킨 것으로서, 종래 제시된 입계공학을 한 차원 개량한 것이고, 현지공장에서 바로 생산할 수 있는 가공열처리 공정을 이용한다는 장점이 있다.

또한, 통상적인 납 합금의 형태에 적용할 수 있으며, 바람직하게는 상용합금인 Pb-0.09wt%Ca-1.8wt%Sn의 납 합금을 적용함으로써, 합금의 조성에 대한 변화 없이 또는 별도의 원소를 추가 없이 사용할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.

본 발명의 가공열처리 공정은 냉간압연한 후 열처리하는 것으로 구성된다. 냉간압연은 초기 압연량에 따라 CSL 입계 형성의 최대 효과를 얻기 위하여, 70 ∼ 90%의 초기 압연량을 갖는 납 합금에 대하여 적용하는 것이며, 이후 공정으로써 바람직하게는 20 ∼ 40%을 냉간압연 하는 것이다.

이때, 냉간압연은 일방향 압연, 교차압연 및 이들의 혼용 방법에서 선택하여 수행될 수 있다.

상기 냉간압연한 후, 실시되는 열처리는 250 ∼ 290℃에서 10 ∼ 3O 분 동안 수행된다. 바람직하게는 270℃에서 10 분 동안 수행되는 것이다.

본 발명은 상기 가공열처리 공정을 1 ∼ 3 회 반복 수행하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 가공열처리 공정은 현지공장에서 바로 생산할 수 방법으로 수행한 것으로, 기존에 사용된 주조 및 가공장비를 그대로 이용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 발명은 상용하는 납 합금 양극기판을 사용하여 냉간압연한 후 열처리를 1 ∼ 3 회 수행하여 얻어지며, 최고 91%의 Low Σ CSL 입계분률을 갖는 납 합금을 제공한다.

도 1은 연속 주조된 상용 납 합금의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과이고, 각도 2 ∼ 도 5에서 a는 본 발명의 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에서 제조된 납 합금의 표면을 광학현미경을 200 배 확대하여 관찰한 결과이다. 상기 결과로는 반복가공열처리법에 의해 만들어진 샘플의 평균입자 크기는 28 ∼ 87 ㎛으로 반복가공열처리를 하지 않은 상용합금(평균입자 크기는 150 ∼ 200 ㎛이다) 보다 미세화 되었으며, 실시예 1 ∼ 3의 샘플에서 어닐링쌍정이 미세조직 내에 많이 생성된 것을 확인 할 수 있다.

본 발명의 반복가공열처리 공정에 따른 납 합금의 입계특성을 분석하기 위하여 전자후산란회절장치(Electron Back Scattering Diffraction; 이하 "EBSD"이라 한다)를 이용한 결과, 각도 2 ∼ 도 5에서 b와 c는 본 발명의 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에서 제조된 납 합금의 어긋남 방위분포 및 OIM으로부터 얻은 샘플의 입계특성분포를 관찰한 결과이며, 각도 2 ∼ 도 5에서 d는 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에서 제조된 납 합금의 전체입계 중 Σ3 ∼ Σ29까지의 CSL입계분포를 백분율로 나타낸 것이다.

입방정구조의 CSL 입계분율은 자연적으로 약 12%이며 납처럼 적층결함에너지가 낮은 경우, 재결정 열처리 시 어닐링쌍정의 형성에 의해 CSL 입계가 증가되는 것으로 알려져 있다[Palumbo,Journa| of Power Sources, 1999]. 하지만 입계부식에 대한 저항은 CSL 입계분률이 50% 이상 되어야 효과가 있음이 밝혀진 바 있다[Palumbo,Scripta Materialia, 1995].

초기 압연량 70 ∼ 90% 납 합금에 대하여 반복가공열처리 수행 후 얻어진, 본 발명의 납 합금은 초기 압연량에 비례하여 CSL 입계분률이 증가하며, 초기 압연량 90% 납 합금에 반복가공열처리 한 경우 전체 입계 중 CSL 입계분률이 91%로서, 상용합금의 경우보다 약 5 배의 향상된 결과를 보이며, 납축전지의 양극기판용 납 합금에 입계공학을 최초로 적용하여 입계부식에 대한 저항성을 향상시킨 팔룸보(Palumbo)에 의한 결과인 CSL 입계분률 70%보다 높은 결과를 보인다.

또한, 초기 압연량 90%에 열처리만 실시하여 제조된 납 합금은 CSL 입계분률 37%를 보임으로써, 통상적인 입방정구조의 재료보다 약 2 배 증가된 결과를 보였으나 입계부식에 대한 저항성을 나타낼 수 있는 50%의 CSL 입계분률에는 못 미치는 결과를 보였다.

그러므로, 납 합금의 경우 CSL 입계분율을 증가시킬 수 있는 최적의 조건은 초기의 압연량이 크고 냉간압연과 열처리하는 것으로 구성된 반복가공열처리 공정을 수행하는 것이다(도 2∼도 4).

도 7은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 납 합금 및 상용 납 합금에 대한 양극분극(실험조건:4.8 M H₂SO₄전해액, 25℃) 곡선으로서, 각각의 납 합금의 부식전위는 약 -250 mV 정도의 값을 나타내 거의 차이를 보이지 않았으나, 상용합금에 비해 본 발명의 실시예 3에서 제조된 납 합금의 부동태전류밀도가 감소하여 내식성이 향상되는 경향을 나타내고 있다. 이는 반복가공열처리에 의해 낮은 입계에너지를 가지는 CSL 입계의 영향 때문으로 생각된다.

그러므로, 본 발명은 상용하는 납 합금을 이용하여 냉간압연 및 열처리로 구성된 가공열처리 공정을 1 ∼ 3 회 수행하여 상용합금보다 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 납축전지의 향상된 내식성으로 인하여 납축전지의 에너지 밀도를 향상시켜 납축전지 전극의 수명이 연장될 뿐만 아니라 공정성 냉간압연을 수행함에 따라 전극기판의 두께를 최소화하여 경량화 할 수 있다.

더욱이, 본 발명은 상용합금의 조성에 대한 변화 없이 또는 별도의 원소를 추가 없이 사용하고, 현지공장에서 바로 생산할 수 가공열처리 공정을 수행하여 기존에 사용된 주조 및 가공장비를 그대로 이용할 수 있어 부가가치를 높일 수 있다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 초기 압연량 70%에 반복가공열처리한 납 합금의 제조

상용하는 납축전지의 양극 기판인 Pb-0.09Ca-1.8Sn조성의 합금을 1O mm 판으로 연속 주조된 샘플을 사용하였다.

지금까지 보고된 CLS 입계분률 향상법은 저 압연량과 재결정열처리 과정을반복하는 것이 주된 방법이였다. 재결정열처리는 완전재결정이 아닌 초기 재결정 단계에서 CSL 입계가 생성되는 것이며, 이에 본 발명에서는 초기 압연량이 CSL 입계 형성에 어떠한 영향을 주는지에 알아보기 위해, 상기 샘플을 초기 두께에 대하여 70%으로 냉간압연 후, 270℃에서 10 분 동안 재결정열처리를 하고, 그 후 반복가공열처리에서는 30% 냉간압연 후 재결정열처리를 3 회 반복하는 방법으로 최종 두께가 1.03 ㎜인 납 합금을 제조하였다.

<실시예 2> 초기 압연량 80%에 반복가공열처리한 납 합금의 제조

초기 압연량이 CSL입계 형성에 어떠한 영향을 주는지에 알아보기 위해, 상기 샘플을 초기 두께에 대하여 80%으로 냉간압연 후 270℃에서 10 분 동안 재결정열처리를 하고, 그 후 반복가공열처리에서는 30% 냉간압연 후 재결정열처리를 3 회 반복하는 방법으로 최종 두께가 0.69 ㎜인 납 합금을 제조하였다.

<실시예 3> 초기 압연량 90%에 반복가공열처리한 납 합금의 제조

상용하는 납축전지의 양극 기판인 Pb-0.09 Ca-1.8Sn조성의 합금을 1O mm판으로 연속 주조된 샘플을 사용하였다.

초기 압연량이 CSL입계 형성에 어떠한 영향을 주는지에 알아보기 위해, 상기 샘플을 초기 두께에 대하여 90%으로 냉간압연 후 270℃에서 10 분 동안 재결정열처리를 하고, 그 후 반복가공열처리에서는 30% 냉간압연 후 재결정열처리를 2 회 반복하는 방법으로 최종 두께가 0.50 ㎜인 납 합금을 제조하였다.

<비교예 1> 초기 압연량 90%에 열처리만 실시한 납 합금의 제조

현재 상용하는 납축전지의 양극 기판인 Pb-0.09Ca-1.8Sn조성의 합금을 10 mm 판으로 연속 주조된 후 90% 압연하여 최종 두께 1.00 ㎜로 제조하였다. 본 발명에서는 CSL 입계분률 증가시키는 여러 가지 공정 중 재결정열처리에 의해 CSL 입계분률이 어느 정도 향상되는지 알아보기 위해 상기 샘플을 270℃에서 10 분 동안 열처리하여 실시하여 납 합금을 제조하였다.

상기 실시예에서 제조된 납 합금에 대한 성질을 조사하기 위하여 하기와 같이 실험하였다.

<실험예 1> 납 합금의 미세조직 관찰

본 발명의 가공열처리 공정에 따른 납 합금의 입자크기 및 재결정시 어닐링쌍정(Σ3)의 분포를 확인하기 위해 상기 실시예에서 제조된 납 합금의 미세조직을 관찰하였다.

상기 실시예에서 제조된 납 합금의 입계를 관찰하기 위하여 두 가지 에칭액을 선정하였다. 먼저 기계적 연마 후 거친 표면을 처리하기 위한 것으로 빙초산(75 ㎖)+과산화수소(30%, 25 ㎖)의 혼합 용액을 사용하였으며, 입계를 관찰하기 위해에틸알코올(96%, 76 ㎖)+빙초산(16 ㎖)+질산(8 ㎖)의 혼합용액을 에칭액을 사용하였다.

상용 납 합금의 평균입자 크기(150 ∼ 2OO ㎛)에 비해 실시예 1 ∼ 실시예 3에서 제조된 납 합금의 평균입자 크기는 각각 28 ∼ 6O ㎛로 관찰되었다. 즉, 반복가공열처리 공정에 의해 입자미세화 효과를 얻었다.

각 도 2 ∼ 도 5에서 a에서 보는 바와 같이, 실시예 1 ∼ 3에서 제조된 납 합금에 대한 결과는 비교예 1에서 제조된 것(도 5a)보다 현저히 높은 어닐링쌍정(Σ3) 분포를 보였으며, 본 발명의 반복가공열처리하여 제조된 납 합금의 경우는 초기 압연량에 비례하여 어닐링쌍정(Σ3) 분포가 증가하는 것으로 관찰되었다.

그러므로, 상기의 결과로부터, 본 발명의 반복가공열처리 공정을 이용하여 제조된 납 합금은 종래의 것보다 입자크기가 작은 미세조직으로 관찰되었고, 어닐링쌍정(Σ3)이 미세조직 내에 많이 생성된 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 2> 납 합금의 어긋남 방위분포 및 CSL 입계분율 측정

본 발명의 가공열처리 공정에 따른 납 합금을 EBSD로 이용하여 어긋남 방위 분포 및 CSL 입계분율을 측정하였다.

일반적으로 입방정구조의 재료는 약 12%이하의 Low Σ CSL 입계분률을 가지고 있으며, 납처럼 적층결함에너지가 낮은 재료의 경우 재결정열처리 시 어닐링쌍정의 형성에 의해 CSL 입계분률이 증가되는 것으로 알려져 있다[V. Randle,ActaMater., 1999,47, 15].

비교예 1에서 제조된 납 합금의 EBSD 분석결과는 도 5에서 b ∼ d에 나타내었다. CSL 입계의 분류는 CSL 임계값의 최대허용 어긋남 방위 각도조건을 제안하는 Brandon 기준 Δθ_max= 15℃∑^-1/2를 적용하였으며[D.G. Brandon,Acta Metall., 1964,14, 1479], 고경각입계 중 ∑3 ~ ∑29까지 만의 특수입계를 CSL 입계로 정의하였다. ∑＞29 이상은 특별한 특성을 나타내지 않는 랜덤(Random)입계로 하였다. 분석결과 비교예 1의 경우 어긋남 방위는 저경각(15°이하)부터 고경(15°이상)각까지 램덤(Random)하게 분포되었으며, 전체 입계 중 CSL 입계분률이 37%(도 6)로 팔룸보(Palumbo)가 제시한 상용 납 합금의 재료 보다 CSL 입계분률이 약 2 배정도 높은 수치를 나타내었다.

상기의 결과는 재결정열처리만으로도 CSL 입계분률을 향상시킬 수 있다는 것을 입증한 것이다. 그러나 입계부식 및 크리프 저항성이 큰 Low ∑ CSL 입계분률을 얻기 위한 필요 조건인 가공열처리는 입자크기를 작게 하기 때문에 계면 면적이 늘어나 저항성을 상쇄시킨다. 따라서 팔룸보(Palumbo)는 실험을 통해 입계부식 및 크리프에 대한 저항성은 CSL 입계분률이 50%이상 되어야 효과가 있다고 하였다. 결국, 90% 냉간압연 후 재결정열처리 만으로는 Low ∑ CSL 입계분률을 50%이상 증가시킬 수는 없었다.

실시예 1에서 제조된 초기 압연량 70%에 반복가공열처리한 납 합금은 CSL 입계분률이 20%이하로 낮았지만 입계에너지가 낮은 저경각입계가 많이 형성된 것을알 수 있었다(도 2b 및 도 6). 또한 실시예 2에서 제조된 초기 압연량 80%에 반복가공열처리한 납 합금의 어긋남 방위분포를 보면 실시예 1과는 다른 분포를 보여 주었다. 특히, ∑3에 해당하는 어긋남 방위인 60°피크가 증가되었다. 또한 이에 따른 CSL 입계분율은 약 50%로 관찰되었다(도 3d 및 도 6).

특히, 실시예 3에서 제조된 초기 압연량 90%에 반복가공열처리한 납 합금의 경우, ∑3에 해당하는 어긋남 방위뿐만 아니라 ∑9에 해당하는 38.9°부근의 피크가 증가되었다. 이에 따른 CSL 입계분율은 91%로 가장 높았다(도 4d 및 도 6). 특히, 전체 CSL 입계 중에서도 쌍정립계와 관련된 ∑3ⁿ(n=1, 2, 3, …) 입계가 98%로 대부분을 차지함을 알 수 있었다.

도 6은 종래 상용합금 및 본 발명의 실시예에서 제조된 납 합금에 대한 CSL 입계분율(%)을 비교한 것이다.

상기 도의 결과에서 보는 바와 같이, 열처리 공정만을 거친 비교예 1의 경우도 상용합금의 CSL 입계분율(%)보다 높은 것으로 관찰되었다. 반복가공열처리 공정을 최초로 적용한 팔룸보(Palumbo)의 경우 CSL 입계분율은 약 70%을 나타낸 반면에, 상기 실시예 3에서 제조된 본 발명에 따른 초기 압연량 90%에 반복가공열처리한 경우가 최고 91%의 높은 CSL 입계분율(%)을 보였다.

그러므로, 납 합금의 경우 CSL 입계분율을 증가시킬 수 있는 최적의 조건은 초기의 압연량이 크고 냉간압연과 열처리하는 것으로 구성된 반복가공열처리 공정을 수행하는 것이다.

<실험예 3> 납 합금의 분극실험

반복가공열처리된 납 합금의 부식 거동을 관찰하기 위하여 분극실험을 수행하였다.

상기 실시예 3에서 제조된 납 합금 및 상용 납 합금을 각각 작업전극(WE)으로 하고, 포화칼로멜전극(SCE)을 기준전극(RE) 및 백금전극을 보조전극(CE)으로 설정하고, 정전압기/정전류기(Potentiostat/Galvanostat) 263A 장비를 사용하고 25℃, 4.8 M H₂SO₄전해질을 이용하여 분극실험을 수행하였다.

도 7의 결과는 -5OO mV ∼ 16O mV의 구간의 양극분극 곡선으로서, 각각의 납 합금의 부식전위는 약 -250 mV 정도에서 관찰되어 큰 차이를 보이지 않았다.

그러나, 본 발명의 실시예 3에서 제조된 납 합금의 경우, 부동태 전류밀도가 상용 납 합금에 비해 감소한 것을 보여준다. 이 결과로부터 본 발명의 실시예 3에서 제조된 납 합금은 내식성이 향상되는 경향을 보여준다.

그러므로, 본 발명은 냉간압연 및 열처리로 구성된 반복가공열처리를 1 ∼ 3 회 수행하는 공정만으로 상용합금보다 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 납축전지의 양극기판용 납 합금 을 사용하여 냉간압연한 후 열처리하는 것으로 구성된 반복가공열처리 공정을 1 ∼ 3회 수행하여 납축전지 전극의 부식 저항성을 향상시키는 방법을 이용하여 납축전지용 양극기판은 기존의 주조 및 기공장비의 변화 없이 그대로 사용할 수 있고, 상용합금 조성에 대하여 추가나 변화 없이 사용하여 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 방법에 따라 납축전지 전극의 수명연장 뿐만 아니라 전극기판의 두께를 최소화할 수 있어 납축전지의 에너지 밀도 향상 및 제품의 원가도 절감시킬 수 있다.

Claims

납축전지에 있어서, 납 합금 양극기판을 사용하여 냉간압연한 후 열처리하는 것으로 구성된 가공열처리 공정을 1 ∼ 3 회 수행하는 것을 특징으로 하는 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 냉간압연이 초기 70 ∼ 90%의 압연량을 갖는 납 합금에 대하여 20 ∼ 40%의 냉간압연을 수행하는 것을 특징으로 하는 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 냉간압연이 일방향 압연, 교차압연 및 이들의 혼용 방법에서 선택하여 수행된 것을 특징으로 하는 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 열처리가 250 ∼ 290℃서 10 ∼ 3O 분 동안 수행된 것을 특징으로 하는 납축전지용 양극기판의 부식 저항성을 향상시키는 방법.
상용하는 납 합금 양극기판을 사용하여 냉간압연한 후 열처리를 1 ∼ 3 회 수행하여 얻어지며, 최고 91%의 CSL 입계분률을 갖는 납 합금.