KR100768323B1 - 마그네슘 용탕 내의 용존 수소함량 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘 합금의 액상 상태에서 분위기의 압력을 0.01~0.5 기압으로 저감시켜 용탕 표면에서 탈수소 반응이 일어나게 하여 용존수소의 함량을 최소로 조절하는 방법을 제시한다. 이러한 용존수소의 저감으로 인해서 마그네슘 합금을 주조하거나 혹은 최종 제품으로 생산할 시 생기는 수소기포로 인한 주조결함 또는 표면결함을 저감시킬 수 있으며, 기계적 성질의 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 마그네슘 용해로 위에 덮개를 씌워서 분위기 압력을 저하시킬 수 있는 장치를 장착하고 내부 용탕을 교류시키면서 저압의 분위기 가스와의 반응 면적을 증가시켜 탈수소 반응이 용이하게 일어나도록 한다.

마그네슘 합금, 용탕, 수소, 기포, 주조결함, 표면결함

Description

마그네슘 용탕 내의 용존 수소함량 제어방법{Method for controlling Hydrogen in liquid Mg alloys}

도1은 1기압하에서의 Mg-H 이원계 상태도,

도2는 본 발명에 따라 분위기 가스의 압력을 감압시킴에 따른 마그네슘 용탕의 용존 수소함량 변화를 도시한 도면,

도3은 본 발명에 따른 마그네슘 용탕 내 용존 수소함량 저감을 위한 장치를 도시한 모식도이다.

본 발명은 차세대 소재로 각광 받고 있는 경량 마그네슘 합금의 용해시 필연적인 불순물로 마그네슘 용탕 내에 용존하는 수소함량을 저감 내지 제어하는 방법에 관한 것이다.

마그네슘 합금을 박판으로 가공하면 할수록 최종제품의 표면 품질 및 기계적 특성은 합금 중에 들어 있는 개재물 및 기포 등의 미세한 불순물에 의해서 많은 영향을 받는다. 일례로, 개재물 및 기포는 박판으로 압연공정을 행할 때 미세크랙의 시발점으로 작용하거나 판재 성형시 크랙의 시발점이 된다.

마그네슘 제품에서 기포는 주로 수소에 의해서 발생된다. 즉, 수소는, 마그네슘 합금에서 고용도가 타 금속에 비하여 훨씬 높을 뿐 아니라 원자반경(atomic radius)이 0.79Å으로 마그네슘의 원자반경인 1.72Å에 비하여 약 46%정도의 사이즈를 나타내므로 마그네슘 합금내에서 쉽게 이동하면서 서로 결합할 수 있다. 이러한 수소의 주공급원은, 용탕 내에 첨가하는 합금 및 부자재에 포함된 수분 또는 대기중의 수분이 용탕 내에서 분해된 것이다.

따라서, 도 1에서 보듯이 마그네슘에 고용될 수 있는 수소의 열역학적 평형 함량이 온도가 낮아질 수록 작아지는 바, 마그네슘 합금의 응고시 온도가 낮아지면서 과포화된 수소가 응집하여 마그네슘합금 내부에서 기포를 형성하게 되는 것이다.

수소가 원자(H)의 형태로 마그네슘 합금 내에 고용되어져 있는 경우에는 그 크기가 작아서 문제가 되지 않지만 분자상태의 수소기포로 결합되면 1몰당 상온 상압조건에서 22.4L의 부피가 되어야 한다. 따라서 마그네슘 합금 내부에서 국부적으로 작은 구멍 혹은 미세 크랙 부위에 집적되는 수소가스는 국부적으로 수십 혹은 수백 기압의 압력을 만들게 되며, 크랙을 보다 급격하게 진행시켜 마그네슘 합금제품의 결함을 초래한다.

한편, 도1에서 보듯이 마그네슘이 650^oC 이상의 액상에서 고상으로 응고될 때 수소의 고용함량에 단절이 생긴다. 이러한 수소 용해도의 급격한 변화는 마그네슘 주조시 응고표면에 기포형태의 결함이나 내부에 미세한 기공들을 다량으로 발생 시키는 문제가 있다.

따라서, 마그네슘 합금의 주조시 주조제품의 품질을 높이기 위해서는, 마그네슘 합금내에 용존하는 수소의 함량을 최소화할 필요가 있다.

종래에는, 마그네슘 용탕 내 수소 함량을 저감하기 위해서 용탕 내에 첨가하는 합금 및 부자재를 건조하여 사용하는 소극적인 방법을 이용하였으나 효과적이지 못했다. 또한, 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스로 용탕 내에 가스 버블링(gas bubbling)을 하는 방법이 사용되었으나, 가스 버블링시 가스 중에 포함되어 있는 미세 산소의 영향으로 필연적으로 마그네슘 용탕이 재산화되어 MgO 등을 형성하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 마그네슘 합금의 용탕 내에 용존하는 수소의 함량을 저감 내지 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마그네슘 및 마그네슘 합금의 용탕 내에 용존하는 수소함량을 저감 내지 제어하는 방법에 있어서, 덮개를 씌워 실링처리된 용해로에 배기가스의 배출이 가능한 감압장치를 마련하고, 탈수소 반응의 촉진을 위해 감압장치와 용해로 사이로 용탕을 교류시켜 분위기 가스와 접하는 용탕의 표면적을 넓히도록 하며, 상기 용탕의 분위기 가스 압력을 1기압 미만으로 감압시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 용탕의 분위기 가스 압력은 0.01∼0.5 기압으로 감압하고, 감압된 압력에서의 마그네슘 증발량을 고려하여 용해로 조업온도는 650∼800℃로 유지하도록 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 용탕의 용존 수소함량 제어방법에 대하여 살펴본다.

실험예로서, 도2에는 용탕의 분위기 가스 압력을 감소시킴에 따른 마그네슘 용탕 내 용존수소의 함량 변화를 보이기 위하여 분위기 가스 압력을 1기압, 0.5기압, 0.1기압, 0.05기압, 0.01기압으로 할 때 조업온도별 용존수소 함량변화를 측정한 결과가 도시되어 있다.

도2에서 실선으로 표시된 곡선은 각 분위기 가스 압력에서의 최대 용존수소 함량을 나타낸 선으로서, 용탕내 최대 용존수소의 함량은, 분위기 가스의 압력이 일정할 경우 대체로 온도증가에 따라 함께 증가(고온영역에서 다시 감소)하는 경향을 보이며, 온도가 일정할 경우 분위기 가스의 압력이 증가함에 따라 급격히 증가하는 경향을 보인다.

또한, 도2에서 가로축에 평행하게 그어진 점선은 각 분위기 가스 압력별로 마그네슘 용탕이 모두 증발하여 소실되는 온도를 나타낸 선으로서, 일정한 분위기 가스 압력하에서 조업온도가 너무 높아지면 마그네슘 용탕 자체도 기체화되어 마그네슘 용탕의 손실이 발생되고 실수율이 낮아지게 된다. 가령, 0.1기압에서 온도가 800℃ 이상에서는 분위기 가스 중으로 마그네슘이 급격히 기체화되어 손실되기 시작하여 860℃ 이상에서는 마그네슘 용탕이 모두 기체화되어 사라질 수 있다.

따라서, 마그네슘 용탕내 용존수소의 함량을 감소시키기 위해서는, 분위기 가스의 압력를 감압시키는 것과 함께 조업온도, 즉 용탕의 온도를 적절하게 설정이 중요하다는 점이 발견된다.

실험결과에 따르면, 일례로, 0.01기압에서는 650∼675℃, 0.05기압에서는 650∼720℃, 0.1기압에서는 650∼750℃, 0.5기압에서는 650∼800℃로 조절하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 여기서, 분위기 가스의 압력을 0.01기압 미만으로 조절하는 것은 가능하나, 0.01기압 미만으로 조절시 선택할 수 있는 조업온도의 범위가 너무 좁아진다는 문제가 있으며, 분위기 가스의 압력을 0.5기압을 초과하여 설정하는 경우, 용탕 내 용존수소의 저감은 가능하나 조업 및 효과상 큰 잇점이 없는 것으로 판단된다.

한편, 보다 바람직하게는, 마그네슘의 고온 산화특성과 통상적인 용해로 조업온도를 고려할 때, 용탕온도는 675∼720℃, 분위기 가스의 압력은 0.05∼0.1기압 정도로 하는 것이 탈수소 작업을 하기에 용이하다.

도3에는, 위에서 설명된 감압에 의한 탈수소작업을 효과적으로 진행하기 위한 장치의 개략적인 형태를 도시하였다.

탈수소 반응은 마그네슘 용탕 표면에서 일어나므로 마그네슘 표면에 산화물층이 두텁게 생성되면 효과적인 반응이 일어날 수 없다. 따라서, 도3에 도시된 바와 같이, 덮개를 씌워 실링처리된 용해로에 감압장치를 설치하고 마그네슘 용탕을 감압장치와 용해로 사이에 교류시킴으로써, 분위기 가스와 접촉하는 용탕의 표면적을 넓혀서 시간적으로 단시간내에 용존수소를 저하시키는 것이 바람직하다. 감압장치와 용해로 간의 용탕 유동에 의해 용탕이 교반되며, 이러한 교반에 의해 정적인 상태로 놓여 있는 것 보다 단시간 내에 용존수소의 제거가 가능한 것이다.

한편, 용탕에 투입하는 합금 및 기타 첨가물 등은 위와 같은 탈수소 작업이 전에 행하도록 하는 것이 바람직하다. 탈수소 작업이 끝난 후에, 첨가물 등을 첨가함에 따라 용탕 내부로 이차적인 수소 흡입이 되지 않도록 하기 위함이다.

분위기 가스는, 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스이거나, 불활성 가스에 마그네슘 보호가스로 SF₆, CO₂, SO₂이 포함된 혼합가스이거나, 또는 공기에 SF₆, CO₂, SO₂와 같은 보호가스를 혼합한 것일 수 있다.

상술한 바와 같은 방법에 따르면, 마그네슘 합금의 용탕 내에 용존하는 수소의 함량을 필요에 따라 효과적으로 저감시킬 수 있다.

또한, 마그네슘 합금의 용탕 내 수소함량의 효과적인 제어에 따라, 수소기포로 인한 종래 마그네슘 합금 제품의 기계적 특성 및 표면품질 저하문제를 최소화할 수 있다.

Claims (5)

1. 마그네슘 및 마그네슘 합금의 용탕 내에 용존하는 수소함량을 저감 내지 제어하는 방법에 있어서,

   덮개를 씌워 실링처리된 용해로에 배기가스의 배출이 가능한 감압장치를 마련하고, 탈수소 반응의 촉진을 위해 감압장치와 용해로 사이로 용탕을 교류시켜 분위기 가스와 접하는 용탕의 표면적을 넓히도록 하며, 상기 용탕의 분위기 가스 압력을 1기압 미만으로 감압시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 내의 수소함량 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   용탕의 분위기 가스 압력을 0.01∼0.5 기압으로 감압하고, 감압된 압력에서의 마그네슘 증발양을 고려하여 용탕온도를 650∼800℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 내의 용존 수소함량 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   용탕의 분위기 가스 압력을 0.05∼0.1 기압으로 감압하고, 감압된 압력에서의 마그네슘 증발양을 고려하여 용탕온도를 675∼720℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 내의 용존 수소함량 제어방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   분위기 가스는, 불활성 가스 또는 불황성 가스에 마그네슘 보호가스로 SF₆, CO₂, SO₂이 포함된 혼합가스인 것을 특징으로 하는 마그네슘 용탕 내의 용존 수소함량 제어방법.

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