KR20110135163A

KR20110135163A - 마그네슘 합금 스크랩을 활용한 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 및 이의 친환경적인 제조방법

Info

Publication number: KR20110135163A
Application number: KR1020100054911A
Authority: KR
Inventors: 김상호
Original assignee: 주식회사 엠.이.시
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-16
Also published as: KR101281550B1

Abstract

본 발명은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금강판을 제조하는데 소모되는 마그네슘을 보충하기 위해 사용되는 잉곳에 있어서, 마그네슘 원료로 알루미늄이 1~10 중량 %, 아연이 0.2~10 중량 % 이며 Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 실리콘 혹은 구리 혹은 니켈이 1종 혹은 2종 이상의 합계량으로 잉곳 중량 대비 0.1 중량% 이하인 마그네슘 합금이 지금으로 사용되어 제조되며, 마그네슘이 잉곳 대비 0.5~10중량%이고, 알루미늄이 잉곳 대비 0.2~10중량%이며, 나머지가 아연과 불가피하게 존재하는 불순물로 조성되는 것이 특징인 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳을 제공한다. 마그네슘 합금으로 스크랩을 사용하여 (1)대기중에서 마그네슘을 용해하고, (2)마그네슘을 용해하기 위하여 500℃ 이상으로 가열하지 않는 제조 공정을 특징으로 한다.

Description

마그네슘 합금 스크랩을 활용한 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 및 이의 친환경적인 제조방법{Ingot for hot dipped zinc-aluminium-magnesium alloy coating using magnesium scrap and environment-friendly manufacturing method for the ingot}

본 발명은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금 층 형성시 용융 도금조에서 용해되어 도금 층을 형성하는 도금물질로 사용되는 합금 도금용 잉곳과 그 제조 방법에 관한 것으로, 특정 조성범위를 갖는 마그네슘 합금 스크랩이 지금으로 사용되어 제조되고 마그네슘 합금 스크랩이 낮은 온도에서 아연과 알루미늄과 반응하더라도 조대한 금속간 화합물이 형성되지 않는 새로운 제조 공정을 도입함으로써 플럭스(flux)나 지구 온난화 유발 불활성 가스를 사용하지 않고도 마그네슘을 함유하는 잉곳을 대기 중에서 손쉽게 제조할 수 있어 친환경적이며 에너지 소모를 줄일 수 있도록 개선된 마그네슘 합금 스크랩을 활용한 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 및 그 제조방법에 관한 것이다.

아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금은 용융 아연도금과 비교하여 도금 층의 내식성이 4배에서 10배 이상 우수한 장점이 있다. 그 예의 도금 층으로서 일본 공개특허공보 46-003644는 알루미늄이 0.05~5%, 마그네슘이 1~4%이고 나머지 아연의 조성을 갖는 합금에 대하여 개시하고 있으며, 대한민국 공개특허공보 1999-0082512는 알루미늄이 4~10%이고, 마그네슘이 1~4%이며 나머지 아연의 조성을 갖는 합금에 대하여 개시하고 있다. 이상의 문헌들에 기재된 내용으로부터 도금 층 중의 마그네슘이 4% 이하의 저농도에서도 용융아연 도금 및 아연-알루미늄 도금에 비하여 내식성이 우수한 장점이 있는 것을 알 수 있다.

통상적으로 용융 도금공장에서는 아연 도금 층 혹은 아연-알루미늄 합금 도금 층 제조시에 목표 도금조성과 유사한 조성을 갖는 잉곳을 1종 혹은 2종 정도 준비하여 필요에 따라 도금 욕조 혹은 프리멜트(premelt) 욕조에서 용해하여 사용하고 있다.

아연-알루미늄 합금 도금에 사용되는 잉곳은 통상적인 금속 용해 및 주조 방법으로 손쉽게 제조될 수 있다. 이것은 아연 및 알루미늄을 용해할 때 용융 금속 표면에 치밀한 아연 혹은 알루미늄 산화 피막이 형성되고, 이 산화 피막이 용융 금속과 대기와의 접촉을 차단하여 산화가 계속 진행되지 못하게 하기 때문으로 알려져 있다.

그러나 아연-알루미늄-마그네슘 합금 잉곳을 준비하는데 있어서 마그네슘을 용융시킬 경우에는 마그네슘의 산화가 계속 진행되어 산화물이 다량 발생하며, 경우에 따라서는 화재의 위험이 있다. 즉 용융 상태의 마그네슘 표면에 형성된 마그네슘산화물(MgO)은 치밀하지 못하여 용탕을 보호하지 못하고, 마그네슘 산화 반응 (2Mg + O₂-> 2MgO)이 지속적으로 일어나서 재료의 소모가 많아지게 된다.

특히 마그네슘의 비중은 1.74로써 알루미늄(2.7)과 아연(7.14)보다 매우 낮으므로, 용해 작업시에 마그네슘이 용융 금속 표면에 고농도로 존재할 가능성이 커져 어려움은 더욱 가중된다.

따라서 마그네슘을 용해 작업할 때에는 마그네슘의 과도한 산화를 방지하기 위하여 플럭스나 불활성 혼합가스를 많이 사용하고 있으며, 최근에는 불활성 혼합가스로써 플럭스레스(Fluxless)라는 이름의 이산화탄소-공기-육플루오린화 황(SF₆) 혼합가스 혹은 아황산 가스를 사용하고 있다.

그러나, 이러한 가스들은 가격이 비쌀 뿐만 아니라 지구온난화를 유발하는 가스이므로 환경 보호를 위한 사용 규제가 강화되어지고 있는 현 실정에서 그 활용폭은 점차 줄어들 수 밖에 없다. 이 때문에 온실가스 배출권 거래제가 본격적으로 시행되면 마그네슘 합금 잉곳의 가격은 더욱 상승할 수 밖에 없다.

JP1971-003644 A KR1999-0082512 A

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 그 목적은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금제조 공정의 도금조에서 용해되어 사용될 수 있는 마그네슘을 함유한 잉곳을 대기 중에서도 손쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공함으로써 플럭스(flux)나 지구 온난화 유발 불활성 가스의 사용량을 줄이고자 함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳은 알루미늄이 1~10중량%, 아연이 0.2~10중량%이고, Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 Si 혹은 Cu 혹은 Ni중에서 선택되는 1종 혹은 2종 이상의 합계량이 0.1중량% 이하인 마그네슘 합금이 지금으로 사용되어 제조되며, 마그네슘이 잉곳 중량 대비 0.5~10중량%, 알루미늄이 잉곳 중량 대비 0.2~10중량%, 나머지는 아연과 불가피하게 존재하는 불순물로 조성되는 것을 특징으로 한다.

상기 마그네슘 합금은 ASTM 규격으로 AZ63계, AZ81계, AZ91계, AZ92계, AZ93계, ZK51계, ZK61계, EZ33계, ZE4계, QE22A계, QH21계, HK31계, ZH62계, HZ32계 스크랩에서 선택되는 1종이 사용되거나 혹은 이들중 2종 이상이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계와; 아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 단계와; 마그네슘 합금을 제조하고자 하는 아연-알루미늄-마그네슘 잉곳의 마그네슘 농도로부터 계산되는 양만큼 주형 틀에 넣는 단계와; 주형 틀에 아연-알루미늄 용융 금속을 주입한 후 냉각시키는 단계와; 주형 틀로부터 아연-알루미늄-마그네슘 잉곳을 꺼내는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 다른 양상에 의한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계와; 아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 단계와; 상기 마그네슘 합금을 아연-알루미늄 용융 금속에 투입한 후 냉각시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 양상에 의한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 마그네슘 합금 스크랩과 아연 잉곳을 용해로에 투입하고 420℃~480℃의 온도로 가열하여 용융된 아연-마그네슘 합금을 준비하는 단계와; 알루미늄을 650℃ 이상으로 가열하여 용융된 알루미늄을 준비하는 단계와; 용융된 아연-마그네슘 합금과 용융된 알루미늄을 혼합하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계와; 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 붓고 냉각하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 양상에 의한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 마그네슘 합금 스크랩, 알루미늄이 0.2~25% 함유된 아연-알루미늄 합금 잉곳을 용해로에 투입하는 단계와; 440~480℃의 온도로 가열하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계와; 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 붓고 냉각시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안한 방법을 사용하여 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳을 제조하면 불활성 가스를 사용하지 않고도 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금 층 형성에 필요한 잉곳을 손쉽게 제조할 수 있어 제조 경비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 지구 온난화 유해 물질 배출을 줄일 수 있다.

도 1은 실시예 1의 결과를 나타낸 모식도.
도 1의 (가)는 도금욕조 침적전 잉고트 모습
(나)는 도금욕조에 잉고트의 절반을 10초 침적 후 꺼낸 모습
* 도면 주요 부위에 대한 간단한 설명
(1) .. 잉곳의 아연-알루미늄 합금 부위
(2) .. 마그네슘 지금
(2)'.. 마그네슘 지금이 용해된 흔적
도 2는 마그네슘-아연 2원 상태도.
도 3은 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제1 실시예의 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제2 실시예의 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제3 실시예의 순서도.

본 발명은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금 층 형성에 필요한 마그네슘과 아연과 알루미늄을 보충하기 위한 잉곳에 있어서, 마그네슘 원료로 알루미늄이 1~10중량%, 아연이 0.2~10중량%이며 Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 실리콘 혹은 구리 혹은 니켈의 1종 혹은 2종 이상의 합이 잉곳 중량 대비 0.1중량% 이하인 마그네슘 합금이 지금으로 사용되어 제조되며, 마그네슘이 잉곳 무게 대비 0.5~10중량%, 알루미늄이 잉곳 중량 대비 0.2~10중량%이며 나머지가 아연과 불가피하게 존재하는 불순물로 조성되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳에 관한 것이다.

본 발명에서 사용 가능한 마그네슘 합금으로는 AZ63계, AZ81계, AZ91계, AZ92계, AZ93계, ZK51계, ZK61계, EZ33계, ZE4계, QE22A계, QH21계, HK31계, ZH62계 및 HZ32계 등이 있으며, 각 합금을 단독으로 사용하거나 혹은 2종 이상 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에서 제한한 범위의 잉곳을 제조할 수 있는 것이라면 상기 언급된 규격의 합금 외의 것을 마그네슘 합금에 추가로 혼합하여 사용하는 것을 배제하지는 않는다.

상기 마그네슘 합금으로는 잉곳 형태의 것도 사용이 불가능하지는 않지만 마그네슘 판재나 봉재 혹은 다이캐스팅의 가공 공정에서 발생한 스크랩이 활용되는 것이 마그네슘의 용용 온도 보다 훨씬 낮은 온도인 420℃에서 도금 공장에서 사용 가능한 품질을 갖는 잉곳의 제조에 보다 적합하다.

도 3은 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제1 실시예의 순서도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계(S10)와, 아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 단계와(S13), 마그네슘 합금 스크랩을 제조하고자 하는 아연-알루미늄-마그네슘 잉곳의 마그네슘 농도로부터 계산되는 양만큼 주형 틀에 투입하는 단계(S14)와, 주형 틀에 아연-알루미늄 용융 금속을 주입하고 냉각시킨 후 주형틀에서 잉곳을 꺼내는 단계(S15)로 이루어진다.

아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계(S10)는 아연을 420℃ 이상으로 가열하고 알루미늄을 650℃ 이상으로 가열하는 과정(S11)과, 액상의 아연과 알루미늄을 혼합하는 과정(S12)에 의하여 이루어질 수 있다.

아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 1~60℃ 높게 조정하는 이유는 다음과 같다.

에너지를 절약하기 위해서는 용해 작업시에 용융 금속의 온도를 가능한 한 낮게 하여 작업하는 것이 유리한 반면에, 온도가 높을수록 반응이 빨라져서 생산성이 향상되는 상호 모순되는 특징이 있다. 본 발명에서는 아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 1~60℃ 높게 조정하여 양자를 만족시키도록 한다. 그러나 아연-알루미늄 용융 금속의 온도가 융점+60℃보다 높아지면 금속의 산화가 일어나 실수율이 저하되는 문제가 발생되며 또한 반등속도 증가도 크지 않아 비효율적이다.

이 때 주형 틀 내에 마그네슘 합금 스크랩을 투입하는 단계(S14)와 용탕을 붓는 단계는 여러 번에 걸쳐 나누어 수행될 수도 있으며, 이러한 경우 주형 틀 내에 용탕을 먼저 부어도 잉곳의 품질에는 차이가 없다.

주형 틀에 아연-알루미늄 용융 금속을 주입한 후에 이루어지는 냉각은 별도의 냉각수단에 의하여 냉각시키는 것도 가능하며, 자연 응고시켜 상온으로 냉각시킬 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제2 실시예의 순서도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 마그네슘 합금 스크랩과 아연 잉곳을 용해로에 투입하고(S21), 420℃~480℃ 온도로 가열하여 용융된 아연-마그네슘 합금을 준비하는 단계(S22)와, 알루미늄을 650℃ 이상으로 가열하여 용융된 알루미늄을 준비하는 단계(S23)와, 용융된 아연-마그네슘 합금과 용융된 알루미늄을 혼합하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계(S24)와, 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 주입하고 냉각하는 단계(S25)로 이루어진다.

아연-마그네슘 합금의 온도를 420℃~480℃로 한정하는 이유는 아연의 용융온도인 419℃보다 60℃ 높은 온도 이하로 관리하여야 하기 때문이다.

도 5는 본 발명에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법의 제3 실시예의 순서도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 마그네슘 합금 스크랩, 알루미늄이 0.2~25% 함유된 아연-알루미늄 합금 잉곳을 용해로에 투입하는 단계(S30)와, 440~480℃ 온도로 가열하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계(S34)와, 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 붓고 냉각시키는 단계(S35)로 이루어진다.

아연-알루미늄-마그네슘 합금의 온도를 440℃~480℃로 한정하여야 하는 이유는 알루미늄 농도가 5% 이상인 아연-알루미늄 합금을 사용할 경우에는 상기 금속의 용융온도가 증가되므로 온도를 440℃ 이상으로 가열하여야 하며, 480℃ 이상이 되면 용융 금속의 산화가 심해지게 되며 비효율적이 되기 때문이다.

상기 마그네슘 합금 스크랩, 알루미늄이 0.2~25% 함유된 아연-알루미늄 합금 잉곳을 용해로에 투입하는 단계(S30)는 아연 잉곳과 아연-알루미늄 잉곳을 용해로에 투입하는 과정(S31)과, 용해로를 가열하여 아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 과정(S32)과, 마그네슘 합금 스크랩을 용해로에 투입하는 과정(S33)에 의하여 수행될 수 있다.

아연-알루미늄 합금 잉곳에 함유되는 알루미늄의 함량은 특별히 제한될 필요는 없으나, 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 알루미늄이 0.2~25%함유된 합금이 바람직하게 사용될 수 있다.

도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 제4 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법은 아연을 420℃ 이상으로 가열하고 알루미늄을 650℃ 이상으로 가열하는 과정과, 액상의 아연과 알루미늄을 혼합하여 아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 과정, 아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 과정과, 상기 마그네슘 합금 스크랩을 아연-알루미늄 용융 금속에 투입한 후 냉각시키는 과정으로 이루어진다.

이상의 본 발명의 잉곳 제조 방법에 따른 제1 내지 제4 실시예들의 공통된 특징은 (1)대기중에서 마그네슘을 용해하는 점, (2)마그네슘을 용해하기 위하여 500℃ 이상으로 가열하지 않는다는 점에 있다.

기존 아연-알루미늄-마그네슘 합금은 용해로에서 각 원소의 지금을 용융 온도 이상으로 가열한 후에 첨가하여 용융시키는 방법으로 제조되고 있다. 이 때 마그네슘이 산소와 반응하여 산화물이 매우 용이하게 생성되는 현상은 열역학 법칙에 따른 것으로, 대기 중에서 용해될 때는 마그네슘의 사용 효율이 떨어질 수 밖에 없다. 이를 막기 위하여 마그네슘 용해시 불활성 가스를 사용하거나 진공 상태에서 용해를 하는 방법들이 사용되고 있었으나, 용탕을 잉곳 형태로 만드는 과정 중에서 마그네슘이 대기중에 노출되어 산화될 가능성이 매우 높다.

본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위하여 실험을 하는 동안에 관찰된 현상을 이용하여 제안하게 된 것으로서, 본 발명자들은 액상 아연과 고상 마그네슘 합금, 액상 알루미늄과 고상 마그네슘 합금 간 반응에 대하여 조사한 결과 다음과 같은 현상을 발견할 수 있었다.

즉, 마그네슘 합금 스크랩 위에 온도 730℃의 액상 알루미늄을 부으면 마그네슘의 용융온도인 650℃보다 높은 온도임에도 불구하고 마그네슘 합금 스크랩은 용융되지 않고 마그네슘의 산화반응만이 일어나서 일부 검은색의 산화물이 생성되는 것으로 관찰되었다.

이와 반대로 마그네슘 합금 스크랩 위에 420℃ 정도로 융점 직상의 온도인 용융 아연을 부으면 고상 마그네슘 합금 스크랩은 1초 이내의 짧은 시간 내에 액상 아연에 의하여 녹는 현상이 발견되었다. 아연의 온도가 마그네슘의 용융 온도인 650℃보다 훨씬 낮은 온도임에도 불구하고 용해되는 것으로부터 마그네슘 스크랩과 용융 아연과의 반응성은 매우 크다는 것을 알 수 있다.

이로부터 용융 알루미늄에 마그네슘을 첨가하는 방법보다는 용융 아연에 마그네슘을 첨가하여 용해시키는 것이 훨씬 효과적임을 알 수 있다.

마그네슘 스크랩과 용융 아연과의 빠른 반응성은 도 1로부터 다음과 같이 추정할 수 있다.

도 1의 (가)와 같이, 고체 상태의 순수 아연 속에 마그네슘 합금 스크랩이 포함되도록 잉곳을 제조하였다. 도 1의 (가)의 제조 과정은 후술된 실시예 1에 기재되어 있다. 도 1의 (나)는 도 1의 (가)와 같은 상태의 순수 아연과 마그네슘 합금 스크랩을 온도 440℃의 용융 아연에 10초 동안 넣은 후에 꺼낸 모습이다. 용융아연에 의해 침식된 깊이는 고상의 아연 쪽 보다 마그네슘 합금 스크랩의 쪽이 더 깊은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 마그네슘 합금 스크랩의 용해 속도는 아연의 용해 속도보다 더 빠르다는 것을 알 수 있다.

도 1의 (나)에서 확인할 수 있는 현상은 순수 마그네슘에서도 일부 관찰되기도 하였으나, 알루미늄이 1~10중량%이고, 아연이 0.2~10중량%이며 Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 실리콘 혹은 구리 혹은 니켈이 1종 혹은 2종 이상의 합이 잉곳 중량 대비 0.1중량%이하인 마그네슘 합금을 사용하였을 때에 순수 마그네슘 지금을 사용하였을 때 보다 더욱 쉽게 용해되는 현상이 발생하는 것으로 관찰되었다.

도 2은 아연-마그네슘 상태도이다.

아연-마그네슘 상태도로부터 아연은 원자 분율(Atomic %)로 28.1%와 92.2%에서 2개의 공정점을 가지는데, 특히 상대적으로 낮은 융점을 갖는 아연의 농도가 높은 영역의 공정점 온도는 381℃인 반면, 상대적으로 높은 융점을 갖는 마그네슘의 농도가 높은 영역의 공정점 온도는 340℃로 오히려 더 낮은 특징이 있음을 알 수 있다.

이러한 특성은 아연과 마그네슘 사이에서 일어나는 반응의 고유한 특성에 기인한 것으로 추정된다.

용융 아연과 접촉되는 마그네슘은 금속간 화합물을 형성하려는 성질이 매우 강하고 그로 인해 아연 중에 쉽게 용해되는 특성이 있는 것으로 판단된다. 도 1의 상태에서 액상의 아연과 접촉한 고상의 마그네슘은 하기의 식(1)과 같은 반응을 일으킨다.

Mg(고상) + Zn(액상) -> MgZn₂+ Mg 고용 Zn(액상) ---------- ----- 식(1)

용융 아연 중 Mg 농도가 포화 용해도 이하 일 때는 마그네슘의 저온 용해를 유발한 MgZn₂ 상은 Zn중에 완전 용해되어 용탕 중 입자가 없는 Zn-Mg용탕을 얻을 수 있으며, MgZn, Mg₂Zn₃, MgZn₂의 생성이 반응 중간 단계에 일어나는 것으로 추정된다.

일반적인 용융도금 공정에서 상기의 금속간 화합물들이 도금 욕 중에 조대하게 존재하게 되면 도금 층의 품질에 악영향을 미치므로 도금 욕 중 마그네슘 농도는 포화 용해도 이하가 되게 하여야 하며, 이를 위해서 마그네슘 농도와 용융 도금 욕 온도를 설정하여 도금 층을 제조할 것이 요구된다.

이는 용융 도금 공장에서 구입하는 잉곳의 마그네슘 중량비 요구 조건은 도금 욕 온도에서 마그네슘의 농도가 포화 용해도 이하이어야 함을 의미한다.

그렇지만 도 2의 상태도로부터 알 수 있듯이 아연 중에 용해된 마그네슘은 용탕이 상온으로 냉각되면 아연 중에 고용되지 못하고 Mg₂Zn₁₁ 혹은 MgZn₂ 화합물로서 존재하게 된다.

이러한 Mg₂Zn₁₁ 혹은 MgZn₂와 같은 화합물들은 잉곳 내에 필연적으로 존재할 수밖에 없는 성분으로서, 잉곳 내에서 상기의 화합물들의 크기가 작을 경우에는 잉곳을 도금 욕조나 프리멜트 욕조에서 용해할 때 쉽게 화합물이 도금욕 중에 용해되어 문제되지 않는다. 그러나 상기 화합물들의 크기가 조대할 경우에는 도금욕 중에서 화합물이 미처 다 용해되지 못할 수 있으며, 이는 도금 층의 품질에 악영향을 미칠 가능성이 있다.

이러한 견지에서 잉곳 내 상기 화합물들의 크기를 작게 만들어 줄 필요가 있다.

MgZn₂ 상은 600℃온도까지 존재할 수 있기 때문에 잉곳을 준비할 때 MgZn₂의 크기가 커질수록 더 많은 시간이 소요되므로 잉곳 제조에 있어서 더 많은 용탕 준비 시간이 필요하여 생산성이 떨어질 수밖에 없고 이에 따라 에너지 사용이 증가하게 된다.

교반을 적게 하거나 혹은 마그네슘 지금의 투입 속도가 증가할수록 국부적으로 마그네슘 농도가 높아져서 MgZn₂상의 크기가 증가한다.

이를 방지하기 위해서는 마그네슘 합금을 첨가한 직후에 교반속도를 증가시키거나 용탕의 온도를 올려야하지만 이 경우 용탕의 산화는 증가하게 되어 실수율이 떨어지는 문제가 발생한다.

따라서, 기존의 방법에서는 잉곳 형태의 마그네슘 합금을 사용하여 용융 금속의 산화를 방지하고 잉곳 생산성을 향상시키기 위하여 지구온난화 유발 가스를 사용하여 용탕의 산화를 방지하고, 용탕의 온도를 MgZn₂상의 용해온도인 600℃ 이상으로 가열해주고 있었다.

지구 온난화 유발 가스를 사용하지 않고도 에너지 사용을 줄이고, 산화물에 의한 실수율 저하를 방지하고, 생산성을 향상시키기 위해서는 저온에서 용탕을 준비하면서도 조대한 MgZn₂상의 생성을 억제할 수 있어야 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 알루미늄이 1~10중량%, 아연이 0.2~10중량%이고, Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 Si 혹은 Cu 혹은 Ni중에서 선택되는 1종 혹은 2종 이상의 합계량이 0.1중량% 이하로 조성되는 마그네슘 합금 스크랩을 지금으로 사용하는 것을 제안한다.

마그네슘 합금 스크랩에서 알루미늄과 아연이 각각 1중량%, 0.2중량% 미만으로 함유되어도 제조된 합금 잉곳의 품질에 악영향은 없으나, 각각 1중량%와 0.2중량% 이상을 함유한 마그네슘 합금 스크랩을 사용할 때에 가장 낮은 온도에서 손쉽게 잉곳을 제조할 수 있다. Mn, Zr, 희토류 금속, Si, Cu, Ni의 합계량이 0.1%를 초과한 잉곳을 사용하여 도금하게 되면 도금 층 표면에 Mn 혹은 Zr 화합물 등의 작은 알갱이들이 존재하여 도금 표면 품질이 저하되는 문제점을 초래할 가능성이 높다.

특히, 마그네슘 합금 스크랩 가격은 동일 조성의 잉곳 가격과 같거나 저렴하여 재료비가 절감되는 효과가 있다.

제조된 잉곳의 마그네슘 함량이 10%를 초과하게 되면 MgZn₂와 같은 금속간 화합물의 농도가 높아져 도금용에 잉곳을 용해할 때 금속간 화합물이 완전히 용해되지 않고 작은 고체 입자 상태로 도금욕 중에 존재할 가능성이 높으며, 이는 도금 층 표면에 불량을 초래할 수 있다. 잉곳에 마그네슘이 0.5% 미만으로 함유되면 도금욕에 마그네슘을 공급하기 위한 잉곳으로서 제 기능을 수행할 수 없다.

잉곳에 알루미늄 함량이 10%를 초과하게 되면, 알루미늄 산화물에 의해 용탕과의 젖음이 잘 일어나지 않아서 용해에 시간이 많이 소요되는 문제가 발생할 수 있다. 잉곳에 알루미늄이 0.2%미만으로 함유되더라도 제조된 합금 잉곳의 품질에는 악영향이 없으나, 가장 낮은 온도에서 손쉽게 잉곳을 제조하기 위하여 알루미늄이 1중량% 이상으로 함유된 마그네슘 합금 스크랩을 지금으로 이용하여 제조된 잉곳은 알루미늄이 0.2% 이상으로 함유되게 된다.

마그네슘 합금 스크랩으로는 선재나 봉재 혹은 파이프 형태의 마그네슘 합금을 가공하는 과정 중에 발생하는 스크랩이 사용 가능하다.

본 발명의 잉곳을 제조하는데 사용되는 마그네슘 합금 지금으로서 알루미늄이 1~10중량%, 아연이 0.2~10중량%, Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 실리콘 혹은 구리 혹은 니켈이 1종 혹은 2종 이상의 합이 잉곳 중량 대비 0.1중량% 이하인 마그네슘 합금을 사용하여야 하는 이유는, 마그네슘 합금에 알루미늄이 10%를 초과하여 함유되면 알루미늄 산화물에 의해 용탕과의 젖음이 잘 일어나지 않아서 용해에 시간이 많이 소요되는 문제가 있고 아연 함량이 10%를 초과하면 첨가해야할 마그네슘 합금 스크랩의 양이 증가되어 용탕 온도의 조절이 어렵게 되기 때문이다.

합금 성분에 따라 Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 실리콘 혹은 구리 혹은 니켈은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금 욕 중에서 존재할 때 품질을 향상시키는 성분들로 알려져 있으며 도금 층 내 이들 성분에 대한 공지기술도 많이 있다. 잉곳의 마그네슘 함량이 최대 10%인 잉곳을 제조할 때는 이들 함량의 최대 첨가량은 0.1% 정도이다.

AZ93계 마그네슘 스크랩 덩어리를 주형 틀에 놓고, 온도가 419.5℃인 용융 아연을 주형 틀에 부은 후에 냉각시키고, 그것을 마그네슘이 노출되도록 절단하여 도 1의 (가)와 같이 만들었다. 이것을 온도가 440℃인 알루미늄을 5중량% 함유하는 아연-알루미늄 용융 금속에 10초간 침적하여 꺼내었다.

그 결과는 도 1의 (나)에 도시하였다. 마그네슘은 완전 용해되어 마그네슘이 있던 자리는 움푹 파인 반면, 아연은 많이 남아 있었다. 이로부터 저온에서도 마그네슘은 아연에 의해 용해될 수 있음을 알 수 있다.

용해로에서 아연 911g을 440℃까지 가열하여 용해하고, 별도의 용해로에서 알루미늄 59g을 700℃까지 가열하여 용해시킨 후에 알루미늄을 용융 아연에 첨가하여 아연-알루미늄 합금 용탕을 제조하였다. 대기 중에서 알루미늄 10%, 아연이 1%이며 나머지는 마그네슘인 조성을 갖는 AZ91 합금의 두께 0.5mm의 판재 모양 스크랩 34g을 아연-알루미늄 합금 용탕에 첨가하여 마그네슘을 용해시킨 후에 주형 틀에 부은 후에 냉각하여 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 아연의 중량비를 갖는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 1Kg을 제조하였다.

상기 잉곳을 도금 욕조에 용해하여 460℃로 조정한 결과 도금 욕 중에 MgZn₂상은 관찰되지 않았다.

용해로에서 아연 911g을 440℃까지 가열하여 용해하고, 별도의 용해로에서 알루미늄 59g을 700℃까지 가열하여 용해시킨 후에 알루미늄을 용융 아연에 첨가하여 아연-알루미늄 합금 용탕을 제조하였다.

대기 중에서 알루미늄 10%, 아연이 1%이며 나머지는 마그네슘인 조성을 갖는 AZ91 합금의 두께 0.5mm의 판재 모양 스크랩 34g을 주형 틀에 넣고 아연-알루미늄 합금 용탕을 주형 틀에 부은 후에 상온으로 냉각하여 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 아연의 중량비를 갖는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 1Kg을 제조하였다.

용해로에 알루미늄 10%, 아연이 1%이며 나머지는 마그네슘인 조성을 갖는 AZ91 합금의 두께 0.5mm의 판재 모양 스크랩 34g과 아연 911g을 투입하고, 440℃로 가열하여 용해하고, 별도의 용해로에서 700℃까지 가열하여 용해시킨 알루미늄 59g을 첨가하여 아연-알루미늄-마그네슘 용융 금속을 제조하였다. 아연-알루미늄-마그네슘 용융 금속을 주형 틀에 부은 후에 상온으로 냉각시켜 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 아연의 중량비를 갖는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 1Kg을 제조하였다.

제조된 잉곳을 도금욕에 용해하여 사용한 결과 도금 욕 중에 MgZn₂상은 관찰되지 않은 것으로 확인되었다.

Claims

알루미늄이 1~10중량%, 아연이 0.2~10중량%이고, Mn 혹은 Zr 혹은 희토류 금속 혹은 Si 혹은 Cu 혹은 Ni중에서 선택되는 1종 혹은 2종 이상의 합계량이 0.1중량% 이하인 마그네슘 합금이 지금으로 사용되어 제조되며, 마그네슘이 잉곳 중량 대비 0.5~10중량%, 알루미늄이 잉곳 중량 대비 0.2~10중량%, 나머지는 아연과 불가피하게 존재하는 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳.
청구항 1에 있어서, 상기 마그네슘 합금은
ASTM 규격으로 AZ63계, AZ81계, AZ91계, AZ92계, AZ93계, ZK51계, ZK61계, EZ33계, ZE4계, QE22A계, QH21계, HK31계, ZH62계, HZ32계 스크랩에서 선택되는 1종이 사용되거나 혹은 이들중 2종 이상이 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳.
아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계와;
아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 단계와;
마그네슘 합금을 제조하고자 하는 아연-알루미늄-마그네슘 잉곳의 마그네슘 농도로부터 계산되는 양만큼 주형 틀에 넣는 단계와;
주형 틀에 아연-알루미늄 용융 금속을 주입한 후 냉각시키는 단계와;
주형 틀로부터 아연-알루미늄-마그네슘 잉곳을 꺼내는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법.
아연-알루미늄 용융 금속을 준비하는 단계와;
아연-알루미늄 용융 금속의 온도를 아연-알루미늄 용융 금속의 조성비에 의하여 결정되는 융점보다 최소 1℃ 이상, 최대 60℃ 이하로 높게 조정하는 단계와;
상기 마그네슘 합금 스크랩을 아연-알루미늄 용융 금속에 투입한 후 냉각시키는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법.
마그네슘 합금 스크랩과 아연 잉곳을 용해로에 투입하고 420℃~480℃의 온도로 가열하여 용융된 아연-마그네슘 합금을 준비하는 단계와;
알루미늄을 650℃ 이상으로 가열하여 용융된 알루미늄을 준비하는 단계와;
용융된 아연-마그네슘 합금과 용융된 알루미늄을 혼합하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계와;
용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 붓고 냉각하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법.
마그네슘 합금 스크랩, 알루미늄이 0.2~25% 함유된 아연-알루미늄 합금 잉곳을 용해로에 투입하는 단계와;
440~480℃의 온도로 가열하여 용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 준비하는 단계와;
용융된 아연-알루미늄-마그네슘 합금을 주형 틀에 붓고 냉각시키는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조 방법.