KR20110135162A - 친환경적인 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금 층 제조에 소요되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 잉곳의 제조 방법에 관한 것으로, 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금 층 제조에 소요되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳의 제조 방법에 있어서, 제조하고자 하는 잉곳의 마그네슘 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 마그네슘 혹은 고체 상태의 마그네슘 합금을 제1 주형 틀 내에 넣는 단계와; 제조하고자 하는 잉곳의 알루미늄 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 알루미늄 혹은 고체 상태의 알루미늄 합금을 용해로에서 660℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 제1 주형 틀 내에 주입하는 단계와; 제1 주형 틀 내의 금속을 냉각시킨 후에 제1 주형 틀로부터 꺼내어 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 준비하는 단계와; 고체 상태의 아연을 용해로에서 420℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 목표로 하는 크기의 잉곳을 제조할 수 있는 제2 주형 틀에 부어서 채우는 단계와; 제2 주형 틀 내에 채워진 아연에 상기 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 넣는 단계와; 잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는 단계; 및 제2 주형 틀 내의 금속을 냉각시켜 응고시킨 후에 꺼내는 단계;를 포함하여 이루어지는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금제조 공정에서 용융 도금조에서 용해되어 도금 층을 형성하는 도금물질로 사용되는 합금 도금용 잉곳의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지구 온난화 유해 가스를 사용하지 않고 대기 중에서 제조가 가능하며, 에너지의 사용 효율이 높은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 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 마그네슘 산화물(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.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해소하고자 안출된 것으로, 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금제조 공정시 도금 조에 용해되어 사용될 수 있는 마그네슘을 함유한 잉곳을 대기 중에서도 손쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공함으로써 플럭스(flux)나 지구 온난화 유발 불활성 가스의 사용을 줄임과 동시에 에너지의 사용 효율을 높이고자 함에 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법은 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금 층 제조에 소요되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳의 제조 방법에 있어서, 제조하고자 하는 잉곳의 마그네슘 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 마그네슘 혹은 고체 상태의 마그네슘 합금을 제1 주형 틀 내에 넣는 단계와; 제조하고자 하는 잉곳의 알루미늄 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 알루미늄 혹은 고체 상태의 알루미늄 합금을 용해로에서 660℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 제1 주형 틀 내에 주입하는 단계와; 제1 주형 틀 내의 금속을 냉각시킨 후에 제1 주형 틀로부터 꺼내어 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 준비하는 단계와; 고체 상태의 아연을 용해로에서 420℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 목표로 하는 크기의 잉곳을 제조할 수 있는 제2 주형 틀에 부어서 채우는 단계와; 제2 주형 틀 내에 채워진 아연에 상기 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 넣는 단계와; 잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는 단계; 및 제2 주형 틀 내의 금속을 냉각시켜 응고시킨 후에 꺼내는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는 단계는, 잉곳 제조에 필요한 아연의 일부로서 고체 상태의 아연을 제2 주형 틀 내 알루미늄-마그네슘 혼합금속 위에 놓는 단계와, 잉곳 제조에 필요한 아연의 나머지로서 용융 상태의 아연을 제2 주형 틀 내에 붓는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 방법을 사용함에 따라 불활성 가스를 사용하지 않고, 또한 첨가원소의 가열 단계를 최소화하면서도 아연-알루미늄-마그네슘 합금 용융 도금 층 제조에 필요한 잉곳을 손쉽게 제조할 수 있어 제조 경비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 지구 온난화 유해 물질 배출을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 알루미늄-마그네슘 2원 상태도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법의 순서도.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 기존의 아연-알루미늄-마그네슘 합금 제조 방법은 용해로에서 적당한 순서로 각각의 금속을 첨가하여 혼합시키고 있는데, 그 과정에서 용융 마그네슘이 산소와 반응하여 산화물이 생성되므로 대기 중에서 용해할 때는 마그네슘의 사용 효율이 떨어질 수 밖에 없다. 이를 막기 위해서는 불활성 가스를 사용하거나 진공 상태에서 용해를 하는 방법을 채용할 수 밖에 없으며, 용탕을 잉곳 형태로 만드는 과정 중에 마그네슘이 대기중에 노출될 가능성이 매우 높으므로 이를 완벽하게 방지하기 위해서는 용해 및 주조 설비가 매우 복잡해지게 되는 문제가 발생한다.
본 발명은 알루미늄 혹은 아연 중 마그네슘 함량이 증가할수록 용융 혹은 응고 온도가 낮아지는 열역학적 특성을 이용하여 아연-알루미늄-마그네슘 합금 잉곳을 안정적으로 제조하고자 하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법의 순서도이다. 본 발명의 구성과 작용을 본 발명의 잉곳 제조 순서에 따라 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제조하고자 하는 잉곳의 마그네슘 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 마그네슘 혹은 고체 상태의 마그네슘 합금을 제1 주형 틀 내에 투입한다(S10).
다음으로, 제조하고자 하는 잉곳의 알루미늄 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 알루미늄 혹은 고체 상태의 알루미늄 합금을 용해로에서 660℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 제1 주형 틀 내에 주입한다(S20).
도 1은 알루미늄-마그네슘 2원 상태도이다. 도 1의 도시를 참조하여 주형 틀 내에 투입된 고체 상태의 마그네슘과 660℃ 이상의 온도로 가열되어 주입된 용융 상태의 알루미늄의 반응을 설명하면, 용융 상태의 알루미늄 주입 직후 알루미늄의 온도는 660℃ 이상이며, 이는 마그네슘의 용융 온도인 650℃보다 높은 온도이다. 따라서 용융 상태의 알루미늄 주입에 의하여 마그네슘은 용해되기 시작한다. 시간이 지남에 따라 알루미늄은 냉각되어 온도는 떨어지지만, 마그네슘 용해 반응이 진행됨에 따라 알루미늄 중 마그네슘의 농도가 점차 증가하게 된다. 이와 같은 알루미늄 중 마그네슘 농도 증가에 따라 도 1로부터 알 수 있듯이 알루미늄의 응고 온도도 낮아지게 되며, 알루미늄 온도가 450~437℃가 되면 응고 반응은 종료된다.
도 1의 상태도에서 알 수 있듯이, 응고 반응 종료 후에는 고체 상태였던 마그네슘은 알루미늄 중에 고용되고, Al3Mg2, Al12Mg17과 같은 금속간 화합물을 형성하며, 또한 알루미늄이 고용된 마그네슘으로 존재할 수 있다. 이들 화합물의 종류와 양은 알루미늄 온도와 냉각속도 그리고 초기 마그네슘의 온도에 의해 영향을 받는다.
본 발명에서 알루미늄과 마그네슘이 합금을 형성할 때 알루미늄 혹은 마그네슘의 농도가 증가할수록 응고 온도가 낮아지는 현상은 본 발명에서 매우 중요한 의미를 갖는다.
순수한 알루미늄과 마그네슘의 응고 온도는 각각 660℃, 650℃이고, 두 금속이 포정 및 공정 변태 반응을 하여 합금화 되는 온도는 450℃ 및 437℃로써 순 금속의 용융 온도 보다 210~213℃ 낮은 온도에서 일어난다. 이것은 용융 상태로 주입된 알루미늄이 상기 변태온도에 도달되는 시간 동안 마그네슘의 용해 반응이 계속 진행하는 것을 뜻한다.
만약 주형 틀 내의 마그네슘이 고체 상태이지만 충분히 가열된 상태에 있다면 마그네슘은 알루미늄이 가지고 있는 열량만으로도 용융 상태로 알루미늄에 혼합될 수 있어 균일한 조성의 마그네슘-알루미늄 합금을 형성할 수 있다. 그러나 알루미늄 혹은 마그네슘의 농도가 불균일하더라도 다음 공정에서 농도 분포가 변화되게 된다. 알루미늄을 주형 틀에 붓기 전 최적의 마그네슘 온도는 조건에 따라 다를 수 있으나, 이후의 작업에 의하여 그 영향은 줄어든다.
다음으로, 제1 주형 틀 내의 금속을 냉각시킨 후에 제1 주형 틀로부터 꺼내어 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 준비한다(S30).
상기의 작업과는 별도로 고체 상태의 아연을 용해로에서 420℃ 이상의 온도로 가열하여 완전 용융 상태가 되게 한 후에 목표로 하는 크기의 잉곳을 제조할 수 있는 제2 주형 틀에 부어서 채운다(S40). 아연의 온도에 특별히 상한을 설정할 필요는 없지만 지나치게 높아져 마그네슘의 용해온도인 650℃ 이상이 되면 마그네슘이 용해되어 산화될 위험이 있다.
다음으로, 제2 주형 틀 내에 채워진 아연에 준비된 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 넣는다(S50).
다음으로, 용탕의 상부가 응고되기 시작하여 알루미늄-마그네슘 혼합 금속이 아연에 고정되면 잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는다(S60).
한편, 알루미늄-마그네슘 혼합 금속은 아연보다 가벼우므로 용탕 위에 떠 있는 상태가 되는데, 용융 아연을 제2 주형 틀에 부을 때 알루미늄-마그네슘 합금이 용탕 상부로 부상할 때에는 아연을 붓기 전에 아연 중의 일부를 고체 상태로 하여, 알루미늄-마그네슘 합금 상부에 위치시킴으로써 부상을 방지하도록 한다.
이러한 경우, 잉곳 제조에 필요한 아연의 일부로서 고체 상태의 아연을 제2 주형 틀 내 알루미늄-마그네슘 혼합금속 위에 놓은 후(S61), 잉곳 제조에 필요한 아연의 나머지로서 용융 상태의 아연을 제2 주형 틀 내에 주입한다(S62).
아연-알루미늄 상태도로부터 알 수 있듯이 알루미늄과 아연의 공정반응 온도는 381℃로서 용융 아연보다 낮다. 따라서 알루미늄은 용융 아연 중에 용해되게 된다. 알루미늄의 용해가 끝나거나 혹은 용해가 진행되는 동안 알루미늄-마그네슘 금속간 화합물은 아연과 반응하여 용해된다. 남아 있을지도 모를 마그네슘은 용융 아연과 접촉할 때 공정 반응을 하여 용융온도가 340℃로 낮아지게 되므로 완전히 아연에 의해 용해된다.
다음으로, 제2 주형 틀 내의 금속을 냉각시켜 응고시킨 후에 꺼낸다(S70).
제2 주형 틀의 냉각은 별도의 냉각수단에 의하여 냉각시키거나 혹은 자연 응고시켜 상온으로 냉각시키는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서 잉곳의 모든 부분의 알루미늄 및 마그네슘 농도를 균일하게 하기 위해서는 재용융시켜 잉곳 형태로 제조하거나 용융금속의 주입 온도를 가능한 높여서 작업하는 것이 유리하지만 그럴 경우에는 금속의 산화물이 많이 생성되며 잉곳 제조에 필요한 에너지가 증가하여 본 발명의 효과가 감소하게 된다. 그러나 용융도금에서 사용하는 잉곳은 도금욕조에서 재용해되어 사용되므로 잉고소 내부의 부분적인 불균일은 문제가 되지 않는다.
용융도금 공정에서 프리멜트 욕조에서 잉곳을 용해하여 성분을 균일화시킨 후에 필요한 만큼 도금욕조로 공급하는 공정이 수행되는 경우에는 잉곳 내부에 알루미늄 혹은 마그네슘의 분포가 일정하지 않아도 문제되지 않는다.
또한, 프리멜트 욕조가 없는 경우에는 잉곳의 투입속도가 빠를 경우 도금욕의 온도가 변하여 도금 층의 품질이 나빠지게 되므로 일반적으로 잉곳을 가능한 한 천천히 도금욕조에 침적하면서 용해를 시키는 것이 바람직하다. 이 경우 단위 시간당 도금욕조로 보급되는 알루미늄, 마그네슘 및 아연 양이 일정하도록 만들어 주기만 하면 된다. 즉, 용탕에 접촉하는 면적당 알루미늄 및 마그네슘의 양이 일정하면 아무런 문제가 없으며, 잉곳 제조 단계에 있어서 용융 아연 위에 알루미늄 및 마그네슘 합금 잉곳을 놓을 때 이를 고려하면 된다.
오히려 산화성이 강한 마그네슘이 잉곳 내부에 있을 경우에는 잉곳을 용탕 중에 침지하여 용해할 때 마그네슘이 상부로 부상하여 산화물이나 드로스를 형성하지 않고 도금욕 내부로 확산하게 되어 더욱 좋은 장점이 있다.
중량비로 알루미늄이 6%, 마그네슘이 3%, 나머지가 아연으로 조성되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 잉곳 1톤을 제조한 후에 재용해하여 용탕 중의 마그네슘과 알루미늄의 농도를 분석하여 본 발명에서 제안한 방법으로 잉곳을 제조할 때에 마그네슘과 알루미늄이 산화되어 소실되는 정도를 평가하고자 하였다.
먼저, 대기 중에서 마그네슘 덩어리 30kg을 주형 틀에 넣은 후에 680℃의 알루미늄 60kg을 제1 주형 틀에 붓고 냉각시켜 알루미늄-마그네슘 합금 잉곳을 제조하였다. 별도의 작업으로 910kg의 아연을 용해로에서 가열하여 제2 주형 틀에 450kg을 부은 후에 미리 준비해 둔 알루미늄-마그네슘 합금 잉곳을 제2 주형 틀에 투입하였다. 이 때 알루미늄-마그네슘 합금 잉곳의 온도는 400℃였다. 주형 틀 내의 용융 아연의 상부가 응고되기 시작할 때에 용해로에 남아 있던 용융 아연 460kg을 제2 주형 틀에 마저 부어서 응고시켰다. 상기의 방법으로 제조된 잉곳을 재용해하여 마그네슘과 알루미늄의 농도를 측정해 본 결과 마그네슘은 2.995%, 알루미늄은 5.995%로서 잉곳 제조과정중에 0.005%의 극미량의 마그네슘만이 산화로 소실된 것을 확인할 수 있었다.
Claims (2)
- 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금 층 제조에 소요되는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳의 제조 방법에 있어서,
제조하고자 하는 잉곳의 마그네슘 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 마그네슘 혹은 고체 상태의 마그네슘 합금을 제1 주형 틀 내에 넣는 단계와;
제조하고자 하는 잉곳의 알루미늄 조성으로부터 계산된 양만큼 고체 상태의 알루미늄 혹은 고체 상태의 알루미늄 합금을 용해로에서 660℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 제1 주형 틀 내에 주입하는 단계와;
제1 주형 틀 내의 금속을 냉각시킨 후에 제1 주형 틀로부터 꺼내어 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 준비하는 단계와;
고체 상태의 아연을 용해로에서 420℃ 이상의 온도로 가열하여 용융시킨 후 목표로 하는 크기의 잉곳을 제조할 수 있는 제2 주형 틀에 부어서 채우는 단계와;
제2 주형 틀 내에 채워진 아연에 상기 알루미늄-마그네슘 혼합 금속을 넣는 단계와;
잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는 단계; 및
제2 주형 틀 내의 금속을 냉각시켜 응고시킨 후에 꺼내는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 잉곳 제조에 필요한 알루미늄-마그네슘을 넣은 후에 제2 주형 틀 내에 잉곳 제조에 필요한 아연의 남은 양을 붓는 단계는, 잉곳 제조에 필요한 아연의 일부로서 고체 상태의 아연을 제2 주형 틀 내 알루미늄-마그네슘 혼합금속 위에 놓는 단계와, 잉곳 제조에 필요한 아연의 나머지로서 용융 상태의 아연을 제2 주형 틀 내에 붓는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연-알루미늄-마그네슘 합금 도금용 잉곳 제조방법.
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