DIMOX process에 의한 $Al_2O_3/Al$ 복합체의 제조와 성장 기구에 관한 연구

Abstract

Al-1 wt\% Mg 와 Al-3 wt\% Mg, Al-6 wt\% Mg 합금을 공기 분위기에서 방향성 금속 산화법으로 산화 반응시킨 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 방향성 금속 산화법에 의해 Al-Mg 합금으로부터 $Al_2O_3/Al$ 복합체를 제조할 수 있었다. Mg 의 함량이 많은 Al-3 wt\% Mg 와 Al-6 wt\% Mg 합금의 산화는 용융 합금의 표면에 치밀한 $MgAl_2O_4$ 층이 형성되어 용융 금속의 이동을 방해하기 때문에 잠복기가 나타난다. 2. Al-3 wt\% Mg 와 Al-6 wt\% Mg 합금에서의 복합체 성장은 $MgAl_2O_4$ 층에 균열이 형성되어 용융 합금이 공기와의 계면으로 이동이 가능할 때 일어난다. 그러나 이 경우에 복합체의 성장은 균열을 중심으로 일어나기 때문에 일정한 두께를 갖는 복합체를 제조할 수 없으며 복합체의 성장면이 매우 불규칙하게 된다. 3. 이와 달리 Al-1 wt\% Mg 합금에서는 잠복기가 없이 복합체의 성장이 일어나며 성장면도 균일하였다. 이에 대해서는 제 4 장에서 자세히 다루기로 한다. 4. 방향성 금속 산화법에 의해 성장한 복합체는 $Al_2O_3$ 와 Al 의 망구조가 각각 3 차원적으로 연결된 미세 구조를 이루고 있었다. 특히 $Al_2O_3$ 복합체의 성장 방향과 동일한 방향으로 C 축 결정 방향으로 배열되어 성장함을 확인하였다. 또한 복합체의 성장면에 형성되는 표면층은 기존의 보고와는 달리 MgO 뿐만 아니라 Al 의 산화물도 공존함을 확인하였다. Al-1 wt\% Mg 합금의 산화 과정에서 잠복기가 나타나지 않는 원인에 대해서 살펴 보았다. 복합체의 체적 성장이 일어나기 전 단계를 구간별로 고찰한 결과, Al-3 wt\% Mg 와 Al-6 wt\% Mg 합금에서와 같은 치밀한 Mg 산화층으로 이루어진 평탄한 층의 형성을 관찰할 수 없었다. Al-1 wt\% Mg 합금의 표면에 형성되는 초기 산화층은 금속 미세 채널과 포켓으로 이루어진 다공성의 $MgAl_2O_4$ 로 산화 과정 중에 이 층을 통한 용융 금속의 이동이 가능한 것으로 보인다. 특히 Al-3 wt\% Mg 와 Al-6 wt\% Mg 합금에서는 볼 수 없었던 용융 금속으로부터 직접 성장한 것으로 보이는 $Al_2O_3$ 입자들이 존재하고 있다. 이들 입자와 입자 사이 또는 $MgAl_2O_4$ 층과의 사이에 $MgAl_2O_4$ 내부의 채널보다 큰 금속 채널이 형성되어 있다. 이 금속 채널을 통해서 복합체와 용융 금속이 직접 연결되어 Al-1 wt\% Mg 합금에서는 잠복기가 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 Mg 의 함량이 더 적은 Al-0.1 wt\% Mg 와 Al-0.5 wt\% Mg 합금에서도 나타난다. 금속과 직접 계면을 형성하는 $Al_2O_3$ 입자들의 분율이 Al-1 wt\% Mg 합금보다 더 크게 나타나고 있으며 복합체의 성장도 더 낮은 온도에서 시작된다. Al-0.1, 0.5, 그리고 1 w\% Mg 의 세합금으로부터 구한 복합체 성장의 활성화 에너지는 각각 291, 223, 213 kJ/mol 이었다. 이상의 결과로 볼 때 초기 산화 단계에서 용융 금속 표면에 형성되는 $MgAl_2O_4$ 층은 복합체의 성장과는 무관한 것으로 보이며 오히려 치밀한 $MgAl_2O_4$ 층의 형성은 복합체의 성장을 방해한다. 세 합금으로부터 성장시킨 복합체의 3 점 곡강도와 경도는 각각 400 MPa 과 $459 kg/mm^2$ 으로 방향성 금속 산화법에 의한 $Al_2O_3/Al$ 복합체만의 물성은 크게 우수하지 않은 것으로 나타났다.