표면 부식 반응: 수성 NaCl 및 염수 분무 환경에서 Ce를 첨가한 Al 합금 A383 및 Aural 2의 거동

세륨(Ce) 첨가로 알루미늄 합금의 내식성 혁신: 재활용 소재의 가치를 높이는 새로운 길

이 기술 요약은 Michael James Thompson이 2023년 University of Tennessee, Knoxville에서 발표한 석사 학위 논문 "Surface Corrosion Response of Al Alloys A383 and Aural 2 with Ce Additions in Aqueous NaCl and Salt-fog Environments"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 세륨 첨가 알루미늄 합금
• 보조 키워드: A383, Aural 2, 내식성, 고압 다이캐스팅, 재활용 알루미늄, 구리 불순물, 염수 분무 환경, 금속간 화합물

핵심 요약

• 과제: 재활용 알루미늄 스크랩에 함유된 구리(Cu)와 같은 불순물은 합금의 내식성을 크게 저하시켜 고부가가치 부품으로의 재활용을 제한합니다.
• 방법: 두 종류의 상용 Al-Si 다이캐스팅 합금(A383, Aural 2)에 구리와 다양한 비율의 세륨(Ce)을 첨가한 후, 수성 NaCl 용액 및 염수 분무 환경에서 전기화학적 시험과 미세구조 분석을 통해 부식 거동을 평가했습니다.
• 핵심 발견: 1.5 wt.%의 세륨을 첨가했을 때 내식성이 가장 크게 향상되었으며, 이는 세륨이 구리(Cu)와 같은 유해 불순물을 더 안정한 금속간 화합물로 고착시켜 부식에 대한 저항성을 높이기 때문입니다.
• 결론: 세륨 첨가는 재활용 알루미늄 원료의 불순물 허용치를 높여, 원가 절감과 지속 가능성을 달성하면서도 부품의 내구성을 확보할 수 있는 매우 효과적인 전략입니다.

과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가

알루미늄 합금은 경량화가 필수적인 자동차 산업 등에서 핵심 소재로 사용됩니다. 업계에서는 원가 절감과 탄소 배출량 감축을 위해 재활용 알루미늄(2차 알루미늄) 사용을 확대하고자 합니다. 하지만 재활용 스크랩에는 구리(Cu)와 같은 불순물이 다량 포함될 수밖에 없습니다. 구리는 합금의 강도를 높이는 데 기여하기도 하지만, 입계(grain boundary)에서 갈바닉 부식을 유발하여 부품의 내구성을 심각하게 저해하는 주된 원인이 됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 지금까지는 값비싼 신재(primary aluminum)를 투입하여 불순물을 희석하는 방법을 사용해왔습니다. 이는 재활용의 경제적, 환경적 이점을 반감시키는 요인이었습니다. 따라서, 재활용 알루미늄에 포함된 불순물의 유해한 영향을 효과적으로 제어하면서 내식성을 확보할 수 있는 새로운 합금 기술이 절실히 요구되는 상황이었습니다. 이 연구는 희토류 원소인 세륨(Ce)을 해결책으로 제시하며 그 가능성을 탐구합니다.

접근법: 연구 방법론 분석

본 연구는 세륨 첨가가 알루미늄 합금의 미세구조와 부식 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다. 연구의 신뢰성을 높인 핵심 방법론은 다음과 같습니다.

방법 1: 합금 조성 및 주조 - 기본 합금: 상용 Al-Si 다이캐스팅 합금인 A383(Cu 함량이 높음)과 Aural 2(Cu 함량이 낮음)를 사용했습니다. - 첨가 원소: 모든 합금에 0.6 wt.%의 구리(Cu)를 추가로 첨가하여 불순물 함량이 높은 재활용 환경을 모사했으며, 세륨(Ce)은 0.5 wt.%에서 최대 2.5 wt.%까지 단계적으로 첨가했습니다. - 주조: 실제 다이캐스팅 공정의 빠른 응고 속도를 모사하기 위해 수냉식 동(copper) 몰드를 사용하여 시편을 제작했습니다.

방법 2: 부식 성능 평가 - 전기화학적 분석 (PDP): 감리 인스트루먼트(Gamry Instruments)사의 전위차계를 사용하여 0.1 M NaCl 용액에서 동전위 분극 시험(Potentiodynamic Polarization)을 수행했습니다. 이를 통해 부식 전위(Ecorr)와 부식 전류 밀도(Icorr)를 측정하여 정량적인 내식성 데이터를 확보했습니다. - 염수 분무 시험: ASTM B117 표준에 따라 5% NaCl 염수 분무 환경에 시편을 1800시간 동안 노출시켜 장기적인 부식 손상을 관찰하고, 부식 깊이를 측정했습니다.

방법 3: 미세구조 및 성분 분석 - 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 분광법(EDS): 부식 전후 시편의 미세구조 변화, 부식 생성물의 형태 및 분포, 그리고 각 상(phase)의 화학 조성을 정밀하게 분석했습니다. - X선 회절분석(XRD): 합금 내에 형성된 금속간 화합물과 부식 후 표면에 생성된 부식 생성물의 종류를 식별했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

발견 1: 1.5 wt.% 세륨(Ce) 첨가 시 내식성 극대화

세륨 첨가는 두 합금 모두에서 내식성을 획기적으로 개선했습니다. 특히 1.5 wt.%의 세륨을 첨가했을 때 부식 속도가 가장 낮게 나타났습니다.

논문의 표 4(Table 4)에 따르면, 0.6% Cu가 첨가된 A383 합금의 경우, Ce 첨가 전 부식 속도(Corrosion rate)는 0.30 mpy였으나 1.5 wt.% Ce를 첨가하자 0.38 mpy로 소폭 증가했지만, 기준 합금(0.71 mpy)에 비해서는 현저히 낮았습니다. 더 극적인 결과는 A2 합금에서 나타났습니다. 0.6% Cu가 첨가된 A2 합금의 부식 속도는 0.14 mpy였지만, 1.5 wt.% Ce를 첨가하자 0.05 mpy로 약 64% 감소하며 최고의 내식성을 보였습니다. 하지만 1.5 wt.%를 초과하여 Ce를 첨가하자 부식 속도가 다시 증가하는 경향을 보였습니다. 이는 특정 함량의 Ce가 최적의 효과를 낸다는 것을 의미합니다.

발견 2: 세륨(Ce)의 부식 억제 메커니즘 규명

세륨의 내식성 향상 효과는 미세구조 변화와 직접적인 관련이 있습니다. 세륨은 알루미늄, 규소, 그리고 불순물인 구리(Cu), 철(Fe)과 반응하여 새로운 금속간 화합물(예: AlCeSi, AlCeCu)을 형성합니다.

논문의 그림 3(Figure 3)과 4(Figure 4)의 BSE 미세구조 사진을 보면, Ce를 첨가함에 따라 밝은 색의 Ce 함유 상(phase)이 형성되는 것을 확인할 수 있습니다. 이 새로운 금속간 화합물들은 부식의 주된 원인이 되는 Cu와 Fe를 안정적으로 고착시키는 '덫(trap)' 역할을 합니다. 결과적으로, 부식을 유발하는 유해한 상(예: Al2Cu)의 형성을 억제하고, 입계를 따라 부식이 전파되는 것을 막아 전반적인 내식성을 향상시킵니다. 연구에 따르면 주된 부식 손상은 Al(FeMn)Si 금속간 화합물과 기지(Al-matrix)의 계면에서 관찰되었습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 재활용 알루미늄 원료를 사용할 때, 목표 내식성 수준에 따라 약 1.5 wt.%의 세륨을 용탕에 첨가하는 것이 효과적인 공정 관리 방안이 될 수 있음을 시사합니다. 이는 불순물 제어를 위한 신재 투입량을 줄여 원가 경쟁력을 높이는 데 기여할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 그림 3, 4, 9, 10에서 제시된 미세구조 데이터는 부식에 강한 Ce 함유 금속간 화합물의 형태와 분포를 보여줍니다. 이는 부식 환경에 노출되는 부품의 품질 검사 시, 미세구조 분석을 통해 내식성을 예측하는 새로운 기준으로 활용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 세륨 첨가 합금은 높은 내식성을 제공하므로, 기존에는 사용하기 어려웠던 재활용 소재를 자동차의 하부 부품이나 열악한 환경에 노출되는 구조 부품에 적용할 수 있는 가능성을 엽니다. 이는 소재 선택의 폭을 넓히고, 지속 가능한 제품 설계에 기여할 수 있습니다.

논문 상세 정보

Surface Corrosion Response of Al Alloys A383 and Aural 2 with Ce Additions in Aqueous NaCl and Salt-fog Environments

1. 개요:

• 제목: Surface Corrosion Response of Al Alloys A383 and Aural 2 with Ce Additions in Aqueous NaCl and Salt-fog Environments
• 저자: Michael James Thompson
• 발행 연도: 2023
• 학술지/학회: University of Tennessee, Knoxville (Master's Thesis)
• 키워드: Aluminum alloys, A383, Aural 2, Cerium, Corrosion, NaCl, Salt-fog, Intermetallics, Recycling

2. 초록:

구리는 알루미늄 합금에서 고용 강화 및 석출 강화를 통해 강도를 높이는 데 흔히 사용되지만, 내식성은 합금 내 구리 함량과 반비례 관계에 있습니다. 미국에서 알루미늄 합금 생산에 사용되는 재료의 70% 이상은 재활용(2차) 합금에서 나오며, 이들 중 다수는 중량비로 1% 이상의 구리를 함유하고 있습니다. 구리가 불순물로 간주되는 엄격한 공차를 가진 합금은, 불순물을 규격 내로 희석하기 위해 새로 가공된(1차) 알루미늄을 추가하지 않고는 많은 재활용 원료를 활용할 수 없습니다. 1차 알루미늄은 보크사이트와 같은 원료로부터 알루미늄을 만드는 데 필요한 일련의 에너지 집약적 공정 때문에 생산 비용이 훨씬 더 비쌉니다. 알루미늄 합금에 세륨을 첨가하면 구리와 같은 불순물을 더 내식성이 강한 금속간 화합물로 결합시켜, 대부분의 부식 손상이 발생하는 입계의 구리 고갈 영역을 완화함으로써 불순물에 대한 허용치를 높일 수 있습니다. 두 종류의 Al-Si 다이캐스팅 합금의 기본 합금과 0.6 wt.%의 구리 및 최대 2.5 wt.%의 세륨을 첨가한 후 NaCl 염 용액에서의 부식 반응과 미세구조 변화를 조사했습니다. 내식성은 세륨 첨가량과 직접적인 관련이 있었으며, 1.5 wt.% 세륨에서 가장 큰 개선 효과를 보였습니다. 추가적인 세륨 첨가는 내식성에 더 이상의 이점을 제공하지 않았습니다. NaCl 염 용액에 노출되는 동안 형성된 부식 생성물을 결정하기 위해 조성 및 구조적 특성화 방법이 사용되었습니다. 대부분의 부식 손상은 Al(FeMn)Si 기반 금속간 화합물과 Al-기지(matrix)의 계면에서 관찰되었습니다.

3. 서론:

알루미늄(Al) 합금은 무게 대비 강도, 내식성 및 충격 저항성으로 인해 자동차 부품 생산에서 주요 선택 재료가 되었습니다. 알루미늄 생산은 업스트림, 다운스트림, 2차 알루미늄의 세 부분으로 볼 수 있습니다. 업스트림 부문은 보크사이트를 채굴하고 정제하여 알루미나로 만드는 1차 알루미늄으로 구성됩니다. 2차 알루미늄은 후속 합금을 만들기 위해 재활용되는 스크랩으로 구성됩니다. 2022년 미국은 원자재로부터 86만 톤의 1차 알루미늄을 생산했으며, 240만 톤의 신규 및 노후 스크랩이 알루미늄 합금 생산에 사용되었습니다. 1차 알루미늄 생산은 에너지 집약적이며, 2차 알루미늄은 재용해 온도가 훨씬 낮기 때문에 약 90% 더 에너지 효율적입니다. 일반적으로 우수한 내식성을 가진 것으로 간주되지만, 일부 알루미늄 합금은 입계에 용해나 갈바닉 부식에 더 취약한 상이 존재하기 때문에 다른 합금보다 부식에 더 민감합니다. 본 연구에서는 희토류 원소인 세륨(Ce)을 합금 첨가제로 사용하여 이러한 문제를 해결할 가능성을 탐구합니다. Ce는 불순물을 안정적인 금속간 화합물로 만들어 부식에 덜 취약하게 만드는 청소제(scavenging agent) 역할을 할 수 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업을 중심으로 경량화 및 지속 가능성에 대한 요구가 증가함에 따라 재활용 알루미늄의 사용이 중요해졌습니다. 그러나 재활용 알루미늄 스크랩에 필연적으로 포함되는 구리(Cu), 철(Fe) 등의 불순물은 합금의 내식성을 저하시키는 주요한 기술적 장벽으로 작용합니다. 특히 구리는 입계 부식을 촉진하여 부품의 수명을 단축시킵니다.

이전 연구 현황:

이전 연구들에서 세륨(Ce)이 알루미늄 합금 내에서 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu)와 같은 불순물을 포집하여 열역학적으로 안정한 금속간 화합물을 형성하는 능력이 있음이 보고되었습니다. 이러한 '청소(scavenging)' 효과는 불순물의 부정적인 영향을 완화할 수 있는 잠재력을 보여주었으나, 상용 다이캐스팅 합금에서 구리 불순물에 대한 내식성 개선 효과를 정량적으로 분석하고 최적의 첨가량을 규명하는 연구는 부족했습니다.

연구의 목적:

본 연구의 목적은 두 종류의 상용 Al-Si 다이캐스팅 합금(A383, Aural 2)에 의도적으로 구리(Cu) 불순물을 첨가하고, 여기에 다양한 양의 세륨(Ce)을 첨가했을 때 미세구조와 내식성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하는 것입니다. 이를 통해 재활용 알루미늄의 활용도를 높일 수 있는 실용적인 합금 설계 방안을 제시하고자 합니다.

핵심 연구:

본 연구는 A383 및 Aural 2 합금에 0.6 wt.% Cu와 0.5~2.5 wt.% Ce를 첨가한 시편을 제작하고, 이 시편들을 대상으로 동전위 분극 시험(PDP)과 1800시간의 염수 분무 시험을 수행했습니다. 시험 전후의 미세구조는 SEM/EDS로, 상(phase) 식별은 XRD를 통해 분석했습니다. 이를 통해 Ce 첨가량에 따른 내식성의 변화를 정량적으로 평가하고, 부식 메커니즘과 Ce의 역할(금속간 화합물 형성)을 규명했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. 기준 합금(A383, Aural 2), Cu만 첨가된 합금, 그리고 Cu와 다양한 농도(0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 wt.%)의 Ce가 함께 첨가된 합금 그룹들을 비교 분석했습니다. 이를 통해 Ce 첨가량이라는 독립 변수가 내식성(부식 속도, 부식 깊이)이라는 종속 변수에 미치는 영향을 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 데이터 수집: 동전위 분극 시험을 통해 부식 전류(Icorr) 및 부식 전위(Ecorr) 데이터를 수집했습니다. 염수 분무 시험 후에는 SEM을 이용해 최대 부식 깊이를 측정했습니다. SEM/EDS 분석을 통해 미세구조 이미지와 각 상의 원소 조성 데이터를 확보했으며, XRD 분석을 통해 결정 구조 및 상 식별 데이터를 수집했습니다.
• 데이터 분석: 수집된 전기화학적 데이터는 타펠 외삽법(Tafel extrapolation)을 사용하여 부식 속도를 계산하는 데 사용되었습니다. SEM/EDS 및 XRD 데이터는 미세구조 내 상의 종류, 형태, 분포를 식별하고 부식 메커니즘을 해석하는 데 활용되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 Al-Si 다이캐스팅 합금 A383과 Aural 2를 대상으로 합니다. 연구 범위는 0.6 wt.%의 Cu와 0.5~2.5 wt.%의 Ce 첨가가 수성 NaCl 및 염수 분무 환경에서의 표면 부식 반응에 미치는 영향으로 제한됩니다. 기계적 특성(인장 강도, 피로 등)에 대한 평가는 본 연구의 범위에 포함되지 않습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• Ce 첨가는 Cu와 Fe와 같은 불순물을 포집하여 내식성이 우수한 새로운 금속간 화합물(AlCeSi, AlCeCu 등)을 형성했습니다.
• 두 합금 모두에서 Ce 첨가량이 1.5 wt.%에 도달할 때까지 부식 속도가 감소하며 내식성이 향상되었습니다.
• Ce 첨가량이 1.5 wt.%를 초과하자, 침상(needle-shaped) 형태의 Ce 함유 상 분율이 증가하면서 계면이 늘어나 부식 저항성이 다시 감소하는 경향을 보였습니다.
• A2 합금은 A383 합금보다 전반적으로 더 낮은 Cu 함량으로 인해 더 우수한 내식성을 보였습니다.
• 주된 부식 손상은 Al(FeMn)Si 금속간 화합물과 Al 기지(matrix)의 계면에서 시작되었습니다.
• 부식 생성물로는 Al2O5Si, Al2O3, SiO2, Cu2O, Al(OH)3 등이 XRD를 통해 확인되었습니다.

Figure Name List:

• Figure 1: Schematic of a Tafel plot identifying anodic and cathodic branches, and values for corrosion potential (OCP) and corrosion current density.
• Figure 2: XRD scans of A383, A383+0.6Cu+2.5Ce, A2, A2+0.6Cu+2.5Ce shown a log scale stacked plot.
• Figure 3: BSE micrographs depicting the distribution of phases in (a) A383, (b) A383+0.6Cu, (c)A383+0.6Cu+1.5Ce and (d) A383+0.6Cu+2.5Ce. An increase in the amount of Cu2Al can be seen after the addition Cu is introduced, and the bright phase is due to Ce additions.
• Figure 4: BSE micrographs showing the distribution of phases in (a) A2, (b) A2+0.6Cu, (c) A2+0.6Cu+1.5Ce and (d) A2+0.6Cu2.5Ce. The addition of Cu was mostly found in the Al(FeMn)Si intermetallics rather than Cu2Al. The bright intermetallics were much less prevalent in A2 compared to A383.
• Figure 5: XRD scans of A383 and A383+0.6Cu+2.5Ce after corrosion showing the peaks of oxides and hydroxides including Al2O5Si, Al2O3, SiO2, Cu2O, and Al(OH)3. Selected areas are magnified to help with oxide identification.
• Figure 6: XRD scans of A2 and A2+0.6Cu+2.5Ce, showing peaks of major uncorroded phases and oxides present. Selected areas are magnified to help with oxide identification.
• Figure 7: Tafel curves for A383 and A2 depicting the cathodic and anodic branches along with the relative Ecorr and Icorr values. The lower Icorr value and raised shape of the anodic branch of A2 shows the alloy's higher resistance to corrosion compared to A383.
• Figure 8: Potentiodynamic curves for alloys (a) A383 with Cu and Ce additions and (b) A2 with Cu and Ce additions, and measured Ecorr, Icorr, and corrosion rate for (c) A383 with Cu and Ce additions and (d) A2 with Cu and Ce additions. Corrosion rate decreased in both alloys with Ce additions up to 1.5 wt.% Ce after Cu was added. Further additions of Ce caused the corrosion rate to increase.
• Figure 9: BSE micrographs of corroded samples (a) A383, (b) A383+0.6Cu, (c) A383+0.6Cu+1.5Ce, and (d) A383+0.6Cu+2.5Ce after salt fog exposure for 1800 hrs showing oxides and corrosion pits resulting from the experiment.
• Figure 10: BSE micrographs of corroded samples (a) A2, (b) A2+0.6Cu, (c) A2+0.6Cu+1.5Ce, and (d) A2+0.6Cu+2.5Ce after salt fog exposure for 1800 hrs showing oxides and corrosion pits resulting from the experiment.
• Figure 11: Maximum measured corrosion depths for all tested samples from SEM micrographs. The blue and pink bars correspond to A383 and A2 samples respectively.
• Figure 12: Schematic diagram representing corrosion phenomena including formation of corrosion products and local cell formation at (a) Si-rich segregated regions, (b) interfaces of Ce-rich phases and Al-matrix, (c) corrosion response at the interface of Al matrix and Al(FeMn)Si (d) BSE micrographs of A383+0.6Cu+2.5Ce and (e)BSE micrographs of A2+0.6Cu+2.5Ce.

7. 결론:

본 연구는 두 종류의 Al-Si 기반 다이캐스팅 합금에 Cu와 Ce를 첨가하여 다이캐스팅에 필적하는 미세구조를 생성하고, PDP 시험과 염수 분무 노출을 통해 부식 반응을 평가했다. 연구 결과, 다음과 같은 결론을 도출했다.

1. 두 합금 모두 우수한 주조성을 보였으나, A2 합금이 낮은 Cu 함량으로 인해 A383보다 높은 내식성을 나타냈다.
2. Ce는 Cu 및 Fe와 같은 원소와 높은 반응성을 보여 이들 불순물을 '포집'하고 내식성 금속간 화합물을 형성하여 합금의 부식 성능에 미치는 부정적인 영향을 완화했다.
3. 1.5 wt.%까지의 Ce 첨가는 두 합금 모두에서 부식 속도를 감소시켰으나, 2.5 wt.%까지 추가로 첨가했을 때는 부식 모드가 입계 부식에서 평면 부식으로 변하는 경향을 보였다.
4. Al(FeMn)Si 및 Ce-rich 상의 계면은 부식에 민감하여 국부적인 피트 및 부식 생성물 형성을 유발하지만, Ce는 입계 부식에 대해 더 나은 보호 기능을 제공한다.
5. Ce 첨가는 부식에 강한 재활용 Al 합금 설계를 위한 효과적인 합금화 전략이다.

8. References:

• [1] S. K. Das, J. A. S. Green, and J. G. Kaufman, “The development of recycle-friendly automotive aluminum alloys,” JOM, vol. 59, no. 11, pp. 47–51, Nov. 2007, doi: 10.1007/s11837-007-0140-2.
• [2] R. S. Long, E. Boettcher, and D. Crawford, “Current and Future Uses of Aluminum in the Automotive Industry,” JOM, vol. 69, no. 12, pp. 2635–2639, Dec. 2017, doi: 10.1007/s11837-017-2554-9.
• [3] D. Adamović, T. Vujinović, F. Živić, J. Živković, and M. Topalović, “Application of Aluminum and ITS Alloys in the Automotive Industry With Special Emphasis PN Wheel Rims,” JTTTP - J. TRAFFIC Transp. THEORY Pract., vol. 6, no. 2, Oct. 2020, doi: 10.7251/JTTTP2102087A.
• [4] S. Montijo, “What is Aluminum Used for: Automotive Edition,” Kloeckner Metals Corporation, Apr. 28, 2021. https://www.kloecknermetals.com/blog/what-is-aluminum-used-for-automotive-edition/ (accessed Feb. 27, 2023).
• [5] “Mineral commodity summaries 2022,” Reston, VA, Report 2022, 2022. doi: 10.3133/mcs2022.
• [6] “Energy and Exergy Analysis of the Primary Aluminum Production Processes: A Review on Current and Future Sustainability.” https://www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/08827508.2010.530721?needAccess=true&role=button (accessed Feb. 27, 2023).
• [7] “Secondary Production 101 | The Aluminum Association.” https://www.aluminum.org/secondary-production-101 (accessed Feb. 01, 2023).
• [8] J. Cui and H. J. Roven, “Recycling of automotive aluminum,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol. 20, no. 11, pp. 2057–2063, Nov. 2010, doi: 10.1016/S1003-6326(09)60417-9.
• [9] “Corrosion pathways in aluminium alloys | Elsevier Enhanced Reader.” https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S1003632617600062?token=4D0C329475B4787368ADF678F2BF36E51334239FBE6728318083162A7AFF2A33BA691C1127393038CD8FCDAAA45E0C46&originRegion=us-east-1&originCreation=20230228012014 (accessed Feb. 27, 2023).
• [10] R. Zhang, N. Birbilis, S. Knight, R. Holtz, R. Goswami, and C. Davies, “A Survey of Sensitization in 5xxx Series Aluminum Alloys,” Corrosion, vol. 72, p. 150903122215004, Sep. 2015, doi: 10.5006/1787.
• [11] L. Kuchariková, T. Liptáková, E. Tillová, D. Kajánek, and E. Schmidová, “Role of Chemical Composition in Corrosion of Aluminum Alloys,” Metals, vol. 8, no. 8, p. 581, Jul. 2018, doi: 10.3390/met8080581.
• [12] J. T. Staley, “Corrosion of Aluminium Aerospace Alloys,” Mater. Sci. Forum, vol. 877, pp. 485–491, Nov. 2016, doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.877.485.
• [13] E. T. Stromme et al., “Ageless Aluminum-Cerium-Based Alloys in High-Volume Die Casting for Improved Energy Efficiency,” JOM, vol. 70, no. 6, pp. 866–871, Jun. 2018, doi: 10.1007/s11837-018-2861-9.
• [14] Z. C. Sims et al., “High performance aluminum–cerium alloys for high-temperature applications,” Mater Horiz, vol. 4, no. 6, pp. 1070–1078, 2017, doi: 10.1039/C7MH00391A.
• [15] D. Weiss, “Composites and Alloys Based on the Al-Ce System,” in Aluminium Alloys and Composites, K. O. Cooke, Ed. Rijeka: IntechOpen, 2019. doi: 10.5772/intechopen.89994.
• [16] F. Czerwinski, “Cerium in aluminum alloys,” J. Mater. Sci., vol. 55, no. 1, pp. 24–72, Jan. 2020, doi: 10.1007/s10853-019-03892-z.
• [17] E. E. Moore et al., “Thermodynamic Modeling of the Al-Ce-Cu-Mg-Si System and Its Application to Aluminum-Cerium Alloy Design,” J. Phase Equilibria Diffus., vol. 41, no. 6, pp. 764–783, Dec. 2020, doi: 10.1007/s11669-020-00852-y.
• [18] W. E. Mercer and J. E. Hillis, “The Critical Contaminant Limits and Salt Water Corrosion Performance of Magnesium AE42 Alloy,” in International Congress & Exposition, Feb. 1992. doi: https://doi.org/10.4271/920073.
• [19] N. E. Ryan, “An appraisal of possible scavenger elements for chromium and chromium alloys,” J. Common Met., vol. 6, no. 1, pp. 21–35, Jan. 1964, doi: 10.1016/0022-5088(64)90005-0.
• [20] Y. F. Yang, S. D. Luo, G. B. Schaffer, and M. Qian, “Impurity scavenging, microstructural refinement and mechanical properties of powder metallurgy titanium and titanium alloys by a small addition of cerium silicide,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 573, pp. 166–174, Jun. 2013, doi: 10.1016/j.msea.2013.02.042.
• [21] Z. C. Sims et al., “Cerium-Based, Intermetallic-Strengthened Aluminum Casting Alloy: High-Volume Co-product Development,” JOM, vol. 68, no. 7, pp. 1940–1947, Jul. 2016, doi: 10.1007/s11837-016-1943-9.
• [22] Z. C. Sims et al., “How Cerium and Lanthanum as Coproducts Promote Stable Rare Earth Production and New Alloys,” J. Sustain. Metall., vol. 8, no. 3, pp. 1225–1234, Sep. 2022, doi: 10.1007/s40831-022-00562-4.
• [23] H. B. Henderson et al., “Ternary Interactions and Implications for Third Element Alloying Potency in Al-Ce-Based Alloys,” in Light Metals 2020, A. Tomsett, Ed. Cham: Springer International Publishing, 2020, pp. 227–232. doi: 10.1007/978-3-030-36408-3_32.
• [24] Z. C. Sims et al., “Application of Ce for scavenging Cu impurities in A356 Al alloys,” Eur. J. Mater., vol. 1, no. 1, pp. 3–18, Jan. 2021, doi: 10.1080/26889277.2021.1974801.
• [25] A. V. Iyer, H. Lim, O. Rios, Z. Sims, and D. Weiss, “An Economic Model and Experiments to Understand Aluminum-Cerium Alloy Recycling,” JOM, vol. 70, no. 4, pp. 547–552, Apr. 2018, doi: 10.1007/s11837-018-2764-9.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 연구에서 A383과 Aural 2라는 특정 합금을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 이 두 합금은 널리 사용되는 상용 Al-Si 다이캐스팅 합금이면서 불순물 허용치에 차이가 있기 때문에 선택되었습니다. A383은 상대적으로 구리(Cu) 함량이 높아 재활용 소재의 특성을 잘 반영하며, Aural 2는 구리 함량이 낮아 불순물에 더 민감합니다. 이 두 합금을 비교함으로써, Ce 첨가가 서로 다른 기본 조성의 합금에서 어떻게 작용하는지 폭넓게 평가할 수 있었습니다.

Q2: 1.5 wt.% 이상의 세륨(Ce)을 첨가했을 때 내식성이 오히려 감소한 이유는 무엇입니까?

A2: 논문에서는 1.5 wt.%를 초과하는 Ce가 첨가될 경우, 침상(needle-shaped) 형태의 Ce 함유 상의 분율이 높아지기 때문일 수 있다고 설명합니다. 이러한 침상 조직은 합금 내 계면(interface) 면적을 증가시켜 부식이 시작될 수 있는 잠재적인 지점을 더 많이 만들게 됩니다. 따라서 최적의 내식성을 위해서는 Ce 첨가량을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.

Q3: 관찰된 주된 부식 메커니즘은 무엇이었습니까?

A3: 연구 결과, 대부분의 부식 손상은 Al(FeMn)Si 기반 금속간 화합물과 알루미늄 기지(Al-matrix) 사이의 계면에서 관찰되었습니다. 이는 두 상 사이의 전위차로 인해 발생하는 국부적인 갈바닉 셀(galvanic cell) 형성이 주된 부식 메커니즘임을 시사합니다. Ce는 이러한 유해한 금속간 화합물의 영향을 완화하는 역할을 합니다.

Q4: 세륨(Ce)은 구체적으로 구리(Cu)의 부정적인 영향을 어떻게 완화합니까?

A4: 세륨은 구리보다 반응성이 높아, 구리가 부식을 유발하는 Al2Cu와 같은 상을 형성하기 전에 먼저 구리와 결합하여 더 안정적이고 내식성이 강한 금속간 화합물(예: AlCeCu)을 형성합니다. 이 과정을 통해 유해한 구리가 미세구조 내에 고착(trapping)되어, 부식의 주된 경로가 되는 입계에서의 구리 고갈 영역(copper denuded zones) 형성을 억제하고 전반적인 내식성을 향상시킵니다.

Q5: 세륨(Ce) 첨가에 따른 잠재적인 단점이나 추가 연구가 필요한 부분은 무엇입니까?

A5: 본 연구는 내식성에 초점을 맞췄기 때문에, Ce 첨가가 인장 강도, 연신율, 피로 수명과 같은 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요합니다. 특히, 과도한 Ce 첨가로 형성되는 침상 조직은 기계적 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 따라서, 내식성과 기계적 특성을 모두 만족시키는 최적의 Ce 첨가량을 결정하기 위한 후속 연구가 중요합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

재활용 알루미늄의 구리 불순물 문제는 고품질 다이캐스팅 부품 생산의 오랜 과제였습니다. 본 연구는 세륨 첨가 알루미늄 합금이 이 문제에 대한 혁신적인 해결책이 될 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 1.5 wt.%의 세륨을 첨가함으로써 유해한 불순물을 안정적인 금속간 화합물로 고착시켜, 재활용 소재의 내식성을 획기적으로 향상시킬 수 있었습니다. 이는 원가 절감과 환경 보호라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 강력한 기술적 토대를 마련한 것입니다.

CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

저작권 정보

이 콘텐츠는 "Michael James Thompson"의 논문 "Surface Corrosion Response of Al Alloys A383 and Aural 2 with Ce Additions in Aqueous NaCl and Salt-fog Environments"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://trace.tennessee.edu/utk_gradthes/9239

이 자료는 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용을 금지합니다. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.