주조 중 아연 합금의 전기화학적 특성 개선 및 안정화

본 소개 자료는 Int. J. Corros. Scale Inhib.에서 발행한 논문 "Improvement and stabilization of the electrochemical properties of zinc alloys during casting"의 연구 내용입니다.

Figure 1. Change in mould temperature during the cast of ZSA.
Figure 1. Change in mould temperature during the cast of ZSA.

1. 개요:

  • 제목: Improvement and stabilization of the electrochemical properties of zinc alloys during casting (주조 중 아연 합금의 전기화학적 특성 개선 및 안정화)
  • 저자: V.A. Kechin, E.Y. Lyublinski, A.V.Kireev and E.S. Prusov
  • 출판 연도: 2019
  • 게재 저널/학회: Int. J. Corros. Scale Inhib.
  • 키워드: 희생 양극(sacrificial anodes), 구조(structure), 주조(foundry), 전기화학(electrochemistry)

2. 초록 (Abstract)

주조 희생 갈바닉 양극 합금의 "금속-전해질" 시스템에서 전기화학적 불균일성이 나타나는 주된 이유는 금속의 특성, 조성, 구조 등과 관련된 내부 요인입니다. 주조 양극 제조 기술을 개발할 때 합금의 구조적 균질성을 확보하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다. 주조 양극의 구조와 기본 특성 형성에 주된 역할을 하는 것은 주형 내 용융물의 응고 조건에 영향을 미치는 열적 과정입니다.

이 논문에서는 냉각 조건에 따른 주조 아연 희생 합금(ZSA)의 구조 및 기본 전기화학적 특성에 대한 연구 결과를 제시합니다. 다양한 냉각 강도에서 응고되는 금속(금속이 냉각될 때)과 형상(주형이 가열될 때)의 온도장 분석을 통해 주조 사이클 시간을 최적화할 수 있었습니다.

이는 주형의 초기 온도에 의해 결정되는 냉각 조건을 고려하여 트레드 전체 두께에 걸쳐 재료의 균일한 구조와 안정적인 전기화학적 특성을 보장합니다. 예를 들어, 18kg 무게의 아연 합금 트레드를 주조하는 경우 주조 전 주형 온도는 120–160°C여야 합니다. 이러한 조건에서 주조 희생 양극 합금의 필요한 품질이 달성됩니다. 전류 용량-효율 93–96%; 부식 전위 –Ec = 815–820 mV vs. SHE. 필요한 주조 사이클 시간은 10–14분입니다. 다양한 모양과 크기의 희생 양극에 대해서도 유사한 데이터가 얻어졌습니다.

수치 시뮬레이션 방법을 사용하여 아연 양극과 주조 주형(모래-점토, 주철 및 강철 수냉식)의 열적 상호 작용에 대한 연구 결과를 바탕으로 수냉식 주형에 양극을 주조하는 것이 타당하며, 이는 열 제거 및 주조 트레드의 균일한 구조를 얻는 데 가장 유리한 조건을 제공합니다. 얻어진 결과를 바탕으로 다양한 크기의 아연 양극 주조 기술이 개발되어 높고 안정적인 전기화학적 특성을 제공합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

  • 열적 과정은 용융물의 응고 동안 주물의 대부분의 특성 형성에 주도적인 역할을 합니다[1-11].
  • 주형 내 용융물의 응고 조건을 연구하는 것은 주조 열 이론의 가장 중요한 과제입니다.

선행 연구 현황:

  • 희생 양극(SA) 주조 시 금속 주형의 온도 변동이 심합니다[12].
  • 아연 SA 주조 중 일련의 주철 주형 중 하나의 온도에 대한 지속적인 모니터링 결과, 교대 근무 동안 초기 주형 온도가 80°C에서 260°C로 변하는 것으로 나타났습니다(그림 1).
  • 주형 온도가 20°C에서 300°C로 변하면 아연-알루미늄 합금의 전류 용량(CC)이 96%에서 80%로 떨어집니다.
  • 금속 주형에 채워진 ZSA의 거시 구조를 고려할 때, 피질, 주상 및 비정향 결정의 세 가지 특징적인 영역이 구별됩니다(그림 2).

연구 필요성:

  • 온도 변동은 ZSA 전기화학적 특성의 불안정화 및 감소를 설명할 수 있습니다.
  • 특히 CC와 같은 보호 특성의 분산을 피하기 위해 주조 전에 주형의 온도를 제어해야 할 필요가 있습니다.
  • 다양한 냉각 조건은 주조 희생 양극 단면의 온도 강하 변화를 일으켜 결정 구조와 특성을 변화시킵니다.

4. 연구 목적 및 연구 문제:

연구 목적:

  • 냉각 열 조건에 따른 Zn-Al 합금으로 만든 주조 희생 양극의 구조 및 기본 전기화학적 특성을 연구합니다.

핵심 연구:

  • 냉각 조건이 주조 아연 희생 합금의 구조 및 전기화학적 특성에 미치는 영향 조사.
  • 주형의 초기 온도를 기준으로 주조 사이클 시간 최적화.
  • 높고 안정적인 전기화학적 특성을 가진 아연 양극 주조 기술 개발.

5. 연구 방법

  • 연구 설계: 실험 연구, 온도 측정 및 쏟아내기(pouring out) 방법 사용. 수치 시뮬레이션 방법도 사용되었습니다.
  • 데이터 수집:
    • 온도 측정: 용융 응고의 냉각 곡선에서 트레드 및 형상의 온도장을 구성했습니다. 12점 전위차계를 사용한 열전대 배열(그림 3)이 사용되었습니다.
    • 쏟아내기: 응고 특성을 확인하기 위해 합금을 일정한 간격으로 쏟아냈습니다.
    • 전기화학적 시험: 샘플은 양극 분극을 가한 3% NaCl 수용액에서 시험했습니다(그림 4). 전위는 전위차계 모델 IPC와 염화은 기준 전극을 사용하여 측정했습니다.
  • 분석 방법: 온도장 분석, 거시 구조 검사(그림 2) 및 전기화학적 시험. CC와 주조 온도/응고 속도 간의 관계를 설명하기 위해 회귀 방정식을 개발했습니다.
  • 연구 범위: Zn-Al 시스템의 트레드 합금(표 1). 주조 온도는 480°C로 일정하게 유지했습니다. 주철 주형의 초기 온도는 20, 160, 310°C였습니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  • 다양한 냉각 조건은 주조 희생 양극의 결정 구조와 특성에 변화를 일으킵니다.
  • 방향성 응고를 위한 최상의 조건은 더 높은 온도 강하(160°C 이하의 주형에서 응고)에서 제공됩니다.
  • 금속 주형에서 ZSA 트레드의 완전 응고 시간은 초기 온도에 따라 달라집니다(표 2).
  • 18kg 무게의 아연 합금 트레드를 주조하기 전 주형 온도는 필요한 품질(전류 용량-효율 93–96%; 부식 전위 –Ec = 815–820 mV vs. SHE)을 얻기 위해 120–160°C여야 합니다.
  • 필요한 주조 사이클 시간은 10–14분입니다(그림 7).
  • 합금의 CC는 응고 속도에 따라 증가합니다(그림 10).
  • 회귀 방정식:
    • CC = 127 – 0.072tc (식 1)
    • CC = 84.21 + 0.035 Vs (식 2)
  • 수냉식 주형은 열 제거 및 균일한 구조를 얻는 데 가장 유리한 조건을 제공합니다.
Figure 2. Macrostructure of zinc sacrificial anodes under various conditions of solidification and cooling in the mould at initial temperature of the mould 20°C (a), 160°C (b) and 310°C (c).
Figure 2. Macrostructure of zinc sacrificial anodes under various conditions of solidification and cooling in the mould at initial temperature of the mould 20°C (a), 160°C (b) and 310°C (c).
Table 1. Chemical composition of the ZSA alloy, mass%
Table 1. Chemical composition of the ZSA alloy, mass%
Figure 3. The scheme of installation of thermocouples for measuring the temperature fields of a hardening alloy (1–5) and cast-iron moulds (6–8).
Figure 3. The scheme of installation of thermocouples for measuring the temperature fields of a hardening alloy (1–5) and cast-iron moulds (6–8).
Figure 5. Temperature variation in the solidifying alloys and cast-iron mould at their height at a mould temperature of 20°C (I), 160° C(II), 310°C (III): a, b – cooling and heating curves, respectively; с, d – the temperature fields in the solidifying alloy and the shape, respectively.
Figure 5. Temperature variation in the solidifying alloys and cast-iron mould at their height at a mould temperature of 20°C (I), 160° C(II), 310°C (III): a, b – cooling and heating curves, respectively; с, d – the temperature fields in the solidifying alloy and the shape, respectively.
Table 2. Data on solidification of cast treads made of ZSA under various conditions and duration of cooling.
Table 2. Data on solidification of cast treads made of ZSA under various conditions and duration of cooling.
Figure 6. Change in thickness (a) and mass (b) of metal under different cooling conditions. 1, 2, 3 – initial temperature of the mould, equal to 20, 160 and 310°C, respectively.
Figure 6. Change in thickness (a) and mass (b) of metal under different cooling conditions. 1, 2, 3 – initial temperature of the mould, equal to 20, 160 and 310°C, respectively.
Figure 12. Changing the temperature of the cast tread when casting into a water-cooled mould.
Figure 12. Changing the temperature of the cast tread when casting into a water-cooled mould.

그림 이름 목록:

  • 그림 1. ZSA 주조 중 주형 온도 변화.
  • 그림 2. 주형 초기 온도 20°C(a), 160°C(b), 310°C(c)에서 다양한 응고 및 냉각 조건 하에서의 아연 희생 양극의 거시 구조.
  • 그림 3. 경화 합금(1-5) 및 주철 주형(6-8)의 온도장 측정을 위한 열전대 설치 구성.
  • 그림 4. 홀더에 고정되고 역청과 파라핀 혼합물로 코팅된 전기화학적 시험용 샘플: 1 구리 홀더, 2 – PVC 파이프, 3 – 코팅, 4 – 시험 샘플.
  • 그림 5. 20°C(I), 160°C(II), 310°C(III) 주형 온도에서 응고 합금 및 주철 주형의 높이에 따른 온도 변화: a, b – 각각 냉각 및 가열 곡선; c, d – 응고 합금 및 형상의 온도장.
  • 그림 6. 다양한 냉각 조건에서 금속의 두께(a) 및 질량(b) 변화. 1, 2, 3 – 각각 20, 160, 310°C의 주형 초기 온도.
  • 그림 7. 주형 내 주물의 냉각 시간 t1, 설정 온도 t2까지 주형 냉각 및 주형 초기 온도에 따른 총 주조 사이클 tc의 의존성.
  • 그림 8. 비금속(a) 및 금속 주형(b)에 주조하여 아연 합금 CC 변화에 대한 주조 온도의 영향.
  • 그림 9. 비금속 및 금속(VII, VIII, IX) 주형에 다음 주조 온도로 주조했을 때 CP1(I, II, III), CP2(IV, V, VI) 합금의 미세 구조: I, IV, VII – 450°C; II, V, VII – 500°C; III, VI, IX – 550°C (×100).
  • 그림 10. 응고 속도에 따른 ZSA1(a) 및 ZSA2(b) 합금의 CC 및 미세 구조 변화.
  • 그림 11. 아연 트레드(희생 양극) 생산을 위한 주형 구조.
  • 그림 12. 수냉식 주형에 주조할 때 주조 트레드의 온도 변화.

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 다양한 냉각 조건은 주조 아연 희생 양극의 전기화학적 특성에 큰 영향을 미칩니다.
  • 방향성 응고는 160°C를 초과하지 않는 주형 온도로 가장 잘 달성됩니다.
  • 주입 전 일정한 주형 온도를 유지하는 것은 일관된 주조 품질에 매우 중요합니다.
  • 방향성 열 싱크가 있는 수냉식 주형은 응고 및 제품 품질에 대한 향상된 제어를 제공합니다.
  • 진동 개방형 주철 주형을 사용하여 주조 공정의 복잡성이 감소했습니다.

향후 확장 연구 가능 분야:

  • 본 논문에서는 향후 연구를 명시적으로 제안하지 않지만, 다양한 합금 조성과 다양한 냉각 조건에 대한 반응을 추가로 조사하는 것이 유익할 수 있습니다.

8. 참고 문헌:

  • [1] D.M. Stefanescu, Science and Engineering of Casting Solidification, 3rd ed., 2015, Springer International Publishing AG, Switzerland, p. 559.
  • [2] J. Dantzig and M. Rappaz, Solidification, 2009, Taylor & Francis Group, CRS Press, p. 621.
  • [3] J. Campbell, Casting, 2nd ed., 2003, Butterworth-Heinemann, Elsevier, p. 335.
  • [4] F.S. Yang and F. Ni, Effect of Cooling Rate on the Solidification of Zn-5wt%Al Alloy, Adv. Mater. Res., 2012, 366, 502-505.
  • [5] M. Krupiński, B. Krupińska, K. Labisz, Z. Rdzawski and W. Borek, Influence of cooling rate on crystallization kinetics on microstructure of cast zinc alloys, J. Therm. Anal. Calorim., 2014, 118, no. 2, 1361–1367.
  • [6] R.-N. Ma, Y.-Z. Fan, A. Du and P.-P. Zhang, Effect of cooling rate on morphology and corrosion resistance of Zn-Al-Mg alloy, Cailiao Rechuli Xuebao/Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36, no. 4, 49–55.
  • [7] V.A. Kechin and E.Y. Lyublinski, New Sacrificial Anodic Alloys, NACE International, 2018, Phoenix, USA, Paper C2018–11388.
  • [8] C. Jennings, A comparison of the structure and Consumption Rate for Centrifugally Cast Anodes Compared with Die-Cast Anodes, NACE International, 2018, Phoenix, USA, Paper C2018–10954.
  • [9] E. Lyublinski and V. Kechin, Formation of basic properties of galvanic anodes during the industrial production, EUROCORR 2017, Prague, Czhech Republic, Paper 72701.
  • [10] A. Aghajani, M. Atapour and R. Alibek, Passivation of Zinc Anodes in Marine Conditions, Mater. Perform., 2016, 55, no. 9, 34.
  • [11] V.A. Kechin and E. Lyublinski, New Sacrificial Anodic Alloys, EUROCORR 2016, Montpellier, France, Paper 0-6242.
  • [12] V.A. Kechin, Theory and Technology of Cast Sacrificial Materials, Vladimir State University, 2004, p. 181 (in Russian).
  • [13] V.A. Kechin and E.Y. Lyublinski, Zinc Alloys, Moscow, Metallurgiya, 1986, p. 247 (in Russian).
  • [14] V.A. Kechin and A.B.Kireev, Riser for the production of cast treads sacrificial anodes, RF Patent No. 2492020, 2013 (in Russian).

9. 저작권:

  • 본 자료는 "V.A. Kechin, E.Y. Lyublinski, A.V.Kireev and E.S. Prusov"의 논문 "Improvement and stabilization of the electrochemical properties of zinc alloys during casting"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: doi: 10.17675/2305-6894-2019-8-1-7

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Tags: aluminum alloy; ,Efficiency; ,Heat Sink; ,Microstructure; ,temperature field; ,주조 기술