알루미늄‑희토류 합금에서 미시금속 조성 및 냉각 속도가 미세구조·기계적 특성에 미치는 영향

초록

본 연구는 알루미늄‑미시금속(Al‑MM) 합금에서 Ce를 La·Nd가 포함된 미시금속으로 대체했을 때의 미세구조, 경도, 인장·압축 특성, 고온 크리프·코아싱 저항을 조사하였다. Al‑9MM 합금은 약 525 MPa의 초기 경도와 55 MPa(항복), 130 MPa(최대인장) 및 8 % 연신율을 보이며, 300–350 °C에서 11주간 열노출 시 경도 저하가 거의 없고 400 °C에서도 15 % 정도만 감소한다. 냉각 속도에 따라 Al‑9Ce는 저냉각에서 초과공정(eutectic) 구조로 변하지만 Al‑12Ce는 항상 초과공정 구조를 유지한다. Ce를 미시금속으로 교체함으로써 에너지 소비와 CO₂ 배출을 15 % 절감하면서도 기계적 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 알루미늄‑희토류(Al‑RE) 합금에서 전통적으로 사용되는 순수 세륨(Ce) 대신, 상업적으로 생산되는 미시금속(MM, 주성분 Ce·La·Nd)으로 대체했을 때의 구조·성능 변화를 체계적으로 규명한다. 먼저, Al‑9RE(≈9 wt% RE)와 Al‑12RE(≈12 wt% RE) 구성을 각각 저공정(hypoeutectic)과 초과공정(hyper‑eutectic)으로 설계하고, Ce/La 비율을 1:0, 1:1, 1:2 등 세 가지 조합( Ce‑50La, Ce‑33La, Ce‑27La‑19Nd)으로 변형하였다. SEM/EDS와 EBSD 분석 결과, RE 원소들은 Al₁₁RE₃(또는 Al₁₁MM₃) 상에 상호 용해성을 보이며, Ce와 La가 별개의 상으로 분리되지 않는다는 기존 열역학 계산과는 달리 실제 합금에서는 단일 라미나 구조가 형성된다.

미세구조 측면에서 Al‑9MM은 약 8 %의 초소량 1차 알루미늄(α‑Al) 영역을 포함한 약간 저공정 구조를 보이며, Al‑12MM은 1차 Al₁₁RE₃ 입자가 분포된 초과공정 구조를 나타낸다. 그러나 두 조성 모두 라미나형 Al₁₁RE₃ 상의 부피 비율은 거의 동일하고, 이는 경도와 인장 강도가 비슷하게 유지되는 원인으로 작용한다. 특히 Al‑9MM의 경우, 라미나 간격이 0.5–1 µm 수준으로 미세하고 균일해 Orowan 강화가 효율적으로 작동한다.

기계적 시험에서는 Al‑9MM 계열이 항복강도 55 MPa, 최대인장강도 130 MPa, 연신율 8 %를 기록했으며, 이는 Ce 비율에 관계없이 일관된 값이다. 경도(Vickers)도 모든 Al‑9RE 합금에서 약 525 MPa로 동일하였다. 고온 열노출(300, 350, 400 °C, 최대 11주) 실험에서는 Al‑9MM이 300–350 °C에서는 경도 감소가 5 % 이하에 그쳤고, 400 °C에서도 15 % 미만으로 감소했다. 이는 Al‑6.4Ni와 Al‑12.6Si와 같은 기존 eutectic 합금보다 현저히 우수한 코아싱 저항을 의미한다. 고온(300 °C) 크리프 시험에서도 Al‑9MM은 전형적인 Al‑Sc‑Zr 또는 Al‑Mg/Mn 합금보다 높은 크리프 강도를 보였으나, Al‑6.4Ni 및 Al‑10Ce‑5Ni와 같은 eutectic‑강화 합금보다는 다소 뒤처진다.

냉각 속도 효과를 조사하기 위해 wedge‑casting을 이용해 Al‑9Ce와 Al‑12Ce를 다양한 냉각 속도(≈10⁴–10⁶ K/s)로 고체화하였다. Al‑9Ce는 냉각 속도가 감소함에 따라 저공정에서 초과공정으로 전이했으며, 라미나 두께와 간격이 크게 증가해 경도가 저하되었다. 반면 Al‑12Ce는 처음부터 초과공정 구조를 유지해 냉각 속도 변화에 무관하게 경도가 일정하였다. 이는 Al‑9RE 계열이 냉각 조건에 민감함을 보여주며, 실제 주조 공정에서 적절한 냉각 설계가 필요함을 시사한다.

환경적 측면에서는 미시금속 사용이 Ce 정제 단계에서의 에너지와 CO₂ 배출을 약 15 % 절감한다는 계산이 제시되었다. 비용 측면에서도 미시금속은 원료 비용이 낮고, 재활용 가능성이 높아 산업적 채택에 유리하다. 따라서 미시금속을 활용한 Al‑RE 합금은 성능·경제·환경 3박자를 모두 만족하는 지속 가능한 고온 구조재료로서 큰 잠재력을 가진다.