In this study, to investigate the effect of Mg on the growth of $Al_2O_3/Al$ composite by the directed metal oxidation (DIMOX) process, the Al-Mg alloys containing only Mg as an alloying element were prepared. The weight variations of the Al-Mg alloys with process time were measured by TGA-DTA to examine the growth behavior of the $Al_2O_3/Al$ composites at various soaking temperatures. Scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy were used for observing the micro- and macro-structure of the composites. Phase analysis and qualitative elemental analysis were conducted by XRD and EDS, respectively.
The weight variations with oxidation process time were evaluated with the three different Al-Mg alloys containing 1, 3, and 6 wt% Mg. Heating schedule did not affect the growth behavior of the composites. In the case of Al-1 wt% Mg alloy, the appreciable incubation period was not present, while the other two alloys showed a long incubation period. The intermediate layer between $Al_2O_3/Al$ composite and metal resovior could be observed by leaching out the residual metal after oxidation. This layer in the Al-l wt% Mg alloy had relatively porous structure and consisted of discrete spinel particles and $Al_2O_3$ grains directly contacting with molten alloy during the oxidation process. This $Al_2O_3$ grains included microchannels through which molten alloy could be supplied to the reaction front. Incubation period in the Al-3 wt% Mg and Al-6 wt% Mg alloys was attributed to thick and dense spinel layer formed on molten alloy in early stage of oxidation. Dense spinel layer should retard the onset of bulk growth of the composites because the diffusion of molten alloy through this layer might be difficult.
To investigate the growth behavior of the Al-Mg alloy with Mg contents less than 1 wt%, another two alloys, Al-0.1 wt% Mg and Al-0.5 wt% Mg, were prepared. Similar to that of the Al-1 wt% Mg alloy, incubation period was not detected. The fraction of $Al_2O_3$ grains directly contacting with alloy was higher than that of the Al-1 wt% Mg alloy. Growth rate of the bulk composite, however, decreased with the decrease of Mg contents in alloy.
The Al-1 wt% Mg alloy was optimum alloy composition for the preparation of $Al_2O_3/Al$ composites by DIMOX process. Alloys containing Mg less than 1 wt% showed the slower growth rate of bulk composite but alloys higher than 1 wt% showed a long incubation period. Therefore, in order to achieve the sort incubation time and the higher growth rate of DIMOX composites, the adequate amount of Mg is required for removing the protective $Al_2O_3$ layer on the surface of alloy and producing the nonprotecive layer on the top surface of the bulk composite.
3-4
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.
4-4
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 wt% 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/㎟ 으로 방향성 금속 산화법에 의한 $Al_2O_3/Al$ 복합체만의 물성은 크게 우수하지 않은 것으로 나타났다.
