수치 시뮬레이션을 통한 Al-Mn 합금의 미소 갈바닉 부식 특성

국문 초록 (Abstract)

최근 탄소 중립으로의 전환이 가속화됨에 따라 경량화에 유리하고 재활용성이 우수한 알루미늄은 유력한 대안 소재로 주목받고 있다. 그중 Al-Mn 합금은 우수한 성형성, 낮은 밀도 및 높은 열전도도를 가지며, 부식 저항성이 뛰어나 에어컨 열교환기 및 차체 패널 등 다양한 산업 분야에서 적용되고 있다. 이러한 Al-Mn 합금의 높은 기계적 특성과 우수한 내식 특성은 망간(Mn) 첨가에 기인한다. 특히, Al-Mn 합금에서 형성될 수 있는 금속간화합물(intermetallic compound, IMC)인 Al6Mn의 형성은 내식성 측면에서 Al 모재와 유사한 전위를 가져 전위차 기반의 미소 갈바닉 부식을 억제할 수 있다.
그러나, Al-Mn 합금 내 불순물로 존재하는 철(Fe)은 음극성 IMC의 형성을 촉진할 수 있다. 이러한 IMC는 Al 모재 대비 귀전위(noble potential)를 가지며, Al 모재와 IMC 사이에 전위차가 발생하고 갈바닉 쌍이 형성됨에 따라 미소 갈바닉 부식을 촉진할 수 있다. 따라서, Al 합금의 미소 갈바닉 부식 저항성을 향상시키기 위해 IMC의 크기, 개수 및 분포를 제어하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 Mn 함량에 따른 Al-Mn 합금 내 IMC의 크기 및 분포가 부식 거동에 미치는 영향을 검증하기 위해 SEM/EDS, EPMA 및 ImageJ® software 분석을 통해 Mn 함량에 따른 IMC의 크기, 형상, 원소 조성 및 분포를 비교-분석하였다. 또한, 3.5 wt.% NaCl 환경에서 동전위분극과 임피던스 분광법을 측정하여 내식 특성을 평가하였다. 부식 가속 시험과 3.5 wt.% NaCl 환경에서의 침지시험을 통해 부식 거동을 분석하였다. 더불어, COMSOL Multiphysics software를 이용한 수치 시뮬레이션을 수행하여 IMC의 크기와 분포가 전위 및 전류밀도 분포에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 연구를 통해 Mn 함량 증가에 따라 Al-Mn 합금 내 IMC가 조대화되고 개수 밀도가 감소하여 IMC의 분포가 집중되는 경향이 나타났으며, 이에 따라 미소 갈바닉 부식에 대한 내식성이 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 수치 시뮬레이션 결과, Al 모재에서 국부적인 전류 집중 현상이 관찰되었다. 이러한 결과는 실험과 수치 시뮬레이션 간의 상관관계를 규명하였으며, Mn 함량 변화에 따른 IMC의 크기, 분포, 면적분율 및 개수의 변화가 미소 갈바닉 부식 저항성에 영향을 미침을 확인하였다. 따라서, Mn 함량을 적절한 제어를 통해 IMC의 미세화와 균일한 분산 분포를 유도함으로써 내식성 향상을 위한 기초 근거를 제시하였다.

Keywords: Al-Mn 합금; 미소 갈바닉 부식; 금속간화합물; 수치 시뮬레이션

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The global transition toward carbon neutrality has increased the demand for lightweight structural materials. Al-Mn alloys are widely used for heat exchangers and automotive body panels due to their good formability, low density, high thermal conductivity, and corrosion resistance. The mechanical and corrosion resistance of Al-Mn alloys is strongly influenced by the addition of Mn. In particular, the intermetallic compound (IMC) Al6Mn exhibits an electrochemical potential similar to that of the Al matrix, thereby suppressing micro-galvanic corrosion driven by potential differences. However, Fe impurities in Al-Mn alloys promote the formation of cathodic IMCs. These IMCs possess a more noble potential than the Al matrix. Consequently, a potential difference is generated between the Al matrix and IMCs, forming galvanic couples that can accelerate micro-galvanic corrosion. Therefore, controlling the size, number, and distribution of IMCs is essential for improving micro-galvanic corrosion resistance in Al alloys. In this study, the effect of Mn content on corrosion behavior was investigated by analyzing changes in IMC characteristics in Al-Mn alloys. SEM/EDS, EPMA, and ImageJ® software analyses were conducted to quantify the size, morphology, elemental composition, and distribution of IMCs. Corrosion resistance was evaluated by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in a 3.5 wt.% NaCl solution, and corrosion behavior was further investigated using accelerated corrosion tests and immersion tests in a 3.5 wt.% NaCl environment. Furthermore, FEM-based numerical simulations were performed in COMSOL Multiphysics by incorporating experimentally characterized IMC features, to quantitatively analyze the effect of IMC size and distribution on micro-galvanic corrosion behavior. This study showed that increasing the Mn content led to IMC coarsening and a reduced number density, which corresponded to reduced micro-galvanic corrosion resistance. Correlation between experimental results and numerical simulations was then established, confirming that changes in the size, distribution, area fraction, and number of IMCs due to Mn content in Al-Mn alloys affect micro-galvanic corrosion resistance. Therefore, optimizing Mn content to achieve refined and uniformly distributed IMCs is critical for improving corrosion resistance in Al-Mn alloys.
Keywords: Al-Mn alloy; Micro-galvanic corrosion; Intermetallic compound; Numerical simulation

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract ⅵ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 저탄소 경량 소재로서 Al-Mn 합금 1
• 1.1.2 Al-Mn 합금에서 금속간화합물의 영향 4
• 1.1.3 Mn 함량 제어에 따른 내식 특성 변화 6
• 1.1.4 내식성 개선을 위한 금속간화합물의 제어 필요성 7
• 1.1.5 수치 시뮬레이션 기반 내식 설계 필요성 8
• 1.2 연구 추진도 9
• 2. 이론적 배경· 10
• 2.1 알루미늄의 부식· 10
• 2.1.1 부식의 정의· 10
• 2.1.2 공식 12
• 2.1.3 미소 갈바닉 부식 13
• 2.2 알루미늄 합금과 금속간화합물 15
• 2.2.1 금속간화합물의 형성 메커니즘 15
• 2.2.2 금속간화합물의 전기화학적 특성 18
• 2.3 수치 시뮬레이션· 19
• 2.3.1 유한 요소법· 19
• 2.3.2 지배방정식 20
• 2.3.3 경계조건 21
• 3. 실험 방법 23
• 3.1 재료 및 용액 23
• 3.2 미세구조 특성 분석 24
• 3.2.1 금속간화합물 특성 분석 24
• 3.2.2 금속간화합물 통계 분석 25
• 3.3 금속간화합물 분포에 따른 내식 특성 변화· 26
• 3.3.1 전기화학적 평가 26
• 3.3.2 부식 거동 규명· 28
• 3.4 수치 시뮬레이션 기반 부식 모사 29
• 3.4.1 합금 미세조직 기반 모델 설계 29
• 3.4.2 수치 해석 설정 및 계산 조건 34
• 4. 연구결과 및 고찰 38
• 4.1 금속간화합물 분포 특성 분석· 38
• 4.2 전기화학적 평가 결과 43
• 4.3 침지시험 결과 47
• 4.4 수치 시뮬레이션 결과 50
• 4.5 실험-시뮬레이션 상관 관계 분석· 55
• 5. 결론 57
• 참고문헌· 59
• 국문초록· 62