마그네슘이 뭔가요?

마그네슘이란?

1808년 영국의 화학자 H.데이비가 발견하였다.

마그네시아알바를 금속칼륨으로 환원시켜 소량의 금속을 얻은 데서 마그네시아의 이름을 따서 명명되었다.

마그네시아라는 이름은 고대 소아시아의 왕국인 리디아의 도읍 마그네시아에서 유래되었다.

자연계에 유리(遊離)상태로는 산출되지 않지만, 탄산염·황산염·규산염 등으로 지구상에 널리 그리고 다량으로 존재하며, 지각(地殼) 내의 존재량은 나트륨·칼륨에 이어 제8위다. 클라크수 1.93이다. 주요 광석은 마그네사이트·카널라이트·돌로마이트·활석·사문석·석면 등이며, 이 밖에 휘석·각섬석 등에도 함유되어 있다.

또 가용성 염류(可溶性鹽類)로서 바닷물·광천(鑛泉) 등에도 함유되어 있으며, 식물의 엽록소 속에는 클로로필(마그네슘의 킬레이트화합물)로서 함유되어 있다. 또한, 동물의 생리에서도 중요한 역할을 한다.

 

마그네슘 성질

금속재료 중 최경량소재 (밀도 약 1.73g/cm3)

지구상에서 8번째로 풍부한 원소

고온에서 자연발화

부식과 산화에 매우 취약

마그네슘은 은백색의 가벼운 금속으로 연성(延性)이 있어, 얇은 박(箔)이나 가는 철사로 만들 수 있다. 굳기 2.6이다. 가공 및 융해는 융제(融劑)로 표면을 덮어 산화를 방지한 다음 행한다. 실온의 건조한 공기 속에서는 변하지 않는데, 그것은 산화마그네슘의 얇은 막이 산화의 진행을 방지하기 때문이다. 습한 공기 중에서는 광택이 서서히 흐려진다.

적열(赤熱) 상태에서는 일산화탄소·이산화탄소·아황산가스·산화질소 등을 환원한다. 그리고 더 가열하면 빛을 내면서 연소하여 산화물이 된다. 염소와 격렬하게 화합하고, 또 그 밖의 할로겐·황·인·비소나 금속원소 등과도 화합한다. 가열하면 질소와 반응하여 질소화합물을 만든다.

분말을 물 속에서 끓이면 수산화마그네슘과 수소를 발생한다. Mg+2H2O →2Mg(OH)2+H2 산에는 쉽게 녹으며, 이 경우에도 수소를 발생하여 염이 되지만, 알칼리에는 녹지 않는다. 염화암모늄 수용액에는 녹는다.

 

마그네슘 제법

SF6 + CO2 + Air 분위기 하에서 작업가능
Flux 용해 : 기계적 특성 저하

공업적으로는 염화마그네슘무수물의 융해염전해법과, 탄소에 의한 고온환원 또는 탄화칼슘·페로실리콘 등에 의한 환원법이 있다.

염화마그네슘무수물은 카널라이트·간수 또는 바닷물에서 직접 채취하거나, 마그네시아를 염소화하여 만들기도 한다.

또 크롤법에 의해 티탄을 제조할 때 생기는 부산물인 염화마그네슘에서도 얻을 수 있다.

전해액(電解液)은 MgCl2·NaCl·KCl 또는 MgCl2·2NaCl 등으로 하여 660∼750℃에서 전기분해한다. 전해조(電解槽)는 철 또는 내화벽돌을 쓰고, 양극으로는 흑연, 음극으로는 철을 쓴다.

탄소에 의한 환원은 1900∼2400℃에서 행하며, 생성한 마그네슘 증기와 일산화탄소를 대량의 수소가스로 급랭(急冷)하여 생긴 마그네슘분말을 증류하고 융해하여 잉곳(ingot)으로 만든다(순도는 90 % 정도). 이 방법은 조작이 위험하고 순도도 좋지 않으므로, 현재는 거의 쓰이지 않는다.

페로실리콘에 의한 방법은 피전법이라 불린다. 이 방법은 돌로마이트 MgCO3·CaCO3을소성한 것에 75% 규소인 페로실리콘을 가해서 단광(團鑛)으로 만들고, 내열강으로 된 레토르트 속에 넣어 1200℃로 가열하여 환원시킨 다음, 이것을 0.001mmHg 정도인 진공에서 마그네슘을 증류하여 얻는다. 이 방법으로는 순도 99.7% 정도의 것을 얻을 수 있다. 전해마그네슘의 순도는 99.90∼99.97% 정도이며, 불순물은 구리·망간·철·규소·납 등이다. 이들을 제거하기 위하여 비교적 저온에서 진공증류를 하면 순도 99.99%의 제품을 얻을 수 있다.

 

마그네슘 합금의 기술

마그네슘은 자원이 풍부할 뿐만 아니라, 밀도가 약 1.74g/cm 3 로서 구조용 금속재료중 가장 경량이기 때문에 항공기 및 자동차, 휴대용 기계류 및 일상용품 등에 쓰이고 있으며, 사용량 및 적용범위가 매년 급격히 확대되고 있는 추세에 있다. 그러나, 마그네슘은 전기화학적으로 전위가 낮아서 내식성이 나쁘며 대단히 활성적인 금속으로, 공기, 물, 화학약품 등과 접촉하면 쉽게 부식되고, 용해할 경우 급격한 산화 및 발화가 일어나 주조재의 결함발생과 용탕손실량을 증가시키는 원인이 된다. 따라서 마그네슘의 용해ㆍ주조시에는 용탕의 표면을 보호하기 위해 flux나 SF6가스를 포함하는 불활성 혼합가스를 사용한다.

현재 마그네슘합금을 용해ㆍ주조하는 모든 공정에서는 fluxless라는 이름으로 CO2+Air+SF6의 혼합가스를 사용하고 있는데, 통계에 의하면 1 ton의 마그네슘를 생산 및 주조하는데 사용되는 가스의 양은 CO2가스가 약 5~7 ton이고 SF6가스가 약 1.5 kg이다. 이와 같은 가스는 사용 후 대기중에 배출되는데, 문제는 배출되는 CO2가스 및 SF6가스는 지구온난화를 유발하는 가스이며, 특히 SF6가스에 의한 환경파괴효과는 매우 심각하다는데 있다. 1 kg의 SF6가스가 약 24 ton의 CO2가스와 같은 정도의 지구온실효과(Green House Effect)를 가져온다는 연구결과를 기준으로 할 때(표1 참조 : Global Warming Potentials), 마그네슘 1 ton당 약 50 ton의 CO2가스를 사용하는 결과를 초래하므로 혼합가스의 사용에 따른 지구환경 파괴효과는 엄청난 규모이다. 또한 2008년 이전 도입예정인 온실가스 배출권 거래제에서 CO2가스 1 ton의 배출권이 10~30불로 예상되는 점을 감안하면 CO2가스의 수만배에 이르는 SF6가스의 사용공정은 별도의 규제가 없더라도 경쟁력을 잃을 수 밖에 없음을 쉽게 알 수 있다.

친환경 난연성 마그네슘 개발

 

따라서 경량 고비강도인 마그네슘합금의 광범위한 활용을 위해 CO2가스를 배제한 공정으로, 환경친화적인 분위기에서 용해가 가능하고 내산화성이 우수한 친환경/난연성(難燃性) 마그네슘합금의 혁신적 개발과 아울러, 기초소재 및 부품을 실제 용해하고 주조할 수 있는 새로운 개념의 주조공정기술을 확립하고자 한다.

 

Global Warming Potentials (100 year)