PVD법에 의해 갈바륨 도금강판 상에 제작한 Mg 코팅막과 그 내식특성

Abstract

금속 재료 중 철강재는 대량 생산이 가능하고 기계적 특성이 우수하여 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 철강재는 부식에 취약하여 용도에 따라 내식성을 향상시키기 위한 다양한 표면처리가 필수적으로 적용되고 있다. 일반적으로 이러한 철강재에 대한 내식성 표면처리로써 습식공정을 이용한 아연(Zn) 도금이 널리 적용되고 있다. 그러나 이것은 습식 공정으로 인한 자원 소모 및 환경 문제로 인하여 고내식성 표면처리 및 친환경적인 코팅 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 관점에서, 본 연구에서는 고내식성 코팅강판 제작을 위해 다양한 종류의 모재인 강판, 용융 아연 도금강판, 용융 알루미늄 도금강판, 갈바륨 도금강판 상에 PVD 프로세스인 스퍼터링법에 의해 활성적인 금속인 마그네슘(Mg)을 공정압력 2, 10 및 50mTorr 조건에서 2μm 두께로 제작하였다. 코팅막 제작 조건과 내식성의 상관관계를 분석하기 위해 제작한 마그네슘 코팅막의 모폴로지, 결정구조 및 배향성을 분석하고 분극, 임피던스 분광법(EIS)을 통해 그 내식성을 평가하였다.

그 결과 제작 코팅막은 공정압력이 높은 조건에서 제작할수록 결정의 크기가 작고 조밀한 구조를 나타내었으며 내식성이 더욱 우수하였다. 또한 여러 가지 모재 중에서 도금층의 알루미늄에 의해 우수한 차폐 특성을 가지고 또한 아연에 의해 부식생성물이 Simonkolleite상을 형성할 수 있는 장점을 가진 갈바륨 도금강판을 고내식성 코팅강판 제작을 위한 최적 모재로 선정하였다. 선정된 갈바륨 도금강판에 대해 실용 PVD 프로세스인 인라인 스퍼터(In-line) 공정에 의해 마그네슘 코팅막을 공정압력 2 및 20mTorr 조건에서 두께 1.5 및 3μm로 제작하였다. 제작 코팅막의 표면 및 단면 모폴로지 분석, 결정구조분석, 원소조성 분석을 실시하고 분극, EIS를 이용해 전기화학적 특성을 분석하였다. 또한 부식 가속시험법인 염수분무(SST), 복합부식(CCT) 시험을 통해 내식성 평가를 실시하였다. 모폴로지 분석결과 동일 공정압력에서는 코팅두께가 증가함에 따라 마그네슘 결정의 크기가 커졌으며 동일 두께에서는 공정압력이 높을수록 결정의 크기가 작아지고 단면 구조에서 결함이 증가하였다. 분극시험 결과에서 코팅두께가 증가할수록 부식속도가 높았으며, 동일두께에서는 높은 공정압력으로 제작할수록 내식성이 우수한 경향을 나타냄을 확인하였다. 또한 침지시간에 따라 분극 및 EIS 분석 결과 부식진행에 따라 표면의 마그네슘 코팅층이 부식되어 형성된 부식생성물들이 축적되며 차폐효과 및 전해질-코팅층 계면 간 전하이동저항을 증가시켜 내식성을 향상시키는 효과가 있음을 확인하였다. 내식성 평가 결과 마그네슘-갈바륨 도금강판의 경우 모재인 갈바륨 도금강판은 물론 유사 두께의 아연도금강판보다 우수한 내식성을 나타내었으며, 건-습 반복 부식시험인 복합부식 시험에서는 유사 두께의 고내식성 Zn-Al-Mg계 도금강판보다 우수한 내식성을 나타냄을 확인하였으며 이는 부식생성물을 분석한 결과, 염수분무 시험 환경에서는 Mg계 부식생성물들이 MgO, Mg(OH)2와 같은 형태로 존재하였으며 복합부식 시험에서는 Mg5(Co3)4(OH)2·4H2O(Hydro magnesite)상으로 형성되어 표면을 더욱 우수한 차폐효과를 나타내었으며 Zn계 부식생성물은 Simonkolleite상으로 형성되어 내식성이 더욱 향상되는 것으로 확인하였다.

이러한 결과를 통해 결과적으로 PVD 프로세스에 의해 갈바륨 도금강판 상에 제작한 Mg 코팅막의 우수한 내식성을 확인하였고 이를 통해 코팅막의 유효성을 확인할 수 있었다.