PVD 법에 의해 용융 알루미늄 도금 강판상에 형성한 Mg 막의 열처리와 그 내식 특성

Abstract

금속 재료 중 철강재는 풍부한 자원과 더불어 기계적 특성 및 가공성이 우수하고 대량 생산이 가능하기 때문에 자동차, 기계, 건설 및 조선 등의 다양한 산업 분야에 폭 넓게 사용되는 소재이다. 그러나 이 철강재는 사용 환경 중 취약한 내식성을 갖는 단점이 있다. 그러므로 일반적으로 철강재는 내식성 부여를 위한 다양한 표면처리가 널리 적용되고 있다. 그 중 많이 사용되고 있는 방법은 철강 소재 상에 Zn(아연)이나 Al(알루미늄) 등과 같이 부식 환경 인자 차단(barrier)이나 희생양극(sacrificial anode) 효과가 우수한 금속들을 그 재료로 사용한 용융 도금이나 전기 도금과 같은 습식 공정에 의한 표면처리이다. 그러나 이와 같은 습식공정에 의한 표면처리는 활용 가능한 도금 성분의 제한에 따른 특성 향상의 한계는 물론 자원 소모 및 폐수 처리와 같은 환경 문제를 야기하기도 한다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 해결하기 위한 방법들이 다각도로 진행되고 있는 가운데 이를 대체할 수 있는 표면처리나 친환경적인 코팅 방법에 대한 다양한 연구도 활발히 시도되고 있다.

본 연구에서는 무공해 프로세스인 물리기상증착(PVD)법 중 스퍼터링(sputtering)법에 의해 규소(Si)가 포함된 용융 Al(알루미늄) 도금 강판 상에 그 희생방식효과를 향상시킬 수 있다고 추정되는 Mg(마그네슘) 금속을 0.5, 1.0 및 1.5μm 두께로 증착하였다. 또한 여기서는 열처리도 실시하여 Al-Si 도금층과 Mg 증착 막 성분 간 확산에 의한 합금화의 형성을 시도하였다. 그리고 이와 같이 제작된 막들에 대해서는 그 재료특성과 내식성의 상관관계를 파악하기 위하여 막의 성분, 상, 모폴로지 및 결정구조의 분석은 물론 다양한 가속 부식 및 전기화학적 부식시험에 의해 내식특성 관계를 평가하였다.

- 본 실험에서 제작한 막들의 성분 분석 결과에 의하면, 모든 비열처리 막은 Mg 두께가 증가함에 따라 Mg 검출 함량도 높아지며 그 표면이 치밀하게 증착되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 열처리 막에서는 비열처리 막들과 마찬가지로 Mg 두께가 증가함에 따라 그 검출 함량이 증가되었지만 그 증가 정도는 상대적으로 작았고 알루미늄의 함량이 높게 나타났다. 또한 열처리 막은 비열처리 막과 달리 단일상의 Mg 상은 검출되지 않았고 Al을 포함한 다양한 금속간화합물 상이 나타났다. 즉, 이것은 Mg 막과 그 하부층의 Al이 열처리에 의해 상호 이동 확산에 의한 결과라고 사료된다.

- 표면 모폴로지 관찰 결과에 의하면, 비열처리 막의 경우에는 Mg 두께가 증가함에 따라 확산 성장되며 나타난 표면의 Mg 결정 입자가 커졌고, 매끄럽고 치밀한 양상을 나타냈다. 한편, 열처리 막의 경우에는 비열처리 막과는 달리 거친 표면을 나타냈다. 또한 이 막들에 대한 단면 모폴로지 관찰 결과에 의하면 비열처리 막들은 선명한 층 간 구조를 나타낸 반면, 열처리 막들은 Mg, Al의 상호 확산에 의해 단일 층이 형성된 것을 관찰하였다.

- 제작막에 대한 결정구조 분석 결과에 의하면, 열처리 막들은 비열처리 막과 비교하여 다량의 주성분인 Al이 표면상 높은 표면에너지의 Al (200)면으로 배향되고 그 면 간격도 증가하는 경향이 있었음을 확인하였다. 이것은 열처리에 의해 확산 이동된 Mg이나 Si 또는 금속간화합물의 성분들이 Al 원자가 결정 성장되는 중 형성된 표면에너지 높은 Al (200)면에 우선 흡착되며 나타난 결과라고 사료된다. 이러한 특성은 부식과정 중 Mg, Al 및 O계의 다양한 부식생성물을 단시간에 형성시키고 그 차폐역할을 통해 내식성을 더욱 향상시키는 요인으로 사료된다.

- 내식성 평가를 위한 다양한 가속 부식(염수분무, 복합부식) 및 전기화학적 부식시험 결과에 의하면, Mg 두께의 증가는 물론 열처리에 따라 내식성이 향상되는 경향을 나타냈다. 또한 이 결과는 자연침지시험은 물론 EIS시험 등을 통해서도 확인되었다. 즉, 열처리 막들은 비열처리 막들과 비교하여 부동태 피막 형성에 의한 차폐효과가 우수하게 나타났다. 그리고 이것은 갈바닉 부식시험 결과를 통해서도 Mg 두께 증가와 열처리에 따라 부식이 지연되는 것을 재확인할 수 있었다. 또한 여기서는 이상의 내용을 종합하여 본 실험에서 제작한 막에 대한 내식 메커니즘을 해석 및 고찰하였다.

본 PVD법에 의해 용융 알루미늄 도금 강판 상에 형성한 Mg 막은 열처리에 따라 우수한 내식성을 가진다는 것이 확인되었고, 이를 통해 본 연구에 의거하여 제작한 막들의 응용에 관한 유효성을 제시할 수 있었다.