열처리에 의해 강판 상에 형성한 Al-Mg-Si 합금막의 내식특성

Abstract

지구상에 가장 많이 매장되어 있는 원소인 철(Fe)은 우수한 강도와 인성을 지니며 기계나 용접을 통한 가공 등이 용이한 이점을 가져 다양한 산업 분야에서 많이 사용되고 있다. 또한 철은 제련이 비교적 간단하고 대량 생산이 가능하기 때문에 더욱 매력적인 재료 중 하나이다. 그러나 이것은 각종 사용 환경 중 낮은 내식성으로 인해 안전에 영향을 줌은 물론 경제적 손실 및 환경 문제 등으로 이어질 수 있다. 따라서 사용 철강재에는 내식성을 부여하기 위한 다양한 표면처리법이 적용되고 있다. 그 중 가장 많이 사용되는 도금방법의 경우는 철강재 본래의 성질을 유지함은 물론 도금재료의 장점을 부가시켜 더욱 우수한 재료로 거듭나게 할 수 있다. 본 연구에서는 규소(Si)가 포함된 용융알루미늄도금 강판 상에 물리기상증착(PVD)법 중 하나인 스퍼터링(sputtering)법에 의해 1 ㎛ 두께의 마그네슘(Mg)막을 증착하였다. 또한 증착한 시험편은 열처리에 의해 마그네슘 도금 층과 모재의 알루미늄 도금 층간의 확산을 실시하여 금속간 화합물의 형성을 유도하였다. 이와 같이 열처리를 통해 제작한 막들은 확산 정도에 따른 금속간 화합물의 형성 유무에 따라 최종적으로 대표적인 시험편으로 선정하였다. 여기에는 비열처리한 시험편, 5분간 및 30분간 열처리한 시험편에 대하여 내식성 평가 및 재료특성 관계를 분석하였다. 즉, 상이한 열처리 시간에 따른 각 시험편은 가속부식시험인 염수분무시험 및 전기화학적 시험을 통하여 평가함은 물론 그 코팅막의 성분, 상, 결정학적 정보 분석함에 의해 내식성과 합금막 특성간의 상관관계를 해석하였다. 염수분무시험한 결과에 의하면, 본 연구에서 제작한 시험편 중에는 비열처리 보다 열처리를 진행한 경우가 철 녹의 발생이 상당히 지연되었다. 또한 여기서는 열처리를 30분간 진행한 것보다 5분간 진행한 시험편이 가장 우수한 내식성을 나타내었다. 비열처리한 시험편의 경우에는 모재인 용융알루미늄도금 강판의 내식성과 큰 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서 제작한 시험편에 대한 표면 모폴로지 관찰(FE-SEM) 및 미세성분분석(EPMA) 결과에 의하면, 열처리 전/후 모두 알루미늄(Al)과 규소(Si)의 덴드라이트(dendrite) 구조가 관찰되었고, 모재방향으로 마그네슘이 알루미늄과 규소 수지상 사이에 주로 확산 분포됨을 확인하였다. 또한 단면 모폴로지 관찰 및 단면 깊이 방향 원소 성분 분석(GD-OES) 분석 결과에 의하면, 열처리 시간이 길어질수록 마그네슘이 기판(substrate)방향으로 더욱 확산하며 표면 부위의 마그네슘 함량이 감소함을 확인하였다. 이때 제작막의 결정구조 상 분석(LIXD) 결과에 의하면, 5분간 열처리한 경우에는 알루미늄-마그네슘 고용체 및 Mg2Si 금속간 화합물이 형성됨을 확인하였고, 30분간 열처리한 경우에는 알루미늄-마그네슘 고용체 및 Mg2Si 금속간 화합물과 더불어 알루미늄-마그네슘의 금속간 화합물도 형성됨을 확인하였다. 또한 여기서는 이상과 같은 시험편의 막 재료 분석 결과에 의거하여 열처리 후 향상된 내식특성 원인을 규명하기 위하여 염수분무시험 500, 1,000 및 2,000 시간 동안 노출된 시험편에 형성된 부식생성물을 분석 비교하였다. 내식성이 가장 우수한 것으로 나타난 열처리를 5분간 진행한 시험편의 경우에는 매우 치밀한 부식생성물이 형성됨을 SEM 관찰에 의해 확인하였고, 그 형성된 부식생성물 피막이 두 층으로 구성됨을 EDS 분석에 의해 확인하였다. 또한 이때 5분간 열처리한 시험편의 경우에는 염수분무에 장시간 노출됨에도 불구하고 마그네슘에 의한 부식생성물이 지속적으로 관찰되었다. 이러한 마그네슘 부식생성물은 피막 안쪽 층에서도 형성함을 확인할 수 있었다. 이상의 염수분무시험을 통한 내식성 평가 결과는 개방회로전위(OCP) 측정 시험, 갈바닉부식(galvanic corrosion) 시험 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 등의 전기화학 시험을 통해서도 동일한 시험결과를 얻었다. 일반적으로 모든 시험편에서 초기에 마그네슘의 부식이 진행되었으며, 각 시험편 종류에 따라 부식생성물의 형성 특성이 다르다는 것을 확인하며 그 부식 경향을 비교하였다. 즉, 비열처리 시편의 경우에는 마그네슘 코팅막이 빠르게 소모된 이후 일반적인 용융알루미늄도금 강판의 부식 특성과 동일하였다. 한편, 열처리를 진행한 시험편의 경우에는 마그네슘계 부식생성물이 지속적으로 형성되었다. 여기서 열처리를 30분간 진행한 경우에는 5분간 열처리한 시험편에 비해 함금막 중 마그네슘의 소모가 비교적 빨랐다. 여기서는 지속적인 마그네슘계 부식생성물의 형성이 내식성에 가장 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.

본 연구를 통해 마그네슘 막이 증착된 용융알루미늄도금강판 상 열처리를 통해 고 내식특성을 갖게 된다는 것을 확인하였고, 그 응용에 관한 유효성을 제시할 수 있었다.