용융 Al-Si 도금 강재에 형성한 Cr 막의 고온 환경 중 내식특성

Abstract

최근에는 각종 산업이 발달함에 따라 금속재료가 사용되는 환경이 다양화해지며 더욱 가혹해지고 있다. 그러한 가운데 발생하는 금속제품의 부식문제는 점점 심각하게 확대되고 있는 추세이다. 그러므로 이에 대한 해결책을 제시하는 것은 당장 그 사용환경 중 내식수명 연장에 따른 안정성을 확보하는 것으로써 매우 시급한 사항이다. 금속재료가 동일환경이라 할지라도 일정 이상의 고온에서 사용되는 경우에 있어서는 내식성이 급격히 저하되는 일이 종종 발생해 문제가 되고 있다. 일반적으로 산업용에서 많이 사용되는 고온 제품은 일정 고온 환경 중에서의 부식을 막기 위해 내식성이 좋은 Cr 또는 Zr 등의 원소를 첨가한 합금을 사용하거나 용융알루미늄도금 등의 표면처리를 하는 경우가 있다. 그러나 운전 가동 중 과부하 발생 등에 의해 일정 시간 이상의 고온에 노출되는 경우에는 내식성이 급격히 저하하는 경우가 종종 발생하는 것으로 보고되고 있다. 특히, 표면 Al2O3 산화막에 의해 고온 분위기에서의 사용이 증가하고 있는 용융알루미늄도금 강재의 경우에는 종종 내식성 한계가 노출되고 있어서 그에 대한 대책 마련이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Si이 포함된 용융알루미늄도금 강재 상에 물리기상증착(physical vapor deposition)법 중의 하나인 스퍼터링(sputtering)법을 사용하여 0.25, 0.5 및 1.0㎛ 두께의 Cr막의 증착을 시도하였다. 또한 이와 같이 제작한 시험편을 고온 환경을 모사한 열처리 분위기 중 고온 지속 시간에 따라 달라지는 미세조직 및 성분을 관찰 및 분석함은 물론 그에 따른 각종 내식 특성을 평가함으로써 고온 환경에 대한 유효성을 검토하였다. 즉, 본 연구에서는 제품의 사용온도를 400 및 500℃의 예비 시험과정을 통한 그 이상의 600℃의 고온 환경 조건에 0, 5, 12, 30 및 50분 동안 제작한 시험편을 노출시키고, 그 제작 막에 대한 표면 및 단면의 모폴로지, 성분, 상의 재료 분석은 물론 그에 따른 염수분무시험, 자연침지시험, 전기화학적 분극 및 EIS 시험 등의 부식특성 평가를 진행하였다. 본 연구에서 진행한 시험에 대한 재료 분석 결과에 의하면 600℃의 고온 환경 중 지속시간이 증가됨에 따라 Cr 두께에 따른 표면상 차이는 크지 않았으며 표면의 결정립이 미세화되어서 수지상의 구조도 나타나는 것으로 관찰되었다. 한편, Cr, Al-Si 및 Fe 소재의 경계가 뚜렸했던 단면의 경우에는 고온 지속시간이 12분 이상으로 되면 표면층에 있던 Cr이 Al-Si층 하부까지 이동하고 모재의 Fe는 상부층 Cr막 방향으로 확산되어 각종 Fe계 금속간 화합물이 나타나는 것으로 분석되었다. 또한 이때 각종 부식특성을 측정한 결과에 의하면 용융 Al-Si 도금 강재상 증착한 Cr의 두께에 따른 약간 차이가 있었으나 600℃ 고온 중 노출시간이 길어질수록 특히 30분 이상이 되면 급격히 내식특성이 저하되는 경향을 나타냈다. 한편, 이 온도 중 5분 동안 노출되었던 경우에는 고온에 노출안했던 것과 거의 유사하게 우수한 내식특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 Cr막이 증착된 용융Al-Si도금 강재 상의 고온 중 내식 특성을 확인함으로써 고온에 노출되는 다양한 산업용 기자재의 표면처리의 응용 제작 및 사용에 대한 기초적인 설계 지침을 제공할 수 있었다.