Zn-Mg 도금 강판에서 Mg 함량에 따른 도금층의 미세구조와 기계적 특성에 관한 연구

Abstract

Zn 도금은 희생양극의 역할로써 철강 및 부품산업에 있어서 효과적인 방청기술로 오래 전부터 적용되어 왔다. Zn 의 융점은 419.6℃로 금속 중에서는 상대적으로 낮은 융점을 가지고 있기 때문에 공정에서 경제성을 보유한 도금재로 활용되고 있다. 그러나 제조공정 중에 발생하는 환경오염 문제와 Zn 의 소비량 증가로 인한 자원고갈이 가시화됨에 따라 이러한 문제를 해결할 수 있는 재료의 개발이 요구된다. 따라서 많은 연구자들은 새로운 공정 또는 도금재의 개발을 통해 Zn 의 함량 및 사용량을 저감하기 위한 연구를 진행하고 있다. 재료를 도금하는 방법 중 물리증착법 (Physical vapor deposition, PVD)은 습식 도금법인 용융도금 공정과 달리 건식 도금법으로 공정 중 폐수가 발생하지 않는 무공해 공정으로 환경문제에 대한 대처방안이 될 수 있다. 또한 다양한 물질계를 도금 할 수 있으며, 도금 부착량 제어가 용이 하고 필요에 따라 다층도금을 적용 할 수 있는 장점이 있기 때문에 차세대 표면처리기술로써 주목 받고 있다. 또한 Zn 의 사용량을 저감하기 위한 노력으로 Zn-Mg, Al-Mg 합금 등을 사용하는 방안이 관심을 받고 있다. 그 중에서도 Zn-Mg 합금은 기타 Zn 계열 합금보다 뛰어난 내식성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 일반적인 PVD 방식을 적용하여 도금 층을 제조 할 경우 급격한 냉각으로 인해 비평형상 또는 비정질상이 발생하며 이러한 상변화는 기계적 특성에 큰 영향을 준다. 그러므로 실생활에 적용하기 위해서는 공정 조건에 따른 도금층 표면의 형태, 중간층의 영향에 대한 특성을 해석하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 PVD 방식으로 도금된 다양한 조성을 갖는 Zn-Mg 도금강판을 대상으로 표면 미세구조를 확인하였으며 XRD 분석을 통해 조성 별 도금 층에 대한 상분석과 상분율을 확인하였다. AFM 표면조도 측정을 하여 도금층의 조성과 표면조도 사이의 관계를 확인하고자 하였고, 나노인덴테이션 시험을 통해 도금층의 경도 값을 확인하였다. 표면 미세구조를 확인한 결과 Mg 의 함량이 11 wt.% 이상부터 도금방향의 수직으로 Crack 이 발생되었으며, 나노인덴테이션을 통한 도금층의 경도값을 측정한 결과 또한 Mg 함량이 증가함에 따라 경도값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Pure Zn 상에 비해 높은 경도를 갖는 MgZn2, Mg2Zn11 의 합금상들의 분율이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한 AFM 분석결과 상대적으로 합금상의 융점이 낮은 1~5 wt.%Mg 구간에서 높은 표면조도 값을 보였다. 향후에는 밀착성, 내식성 등의 추가적인 특성평가를 통해 PVD 법으로 제조된 Zn-Mg 도금강판의 적용가능성을 확인해야 할 것으로 판단된다.