대기 플라즈마 용사법으로 형성된 철계-몰리브덴 혼합 코팅층의 미세조직 및 내마모성

Abstract

본 연구에서는 대기 플라즈마 용사 공정을 이용하여 엔진 블록 실린더에 삽입된 주철라이너 대체를 위한 철계 합금 코팅을 실시하고, 코팅층의 내마모성을 향상시키기 위하여 철계 합금 분말에 몰리브덴(Molybdenum)분말을 첨가하여 코팅하였다. 몰리브덴은 내화성 금속 원소로써, 융점이 높아 고온에서의 재료 용착 현상에 대한 저항성이 높으며, 내마모성이 우수한 재료로 알려져 있다. 하지만 재료의 단가가 비싸며, 높은 취성으로 인해 취성 파괴(brittle fracture)가 발생할 우려가 있다. 따라서 이러한 몰리브덴의 혼합 분율이 철계 합금 코팅층의 내마모성에 미치는 영향에 대하여 분석하고자 하였다. 이를 위해 각 시편들에 대하여 미세조직 분석 및 내마모성 평가를 실시하고 마모 표면 관찰을 통해 마모 메커니즘을 분석하였으며, 코팅층의 ‘미세조직-특성’간의 상관관계를 규명하고자 하였다. 나아가 실제 엔진 실린더 보어에의 적용 가능성을 판단하기 위해 주철 라이너 소재와의 내마모성을 비교 분석하였다. 철계 합금 코팅층의 미세조직은 플라즈마 용사 시 급속하게 응고되는 과정을 통해 마르텐사이트 기지(martensitic matrix)를 형성하였고, 대기 중의 산소와 반응하여 형성된 Fe Oxide는 기지 splat 사이에 얇은 막(film)의 형태로 형성되었다. 몰리브덴은 철계 합금 코팅층 내부에 splat을 형성하였으며, 철계 합금 splat과 우수한 접합을 나타내었다. 이로 인해 몰리브덴의 첨가 후에도 접합강도가 저하되지 않았으며, 이를 통해 몰리브덴의 첨가가 접합강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 또한, 모든 코팅시편에서 엔진 적용을 위한 최소 요구조건인 30 MPa을 만족하는 결과를 나타냈다. Pin-on-disk 마모 시험 결과 몰리브덴을 혼합한 코팅층의 경우 몰리브덴을 첨가하지 않은 철계 합금 코팅층에 비해 마찰계수와 마모량이 감소하였고, 10% 첨가 시 가장 우수한 마찰·마모 특성을 나타내었다. 특히, 마찰계수의 경우 기존 라이너 소재인 회주철 소재에 비해 약 30% 정도 개선됨으로써 ‘엔진 실린더-피스톤링’ 간의 마찰에너지 손실을 저감시킬 수 있을 것이라 사료된다. 그러나 몰리브덴의 혼합 분율이 15% 이상이 됨에 따라 몰리브덴의 취성 파괴가 증가하였고, 이에 따라 마모 표면의 거칠기가 증가함으로써 마찰계수와 마모율이 증가하였다.