아크 스프레이로 형성된 철계 코팅층의 미세조직 및 내마모성

Abstract

산업의 다양한 영역에서 활용되고 있는 열용사(Thermal spray) 기술은 자동차 산업에서도 부품의 경량화와 내식성 및 내마모성 향상을 위해 활용된다. 특히, 알루미늄 엔진 블록의 실린더에 삽입된 주철 라이너는 엔진의 중량 증가 및 알루미늄과의 열팽창계수 차이로 인한 보어의 변형 문제를 일으키므로 이를 해결하기 위해 열용사 기술을 활용하는 연구가 활발히 진행되어왔다. 다양한 열용사 기술 중 트윈 와이어 아크 스프레이(TWAS) 공정은 적층 효율이 높고 공정 단가가 저렴하다는 장점을 갖고 있다. 코팅의 재료로 많이 활용되는 탄소강은 탄소 함량 조절을 통해 비교적 쉽게 원하는 특성을 나타낼 수 있고 가격이 매우 저렴하며 코팅 과정에서 생성되는 산화철은 고상 윤활제로 작용하여 마찰 특성 향상에 기여할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 TWAS 공정과 탄소강 와이어를 사용하여 철 계 코팅층을 생성하였고 공정 가스와 재료의 탄소 함량을 변수로 하여 이 변수가 입자의 산화와 코팅의 미세조직 및 특성과 갖는 상관관계를 규명하고자 하였다. 또한 코팅 표면에서 발생하는 마모 메카니즘에 대하여 분석하였다. 공정 가스는 일반 압축 공기와 비활성 기체인 질소를 사용하였고 코팅 재료는 저탄소강(탄소함량 0.08wt%C)과 고탄소강(탄소함량 0.80 wt%C)을 사용하였다. 코팅의 미세구조와 성분 분석을 위해 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM), 에너지 분산 분광기(EDS), X-선 회절 분석법(XRD), 이미지 분석기, 탄소-황 분석기 등을 활용하였다. 코팅의 기계적 특성으로 경도와 접합강도를 측정하였고 실제 엔진 환경을 고려하여 설계한 왕복식 마모시험을 통해 코팅의 마찰/마모 특성을 비교 분석하였다. 코팅층을 형성하는 개별 입자들은 최초에 용융된 액적 상태에서 출발하여 응고되기 전 까지 복잡한 산화과정(산화물 생성, 합금 성분 손실, 열 발생 등)을 거치게 되며 이는 최종적으로 코팅의 기계적 특성 및 트라이볼로지 특성을 결정하는 주요 요인이 된다. 실험 결과, 산화 상태는 공정 가스 종류에 따라 조절되며 재료의 탄소 함량에 따라 그 효과가 코팅의 미세조직과 기계적 특성에 서로 다르게 적용된다는 것을 파악하였다. 산화의 결과물로 형성된 FeO는 고상 윤활제로 작용하여 코팅의 마찰 특성을 향상시킨다. 또한 내부에 탄소를 많이 함유하여 경도가 높은 splat은 소성 변형에 대한 저항이 높아 변형으로 인하여 생기는 splat 간 균열, 또는 이 균열의 전파로 인한 splat delamination 현상이 줄어드는 효과를 갖는다. 결과적으로 실제 엔진의 실린더 보어 환경을 고려한 마찰/마모 실험에서 abrasive wear, delamination wear 등이 주요 마모 거동으로 관찰되었고, 특정 산화물(FeO)을 포함하며 splat 내부에 탄소를 많이 포함한 코팅층이 마찰 특성과 변형 저항성의 향상으로 인해 내마모성이 가장 우수한 것을 확인하였다.