A Study on the Oxidation Resistance of Aluminum Cast Iron by Aluminum Content

(1)

-김동혁: 연구원

Received: Sep. 22, 2020 ; Revised: Nov. 3, 2020 ; Accepted: Nov. 30, 2020

†

Corresponding author: Dong-Hyuk Kim (KITECH) Tel: +82-54-630-0807, Fax: +82-54-630-0800 E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2020. Vol. 40 No. 6, pp. 135~145 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2020.40.6.135 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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알루미늄 함량에 따른 알루미늄 주철의 내산화성에 관한 연구

김동혁

^†

한국생산기술연구원 대경지역본부

A Study on the Oxidation Resistance of Aluminum Cast Iron by Aluminum Content

Dong-Hyuk Kim

^†

Korea Institute of Industrial Technology, Daegu 42990, Republic of Korea

Abstract

Aluminum cast iron has excellent oxidation resistance, sulfurization resistance, and corrosion resistance. However, the duc- tility at room temperature is insufficient, and at temperatures above 600?, the strength drops sharply and practicality is limited.

In the case of heat-resistant cast iron, high-temperature materials containing Cr and Ni account for 30 to 50% or more. However, these high-temperature materials are expensive. Aluminum heat-resistant cast iron is considered as a substitute for expensive heat-resistant materials. Oxidation due to the aging temperature and holding time conditions increases more in 0 wt.% Al-cast iron than in 2 and 4 wt.% Al-cast iron according to oxidized weight and gravimetric oxide layer thickness measurements. As a result of observing the cross-section of the oxide layer, it was found to contain 0 wt.% of Al-cast iron silicon oxide-containing SiO

₂

or Fe

₂

SiO

₄

oxide film. In cast iron containing aluminum, the thickness of the internal oxide layer due to aluminum increases as the aging temperature and retention time increase, and the amount of the iron oxide layer generated on the surface decreases.

Key word: Aluminum cast iron, Heat-resistant cast iron, Heat-resistant material, Oxidation resistance, Al

2

O

₃

1. 서 론

알루미늄 주철의 경우 우수한 내산화성, 내황화성과 내식성 을 가지며, Ti계 및 Ni계 합금과 비교할 때 비전략 원소인 Fe 를 사용하여 값이 비교적 저렴하기 때문에 구조재료 및 스 테인레스강의 대체 재료로 기대를 모으고 있다[1, 2]. 현재 사용중인 내열주철의 경우 크롬 및 니켈을 함유한 고온재료 소재가 약 30~50% 이상을 차지하고 있다. 그러나 이러한 고온재료 등은 가격이 매우 높은 단점이 있으며, 이러한 고 가의 내열재료들을 대체하기 위해서 고려된 재료가 알루미늄 내열주철이다.

알루미늄 주철의 경우 우수한 내산화성과 내황화성 그리고 내부식성을 가지고 있으며, 매우 극한 분위기 하에서 고온 재료로써 그 활용이 기대되고 있으며[3, 4], 표면에 치밀한 산화물을 형성하고, 표면에 형성된 산화막으로 인해 외부 산 소 침투를 막는 효과가 있다. 이런 우수한 특성을 지닌 알루 미늄 주철은 과거 1.5~2.0wt.% 알루미늄이 함유된 합금으로 트럭의 배기매니폴드 부품으로 적용되었다고 보고 되어 있다 [5].

주철의 고온산화 및 성장에 대한 알루미늄의 효과는 알루

미늄을 첨가할 경우 표면에 α-Al

2

O

₃

산화층을 표면에 우선

적으로 형성하여 Fe의 산화를 방지하여 내산화성을 향상시킨

(2)

다[6]. 이렇게 내산화성이 우수한 알루미늄 주철은 변태온도 를 상승시키는 원소로 알려져 있으며, 산화물층으로 인하여 내구성을 향상 시키지만 재료의 취성을 증가시키는 요인으로 구조용 부품으로써의 적용이 어려웠다[7]. 그러나 최근에는 알루미늄 주철이 니켈과 크롬을 배제하기 때문에 경제성이 우수하고, 기존 합금주철과 동등한 내산화성을 나타내고 있기 때문에 새로이 주목받고 있다.

따라서 본 연구에서는 편상흑연주철에 알루미늄을 첨가한 알 루미늄 주철의 내산화성에 대한 연구를 진행하였다. 알루미늄 함량에 따른 미세조직 및 기계적특성 변화에 대해서는 일부 연구가 진행되었지만, 그 원인에 대해서 접근한 경우가 미흡한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 알루미늄 함량에 따른 미세조 직 및 외부온도 변화에 따른 내산화성 실험을 진행하였다.

2. 실험 방법

2.1 합금의 용해 및 주조

Fig. 1 의 Fe-Al-C계 합금 주철에서 알루미늄 함량에 증가 에 따른 흑연의 면적 분율과 Fig. 2의 Fe-Al-C계 합금 주 철에서 알루미늄 함량에 따른 탄소의 비율 자료를 참고하여 알루미늄 함량을 선정 하였다[8]. 그림에서 보는 것과 같이 주철에 알루미늄 함량이 약 4wt.% 이상 첨가될 경우 흑연의 면적 분율과 탄소의 함량이 감소하기 때문에 본 실험에서는 4wt.% 알루미늄 이하에서 합금 설계를 하였다.

본 연구에서 사용된 시편은 자체 설계한 Fe-Al-C계 합금 주철으로 알루미늄 함량에 따른 내산화 특성을 알아보기 위 하여 0~4wt.% 알루미늄 함유된 시편을 제작하였다.

시편은 고주파 용해로를 이용하여 용해/주조를 진행하였으 며, 탄소 및 알루미늄 이외의 첨가 원소는 규소가 2.0~2.1 wt.% 망간이 0.4wt.% 이하로 선정하였으며, 그 외 인과 황 은 선철 및 고철에 함유된 성분으로 미량 첨가되었다. Fig.

3은 용해/주조 공정을 나타내었다. 용해 작업은 100kg/Fe급 고주파 용해로를 이용하였으며, 용해 온도 1,430~1,450

^o

C,

주입 온도 약 1,260

^o

C에 주입하였다. Y블록은 ASTM 규격 을 참고하여 CO

2

주형법으로 mold(주형)를 제작하였다. 주 입 완료된 Y-block의 일부분을 절단하여 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP, Inductively coupled plasma spectrometer) 를 이용하여 규소, 망간, 인, 알루미늄에 대한 성분을 분석하 였으며, 탄소와 황 성분은 탄소/황 분석기(Carbon/Sulfur determinator) 를 이용하여 탄소와 황 성분을 분석하여 그 결 과는 Table 1에 나타내었다.

2.2 미세조직 관찰

조성이 다른 각 시편을 광학현미경, 주사전자현미경, 전계 방출 전자탐침미량분석기를 이용하여 관찰하였다. #150,

#300, #600, #1,500, #2,000 순으로 기계적 연마를 실시한 후 6 µ m 와 3 µ m 의 다이아몬드 연마제를 이용하여 순차적으로 연마천에서 정마를 하였다. 광학현미경(Carl zeiss, Axio observer. D1m)으로 100배에서 흑연 및 기지 조직을 관찰하 였으며, 3% 나이탈(Nital, 97%C

2

H

₅

OH–3%HNO

₃

) 을 이용하 여 수초 동안 부식하여 미세조직을 관찰하였다. 또한 시편의 미세표면을 관찰하기 위하여 주사전자현미경(Carl zeiss, Gemini300)을 이용하여 미세조직 관찰 및 EDS 분석을 하 였다.

알루미늄 함량에 따른 알루미늄 주철의 미세조직의 원소의 종류 및 분포를 확인하기 위하여 전계방출 전자탐침미량분석 기(EPMA, Field emission electron probe micro-analyzer) 을 JEOL사 JXA-8530F 기기를 사용하여 분석하였다. 가속 전압을 8kV로 측정하였으며, Probe Current는 0.05μA로 설 정하였다. 영상은 SEI mode로 촬영하였으며, 알루미늄 함량 에 따른 알루미늄의 분포를 확인하기 위하여 mapping을 실 시하여 비교·분석하였다.

2.3 내산화성 실험

고주파 용해로 장비를 이용하여 0~4wt.% 알루미늄 첨가된 Fig. 2. Fraction of graphitized carbon in Fe-C-Al system[8].

Fig. 1. Area fraction change with increasing aluminum content[8].

(3)

시편을 활용하여 내산화성 실험을 진행하였다. 알루미늄 함량 에 따른 내산화성 실험을 위하여 준비된 시편을 가급적 동일 한 크기(12×12×12mm)로 절단한 후 200번까지 기계적 연마 기를 사용하였다. 시편을 가급적 동일한 크기로 절단한 이유 는 내산화성 실험을 위하여 사용하는 전기로에서 시료의 물 리적 변화로 생기는 무게 변화가 발생할 때 동일한 크기로 절단되어야만 단면적에 따른 무게 변화 신뢰성 있는 데이터 를 확보할 수 있을 것으로 판단되었다. 기계적 연마한 시편 을 전자저울을 이용하여 각 시편의 무게를 측정하여 내산화 성 실험 후 무게 변화를 관찰하였다. 무게를 측정할 때 전 자저울을 사용하였고, 소숫점 넷째짜리까지 측정이 가능한 고 정밀 전자저울을 사용하였으며, 시편을 측정할 때마다 영점조 정을 진행하여 보다 신뢰성 있는 값을 갖도록 노력하였다.

이때 산화량 측정법은 다음과 같은 식 (1)로 계산할 수 있 다[9].

(1)

여기에서,

W: 산화생성물량(mg/cm

²

) W

x

: 일정시간 유지 후 중량(mg)

W

s

: 산화시험 전 중량(mg)

A

0

: 산화시험 전 시편의 표면적(cm

²

)

무게측정을 완료한 시편을 일반 전기로를 이용하여 내산화 성 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 상온에서 목표 온도까 지 5

^o

C/min으로 승온 후 목표 온도 500

^o

C, 600

^o

C, 700

^o

C 에서 300분 동안 진행하였으며, 대기 분위기에서 내산화성 실험을 진행하였다. 내산화성 실험 온도의 경우 저 합금 알 루미늄 내열 주철(0.6~1.5wt.%)의 경우 650

^o

C까지 내열성 을 가진다고 보고[10]된 자료를 바탕으로 결정하였다. 내산 화성 실험 완료 후 산화 전/후의 중량 변화를 측정하여 산 화량을 측정하였다. 또한 산화면이 손상되지 않도록 시편을 mounting한 다음 기계 연마 및 정마 한 후 광학현미경 및 SEM/EDS를 이용하여 산화층의 단면에 대한 산화층 관찰 및 두께 측정 그리고 상 분석을 실시하여 알루미늄 함량 및 산 화 온도 그리고 유지시간에 따른 내산화성 변화를 평가하였다.

3. 결과 및 고찰 3.1 미세조직 관찰

Fig. 4와 Fig. 5 그리고 Fig. 6은 주조 상태의 0~4wt.%

W W

_x

– W

_s

A

₀

---

=

Fig. 3. Casting process.

Table 1. Chemical composition of cast iron and Al-cast iron used in the present study.

alloy C Si Mn P S Al Fe

0 wt.% Al-Cast iron 3.3 2.07 0.39 0.10 0.010 - bal.

2 wt.% Al-Cast iron 3.3 2.08 0.43 0.10 0.020 2.13 bal.

4 wt.% Al-Cast iron 3.44 2.11 0.37 0.09 0.013 3.95 bal.

(4)

알루미늄 주철의 주조품의 미세조직을 관찰한 사진이다. Fig.

4 는 부식 전 미세조직 사진으로 알루미늄 함량에 따라 편상 흑연의 형상 및 길이가 다른 것을 알 수 있으며, 미세 조직 은 일반적으로 페라이트와 펄라이트 기지 조직으로 구성되어 있다. 알루미늄 첨가는 기지 조직의 페라이트의 부피 분율이 높은 것을 알 수 있다. 이는 알루미늄 함량이 증가함에 따라 흑연 조직에 미치는 냉각속도의 영향으로 인하여 펄라이트 및 페라이드 분율 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 알루미늄 함량이 증가함에 따라 편상 흑연의 크기는 감소하 고 양은 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 5는 나이탈 3%에 부식한 미세조직 사진으로 알루미늄이 함유되지 않은 주철의 미세조직은 전형적인 편상 흑연 주철의 미세조직을 나타내고 있다. 대부분 기지 조직은 펄라이트로 구성되어 있으며, 소량 의 페라이트 조직도 관찰되었다. 그리고 2wt.% 알루미늄 주 철과 4wt.% 알루미늄 주철의 미세조직의 경우 알루미늄 함 량 증가에 따라 편상 흑연의 형상 및 크기 차이가 있으며,

기지 조직의 경우 펄라이트 보다 페라이트가 많이 분포되어 있을 것을 알 수 있다. 이는 알루미늄 함유량이 증가할수록 펄라이트가 감소하면서 페라이트화 되고 있는 것을 알 수 있 다. 또한 흑연 주위에 알루미늄이 균일하게 분포되어 있지 않고 불규칙하게 축적되어 흑연의 형상이 균일하지 않게 확 산되고 흑연 형태가 변형되기 때문이다[11].

또한 Dendrite arm space에 입자 모양의 석출상이 관찰되 었다. (c) 그림에서 나타난 석출상을 EDS 분석한 결과를 Fig. 7 에 나타내었다. EDS 분석 결과 4wt.% 알루미늄이 함 유된 주철에서 나타난 석출 상의 경우 알루미늄을 함유한 화 합물로 나타났다. 각 합금에 원소가 어떻게 분포되어 있는지 확인하기 위하여 EPMA 분석을 하였다. Fig. 8은 알루미늄 함량에 따른 주철의 EPMA 분석 결과를 나타내었다. (a)는 알루미늄을 함유하지 않은 주철의 경우 일반적인 성분인 탄 소, 철, 규소의 성분이 검출되었다. (b)는 2wt.% 알루미늄이 함유된 주철과 (c)는 4wt.% 알루미늄이 함유된 주철에서 알

Fig. 4. Optical microscopy images of as-Cast : (a) 0 wt.%Al-Cast iron, (b) 2 wt.%Al-Cast iron, (c) 4 wt.%Al-Cast iron.

Fig. 5. Optical microscopy images of the as-cast etched by 3 % nital : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.%-Al cast iron.

Fig. 6. SEM images of the as-cast : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.% Al-cast iron.

(5)

루미늄 성분이 검출되었으며, 알루미늄의 경우 펄라이트 보다 페라이트 경계에 가까운 곳에 나타나는 것을 알 수 있다.

3.2 온도 및 시간에 따른 산화량 변화

산화의 첫 번째 단계는 일반적으로 산화가 가능한 환경에 노출된 흑연 플레이크의 산화에 의해서 시작된 다음 노출된

합금 원소의 산화로 진행되며, 산화가 진행되는 동안 중량은 감소하게 되는데, 이는 금속 산화에 비해 흑연의 산화 속도 가 빠르기 때문이다[12]. Fig. 9는 산화온 도 및 유지시간에 따른 산화성 실험 전/후의 중량 변화를 나타내었다. 산화량은 시편의 단위면적당 산화성 실험 전/후의 중량 변화를 나타내 는 것으로 산화된 정도를 나타내는 척도이다. Fig. 9의 (a)는 Fig. 7. Result of the 4 wt.% Al-cast iron EDS analysis.

Fig. 8. Result of the EPMA analysis of the as-cast : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.% Al-cast iron.

(6)

500

^o

C일 때의 알루미늄 함량에 따른 중량 변화를 나타내었 다. 시간이 증가함에 따라 산화량이 증가하거나 다소 감소하 는 것을 알 수 있다. 이는 표면 박리 및 실험에 따른 오차 로 판단된다. (b)는 600

^o

C일 때의 알루미늄 함량에 따른 중 량 변화를 나타내었으며, 500

^o

C와 동일하게 시간이 증가함에 따라 산화량이 증가며, 생성되는 양도 더 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만, 4wt.% 알루미늄 주철은 500

^o

C 에 비해 산 화량이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 600

^o

C에서의 표면 에 알루미늄계 산화물을 생성하여 철계 산화물 생성을 저해 하는 요소로 생각할 수 있다. (c)는 700

^o

C 일 때의 알루미늄 함량에 따른 중량 변화를 나타내었다. 700

^o

C 의 경우 앞서 설명한 두 온도보다 산화량이 큰 폭으로 증가하는 것을 알

수 있다. 특히 0wt.% 알루미늄 및 2wt.% 알루미늄 주철은 700

^o

C일 때 표면에 생성된 산화량 생성량이 크게 증가하는 것을 볼 때 알루미늄계 산화물보다는 철계 산화물(FeO, Fe

₃

O, Fe

₂

O

₃

) 의 생성이 늘어난 것으로 사료된다.

Fig. 10 은 산화 온도 및 유지시간에 따른 표면에 생성된 산화층의 두께를 그래프로 나타내었다. 시편 모두 산화온도가 높을수록 산화층의 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. (a)는 500

^o

C 일 때 알루미늄 함량 및 시간에 따른 산화층 두께를 그래프로 나타내었다. 500

^o

C 의 경우 0~4wt.% 알루미늄 주 철의 표면에 생성된 산화층의 두께는 시간이 증가함에 따라 Fig. 9. Weight gain of the different depending on aging time and

type of alloys : (a) 500

^o

C, (b) 600

^o

C, (c) 700

^o

C.

Fig. 10. Oxide layer thickness depending on aging time and type of

alloys : (a) 500

^o

C, (b) 600

^o

C, (c) 700

^o

C.

(7)

산화층 두께 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 초기 30분 에서는 산화층의 두께 차이가 크게 발생하지 않지만, 300분 의 경우 최소 두께 대비 약 2배 산화층이 증가한 것으로 나 타났다. (b)는 600

^o

C일 때 알루미늄 함량 및 시간에 따른 산화층 두께를 나타내었다. 500

^o

C 보다 표면에 생성되는 산 화층 두께가 다소 증가하는 것으로 보인다. 그림에서 나타낸 산화층 두께의 경우 500

^o

C, 600

^o

C, 700

^o

C 산화층 두께에 대한 두께 범위를 동일하지 않은 scale로 나타내어 상대적으 로 산화층 두께에 대한 차이가 크지 않게 보이지 않지만, 실 제 알루미늄 함량에 따라 약 2배 이상 차이가 난다. (c)는 700

^o

C일 때의 알루미늄 함량 및 시간에 따른 산화층 두께를 나타내었다. 700

^o

C의 경우 다른 온도에 비해 표면 산화층의 두께가 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있었다. 알루미늄이 함 유하지 않은 주철의 경우 온도 300분일 때 표면 산화층 두 께가 약 55 µ m 까지 생성되었으며, 알루미늄이 2wt.% 함유된 주철의 경우에도 37 µ m까지 산화층이 생성되었다. 하지만 4wt.% 알루미늄 주철은 다른 두 합금과 비교할 때 적은 산 화층이 생성되었으며, 그 두께는 약 13 µ m 로 나타났다. 이는 표면에 알루미늄계 산화물 생성으로 인하여 다른 합금에 비 해 산화층 두께가 감소한 것으로 판단되다.

3.3 산화층 단면 미세조직 분석

고온에서의 주철은 대기 중의 산소와 반응하여 표면에 Fe

₃

O

_4,

FeO, Fe

₂

O

₃

등의 철산화물을 형성하게 된다. 철산화물 이 재료 표면에 생성될 경우 고온 열 피로 환경에서 균열 생성을 용이하게 하여 재료의 피로 수명을 악화시킨다[13].

흑연 주철에서는 규소 함량을 높여 보다 안정한 SiO

2

, Fe

₂

SiO

₄

산화막을 형성시킴으로써 산화량을 감소시키고 산화 층의 박리를 방지하도록 한다. 하지만 규소의 함량이 높아질 경우 강도, 충격 값 등의 저하를 가져오기 때문에 그 양을 무한정 늘릴 수 없다. 본 연구에서는 규소 외 알루미늄을 첨 가하여 알루미늄계 산화물을 통한 산화막을 형성하였다.

Fig. 11의 (a)는 산화 온도 500

^o

C에서 0wt.% 알루미늄 주철의 단면 미세조직 사진을 나타내었다. 산화 시간이 증가 함에 따라 표면에 생성되는 철계 산화층은 증가하고 있으며, 300분의 경우 표면 박리현상도 발생하는 것을 알 수 있었다.

(b)와 (c)는 2wt.% 알루미늄 주철과 4wt.% 알루미늄 주철의 미세조직 관찰 사진으로는 시간에 따른 철계 산화층 및 알루 미늄계 산화층 여부는 판단하기 어렵다. Fig. 12의 (a)는 알 루미늄이 함유되어 있지 않게 때문에 대기 중의 산소와 반응 하여 표면에 FeO, Fe

3

O

₄

, Fe

₂

O

₃

등의 철계 산화물이 형성되

Fig. 11. Cross section SEM image after aging at 500

^o

C : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.% Al-cast iron.

(8)

었다고 판단된다. 그리고 주철 성분 중 규소 함유량에 따라 표면에 SiO

2

, Fe

₂

SiO

₄

산화막을 형성 할 가능성도 있다. 그 러므로 0wt.% 알루미늄 주철의 유지시간 30분과 100분의 표면에 관찰된 표면층의 경우 철계 산화물과 규소계 산화층 로 판단되며, 생성된 산화층의 정량적인 분석을 위한 EDS 분석이 필요할 것으로 사료된다. (b)는 2wt.% 알루미늄 주철 의 미세조직 사진으로 유지시간에 따라 철계 산화층이 감소 하고 있으며, 알루미늄계 산화층은 증가하는 것을 알 수 있 다. (c)는 4wt.% 알루미늄 주철의 미세조직 사진으로 전 영 역에서 표면 박리현상이 일어나는 것을 알 수 있으며, 박리 현상은 유지 시간이 증가할수록 심화되는 것을 알 수 있다.

600

^o

C에서 2wt.% 알루미늄 주철의 미세조직으로는 표면에 생성된 산화층의 구분을 할 수가 없으며, EDS 분석을 통해 정량적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. Fig. 13의 (a)는 0wt.% 알루미늄 주철의 미세조직 사진으로 유지시간이 증가 할수록 철계 산화층이 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있으 며, 또한 규소계 산화층 영역도 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있다. (b)는 2wt.% 알루미늄 주철의 미세조직 사진으로 유지시간이 증가할수록 철계 산화층 및 알루미늄계 산화층이 증가하는 것을 알 수 있다. (c)는 4wt.% 알루미늄 주철 조

직 사진으로 유지시간이 증가할수록 철계 산화층 및 알루미 늄 산화층이 증가하는 경향을 나타내고 있다. 하지만 알루미 늄 함량이 증가할수록 표면에 생성된 철계 산화층의 생성 및 두께는 감소되는 것을 알 수 있으며, 철계 산화층보다는 알 루미늄계 산화층 생성이 증가하는 것을 알 수 있다. SEM을 이용한 단면 미세조직 결과를 토대로 표면에 생성된 산화물 의 종류 및 성분 그리고 성분비를 EDS mapping 분석을 진행하였다.

3.4 산화층 산화물 분석

Fig. 14 는 700

^o

C 분위기에서의 알루미늄 함량에 따른 표

면 산화물의 형성과 성분비를 정량적으로 분석하기 위하여

EDS 및 mapping 분석하였다. (a)의 0wt.% 알루미늄 주철

의 mapping 분석 결과 철계 산화물 및 규소계 산화물로 나

타났으며, 규소계 산화물이 내부로 깊이 진행된 것도 관찰되

었다. EDS 분석 결과를 보면 탄소와 철이 대부분을 이루고

있으며, 하부는 규소의 함량이 약 3.44wt.%로 나타났다. 이

는 표면에서 아래쪽으로 산화된 것은 규소계 산화물에 의한

산화층으로 사료된다. (b)는 2wt.% 알루미늄 주철에 대한

EDS 및 mapping 결과 표면 산화층의 상부 및 하부에 산소

Fig. 12. Cross section SEM image after aging at 600

^o

C : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.% Al-cast iron.

(9)

와 규소가 대부분을 이루고 있으며, 하부는 산소와 철이 대 부분을 이루고 있는 것을 알 수 있다. (c)은 700

^o

C 의 4wt.%

알루미늄 주철에 대한 EDS 및 mapping 결과를 나타내었다.

700

^o

C 에서 알루미늄이 4wt.% 함유될 경우 알루미늄에 의한 산화물과 규소에 의한 산화물이 나타났다. EDS 분석 결과를 보면 알 수 있듯이 상부 산화층 분석 시 탄소, 철, 산소가

Fig. 13. Cross section SEM image after aging at 700

^o

C : (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.%-Al cast iron.

Fig. 14. Result of the EDS analysis of the as-cast 700

^o

C: (a) 0 wt.% Al-cast iron, (b) 2 wt.% Al-cast iron, (c) 4 wt.% Al-cast iron.

(10)

주 원소로 분석 되었지만, 하부 산화층 분석의 경우 알루미 늄과 규소 원소가 다량으로 함유된 것을 알 수 있다. 이는 산화 온도가 높고 유지시간이 증가할수록 알루미늄과 규소의 산화반응 및 속도가 크게 작용하여 표면에 다량의 알루미늄 및 규소 산화층이 형성된 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 알루미늄이 함유된 주철을 이용하여 온도 및 유지시간에 따른 내산화성 실험을 진행하여 산화 전/후

중량 변화 및 산화층 분석을 하였다. 실험 결과에 대한 정량 적인 결과를 얻기 위하여 미세조직 관찰 및 상 분석을 통하 여 표면에 생성되는 산화층의 형상과 성분 분석을 진행하여 온도 및 유지시간 그리고 알루미늄 함량에 따라 표면에 생성 되는 산화층 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있 었다.

1) 알루미늄 주철의 미세조직의 경우 기지 조직은 펄라이

트와 페라이트로 구성되어 있으며, 알루미늄 함량이 증가할수

록 기지 조직의 페라이트 분율이 증가하는 것을 알 수 있었

다. 또한 흑연 주위에 알루미늄이 균일하게 분포되어 있지

Fig. 14. Continued.

(11)

않고 불규칙하게 축적되어 흑연의 형상이 균일하지 않게 확 산되고 형태가 변형된 것을 알 수 있다.

2) 4wt.% 알루미늄 주철의 페라이트 경계에 가까운 곳에 석출물이 생성되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, EDS 및 EPMA 분석 결과 알루미늄을 다량 함유한 FeAl계 금속간 화합물로 나타났다.

3) 온도 및 유지시간에 따른 산화량 분석 결과의 경우 산 화 전/후 중량 변화 및 산화층 두께는 온도가 높을수록 증가 하는 것을 알 수 있었다. 산화층 단면의 경우 알루미늄 함량 이 증가하고 온도 및 유지시간이 증가할수록 표면에 생성되 는 산화층이 증가된 것을 알 수 있다. 또한 알루미늄을 함유 하지 않은 주철에 비해 알루미늄이 함유된 주철에서 철계 산 화물이 감소되는 것을 알 수 있다.

4) 산화층 단면에 대한 EDS 및 mapping 분석 결과 알루 미늄이 함유되지 않은 주철의 경우 철, 탄소, 산소, 규소, 망 간을 함유하고 있을 것을 알 수 있다. 그리고 표면에 미세하 게 규소를 함유한 산화물이 생성된 것으로 보인다. 이는 규 소로 인하여 보다 안정한 SiO

2

, Fe

₂

SiO

₄

산화막을 형성시킴 으로써 산화량을 감소시키는 역할을 하고 있는 것으로 판단 된다. 알루미늄을 함유한 주철의 경우 온도 및 유지시간이 증가할수록 알루미늄에 의한 내부 산화층 두께가 증가하고, 표면에 생성되는 철계 산화층의 양이 감소하였다.

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