國 民大 學 校 大 學 院

碩 士 學 位 論 文

용 융 A l 합 금 에 의 한 강 의 용 손 거 동 에 탄 소 함 량 변 화 가 미 치 는 영 향

(T h e E f f e c t of Carb o n o n t h e D i s s olu t i o n B e h av i or of C arb on S t e e l

in a M olt e n A lu m in u m A ll oy .)

國 民大 學 校 大 學 院

金 屬 材 料 工 學 科

黃 盛 夏

200 1

용 융 A l 합 금 에 의 한 강 의 용 손 거 동 에 탄 소 함 량 변 화 가 미 치 는 영 향

(T h e E f f e c t of Carb o n o n t h e D i s s olu t i o n B e h av i or of C arb on S t e e l

in a M olt e n A lu m in u m A ll oy .)

指 導 敎 授 金 容 奭

이 論 文 을 碩 士 學 位 請 求 論 文 으 로 提 出 함

20 0 1年 12月

國 民 大 學校 大 學院

金 屬 材 料 工 學 科

黃 盛 夏 의

碩 士 學 位 請 求 論 文 을 認 准 함

200 1年 12月

審 査 委 員 長

審 査 委 員

審 査 委 員

國 民 大 學校 大 學院

목 차

L i s t o f F ig u re s ^ⅲ

L i s t o f T ab le s ⅵ

제 1 장 . 서 론 1

제 2 장 . 실 험 방 법 4

2.1. 시편제작 4

2.2. 전처리 과정 5

2.3. 용손량 분석 및 미세조직 관찰 5

제 3 장 . 결 과 및 고 찰 7

3.1. 용융 A l 합금 내에서 고체 금속의 용해 7

3.1.1. 탄소 함량에 따른 용손량 분석 7

3.1.2. 침지 시간에 따른 용손량 분석 9

3.1.3. 탄소 함량에 따른 용해속도 상수 변화 9 3.2. 용융 금속 내에서 고체 금속의 사이층 성장 14

3.2.1. 탄소함량에 따른 사이층 두께의 변화 14

제 4 장 . 결 론 33

제 5 장 참 고 문 헌 36

A B S T R A CT 38

감 사 의 글 39

L i s t o f F ig u re s

F ig . 3.1 V ariation of w eight los s as a function of carbon cont ent in v ariou s cylindrical specim en s .

F ig . 3.2 V ariation of w eight los s of disk - sh aped specim en s w ith v arying carbon content as a function of dipping tim e in the m olt en Al- Si- F e alloy .

F ig . 3.3 A plot of ln (Cs/ Cs - C)・v/ s ag ain st dipping tim e for v arying carbon content in the molten Al- Si- F e alloy .

F ig . 3.4 V ariation of interlayer thicknes s of cylin drical specim en s t est ed under different rot ation speed con dition s as a function of carbon cont ent . T he rot ation speed w as 16 rpm .

F ig . 3.5 Microgr aph s of interlayer s form ed on steel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 10min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a ) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

speed of 16 rpm at 660℃.: (a ) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.7 Microgr aph s of interlayer s form ed on steel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 40min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.8 V ariation of int erlay er thicknes s form ed on st eel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy rot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃ w ith dipping time .

F ig . 3.9 A plot of m²/ 2 ag ain st dipping tim e for v arying carbon content in the m olt en Al- Si- F e alloy .

F ig . 3.10 Microgr aph s of interlay er s formed on st eel specim en s dipped in m olt en pure Al for 10min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 700℃.: (a) SM 20C, (b ) ST C3

F ig . 3.11 V ariation of alloyin g elem ent (C, Al, Si, F e) content in different location s of the interlay er of specimen s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 10 min , rot ated at the speed of 16 rpm at 660℃. T he cont ent w as an alyzed through EDS point an aly ses .: (a ) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.12 EPMA line an aly sis of specim en s dipped in molten Al- Si- F e alloy for 10 min , rot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a ) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.13 V ariation of micro vicker s h ardnes s at different location s of the interlayer , specimen , and alloy lay er of cylindrical specim en s dipped in m olten Al- Si- F e alloy for 10 min , n on - r ot at ed and rot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃

as a function of carbon cont ent .

제 1 장 서 론

표면 코팅은 국부적인 환경조건에 대해 효과적인 보호방법이다.

또한 표면 코팅은 특별한 요소에 적합한 기지의 물리적, 화학적 또 는 전기적 특성을 바꾸는데 적용될 수 있다^{[ 1 ]}. 용융 Al 또는 Al 합금 의 코팅(HDA , Hot Deeping Aluminizing )은 강판에 내부식성 및 내 산화성을 제공하는데 적용되는 공정으로서, 강판의 수명 및 한계온 도를 연장시켜준다. 용융 Al도금은 흔히 steel strip에 적용되고 연속 공정작업에서 실행된다^{[ 2 , 3 ]}. 그러나, HDA 공정 중에 강판을 이송하 는 Pot Roll 설비의 저널베어링 구동요소인 슬리브와 부시가 극심하 게 침식・마멸됨으로써 Pot Roll 설비를 빈번하게 교체・정비해야하 는 문제가 초래되고 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 수 행되었다.

HDA 공정 중에 작용하는 변수를 살펴보면, 용융 금속 내에 첨가 되는 합금 성분의 함량, 용융 금속의 온도, 마지막으로 HDA 공정 속도 및 시간 등이 있다. HDA 공정 중 강판의 표면 성질을 우수하 게 하기 위해, 용융 금속 중에 다른 원소가 첨가된다. 특히, 용융 Al 합금에 의한 공정은 강판의 표면에 생성되는 반응생성물 층의 성장 억제와 표면의 강도를 증가시키기 위해, 용융 Al에 Si를 첨가하여 강판을 코팅하고 있다. 이전에 발표된 연구결과에 의하면, Si는 용융 Al에 첨가됨으로써 사이층 두께를 감소시키고, 또한 그 함유량이 증 가할수록 사이층 두께는 더욱 감소한다고 보고되었다^{[4 ～ 6 ]}. 그러나, Sh ady와 그 동료들은 용융 Al 안에 8%까지의 Si 함량은 사이층의 두께를 감소시키지만, 그 이상의 Si 함량은 사이층 두께의 감소 효과

가 없다고 보고하였다^{[7 ]}. 그러나, 용융 Al 합금 안에서 구동되고 있 는 저널베어링은 용융 금속 내에 Si의 존재에도 불구하고, 많이 손상 되어 파손되고 있는 실정이다. 실제로 Si의 첨가로서 미치는 영향은 우선 강 재질의 용손량을 감소시키고, 강도를 증가시키는 역할을 하 는 것으로 현장에서 보고되었다. 따라서 재료 내에 Si의 첨가는 제품 생산에 있어서 영향을 미칠 수 있고, 이러한 부품은 다른 코팅 조건 에서도 사용 가능해야 하기 때문에 재료 내에 다른 합금 성분을 첨 가해야 한다. 저널베어링으로 가장 많이 사용되고 있는 재료는 AISI 52100이며, 조성은 (0.98～1.10%)C- (0.20～0.35)Si- (0.25～0.45)Mn - (～

0.025)P - (～0.025)S - (～0.25)Ni- (1.30～1.60)Cr - (～0.08)M o- (～0.35)Cu 이다. 이 재료 내에 가장 많이 함유되어 있는 원소는 Cr과 C이다.

Cr은 내식성 향상에 우수한 성분임은 이미 알려져 있고, 용융 Al 합 금 내에서 미치는 영향도 이전 연구에서도 많이 언급하였다^{[8 , 9 ]}. 그 러나, Cr과 비슷하게 함유되어 있는 탄소에 대해서는 이전 연구에서 언급되지 않았다. 일반 강에서 탄소의 함량 증가는 재료의 기계적 성질에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

용융 금속의 온도는 재료 표면에서의 사이층 성장과 용융 Al 합금 으로의 용손량에 영향을 주는 요소로서, 이전 연구결과에서 많이 언 급하였으며 Fick의 법칙에 의해서도 온도에 의존하는 함수임을 알

수 있다^{[ 10 ]}. 또한 용융 금속 내에 재료의 침지 시간 변화에 따른 사

이층의 성장과 용손량에 대한 연구 결과도 이전 연구에서 많이 언급 하였다. 따라서, 본 연구는 용융 Al 합금 내에서, 탄소의 함량이 미

함량과 용융 Al 합금 내에 재료의 침지 시간을 변수로 하여, 용손량 및 사이층의 두께 변화를 측정하였고, 용손량과 사이층의 두께와의 관계를 분석하였다. 또한 성분 함량의 영향을 보기 위해 EDS 분석 및 EPMA 분석, 경도 측정을 행하였다.

제 2 장 실 험 방 법

2 . 1 . 시 편 제 작

본 연구에 사용된 소재는 탄소 함량에 따라 4가지이며, 시편의 조 성은 무게비(wt .%)로 표 2. 1과 같다. 직경 10mm의 원형봉 소재는 균질화 처리 후 높이 10mm의 원형디스크로 가공되었고, 소재 표면 은 SiC 연마지로 #2000까지 연마되었다. 용융된 Al합금의 조성은 실 리콘이 약 9 wt .%, 철이 약 1 wt .%, 함유된 Al 합금이고, 알루미나 도가니에 장입될 수 있도록 적당한 크기로 가공되었다.

T able. 2.1 Chemical composition of the m aterials u sed in the pres ent study (w t .%)

C S i P M n S Cr N i Cu

S M 2 0 C 0.2021 0.21 0.017 0.53 0.0261 0.035 0.019 0.017 S M 4 5 C 0.456 0.22 0.013 0.73 0.04911 0.12 0.066 0.12

0 .9 w t .%C 0.9 0.17 0.0053 0.29 0.002 - - -

S T C3 1.103 0.16 0.0084 0.36 0.00249 0.14 0.058 0.12

2 . 2 . 전 처 리 과 정

Al- Si- F e 합금이 용융되는 동안, 진공용기 내에서 예열되던 시편 표면에는 산화가 일어난다. 그 예열 중에 시편의 산화방지를 위해, 시편의 전처리를 통하여 이 문제를 해결할 수 있었다. 행해진 시편 의 전처리 과정은 탈지과정(60℃의 3% Na²CO³용액에 5분 침지), 세 척과정(60℃의 10% HCl용액에 5분 침지), fluxing (70℃의 30% KCl, 30% N aCl, 10% LiCl, 10% KI, 10% KBr , 10% N aF 혼합 포화용액 에 5분 침지) 처리를 하였다^{[ 1 ]}.

2 . 3 . 용 손 량 분 석 및 미 세 조 직 관 찰

Al- Si- F e 합금은 용융되면서 산화됨으로, 알루미나 도가니 안에 Al- Si- F e .합금은 용제(flux )와 함께 용해되었다. 용손 시험시 용융 Al- Si- F e 합금의 온도는 660℃로 일정하게 유지되었다. 전처리된 시 편들은 회전축과 흑연 홀더(gr aphite holder ) 안에 밀어 넣어진 상태 로 용융 Al- Si- F e 합금 내에 담겨져 시편의 밑면만 반응하도록 용 손 시험되었다. 용융 Al- Si- Fe 합금이 660℃에 도달하면 시편은 용 제(flux ) 층에서 500sec 동안 예열 후, 용손 시험은 시편의 침지 시 간을 변수로 하여 시험되었다. 용손 시험 후, 시편은 냉각팬(cooling fan )으로 급냉되었고, 흑연 홀더와 분리되었다. 시편 표면의 Al- Si- F e 합금을 제거하기 위해, 용손 시험된 시편은 90℃의 2 w t .% NaOH 용액 내에 담겨졌다. 시편 표면의 Al- Si- F e 합금을 제

거한 후, 시편은 중화처리를 위해 10% HCl 용액에 담겨졌다. 중화처 리 후, 시편의 용손량은 10^{- 5}의 정밀도를 갖는 고정밀 저울을 이용하 여 측정되었다^{[ 1 , 1 1 ]}.

미세조직 관찰을 위해, 용손 시험된 시편은 절단되었고, 정밀 연마 후 광학현미경로 관찰되었다. 시편의 표면에 생성된 반응 생성물층 을 관찰하기 위해 3% nit al과 0.5% HF 용액을 혼합한 부식액(에칭 액)을 사용하였다^{[ 1 ]}. 반응층의 각 위치별 탄소 및 다른 원소들의 성 분 함량을 상대적으로 비교하기 위해 EDS (Ener gy Disper siv e X - r ay Spectroscopy )분석 및 EPMA (Electron Pr obe Micr oan aly zer ) 분석을 행하였고, 반응층의 위치별 경도(Vickers hardernes s test )를 측정하여 반응기구와 성분 원소의 영향을 규명하였다.

제 3 장 결 과 및 고 찰

3 .1 . 용 융 A l 합 금 내 에 서 고 체 금 속 의 용 해

3 .1 .1 . 탄 소 함 량 에 따 른 용 손 량 분 석

본 연구는 탄소의 함량이 용손량에 미치는 영향을 살펴보기 위해, 660℃의 용융 Al 합금 내에서 용손량 분석을 행하였다. 시편은 봉형 시편으로서, 용융 Al합금 내에서 비회전과 회전 상태로 시험되었으 며, 그 결과는 Fig . 3. 1과 같다. Fig . 3. 1은 660℃의 용융 Al 합금 내에서 탄소 함량의 차이가 있는 시편을 회전과 비회전 상태로 10분 동안 침지시킨 후의 용손량을 보여주고 있다. 비회전 상태에서는 탄 소함량이 증가함에 따른 용손량은 별다른 차이를 보이지 않았다. 그 러나, 회전 상태에서는 탄소함량이 증가함에 따른 용손량이 감소함 을 알 수 있다. 회전과 비회전 상태 또는 회전 속도에 따라 강재의 용손량 차이가 나는 결과는 이전에 발표된 연구 결과에서도 보고되

어 있다^{[8 , 9 , 1 2 , 13 ]}. 이러한 결과를 보았을 때, 회전력이 용융 Al 합금

으로의 F e 확산을 가속화시킨다는 것을 예상할 수 있었고, 0.2 w t .%C에서 1.1 w t .%C까지의 탄소함량의 차이에 따라 용손량이 변 하는 것으로 시편 내에 탄소가 용손량에 영향을 미치는 것을 예상할 수 있다.

F ig . 3.1 V ariation of w eight los s as a function of carbon cont ent in v ariou s cylindrical specim en s .

3 .1 .2 . 침 지 시 간 에 따 른 용 손 량 분 석

본 연구에서는 탄소가 용융 Al 합금으로의 F e 확산에 미치는 영 향을 자세히 관찰하기 위해 SM20C, SM45C, 0.9 wt .%C, ST C3의 네 시편에 대해 침지 시간을 변수로 하여 용손량을 측정해 보았다. Fig . 3. 2는 660℃의 용융 Al 합금 내에 원형판 시편을 16rpm의 속도로 회전하여 침지 시간에 따른 용손량을 측정한 결과를 보여주고 있다.

용융 Al 합금 내에 시편의 침지 시간이 증가함에 따라 용손량은 증 가하였고, 또한 시편내의 탄소함량이 증가함에 따라 용손량이 감소 하였다. 특히 침지 시간이 증가함에 따라 용손량의 증가폭은 탄소함 량이 증가할수록 작은 것을 볼 수 있다. 네 시편의 시간당 용손정도 를 관찰하기 위해 네 시편의 시간당 증가하는 용손량 기울기를 구해 본 결과, SM20C는 1.89805×10^{- 7}g/ mm²/ s ec, SM45C는 1.14715×

10^{- 7}g/ mm²/ min , 0.9 w t .%C는 1.26135×10^{- 7}g/ mm²/ min , ST C3는 1.03802×10^{- 7}g/ mm²/ min의 값을 보였다. 이러한 결과는 탄소함량이 증가함에 따라 용손량이 감소한다는 사실과 탄소 함량이 용손량 감 소에 영향을 미친다는 사실을 다시 한번 확인시켜 주는 결과이다.

또한, 침지 시간이 증가함에 따른 용손량의 기울기가 커지는 것은 탄소 함량이 용손량에 영향을 미친다는 사실을 뒷받침한다.

3 .1 .3 . 탄 소 함 량 에 따 른 용 해 속 도 상 수 변 화

앞서 언급했듯이, 탄소 함량에 따른 용손량의 변화를 자세히 관찰 하기 위해 용해속도 상수를 구해 보았다. 용융 금속 내에서 고체 금

F ig . 3.2 V ariation of w eight los s of disk - sh aped specim en s w ith v arying carbon content as a function of dipping tim e in the m olt en Al- Si- F e alloy .

속의 용해는 이전의 연구 결과에서 많이 언급하였고, 용해된 금속의 농도는 다음의 Nernst - Shchukarev 식에 의해 설명된다^{[4 , 8 , 10 , 1 2 , 14 ,}

15 ].

d C

d t = k ₁ s

V ( C_s- C) (1)

식(1)에서 C는 용융 금속 내 용손 과정 중의 순간농도(wt .%), C^s는 포화농도(wt .%), k¹은 용해 속도 상수(m/ s ), s는 시편 disc의 표면적 (㎡), V는 용액의 부피(㎥)를 나타낸다. 이 식을 적분하면(초기농도 C=0, t =0), 다음의 식이 얻어진다.

C = C_s[ 1 - ex p ( k 1st

V ) ] (2)

t는 용융 금속 내에 시편이 침지된 시간(s ec)을 나타내고, 용융 금속 안에 용해된 금속의 농도는 시간에 따라 지수적으로 변한다.

ln [ C_s

C _s- C ] = k ₁( s t

V ) (3)

고체 금속의 용해 과정은 용융 금속과 고체금속 사이의 계면에 생 성되는 반응 생성물 층과 연관되어지고, 반응생성물 층에 관한 내용 은 3.2절에서 다룰 것이다. 용융 금속과 고체 금속이 접촉함으로써, 생성되는 반응 생성물 층은 용손량 변화에 큰 영향을 미친다. 즉 반 응생성물 층의 생성이 많아질수록 재료 내의 F e는 많이 확산되어 나 간다는 것을 의미한다. 실제로, 용해된 금속의 농도는 반응생성물 층 을 제외하고 용융 금속 내에 어느 부분에서든지 균일할 것이고, 반 응생성물 층에서 용해된 금속의 농도는 고체 금속으로부터 용융 금 속까지 고액 계면에 대해 수직방향 선형적으로 증가한다. 따라서, 다 음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

c

x = c - c_s

(4)

여기서 δ는 반응 생성물 층의 두께이고, 식 (4)를 Fick ' s first law 에 대입하면 유속 j는

j = D

( c - c_s) (5)

D는 확산계수를 나타내며, 유속 j를 고려하면 다음과 같이 쓸 수 있 을 것이다.

j = v

s d c

d t (6)

식 (1)은 이후에 얻어진다^{[ 10 ]}.

이전에 언급한 연구 결과를 바탕으로, 본 연구는 식 (3)을 이용하 여 용해속도 상수를 구해보았다. Fig . 3. 3은 이렇게 구한 용해속도 상수를 나타낸 것이다. 앞서 분석한 것처럼 탄소 함량이 용해속도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. Fig . 3. 3에서 볼 수 있듯이, 침지 시간이 증가함에 따라 용해속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 침지 시간의 증가와 함께 탄소함량이 증가할수록 용해속도 상수의 감소폭이 작아지는 것을 알 수 있다. 이 그래프의 기울기는 앞서 언 급한 식 (1)에서의 용해속도 상수 k ₁을 나타낸다. 용해속도 상수 k ₁

을 구해본 결과, SM20C는 9.20881×10^{- 6}m/ s , SM45C는 4.10766×

10^{- 6}m/ s , 0.9w t .%C는 4.6186×10^{- 6}m/ s , ST C3는 3.79804×10^{- 6}m/ s를 나타내었다. 전체적으로 탄소함량이 증가할수록 용해속도 상수가 감 소하였고, 그 감소폭은 SM20C와 SM45C에서 가장 크게 보였다. 여 기서도 탄소함량의 차이가 용해속도에 영향을 미치는 것을 다시 한 번 확인할 수 있다.

F ig . 3.3 A plot of ln (Cs/ Cs - C)・v/ s ag ain st dipping tim e for v arying carbon content in the molten Al- Si- F e alloy .

3 .2 용 융 금 속 내 에 서 고 체 금 속 의 사 이 층 성 장

3 .2 .1 . 탄 소 함 량 에 따 른 사 이 층 두 께 의 변 화

앞서 기술했듯이, 탄소 함량이 증가함에 따라 용손량이 감소하고, 용해속도 상수 또한 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 현상을 통하 여, 탄소 함량이 용융 금속 안으로 F e 확산에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 연구는 용융 금속 안으로 Fe 확산에 영향 을 미치는 것으로 예상되어지는 반응 생성물 층의 변화를 관찰하고 자 한다.

F ig . 3. 4는 660℃의 용융 Al 합금 내에서 탄소 함량의 차이가 있 는 시편을 회전과 비회전 상태로 10분 동안 침지시킨 후의 반응 생 성물 층의 두께 변화를 보여주고 있다. 용융 금속과 고체 금속사이 에 생성된 반응 생성물 층인 사이층의 두께변화는 비회전한 경우, 탄소 함량이 증가함에 따른 사이층의 두께에서 약간의 감소가 있는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나, 회전한 경우 탄소의 함량이 증가함 에 따라 사이층의 두께가 크게 감소하는 것을 볼 수 있다. 3. 1절에 서 관찰했듯이, 탄소 함량 변화에 따른 용손량의 변화도 사이층의 두께 변화와 비슷한 거동을 보였다. 따라서, 본 연구 결과에서, 사이 층 두께가 감소하면 용손량이 감소하는 현상을 확인할 수 있었다.

이러한 현상을 좀 더 자세히 관찰하기 위해, 탄소 함량이 다른

F ig . 3.4 V ariation of interlayer thicknes s of cylin drical specim en s t est ed un der different rot ation speed condition s as a function of carbon cont ent . T he rot ation speed w as 16 rpm .

을 관찰한 조직 사진을 보여주고 있다. 각각의 조직사진에서 볼 수 있듯이, 용융 Al 합금 내에 시편의 침지 시간이 증가할수록 사이층 의 두께가 증가하는 것을 관찰할 수 있는데, 이러한 현상은 이전 연 구 결과에서도 많이 발표되었다^{[ 1 , 2 , 4 , 10 , 1 1 , 13 ]}. 반면 각 침지 시간에 서 탄소 함량이 증가할수록 사이층의 두께는 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 사이층은 조직 사진에서도 볼 수 있듯이, 용융 Al 합금과 인접한 상부층과 강기지 쪽에 인접한 하부층으로 구분되어 진다. 그리고, 용융 금속 내에 재료의 침지 시간과 탄소 함량이 증가 함에 따라 상부층과 하부층의 두께는 감소하며, 특히 용융 Al 합금 과 인접한 상부층의 두께가 강 시편에 인접한 하부층의 두께보다 조 금 더 감소한다는 사실도 관찰되어 진다.

이전 연구의 순수한 용융 Al 합금 안에서 생성된 사이층의 상조성 은 상부층이 F eAl³, 하부층이 F e²Al⁵로 밝혀졌다^{[ 1 , 2 ]}. 사이층 두께 또 한 침지 시간이 증가함에 따라, 상부층인 F eAl³보다 하부층인 F e²Al⁵ 의 두께가 더 많이 증가한 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서도 침지 시 간이 증가하고 탄소 함량이 감소할수록 하부층의 변화가 더 활발한 것을 관찰할 수 있었다. 사이층의 두께 변화를 좀더 확실히 관찰하 기 위해 수치적으로 표시해 보았다. Fig . 3. 8은 탄소 함량이 다른 SM 20C와 SM45C, ST C3 시편들을 침지 시간을 변수로 하여 사이층 의 두께 변화를 나타내고 있다. 침지 시간이 증가함에 따라 사이층 의 두께가 확실히 증가하는 것을 확인할 수 있고, 반면 탄소 함량이 증가함에 따라 확실히 사이층 두께가 감소하는 것을 확인할 수 있

F ig . 3.5 Microgr aph s of interlayer s form ed on steel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 10min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a ) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.6 Microgr aph s of interlayer s form ed on steel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 20min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a) SM 20C, (b ) SM45C, (c)

F ig . 3.7 Microgr aph s of interlayer s form ed on steel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy for 40min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃.: (a) SM 20C, (b ) SM45C, (c) ST C3

F ig . 3.8 V ariation of int erlay er thicknes s form ed on st eel specim en s dipped in m olt en Al- Si- F e alloy rot at ed at the

m/ s , SM45C와 ST C3는 6.84524×10^{- 9}m/ s의 같은 기울기를 보였다.

이러한 결과를 통하여, 재료내의 탄소 함량이 적을수록 사이층의 두 께의 큰 변화가 나타남을 확인하였고, 또한 사이층의 두께 성장에 탄소가 많은 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다.

3 .2 .2 . 탄 소 함 량 에 따 른 성 장 속 도 상 수 의 변 화

앞서 기술했듯이, 재료내의 탄소 함량이 증가함에 따라 용손량은 감소하였고, 그와 함께 사이층의 두께가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 사이층의 두께가 용손량과 비례 관계에 있는 것으로 생 각할 수 있다. 앞서 언급한 식 (4), (5), (6)에서도 알 수 있듯이, 반 응 생성물층은 성분들의 확산에 의해 생성되고 F e의 확산 속도는 사 이층의 두께와 매우 밀접한 관계가 있으며, 시간이 증가함에 따라 그 두께는 증가하는 것을 알 수 있다. 성분의 확산에 의한 사이층 두께 변화는 이전 연구에서 많이 연구되었고, 사이층의 두께가 par abolic 법칙에 따라 증가한다는 사실도 언급되었다.

x = ( 2 k2t)

1

2 (7)

여기서 x는 사이층의 두께(m )를 나타내고, t는 용융 Al 합금 내에 재료의 침지 시간(sec), k₂는 사이층의 성장속도 상수를 나타낸다.

만약 사이층의 성장이 확산에 의해 제어되었다면, 식 (7)은 정확하 다. 바꾸어 말하면, 사이층 성장의 전체 속도는 사이층을 통하여 원 자 확산 속도에 의해 측정된 것이다^{[ 10 ]}. 사이층의 성장은 F e의 용융 Al 합금으로의 확산 속도를 의미한다.

이러한 관계를 이용하여, 재료내의 탄소 함량에 따른 성장 속도를

침지 시간을 변수로 하여 구해보았다. Fig . 3. 9는 660℃의 용융 Al 합금 내에서 침지 시간을 변수로 하여 16rpm의 속도로 회전한 SM 20C와 SM45C, ST C3 시편들의 성장 속도를 나타내고 있다. F ig . 3. 9에서 알 수 있듯이, 침지 시간이 증가함에 따라 사이층의 두께가 증가하는 것을 볼 수 있고, 또한 침지 시간이 증가하고 탄소 함량이 감소할수록 사이층의 두께 증가폭은 더 커지는 것을 확인할 수 있 다. 이 그래프에서 강 표면에 생성된 사이층 성장을 자세히 관찰하 기 위해, 식 (7)을 이용하여 성장속도 상수 k₂를 구해본 결과, SM 20C는 5.22321×10^{- 13}m²/ s , SM45C는 1.81905×10^{- 13}m²/ s , ST C3는 1.47679×10^{- 13}m²/ s로 밝혀졌다. 즉, 탄소 함량이 감소할수록 성장속 도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

이전의 연구 결과에서, Glasbrenner와 그 동료들은 사이층 사이에 서 Fe와 Al의 다른 확산 속도 (Kirkendall effect ) 때문에 기공이 형 성된다고 보고하였다. 또한 이 Kirkendall 효과에 의해 강기지 내부 로의 Al의 확산 속도가 강 시편의 F e의 용융 금속으로의 확산 속도 보다 더 빠르다고 보고하였다^{[ 16 ]}. 이런 현상에 의해 용융 Al 합금과 강 시편의 F e는 상호 확산을 하게되며, 사이층은 강 시편 내부로 더 빠르게 성장한다. 하지만, 용융 금속 내에 첨가 원소의 존재는 이러 한 사이층 성장에 영향을 미친다. 첨가 원소 중 특히 Si의 존재는 사 이층의 성장을 억제한다고 알려져 있다^{[ 1 , 2 , 4 , 6 , 17 , 18 ]}. Si가 사이층의 성장에 미치는 영향을 설명하기 위해 Nicholls는 Si 원자들이 용융 금속 내에 Al 원자들에 대해 좋은 확산성을 가진 F e2Al⁵상의 구조적

F ig . 3.9 A plot of m²/ 2 ag ain st dipping tim e for v arying carbon content in the m olt en Al- Si- F e alloy .

속간화합물 상은 F e²Al⁵상보다 느리게 성장한다고 보고하였다^{[ 2 1 ]}. 이 렇듯 용융 금속 내에 Si는 사이층의 성장을 억제하지만, 본 연구에서 사이층 두께의 증가는 재료 내에 탄소의 함량이 감소할수록, 또한 재료의 침지 시간이 증가할수록 사이층의 두께는 증가하였다. Si가 사이층 성장에 영향을 미치므로 좀더 정확한 분석을 위해 순수한 용 융 Al 내에서 탄소 함량에 변화를 주어 실험을 해보았다. Fig . 3. 10 은 700℃의 순수한 용융 Al 내에서 16rpm의 회전 속도로 침지시킨 시편의 단면을 보여주고 있다. 용융 Al 내에 Si가 없음에도 불구하 고 사이층의 두께는 탄소 함량이 적은 SM20C가 ST C3보다 더 두꺼 웠다. 또한 두 시편의 사이층에서 하부층의 두께가 상부층의 두께보 다 훨씬 두꺼웠다. 좀더 자세히 살펴보면, SM20C가 ST C3보다 하부 층에서 반응이 더 활발하였다. 이전의 연구 결과에서, 탄소와 Si는 용융 Al 내에서 재료의 표면에서의 차이를 감소시키고, 계면에 생성 되는 사이층을 평탄하게 한다고 보고하였다^{[ 18 ]}. 즉 탄소가 Si와 같이 사이층의 성장을 억제한다고 생각할 수 있다. 사이층의 성장은 침지 시간에 따른 영향도 있지만, 탄소의 함량의 차이에 따른 사이층의 두께 증가는 많이 연구되어 있지 않다.

3 .2 .3 . 사 이 층 의 성 분 분 석 및 상 규 명

탄소의 함량에 따른 용손량 및 사이층 두께에 영향을 자세히 살펴

F ig . 3.10 Microgr aph s of interlay er s formed on st eel specim en s dipped in m olt en pure Al for 10min , r ot at ed at the speed of 16 rpm at 700℃.: (a) SM 20C, (b ) ST C3

(a )

(b )

(c )

F ig . 3.11 V ariation of alloyin g elem ent (C, Al, Si, F e) content in different location s of the interlay er of specimen s dipped

고 있다. S는 강 기지를, L은 하부층을, U는 상부층을, Al은 Al 합금 층을 나타내고 있다. Fig . 3. 11의 (a), (b ), (c)에서 Si는 상부층으로 부터 Al 합금층 방향으로 약간의 증가를 보이고 있고, C는 강 시편 표면과 하부층 사이에서 약간의 증가를 보이고, 나머지 구간에서 일 정한 거동을 보이고 있다. 강 시편으로부터 Al 합금층 방향으로, Al 은 강 시편과 사이층 계면, 사이층과 Al 합금층 계면에서 증가하고 F e는 감소하며 나머지 구간에서는 일정한 거동을 보이고 있다. 특히, 탄소 함량 차이가 큰 SM20C와 ST C3를 비교해보면, 강 시편 표면과 하부층 사이에서 ST C3의 C가 SM20C의 C보다 크게 증가하는 것을 볼 수 있고, 그와 함께 ST C3는 SM20C보다 강 시편 안쪽부터 F e가 단계적으로 감소하고, Al은 단계적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.

즉, 탄소가 Fe와 Al의 접촉을 방해하는 요소로서 작용하는 것처럼 보인다. 이러한 현상은 앞서 언급한 Glasbrenner와 그 동료들이 보 고한 결과를 이용하여 생각할 수 있다^{[ 16 ]}. 즉, Al의 확산 속도가 F e 의 확산 속도보다 빠르기 때문에 Fig . 3. 10에서처럼 Al이 강 시편 내부로 침투하여 Fe와 접촉하고, 탄소 함량이 적은 SM20C는 탄소 함량이 많은 ST C3 비해 강 기지 내부로의 침투가 많이 나타난다.

이러한 현상은 탄소가 Si의 영향처럼 사이층의 형상을 평탄하게 한 다는 이전의 연구 결과와 같이, Al의 침투를 방해하는 것으로 보인 다.

상조성 규명 및 성분 함량의 영향을 자세히 살펴보기 위해 EPMA (Electr on Probe Micr oan aly zer )를 행하였다. Fig . 3. 12는 66 0℃의 용융 Al합금 내에 탄소 함량이 다른 시편을 16rpm의 속도로 회전하여 10분 동안 침지시킨 시편에 생성된 사이층의 EPMA 분석 결과를 보여주고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 (a), (b ), (c) 모두 비

(a )

(b )

슷한 경향을 보이고 있다. 앞서 관찰한 Fig . 3. 11과 같이, 탄소함량 이 많은 ST C3에서 Fe가 기지 방향으로 단계적인 증가를 보이고 Al 역시 단계적인 감소를 보이는 것이 관찰된다. 분명하게 나타나는 것 은 탄소함량 적은 SM20C의 하부층에서 Al의 농도는 일정한 거동을 보이는 반면, 탄소함량이 많은 ST C3에서는 Al의 농도가 감소하는 현상이 나타났다. 즉 하부층에서 탄소 함량이 증가함에 따라 Al의 농도의 감소를 나타낸다고 생각할 수 있다.

상조성 규명을 위해 정량분석(Quantitative analysis )을 행하였고, 그 결과를 이용한 사이층의 상조성은 표 3. 1에서 보여주고 있다. 이 결과는 N. A . El- M ahallawy와 그의 동료들의 논문에서와 같이 Al^xSi^yF e^z로 규명되었다^{[ 1 ]}. 탄소함량이 적을수록 Al 원자의 강 기지 안으로 많이 확산된 것으로 보였고, 그에 따라 F e원자와 Al 원자로 가 확산에 의해 많이 접촉한 것으로 볼 수 있다. 표 3. 1에서 나타 난 결과를 보면, 재료 내의 탄소 함량과 관계없이 상부층은 Al⁴SiF e 와 Al⁵SiF e²의 같은 조성을 보였다. 반면 하부층에서는 탄소함량에 따라 다른 상조성을 보였다. 상조성으로 관찰하였을 때, 탄소함량이 증가할수록 Al과 F e의 농도가 낮았다. 즉 탄소가 강기지 내부로의 Al의 침투를 방해하고 F e의 용융 Al 합금으로의 확산을 방해하는 것처럼 관찰된다. 하부층의 흰색 알갱이는 SM 20C와 ST C3가 Al⁴SiF e^{2 ,} SM45C가 Al³SiF e²로 밝혀졌다. N . A . El- M ahallawy와 그 의 동료들은 Al 원자의 F e 원자로의 확산이 바늘모양의 결정 높이 와 사이층의 두께를 증가시킨다고 하였고, 반면에 F e 원자의 Al 원 자로의 확산은 사이층의 두께를 감소시킨다고 하였다^{[ 1 ]}. 이러한 결과 들은 본 연구 결과와 같은 경향을 보이고 있고, 이러한 결과로 미루 어보아 탄소가 Al의 침투를 방해하고, F e의 확산을 저지하는 것으로

여겨진다.

T able 3.1 Ph ase identification of int erlay er form ed on specim en s .

3 .2 .4 . 사 이 층 의 경 도 측 정

F ig . 3. 11에서 관찰했듯이, 각 위치에서 탄소의 존재를 확인할 수 있었다. 따라서, 탄소의 존재로서 사이층에 미치는 영향을 분석하기 위해 미소 비커스 경도를 측정하였다. 미소 비커스 경도값은 50g의 하중을 가하여 측정하였다. Fig . 3. 13은 660℃의 용융 Al합금 내에 탄소 함량이 다른 시편을 회전과 비회전 상태로 10분 동안 침지시킨 시편의 경도 측정 결과를 보여주고 있다. 전 구역에서 탄소 함량이 증가함에 따라 경도값이 증가함을 볼 수 있다. 강기지와 Al 합금층 에서는 경도값의 큰 차이가 없었지만, 사이층의 상부층과 하부층에 서는 탄소 함량에 따라 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히 하부 층의 경도값이 사이층의 상부층보다 더 높게 측정되었다. 이러한 현

S M 20C S M 45 C S T C3 Lo w e r l ay e r Al^{2 1}SiF e¹⁰ Al^{2 4}SiF e^{1 1} Al^{1 1}SiF e⁵ U pp er l ay e r - 1 Al⁵SiF e² Al⁵SiF e² Al⁵SiF e² U pp er l ay e r - 2 Al⁴SiF e Al⁴SiF e Al⁴SiF e

F ig . 3.13 V ariation of micro vicker s h ardnes s at different location s of the interlayer , specimen , and alloy lay er of cylindrical specim en s dipped in m olten Al- Si- F e alloy for 10 min , n on - r ot at ed and rot at ed at the speed of 16 rpm at 660℃

as a function of carbon cont ent .

가하는 것은 탄소가 경도값 증가에 영향을 미친다는 사실을 뒷받침 한다.

제 4 장 결 론

본 연구에서는 660℃의 용융 Al- Si- Fe 합금 내에서 탄소함량이 각각 다른 재료를 침자 시간을 변수로 하여 탄소 함량이 용손 거동 에 미치는 영향과 회전과 비회전 상태에서 탄소 함량이 미치는 영향 에 대해 연구되었으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 660℃의 용융 Al합금 내에서 탄소 함량의 차이가 있는 시편을 회 전과 비회전 상태로 10분 동안 침지시킨 후의 용손량을 분석한 결 과, 비회전 상태에서는 탄소 함량이 증가함에 따라 용손량의 차이가 조금 감소하였고, 이와 함께 재료의 표면 위에 생성된 사이층의 두 께도 약간 감소하였다. 반면에 회전 상태에서는 탄소 함량이 증가함 에 따라 용손량이 감소하는 현상을 보였으며, 재료의 표면 위에 생 성된 사이층의 두께도 감소하였다. 이러한 현상은 탄소의 함량이 회 전시 용손량과 사이층 성장과 밀접한 관련이 있음을 보인다.

2. 660℃의 용융 Al합금 내에 탄소 함량이 다른 시편을 16rpm의 속 도로 회전하여 침지 시간에 따른 용손량을 측정한 결과, 침지 시간 이 증가할수록 용손량은 증가하였고, 탄소 함량이 감소할수록 용손 량 증가폭도 증가하는 현상을 보였다. 용융 Al 합금 안으로 F e의 용 해속도 상수는 SM 20C가 9.20881×10^{- 6}m/ s , SM45C는 4.10766×

10^{- 6}m/ s , 0.9w t .%C는 4.6186×10^{- 6}m/ s , ST C3는 3.79804×10^{- 6}m/ s로서 탄소 함량에 따른 용손량 결과와 유사한 경향을 보였다. 이러한 현 상은 탄소가 용융 Al 합금으로의 F e 확산을 저지하는데 중추적인

역할을 하는 것으로 여겨진다.

3. 660℃의 용융 Al합금 내에 탄소 함량이 다른 시편을 16rpm의 속 도로 회전하여 침지 시간에 따른 사이층의 두께를 측정한 결과, 탄 소 함량이 증가할수록 사이층의 두께는 감소하였다. 또한 사이층의 성장속도 상수는 SM20C가 5.22321×10^{- 13}m²/ s , SM45C는 1.81905×

10^{- 13}m²/ s , ST C3는 1.47679×10^{- 13}m²/ s로서 탄소 함량이 증가할수록 감소하였다. 이러한 현상은 탄소가 사이층의 성장속도를 감소시키고, F e의 용융 Al 합금으로의 확산을 방해한다고 여겨진다.

4. 강 표면위에 생성된 사이층의 두께 변화는 탄소 함량이 감소함에 따라 상부층보다 하부층의 두께가 더 크게 증가하였다. 이러한 현상 은 탄소가 용융 Al 합금의 강기지 안으로 확산을 저지하고, 용융 Al 합금으로의 F e 확산을 저지하는 것으로 생각된다.

5. 용융 Al 합금 내에 Si의 존재에도 불구하고, 재료 내에 탄소 함량 이 증가함에 따라 사이층의 두께가 감소하였고, 그와 더불어, 용손량 도 감소하였다. 이러한 현상은 탄소가 사이층에 존재하여, 사이층의 성장을 억제하는 Si의 영향과 같은 역할을 하는 것으로 보여진다.

6. 660℃의 용융 Al합금 내에 탄소 함량이 다른 시편을 16rpm의 속 도로 회전하여 10분 동안 침지시킨 시편의 EDS 분석 결과, 강 표면

많은 ST C3에서 Al의 농도가 적게 나타났다. 이러한 현상은 탄소가 용융 Al합금 내에 Si가 존재할 때, 사이층의 성장을 억제시킨다는 결과를 뒷받침한다.

7. 660℃의 용융 Al합금 내에서 탄소 함량의 차이가 있는 시편을 회 전과 비회전 상태로 10분 동안 침지시킨 시편의 경도를 측정한 결 과, 탄소 함량이 증가함에 따라 강 시편과 Al 합금층의 경도값은 거 의 일정하였고, 사이층의 상부층과 하부층에서는 증가하였다.

제 5 장 참 고 문 헌

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A B S T RA CT

Aluminizing of carbon (0.2～1.1 w t .%C) steels w ere carried out u sin g Al- 9.08w t .%Si- 0.98w t .% m elt s . Experim ent s w er e perform ed on the v ariation of the dipping tim es and carbon cont ent s in a m olt en Al- Si- F e alloy at a con st ant t emper ature of 660℃. In all cases , a coating layer w as formed on the sub str at e during aluminizing . T his lay er is called int erlay er .

T he aim of pres ent w ork is a dis solution m easurem ent of a st eel and is t o ob s erv e int erlay er grow th , w ith carbon cont ent s (0.2～1.1 w t .%C) during aluminizing . In the present w ork , w ith incr easing dipping tim e in a m olt en Al- Si- F e alloy , dis solution of st eels and interlay er thicknes s w hich formed on the sub str at e w as increased. But dis solution of steels w as decreased and int erlay er thicknes s w hich form ed on the sub str ate w as decreased w ith increasing carbon cont ent s in the sub str at e. In these result s , it is found th at carbon cont ent s in the sub str ate affect on the dis s olution beh avior and interlayer grow th . And dis s olution of the steel is connected w ith a interlay er grow th on

감 사 의 글

그렇게도 길게 생각되었던 2년 동안의 대학원 생활이 너무나 빨 리 지나게되어 많은 아쉬움이 남습니다. 학부 때의 어리숙한 모습에 서 벗어나 현재 대학원 생활을 마무리하는 이 시점에서 부족한 것을 느끼기도 하지만, 나름대로 열심히 하였기에 뿌듯한 마음을 가지게 됩니다. 또한, 그 동안 많은 분들이 도움을 주셨기에 본 논문이 완 성되었다고 생각하며 이 글을 통해서 나마 그 분들에게 감사하는 마 음을 표하고자 합니다.

먼저 본 논문의 완성을 위해 끊임없는 지도와 관심은 물론 어려 울 때 격려를 아끼지 않으시고 연구의 방법을 가르쳐 주신 지도교수 김용석 교수님께 진심으로 감사를 드립니다.

항상 관심과 염려 속에 지켜보아 주시고 논문 심사를 해주신 권 훈 교수님, 정우광 교수님께도 감사드립니다. 또한, 대학원 생활동 안 많은 가르침을 주신 조남돈 교수님, 박화수 교수님, 이진형 교수 님, 지충수 교수님, 이재갑 교수님, 이재봉 교수님, 남원종 교수님, 김 지영 교수님, 이건배 박사님께도 감사드리며, 포항산업과학연구원 (RIST )의 송진화 박사님께도 고마움을 표시하고 싶습니다.

실험실에 비교적 늦게 들어왔음에도 불구하고 빨리 적응할 수 있 도록 도와준 형일 선배와 명훈 선배, 관순 선배에게 항상 고마움을 느낍니다. 또한 대학원 생활동안 같이 연구하며 즐거움과 괴로움을 함께 해준 동기 형철이와 실험실 후배 태오에게도 무엇보다 고마움 을 느끼며, 후배 종수와 용진 모두 후회없는 대학원 생활하기를 바

랍니다.

대학원 생활을 하면서 많은 도움을 주신 김충서 선생님과 언제나 친형처럼 저를 대해주시고 도와주신 재명형, 연구하는데 있어서 많 은 자문을 해준 박사과정 호섭이와 희정이, 성원씨에게도 감사한 마 음을 전하고 싶습니다. 또한 보이지 않게 많은 도움을 준 진성 선배 와 대학원 동기인 형섭, 봉주씨, 준모씨, 항수, 종우형, 석원씨, 그 외 대학원 식구들인 두식이, 창배씨, 은균이, 수행이, 민주, 상인씨, 종우, 세영씨, 성민씨, 종민씨, 성진이, 대성이, 세혁이, 성엽씨, 미라, 유용 씨 등 모두에게 고마움을 느끼며 그 외 많은 우리 대학원생 모두 더 욱 분발해서 좋은 논문을 쓰고 뜻하는 바 꼭 이룩하기를 바랍니다.

어려울 때 큰 힘이 되어준 선・후배, 친구들과 본 논문실험에 큰 도움을 주신 많은 분들께도 감사드립니다.

마지막으로 부족한 저를 끝가지 지켜봐 주시며 보살펴주신 부모 님과 많은 관심과 격려를 해주신 친지분들과 동생들에게 사랑한다는 말씀을 드리며 이 글을 마무리 하고자 합니다.

2001. 12 황 성 하