1. 서 론
플라즈마 스프레이 코팅(plasma spray coating)은 용사 코팅(thermal spray coating) 공법 중 하나로서, 고온의 플라즈마 화염(~ 15,000 °C)에 분말 재료를 투입하고 용 융된 분말 용사재를 피코팅재에 고속으로 분사 및 밀착 시켜 피막을 형성시키는 코팅 방법이다.1,2) 용사재로서는 녹는점이 높은 세라믹이 주로 사용되며, 우수한 내마모 성 및 내식성이 필요한 제품의 코팅에 적용된다.
플라즈마 스프레이 코팅은 용사 공법 특성상 기공, 미 용융, 미세 균열 등 많은 결함을 발생시킨다. 기공은 일 반적으로 용사재가 응고되는 과정에서 생성된 갇힌 공 기층 및 응고수축으로 인해 발생되며, 코팅재의 경도, 강 도, 내마모도, 내부식성을 저하시킨다.2) 따라서 기공 생 성을 줄이기 위한 코팅 공정 최적화와 함께 기공을 실 링(sealing) 하는 것이 필요하다.3)
실링은 코팅 피막의 기공을 실링재로 충전하여 외부로 부터 부식성 물질의 침투를 막고 모재와 부식성 물질의 접촉을 방지함으로써 코팅의 내부식성을 향상시키기 위 한 표면처리이다. 실링재로는 적용 목적에 따라 유기물, 무기물, 금속이 주로 사용된다.4) 특히 에폭시 레진과 같 은 상용 유기물은 실링재를 코팅 피막 표면에 브러시로 도포하는 방식으로 비교적 간단하게 실링 처리가 가능 하고 비용이 저렴하여 널리 사용된다.
플라즈마 스프레이 코팅된 알루미나 코팅 피막의 실링 처리 효과에 대한 기존 연구를 살펴보면, 무기계인 인 산 알루미늄(aluminum phosphate) 실링이 경도 및 내마 모성에 미치는 영향,5) 유기계인 우레탄, 에폭시, 케톤 (ketone) 실링이 경도, 접합강도, 내마모성, 굽힘강도에 미 치는 영향,6) 나노 알루미나가 복합 첨가된 인산 알루미 늄 실링이 내부식성에 미치는 영향7) 등의 연구가 진행 되었다. S. Liscano 등은 유기계인 에폭시와 페놀, 무기 계인 인산(phosphoric acid) 실링이 내부식성에 미치는 영 향을 분석하였고, 에폭시와 페놀이 인산에 비해 우수한 효과를 나타낸다고 보고하였다.8) 이렇게 실링재 종류에 따른 코팅 피막의 기계적 특성 및 내부식성에 대한 연 구는 많이 진행되었으나, 에폭시 실링 처리된 알루미나 코팅 피막에 대한 염수분무시험 및 접합강도 측정을 통 한 내부식성 연구는 부족하다. 접합강도는 코팅층과 모 재 사이의 결합력 또는 코팅층 자체의 파괴 저항성을 나 타내는 것으로, 염수분무시험에 따른 접합강도 변화 측 정을 통해 실링재가 부식성 물질 유입 차단 및 코팅층 물성 저하 방지에 얼마나 효과적인지를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 에폭시 레진으로 실링한 플라즈마 스프 레이 코팅된 알루미나 코팅 시편에 대해 염수분무시험 시간에 따른 접합강도를 측정하여 실링이 내부식성과 코 팅 피막 강도에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1. 플라즈마 코팅시편 제작
본 연구에 사용된 코팅 소재는 평균 입자 크기가 약 33 μm인 상용 알루미나 분말로, Fig. 1에서 볼 수 있듯 이 불균일한 다각형 형상을 가진다. 피코팅 소재로는 원 통형(직경 25.4 mm, 길이 3 8mm)의 SS41 탄소강을 사 용하였다. 코팅에 앞서 적절한 표면 거칠기를 만들기 위 해 탄소강 시편을 그릿 블라스팅하였다. 이후 플라즈마 스프레이 코팅 장비를 이용하여 알루미나를 탄소강 모 재 위에 코팅하였다. 본 연구에 사용된 코팅 조건을 Table 1에 나타내었다. 실링은 코팅 직후에 시편 표면에 에폭시 레진 실링재를 브러시로 도포하는 방법을 사용 하였다. 에폭시 레진은 주제, 경화제, 희석제를 2 : 1 : 5 의 부피비로 희석하여 제작하였다. 코팅 기공에 침투될 수 있는 충분한 양의 레진을 브러시를 이용하여 균일하 게 도포 하였고, 상온에서 24시간 경화시켰다. 제작된 코 팅 시편에 대한 윗면 사진을 Fig. 2에 나타내었고, 흰색 의 알루미나가 고르게 코팅된 것을 알 수 있다.
2.2. 코팅층 특성 평가
코팅층의 미세조직 관찰 및 분석을 위해 FE-SEM (field emission scanning electron microscope, Jeol 7100F) 및 EDS (energy dispersive spectroscope)를 사용하였다. 전 단면 관찰 시편은 SiC 및 다이아몬드 서스펜션을 사용 해 연마하여 준비하였다.
코팅 시편 내부식성 시험을 위해 염수분무시험기(Qfog- CCT600)를 이용하여 NaCl 농도 50 ± 5 g/L, pH 6.5 ~ 7.2, 온도 3 5 ± 2 °C 조건에서 24시간 및 48시간 동안 부 식시켰다.
부식시킨 코팅 시편에 대한 접합강도를 측정하기 위하 여 ASTM C633 규격에 따라 접합강도 시험편을 제작 하였다. 알루미나 코팅 후 부식시킨 시험편과 코팅 및 부식을 하지 않은 상대 소재를 접착제(3M )로 접합하였 고, 충분한 접착제 경화를 위해 상온에서 48시간 유지 시켰다. 접합강도 시험 시편 제작 방법에 대한 자세한 내용은 기존 논문에 설명되어 있다.9) 제작한 접합강도 시 편을 인장시험기(Instron 8801)에 장착하여 1 mm/min 속 도로 인장시험을 실시하였고, 파단 시의 최대 접합강도 를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 코팅층 미세조직
실링 전과 후의 코팅 표면 형상에 대한 FE-SEM 관 찰 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 실링 전 이미지로부터 표면에 많은 기공과 미세 크랙이 존재함을 알 수 있다. 실링 후 코팅 표면은 실링 전과 비교해 매끄러운 것을 알 수 있는데, 이것은 기공 및 크랙이 에폭시 레진으로 도포되었기 때문이다. 코팅층 내부에도 에폭시 레진이 침 투되었는지 확인하기 위하여 전단면을 관찰하였고, 그 결 과를 Fig. 4에 나타내었다. 알루미나 코팅층 두께는 180 μm 정도이며, 많은 기공이 관찰된다. 기공에 대한 이미 지분석 결과, 기공률은 평균 16 % 측정되었다. Fig. 4(b) 의 실링된 코팅 시편 SEM 이미지에서 레진으로 채워 진 기공은 회색으로 나타나며, Fig. 4(c)의 EDS mapping 결과로부터 실링된 기공에 탄소가 주요 원소인 에폭시 레진이 침투되어 있음을 확인할 수 있다. 코팅층의 표 면부 기공에 주로 레진이 침투되어 있는데, 이것은 표 면부에 존재 하는 열린 기공(open pores)을 따라 레진이 쉽게 침투 가능하기 때문으로 판단된다.
3.2. 염수분무시험 시편 코팅층 미세조직 및 접합강도
Fig. 5에 코팅 시편 접합강도 측정 결과를 나타내었 다. 염수분무시험 전 코팅 시편의 접합강도는 20.7 MPa 이며 염수분무시험 시간이 증가함에 따라 접합강도는 감 소하였다. 특히 48시간 염수분무시험 후 접합강도는 실 링한 시편이 9.6MPa, 실링 하지 않은 시편이 1.7MPa 로 측정되어 실링한 시편이 약 5배 높은 접합강도를 나 타내었다. 이러한 결과로부터 레진 코팅을 통해 염수분 무시험 후 접합강도를 높게 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
접합강도 시험 후 파단된 시편 표면 관찰 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 파단 형태는 대부분 adhesive 파단(코팅 -기지 계면에서의 파단)을 나타냈다. 탄소강 기지에서 알 루미나 코팅층이 떨어져 나가면서 드러난 계면을 관찰 함으로써 갈색 또는 짙은 갈색의 부식 생성물이 존재하 는 것을 확인할 수 있다. 육안 관찰 결과 실링하지 않 은 시편이 실링한 시편에 비해 부식의 정도가 더욱 심 한 것을 알 수 있다. 특히 실링하지 않은 시편에서 화 살표로 표시한 것과 같이 점 형태로 국부적으로 심하게 부식된 영역이 관찰된다. 이것은 일부 큰 열린 기공을 통해 다량의 염수 용액이 계면까지 침투했기 때문으로 판단된다. 부식 생성물에 대한 보다 정확한 관찰을 위 해 48시간 염수분무 시험한 시편의 전단면에 대한 EDS 분석을 진행하였다. 그 결과 Fig. 7에 원으로 표시한 것 과 같이 철(Fe)과 산소(O)로 이루어진 부식 생성물, 즉 산화철이 약 40 μm 두께로 코팅층과 탄소강 기지 계면 에 생성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 부식 생성물은 코팅층과 탄소강 기지의 계면 결합력을 저하시키므로 결 과적으로 부식의 정도가 심한 실링되지 않은 코팅 시편 의 접합강도가 더 낮은 것으로 판단된다.
Fig. 7
Result of EDS mapping for the cross-section of the sample without resin sealing after salt spray test for 48 Hr.
코팅층과 탄소강 기지 계면에서의 부식 발생 메커니즘 과 코팅시편에 대한 실링 처리 효과는 앞에서 언급한 미 세조직 분석 결과로부터 Fig. 8의 모식도로 설명할 수 있다. 플라즈마 코팅층의 기공은 형태에 따라 기공이 기 지 계면까지 이어진 연결된 기공(interconnected pores)과 그렇지 않은 닫힌 기공(closed pores)으로 구분될 수 있 다.1,10) 열린 기공은 외부로부터 유입되는 부식 유발 물 질의 이동 통로로 작용하므로 열린 기공을 통해 부식 유 발 물질이 코팅층/기지 계면까지 침투될 수 있다. 이때 코팅층을 실링하지 않은 경우 열린 기공을 따라 많은 양 의 부식 유발 물질이 코팅층 내부로 침투하게 되어 결 과적으로 부식 물질이 쉽게 생성될 수 있다[Fig. 8(a)]. 특히 부식 유발 물질의 침투가 일부 영역에 집중되게 되 면 국부적인 계면 부위에서 두껍게 부식 물질(corrosion products)이 생성되는 것으로 판단되며, 이러한 부식 생 성물은 Fig. 6과 Fig. 7의 계면 관찰 결과로부터 실제 확인할 수 있다. 반면에 코팅시편을 실링하게 되면 열 린 기공이 레진으로 채워져 부식 유발 물질의 침투가 어 렵게 되기 때문에 계면에서 부식이 지연된다[Fig. 8(b)]. 결과적으로 실링처리를 통해 부식 환경에서 코팅층/기지 계면의 부식을 억제함으로써 코팅시편의 접합강도를 높 게 유지할 수 있다. 따라서 본 연구에서 플라즈마 스프 레이 코팅된 알루미나 코팅층에 대한 레진 실링 처리는 코팅층/기지 계면에서의 부식을 억제하고 부식 환경에서 접합강도를 높게 유지하기 위한 효과적인 방법이라는 것 을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 플라즈마 스프레이 코팅된 알루미나 코 팅 시편에 대해 에폭시 레진 실링이 코팅시편 내부식성 및 접합강도에 미치는 영향을 분석하였다. 실링 적용 유 무에 따른 염수분무시험한 코팅시편 미세조직을 비교 분 석한 결과 실링을 통해 코팅층/기지 계면의 부식을 억 제시킬 수 있음을 알 수 있었다. 염수분무시험 시간에 따른 접합강도 변화를 평가한 결과 실링한 시편이 실링 하지 않은 시편에 비해 접합강도가 높게 유지되었다. 따 라서 플라즈마 스프레이 코팅된 알루미나 코팅층에 대 한 레진 실링 처리는 코팅시편의 부식을 억제하고 접합 강도를 높게 유지하기 위한 효과적인 방법이라는 것을 알 수 있었다.
