본 연구에서는 금속 기지 복합재료의 일종인 Fe-Cr-B 기반 metamorphic alloy를 다양한 코팅 공정으로 제조하였다. 코팅 공정으로는 high-velocity oxygen fuel (HVOF), laser cladding, plasma transferred arc welding 공정을 이용하였다. 제조된 코팅 소재의 기계적 특성, 마모 특성, 부식 특성을 평가하였으며 각 특성의 기구를 미세조직과 연계하여 규명하고자 하였다. 추가적으로 코팅재의 각 특성을 arc melting 공정으로 제조된 bulk 소재와 비교하였다.
첫 번째 파트에서는 기존 공정인 arc melting 공정으로 Fe-Cr-B 기반 metamorphic alloy (HXA5)를 제조하였다. 제조된 소재의 미세조직은 조대한 (Cr,Fe)₂B 석출물과 함께 lenticular martensite 그리고 eutectic precipitation으로 구성되어 있었다. 경도는 약 60 %의 분율로 분포하고 있는 조대한 (Cr,Fe)₂B에 의해 평균 1144 Hv의 매우 높은 수준의 경도를 나타내었다. 추가적으로 547 MPa정도의 낮은 굽힘 강도를 나타냄에 따라 HXA5는 extremly brittle behavior를 나타내는 것으로 판단되었다. 이는 (Cr,Fe)₂B와 금속 기지의 계면 결합력이 약하기 때문인 것으로 해석됐다. 상온 마모 시험 결과, 하중 조건이 증가함에 따라 wear rate는 함께 증가하는 경향을 나타냈다. 그럼에도 불구하고 조대한 (Cr,Fe)₂B 상의 높은 경도와 같은 우수한 내마모 저항 특성에 의해 우수한 마모 특성을 나타내었다. 또한 염수 분위기 하에서의 부식 특성도 상용재인 low alloy steel보다 우수한 특성을 나타내는 것이 확인되었다. 이는 미세조직에 약 60 %의 분율로 분포하고 있는 noble (Cr,Fe)₂B가 부식 저항성을 향상시켰기 때문인 것으로 판단된다.
두 번째 파트에서는 HVOF 공정으로 Fe-Cr-B 기반 metamorphic alloy 코팅 소재 (HXA5)를 제조하였다. Metamorphic alloy는 HVOF 공정의 빠른 냉각 속도에 의해 splat 영역이 metallic glass로 구성되어 있었으며, un-melted powder area에서는 초기 분말과 동일하게 BCC 구조의 Fe로 매트릭스가 구성되어 있었다. 또한 수 백 nm 사이즈의 cuboidal (Cr,Fe)₂B 석출물이 매트릭스에 균일하게 분포하고 있었다. 마모 시험 결과, HXA5는 WC계 metal matrix composite과 유사한 수준의 마모 특성을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. HXA5의 우수한 마모 특성은 주로 metallic glass와 함께 matrix와 야금학적 결합을 하고 있는 (Cr,Fe)₂B 상에 기인하는 것으로 판단되었다. 추가적으로 metallic glass와 (Cr,Fe)₂B 상의 낮은 경도 차이도 우수한 마모 특성에 영향을 미치는 것으로 생각된다. 염수 분위기 potentiodynamic test 결과, HXA5는 WC계 metal matrix composite보다 우수한 부식 성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 short range ordering structure를 갖는 metallic glass가 우수한 부식 특성을 나타내며, 코팅층의 미세조직을 주로 구성하기 때문인 것으로 판단된다.
세 번째 파트에서는 laser cladding 공정으로 Fe-Cr-B 기반 metamorphic alloy 코팅 소재 (HXA5)를 제조하였다. 코팅 소재의 미세조직은 laser cladding 공정의 빠른 냉각 속도에 의해 dendrite 구조로 되어 있었으며 cell 구조의 수지상 영역은 martensite로 구성되어 있었다. Inter-dendrite 영역에서는 eutectic 반응에 의해 Fe 기지와 함께 (Cr,Fe)₂B eutectic phase가 관찰되었다. 마모 시험 결과, 하중 조건이 증가함에 따라 wear volume 및 wear rate가 증가하는 경향을 나타내었으며 시험 종료까지 안정적인 coefficient of friction 거동을 보였다. 모든 조건에서 main wear behavior는 abrasive와 oxidation이었다. Laser cladding으로 제조된 Fe계 metamorphic alloy의 우수한 마모 특성은 마르텐사이트의 높은 경도, metallic glass formation뿐만 아니라, 산화에 의해 형성되는 tribofilm 그리고 tribofilm을 지지하는 단단한 매트릭스에 의해 복합적으로 유도된 것으로 판단된다. 염수 분위기에서 이 소재의 부식은 inter-dendrite area의 Fe matrix를 따라 진행되는 것으로 확인되었다. 이는 해당 영역이 Cr depletion area이기 때문에 Cl-의 우선적인 attack site가 되기 때문이다.
네 번째 파트에서는 Fe-Cr-B 기반 metamorphic alloy 소재의 특성을 향상시키기 위해 WC-12Co를 각각 0 wt. %, 10 wt. %, 20 wt. % 첨가한 신소재(0W, 10W, 20W)를 plasma transferred arc welding 공정으로 제조하였다. WC-12Co를 첨가하지 않은 0W 소재는 Fe (BCC), (Cr,Fe)₂B 상으로 구성되어 있었다. WC-12Co를 첨가함에 따라 M23(C,B)6 (M=Fe, Cr, W) 상이 새롭게 형성된 것을 확인할 수 있었으며 M23(C,B)6 상 분율은 WC-12Co 첨가량이 증가함에 따라 함께 증가하였다. 또한 WC-12Co의 첨가는 grain refinement effect를 나타내었으며 공정 중 매트릭스에 고용되는 것이 확인되었다. Wear rate는 WC-12Co 첨가량이 증가함에 따라 함께 감소하는 것이 확인되었다. WC-12Co의 첨가는 각 상의 경도를 증가시킬 뿐만 아니라 마모 파손에 대한 탄성 변형에도 영향을 미치기 때문인 것으로 판단되었다. 이외에도 마모 시험 후, 마모에 긍정적인 영향을 미치는 metallic glass의 형성이 확인되었다. 따라서 각 상의 물성 향상 및 metallic glass의 형성으로 인해 10W 및 20W가 우수한 마모 특성을 나타내는 것으로 판단되었다. 부식 시험 결과, 0W가 가장 우수한 부식 저항성을 나타내었다. 부식 중 형성된 Cr 함유 passive film이 내부식 특성 향상에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 반면 10W 및 20W 소재는 금속 기지 및 phase boundary에서 주로 부식이 발생했다. M23(C,B)6 상의 형성이 metal matrix와의 micro galvanic을 유도하는 효과를 향상시켜 부식 특성이 저하된 것으로 판단된다. 그러나 WC-12Co 함량이 증가하면서 M23(C,B)6 상의 분율이 함께 증가해 부식 특성이 향상되었다.