냉각곡선을 이용한 2원계 합금상태도 작성

목차

냉각곡선을 이용한 2원계 합금상태도 작성

1. 목적

2. 사용재료 및 장치

3. 실험방법

5. 이론
　① 냉각곡선
　② 열분석법
　③ 열전대
　④ 상과 평형
　⑤ Pb-Sn 상태도

6. 결과
　➀ 합금조성별 시간/온도 냉각곡선을 통해서 변태점을 기록한다. X축을 합금조성, Y축을 온도로 잡고 얻어진 변태점을 plotting 하여 그래프를 그린다.
　　Ⓐ 변태온도 대 조성 그래프
　　Ⓑ 액상온도와 고상온도의 의미
　　Ⓒ 냉각곡선에서 변태개시와 종료시 꺾여지는 부분이 예리(sharp)하게 꺾여지지 않고 둥그스럼(rounding)하게 나타나는 이유
　　Equilibrium Diagrams by Direct Cooling Curves
　➁ 냉각곡선 그래프의 냉각시 상변화
　➂ Pb-10%Sn 합금과 Pb-50%Sn 합금의 냉각곡선의 차이점
　➃ 미지의 2원계 공정합금의 공정조성
　➄ 2원계 합금상태도
　　㉠ Cd-Bi계 합금 상태도
　　㉡ Al-Si계 합금 상태도
　　㉢ Fe-Fe₃C 합금 상태도

6. 고찰
　① 이번 실험의 결과에 실험조건이 어떠한 영향을 미쳤을까?
　② 왜 냉각곡선에서 65%의 조성이 공정조성처럼 보였을까?

7. 결론

〈참고 사이트 및 사진·자료 출처〉

본문내용

- Si의 최대 고용도는 1.65%이다.
아공정 조성 : 수지상 조직상(dendrite상)과 고용체의 공정조직으로 구성되어있다. 12.5% Si 이하의 조성으로 위의 그림에서 조성이 A인 지점에서 냉각 시 T의 온도에서는 액상이며, 냉각이 계속되면 T₁온도에서 액상선에 접하게 되고 α(Al)가 정출하기 시작한다. 냉각이 계속 됨에 따라 고용체의 양은 증가한다. 공정선의 온도에 도달하면 남아있던 액상은 α고용체와 Si의 공정조직으로 된다. 그러므로 초정 상과 고용체의 공정조직을 볼 수 있다.
공정 조성 : (Al)고용체와 침상에 가까운 얇은 판상 Si으로 구성된다.
( 냉각속도↓: 조대하고 길게 성장 )
공정 조성을 가진 Al-Si합금을 냉각시켜 공정온도에 도달하게 되면 액상은 α와 공정조직으로 된다. 공정점에서 액상온도가 최저로 되고 주조 온도를 낮출 수가 있다.
과공정 조성 : 초정 Si는 괴상으로 정출되어 이방성, 조대 성장한 공정조직으로 구성된다.
12.5% Si 이상의 조성으로 위의 그림에서 조성이 B인 지점에서 냉각 시 T의 온도에서는 액상이며, 냉각이 계속되면 T₁온도에서 액상선에 접하게 되고 A조성과는 달리 Si가 초정으로 정출하기 시작한다. 냉각이 계속 됨에 따라 Si의 양은 증가한다. 공정선의 온도에 도달하면 남아있던 액상은 Si와 공정조직으로 된다. 그러므로 초정 Si와 공정조직을 볼 수 있다.
※ α-고용체 : α정(또는 α상 : 같은 의미로, 정의 경우는 액체로부터 정출한 것이고 상의 경우는 그 중에서 조직이 1개로 성립되고 있고 균일한 부분을 말한다)이라고도 부르는데, 상 전체가 100% 아니고 Si를 약간 포함한(고체 중에 용해되어 있어 있고 Si가 정출하고 있지 않다) Al을 나타낸다.
㉢ Fe-Fe₃C 합금 상태도
- 0.8% C인 조성에서 오스테나이트의 공석반응으로 시멘타이트와 페라이트로 되기 때문에 0.8% C인 보통탄소강을 공석강이라고 하며 강의 탄소함량이 0.8% C 이하인 것은 아공석강이라고 한다. 공업적으로 생산되는 대부분의 강이 아공석강이다. 0.8% C 이상인 강은 과공석강이라고 한다. 약 1.2% C까지가 과공석강이다.
아공석강 : 0.4% C 보통탄소강을 약 900℃까지 가열하여 충분히 두어 균질한 오스테나이트 조직으로 만든 후 서서히 냉각을 하면 약 775℃ 에서 초석페라이트가 오스테나이트 결정립계에서 불균일하게 핵생성을 하기 시작한다. 합금을 계속 냉각을 하면 초석페라이트는 오스테나이트 속으로 계속 성장하면서 약 50%까지 변태를 실시한다. 페라이트를 형성하고 남은 여분의 탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로 밀려나고 다시 남은 오스테나이트 속으로 들어가 오스테나이트이 탄소농도는 높아지며 탄소함량이 0.8%로 증가하게 된다. 평형적으로 냉각되었다면 723℃에서 나머지 오스테나이트는 공석반응을 일으켜 오스테나이트는 페라이트와 시멘타이트인 반응을 일으켜 펄라이트로 된다.
과공석강 : 1.2% C 보통탄소강을 약 950℃까지 가열하여 충분히 두어 균질한 오스테나이트 조직으로 만든 후 서서히 냉각을 하면 점 b에서 아공석강에서와 달리 초석시멘타이트가 오스테나이트 결정립계에서 생성되며 성장하기 시작한다. 합금을 계속 냉각을하면 초석시멘타이트는 오스테나이트 속으로 계속 성장하면서 시멘타이트를 형성하고 오스테나이트-시멘타이트 계면에 있는 나머지 오스테나이트 안의 탄소를 소모한다. 평형적으로 냉각되었다면 723℃에서 나머지 오스테나이트는 전체 탄소함량이 1.2%에서 0.8%로 감소하며 공석반응을 일으켜 오스테나이트는 페라이트와 시멘타이트인 반응을 일으켜 펄라이트로 된다. 펄라이트 중에 있는 시멘타이트를 초석시멘타이트와 구별하기 위한 공석시멘타이트라고 한다.
공석강 : 0.8% C 보통탄소강의 시편을 약 750℃로 가열할여 충분한 시간 유지하면 그 조직은 균질한 오스테나이트로 되며 이 공석강을 평형이 유지할 정도로 서서히 냉각하면 그 조직은 공석온도 바로 위에 도달할 때까지 오스테나이로 있으며 공석온도 또는 과냉되어 이보다 약간 낮은 온도로 되면 모든 조직은 오스테나이트로부터 α-페라이트와 시멘타이트(Fe₃C)가 교대로 된 층상조직으로 변태하게 된다. 이 공석조직이 진주조개무늬와 닮았다고 하여 펄라이트라 한다.
6. 고찰
① 이번 실험의 결과에 실험조건이 어떠한 영향을 미쳤을까?
첫 번째로 합금을 용융하고 응고할 때 지속적인 교반을 실시하면 응고 시 생성되는 고상에서의 용질원자의 농도가 액상 속으로 골고루 확산되게 되는데 이번 실험에서는 3개의 합금에 지속적으로 교반을 하지 않고 잠시 동안만 이루어져 응고 시 불균일한 조직이 되지 않았을까 라는 추측을 해보았다. 두 번째로는 실험을 하면서 공기 중과 반응하여 생긴 불순물의 영향이 있었을 것이라 생각했다.
② 왜 냉각곡선에서 65%의 조성이 공정조성처럼 보였을까?
교과서 상에 나와 있는 공정조성은 61.9%Sn이지만 이번 실험에서 65%Sn의 조성에서도 공정조성으로 보이는 부분을 발견할 수 있었다. 61.9%Sn과 너무 근접해서 조성을 정하여서 초정 β고용체가 변태하는 지점이 너무 좁아서 측정하기 힘들었을 것이라는 추측과 불순물의 영향이 있었을 것 같다는 생각을 가졌다. 그리고 65%Sn 사이의 60%와 70%의 조성을 가지고 실험을 하였다면 더 정확한 상태도의 윤곽을 만들었을 것이고 이것이 정말 공정조성 지점인지 알 수 있을 것이기 때문에 이를 공정이라고는 단언하기 어렵다고 정리해보았다.
7. 결론
실험 결과와 이론과 많은 차이를 보였다. 이것은 이론은 평형상태에서 실험을 한 것이고 우리 실험은 급속응고를 한 비평형상태에서 한 실험이기 때문에 많은 차이를 보인 것이다. 그러나 이번 실험을 통해서 실험 시작 전에 이론으로 배웠던 것을 확인해 볼 수 있었다.
그리고 냉각곡선을 통해 상태도를 그려봄으로 해서 상태도를 보고 일정 온도에서 어떤 상태로 존재하는가를 알 수 있었다. 이외에도 시편제작 방법, 열전대나 도가니와 같은 실험도구의 사용법을 알 수 있었다.
〈참고 사이트 및 사진·자료 출처〉
1.『금속조직학』 김문일, 보문당, 2007년
2. http://metal.or.kr

키워드

냉각곡선,   합금상태도,   2원계,   실험,   열분석법,   열전대,   상태도