순금속의 응고

소개글

순금속의 응고에 대한 보고서 자료입니다.

목차

● 순금속의 응고
◆ 용융점
◆ 균일핵생성
◆ 불균일핵생성

● 합금의 응고
◆ 평형분배계수
◆ 평형응고
◆ 고상누적은 무시 가능하고 액상은 완전혼합되는 경우
◆ 고상누적은 무시 가능하고 액상누적은 일어나나 유동이 없는 경우

● 조성적 과냉과 계면안정성
◆ 조성적 과냉
◆ Cell 응고
◆ Cell 응고에서 가지상(dendrite) 응고로의 변화

● 수지상응고
◆ 수지상응고
◆ 가지상의 성장방향
◆ 가지상 가지의 간격
◆ 가지상 가지간격과 기계적 성질

● 공정응고
◆ 층상공정
◆ 봉상공정
◆ 공정 Cell 응고

● 주물의 Macro 조직
◆ 칠(chill)층의 생성
◆ 주상정대의 생성
◆ 등축정의 생성

● Macro 편석
◆ 정상편석(normal segregation)
◆ 중력편석(gravity segregation)
◆ 역편석(Inverse segregation)
◆ 대편석(banding)

● 급냉응고
◆ 급냉응고에 의한 강제고용

본문내용

에 비교해서 다르면 침하 또는 부상 해서 중력방향으로 편석이 일어나며 이것을 중력편석이라 한다.예를 들면 Pb-20%Sb 합금이 응고하면 초정의 Sb상은 융액보다 밀도가 낮아 부상경향이 있어 상부에 Sb상이 모인 조직이 된다. 대형 ingot에서는 이 중력편석이 중요한 역할을 한다. 초정가지상은 용탕보다 밀도가 크고 유리된 수지상의 작은 조각은 침하하여 예를 들면 그림 8에 표시한 킬드(killed) 주괴에서는 하부내측은 초정의 수지상이 쌓이고 용질분포가 평균값보다 낮게 되고 이른바 부편석부를 만든다.
그림 8. 킬드(killed) 강괴의 부편석
또 주괴 상부에는 2종류의 정편석대가 보이며 바깥쪽의 편석은 그 형상으로부터 A 편석 또는 역V 편석이라 한다.
역편석(Inverse segregation)
이 역편석은 분배계수가 작은 값의 용질을 함유하는 합금, 다시 말하면 응고온도범위가 큰 합금에 일어나는 현상이다. 이와 같은 합금의 응고에서는 가지상이 보다 발달한 고액공존층이 두껍게 형성되며 가지상의 가지의 성장에 따라서 배출된 용질이 수지상의 가지사이에 누적되고 이 고농도화한 융액이 수지상간격을 응고성장방향과 역방향으로 주형방향에 유동하는 것에 의해서 편석한다. 따라서 초기에 응고하는 바깥표면에 가까운 조직중에 응고말기에 나타나는 고농도상이 보이는 것 때문에 역편석이라 한다. 용탕이 응고하여 온도가 내려가면 응고수축과 고액 양상의 열수축이 일어나므로 이것을 보상하기 위해서 용탕의 유동이 생긴다. 그래서 바깥쪽 부분일수록 응고와 온도의 감소가 빠르고 필요한 용량이 보다 많고 따라서 바깥쪽으로 융탕유동이 일어난다고 생각된다. ingot 중심부에서는 고농도용탕이 유동하여 없어지므로 용질 농도는 감소하고 결국 그림 9에 나타낸 것과 같은 용질농도분포로 된다.
그림 9. 역편석한 주괴 내부의 용질 농도분포의 개념도
더욱 역편석에 관계된 뚜렷한 현상으로서 응고 말기에 잔류고농도 용탕이 주물표면에까지 침투되어 나타나는 exudation 이 있다. 이 exudation 현상은 주형면과 주물표면 사이에 공기gap이 있어 열전달이 나쁘게 되면 발생한다. 금형이나 칠의 주형면은 열흡수가 크고 이것에 접한 부분은 온도가 낮게 되지만 주물표면이 주형면으로부터 떨어지면 열전달이 감소하고 그 부근의 부분온도는 다시 상승하여 국부적 용해가 일어나서 용탕의 유동통로(channel)가 생겨 부피수축에 의해 구동되어 용탕이 주물표면에 밀려 나타난 것이다.
대편석(banding)
예를 들어 고용체가 정출성장하는 경우에 고액계면의 액상쪽에 있는 용질확산층은 정상상태를 유지하며 성장을 계속하는 한다. 이때 열적 혹은 기계적인 돌기(perturbation)가 생기면 용질확산층은 균형을 상실하여 계면의 고상쪽의 용질농도가 변하게 되며 고농도나 저농도의 대상의 편석대가 계면에 평행하게 형성된다. 이것이 대편석이다.
급냉응고
금속, 합금은 아무리 급냉응고해도 결정으로 되는 것이 상식이었지만, 1960년 Duwez 등은 장치[건(gun)법]에 의해 Au-Si 합금을 급냉응고시키면 비정질금속이 얻어진다는 것을 발표하였다. 이어 피스턴-앤빌법도 고안되고 더욱 토숀 카타펄트법이라는 토숀(torsion)에 의해 튕겨날려 충돌급냉시키는 방법도 소개되었다.
이들 방법은 스플랫 쿨링(splat cooling)이라고 총칭되지만 어느 것이나 얻어지는 비정질시료는 부정형의 작은 얇은 편상의 것이었다. 그러나 그 후에 증본에 의해 원심급냉법이 개발되고 또 Chen 등에 의해 고속로울러에 의한 급냉압연법등이 고안되어 테이프상의 시료가 얻어지게 되어 공학적 성질의 측정도 가능하게 되었다. 그러나 여기에서는 비정질금속의 구조, 물성을 설명하는 것이 목적이 아니므로 응고에 관계되는 것만을 설명한다. 표 1에 스플랫 쿨링 각 방법의 냉각속도, 얻어지는 시료의 모양등을 나타냈다.
표 1. 각종 액체급냉법의 냉각속도와 얻어지는 모양
표 2. 액체급냉법에 따라 얻어지는 비정질금속
또 스플랫 쿨링에 의해 얻어지는 비정질금속을 정리하면 표2와 같다. 이 표로부터 알 수 있는 것은 비정질화하는 합금의 대부분은 금속-반금속을 조합한 것으로 또 조성은 용질원소의 원자율이 약 20%이다. 그러나 합금이 비정질화하기 쉬운가를 알아보기 위한 방법을 정성적으로 고려한 것은 유리 같은 비정질물질과의 비교다. 유리의 융액은 온도의 감소에 따라 점성이 증가하여 원자의 확산속도가 감소하며 융액상태대로 응고한다. 이 응고온도를 유리온도 Tg라 한다. 그런데 금속에서는 점성의 온도의존성이 작아 온도가 감소해도 확산속도가 빨라 결정이 되기 쉽기 때문에 응고해서 결정이 된다. 그러나 만약 융액을 매우 빨리 냉각하면 확산의 진행이 대부분 이루어지지 않은 채로 급속히 과냉되어 결정핵을 생성하지 않고 유리온도까지 내려가서 비정질화한다. 이때 고려되는 것은 비정질화하는데는 용융점부터 유리온도까지 융액이 빨리 과냉되는 것이 필요하다. 따라서 공정계합금에서 공정조성 부근의 것이 비정질화하기 쉽다.
급냉응고에 의한 강제고용
피스톤-앤빌법으로 급냉응고하면 40-60%Cu의 조성범위를 제외하고는 강제고용체가 얻어진다. 더욱이 응고속도가 빠른 건(gun)법을 적용하면 40-60%Cu 범위의 조성을 갖는 합금에서도 시료 중에는 단상의 고용체를 얻을 수가 있어서 전율고용체를 얻을 수 있다.
급냉응고에 의한 준안정 중간상
비교적 급속히 응고시키면 준안정 중간상을 생성하는 경우가 있다. 예를 들면 Cd-Sb합금에서는 보통의 방법으로 응고시키면 준안정계조직으로 되고 준안정중간상 Cd3Sb2(용융점420 )가 생성되지만 안정중간상이 CdSb(용융점456 )을 얻기 위해서는 적당한 온도범위에서 융액에 접종할 필요가 있다. 그런데 용탕을 급냉응고에 의해서 새로운 준안정상을 형성하는 경우도 있다. 예를 들면 Ag-Ge합금에서 급냉응고에 의해 고용량도가 증가하여 약 15~26%Ge 조성에서는 조밀육방정의 새로운 상이 생성된다.
요약하면 위에 설명한 것과 같이 합금용탕을 급냉시켜서 비정질합금, 강제고용체, 준안정중간상 등이 나타나게 되고 새로운 합금재료 개발의 가능성이 있는 흥미있는 분야인 것 같다.

키워드

응고,   순금속,   주조