6. 금속재료-금속조직

 

1. 금속의 응고

ㆍ금속과 합금의 제조방법

고체 금속은 여러 가지 제조 방식으로 생산되고 있다. 그 중에서 대표적인 방식은 다음과 같다.

① 승화법에 의한 농축방법 : 아연

② 전기 분해법 : 전기 구리(전기동), 전기 니켈

③ 금속과 용재의 단련방법 : 연철

④ 분말 야금법 : 텅스텐선(tungsten wire), 탄화텅스텐 공구

⑤ 용해에 의한 방법 : 주물(casting)제조 또는 강괴(steel ingot)로 만든 것을 다시 기계적 처리를 하여 소재로 제조함.

위의 ①~⑤까지 방법 중에서 공업용 금속재료로서 가장 일반적인 방법은 용해에 의한 방법이다.

 

 

2. 순금속의 응고

ㆍ응고와 과냉 현상

순금속을 용해온도보다 높은 용융상태로부터 상온까지 서서히 냉각하여 응고점 (freezing point)에 도달하면 일정한 온도에서 고체화한다. 이때 금속의 온도를 일정한 간격으로 시간을 측정하면 아래 그림의 (Ⅰ)의 ab, cd와 같은 모양을 갖는데, 이것을 뉴턴의 냉각법칙(Newton’s cooling law)이라고 한다.

 

아래 그림에서 Cu 및 Fe의 냉각 곡선은 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 얻어진 냉각곡선이다.

Cu의 융체(melt)를 냉각하면, 1 083℃까지는 열을 방출하면서 온도와 시간의 변화가 비례 관계를 갖고 변화하나 1 083℃에 도달하면 응고가 시작되며, 냉각곡선 위의 수평부분은 응고점에서 잠열(latent heat)을 방랭하면서 진행된다. 이때에 방출되는 열량은 융해과정에서 흡수되는 열량과 서로 같은 값이 되므로 온도의 강하 없이 융체가 전부 응고될 때까지 그 온도는 일정하게 되어 수평으로 된다. 융체가 전부 응고되면 다시 응고의 강하가 생긴다.

(Ⅰ)의 ab는 융체의 냉각곡선이고 cd는 고체의 냉각곡선이다. 그리고 bc부분에서는 고체의 융체가 공존하게 된다. (Ⅰ)의 abcd는 이상적인 냉각곡선을 나타내지만, 실제의 경우에는 가끔 abb′c 곡선 또는 bb′gd와 같이 융체가 일단 응고점 이하로 과냉(supercooling)되는 현상이 나타난다.

 

냉각할 때 융체 내부에 적당한 고체 핵이 존재하지 않으면 결정의 석출이 어렵게 된다. 이 과냉의 정도는 금속의 종류에 따라 다르다.

예를 들면 Sb은 과냉도(degree of supercooling)가 크나, Al 및 Cu는 극히 작다.

일반적으로 과냉은 응고점보다 0.1℃ 또는 0.3℃ 이하에서 생긴다. 결정의 핵(nucleus) 또는 씨드 크리스털(seed crystal)이 형성되기 시작하면 금속의 결정이 급속히 성장하며, 이 반응에서 열이 급격히 방출되지 않으면 본질적으로 응고점은 약간 상승한다.

이와 같은 경우에 냉각곡선의 형태는 곡선의 bb′c로 된다. 그러나 너무 과냉시키면 고상이 생기면서 bc선까지 상승하지 못하고, ab′gc′d의 점선에 따라 변화한다. 그러므로 너무 과냉도가 큰 금속의 경우에는 융체에 진동을 주든가 또는 금속의 작은 조각을 핵의 종자가 되도록 첨가하여 핵생성을 촉진시킨다. 이것을 접종 (inoculation)이라고 한다.

<구리(I) 및 철(II)의 냉각곡선>

 

출처 : 한국산업인력공단 금속재료 자료 활용