기계재료 (2) - 상태도 (2)

1. 2성분 합금계의 상태도

 

 순금속이란 한 가지 종류의 금속원소로 구성된 물질을 의미한다. 실제에 있어 엄밀하게 100% 순도의 금속을 제조하는 것은 불가능하지만, 현재 모든 금속은 거의 100% 수준까지 정제 가능하다.

 순금속은 앞서 언급한 바와 같이 합금에 비해 기계적 성질이 떨어지기 때문에 기계재료로는 거의 사용되지 않으며 전기, 전자재료나 장식용 재료 또는 합금을 만들기 위한 소재로 사용된다.

 합금은 유용한 성질을 얻기 위해 한 금속에 다른 금속이나 비금속을 첨가시켜 얻은 금속적 성질을 갖는 물질을 말한다. 현재 개발된 합금은 2개의 성분으로 된 것으로부터 10개 이상의 성분으로 구성된 것들이 있으나, 여기서는 2개의 성분으로 구성된 합금의 상태도에 대해서 설명한다.

 2개의 성분으로 구성된 합금을 2원합금(binary alloy)이라 하며 현재 많은 수의 2원합금이 사용되고 있다.

 2원합금계의 상태도를 작성함에 있어 상태변수 중의 하나인 압력을 1기압으로 고정하면 다음 그림과 같이 온도를 종축, 조성을 횡축으로 하는 2차원 좌표계상에 상태변수에 따른 상의 변화를 나타낼 수 있다.

 

그림 1-1

 

그림에서 P점은 온도 400℃ 일때 조성이 100%인 A금속, 즉 순금속 A의 상태를 나타내는 점이며, Q점은 온도 200℃일 때 A금속성분 80%와 B금속성분 20%로 구성된 합금의 상태를 나타내는 점이다.

 마찬가지로 R점은 600℃일 때 A금속성분 40%와 B금속성분 60%로 구성된 합금의 상태를 나타내는 점이다. 횡축에 나타낸 숫자는 B금속의 구성백분율을 나타내며, 특별히 지정하지 않을 경우 중량 %를 의미한다.

 실제에 있어 그림에서 A 또는 B로 나타낸 2원합금의 구성성분으로는 순수금속 또는 금속간 화합물의 형태로 주어진다. Ni-Cu 또는 Fe-Fe₃C가 그 예이다.

 합금의 상태도는 구성성분의 조합에 따라 그 형상이 달라지나, 그 내용을 분석해보면 몇 가지 기본유형으로 분류할 수 있다.

 본 파트에서는 2원합금계의 상태도 중 대표적인 유형인 전율고용체형 상태도와 공정형 상태도에 대해서 설명하기로 한다.

 

 

2. 전율고용체형 상태도

 

 다음 그림은 전율고용체형 상태도의 전형적인 형상을 나타내고 있는 Ni-Cu합금의 상태도 이다.

 

그림 2-1

 

 그림 2-1 에서 보는 바와 같이 100% 니켈(Ni)로 구성된 순니켈(Ni)의 응고점은 1445℃이며, 100% 구리(Cu)로 이루어진 순구리(Cu)의 응고점은 1082℃이다.

 

그림 2-2 / 2-3

 

다음 그림 2-2는 순니켈이나 순구리와 같은 순금속을 포함하여 모든 순수물질의 액체상태로부터 냉각되어 응고과정을 거쳐 고체상태로 되는 과정의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 냉각곡선을 나타낸 것이다.

 그림에서 보는 바와 같이 순수물질은 그 양이 얼마이든 간에 응고가 시작할 때부터 응고가 종료될 때까지 일정한 온도를 유지한다.

 이와 같은 현상은 상률에 따른 것이다. F = n + 1 - P (깁스의 상률, 1기압 고정 시) 식에 순수물질의 응고과정의 상황을 대입 해 보면 성분의 수 n=1, 상의 수 P=2 (액상과 고상이 공존이므로) 이므로 자유도 F=0 이 된다. 따라서, 순수물질의 응고가 진행되는 동안에는 상태변수인 온도의 변화가 일어나지 않는다. 응고과정 동안 응고온도의 유지는 응고과정시 방출되는 잠열(latent heat)에 의해 이루어진다.

 그러나 2개 이상의 성분으로 구성된 물질의 경우에는 특별한 경우 (F=0인 경우)를 제외하고는 그림 2-3 에 나타낸 바와 같이 응고 구간을 갖는다.

 한편, 그림 1-1 에서 액상선은 각 조성에서의 응고개시온도들을 연결한 선이며, 고상선은 응고완료온도들을 연결한 선이다. 따라서, 액상선 위의 영역에서는 합급은 어떠한 조성이더라도 균일한 액상(liquid solution)의 상태로 존재한다. 전율고용체형 상태도라는 용어는 합금의 이러한 특성을 나타내는 것이다.

 임의의 조성을 갖는 합금의 응고과정을 자세히 살펴보기로 한다. 예로서, Ni 50%- Cu 50% 조성인 합금의 경우 그림 1-1 에서 보는 바와 같이 1313℃에서 응고가 시작되며 액상의 금속에서 최초로 정출되는 고체결정의 조성은 Ni 64%- Cu 36%로 원래의 합금조성과는 다르다. 온도의 저하와 함께 정출되는 고체(고용체)의 양은 많아지며, 동시에 고체의 조성과 남은 액상의 조성도 변한다. 상태도로부터 액상선온도와 고상선온도 사이의 임의의 온도에서의 상태를 정량적으로 나타낼 수 있다.

 우리가 알고자 하는 상태가 1288℃인 P점의 상태라 하면, 우선 P점을 지나고 횡축에 평행한 선과 고상선 및 액상선과 만나는 점 a, b를 구한다. 이 때 고상의 조성은 a점(Ni 58%- Cu 42%)으로, 액상의 조성은 b점(Ni 42%-Cu 58%)으로 주어진다.

 한편, 이 온도에서 전체 합금의 양은 선ab로 주어지며 이 중 고상의 양은 선Pb로, 액상의 양은 선 aP로 주어진다. 상기 합금의 응고과정에서의 상태변화도 F = n + 1 - P 식에 부합되어 이루어진다. 응고과정은 1249℃에서 종료되며, 원래의 합금조성 Ni 50%-Cu 50%의 균일한 고상인 고용체의 상태를 나타낸다.

 

 

3. 공정형 상태도

 

 그림 3-1은 공정형 상태도의 전형적인 형상을 나타내고 있는 Pb-Sn 합금의 상태도이다. 그림에서 보는 바와 가이 순납(Pb)의 응고점은 327℃이며, 순주석(Sn)의 응고점은 232℃ 이다. 액상금속 영역과 183℃ 사이에 있는 2개의 삼각형 형상의 영역은 전율고용체형 상태도에서 액상과 고상이 공존하는 영역의 일부에 해당한다. 따라서, 이들 영역내에 있는 임의의 좌표점에서의 상태는 앞에서 설명한 바와 같은 방법에 의해 정량적으로 나타낼 수 있다. 그림에서 α 와 β는 서로 다른 두 종류의 고용체를 나타낸 것으로, α 는 용매 금속 납에 용질금속 주석이 용해되어(dissolved) 균일한 상태를 나타내는 고용체이며, β는 용매금속 주석에 용질금속 납이 용해되어 균일한 상태를 나타내는 고용체를 지칭한다.

 

그림 3-1

 

 그림에 표시한 두 가지 합금조성에 대한 상의 변화에 대해 설명한다. 합금조성 1은 Pb 60%-Sn 40%인 합금으로 균일한 액상금속의 상태로부터 냉각하면 약 240℃인 L₁ 온도에서 고체결정이 정출되기 시작한다. 온도의 저하와 함께 정출되는 고체의 양은 많아지며, 동시에 고체의 조성과 남은 액상의 조성도 변한다. 이 때 정출되는 고체가 α  고용체이다. α + L 영역에 있는 Q⁺점 (이 점의 온도를 183℃⁺ : 183℃보다 미소온도 높은 온도라 하자)에서의 상태는 조성 Pb 81.8%-Sn 19.2%인 α고용체와 조성 Pb 38.1%-Sn 61.9% 인 균일한 2상이 혼합되어 있는 상태로 고상과 액상의 비는 (61.9-40) : (40-19.2) 이다. 한편, α + β 영역에 있는 Q^-점(이 점의 온도를 183℃^- : 183℃ 보다 미소온도 낮은 온도라 하자)에서의 상태는 a고용체(Pb 81.8%-Sn 19.2%)와 b 고용체 (Pb 2.5%-Sn 97.5%)가 혼합되어 있는 상태이며 α : β = (97.5-40) : (40-19.2)이다.

 Q⁺점의 온도와 Q^-점의 온도는 실질적으로 같은 온도라 볼 수 있으며, 이는 Q⁺점의 상태에서 Q^-점의 상태로 변태가 일어나는 온도가 Q점의 온도(183℃)임을 의미한다. 이상에서 설명한 Q점의 변태과정을 정리하면 다음과 같다.

 

 

변태가 일어가지 직전인 Q⁺점과 변태가 일어난 직후인 Q^-점의 상태를 비교해 보면 Q^-점에서는 액상 L이 없는 대신 새로운 고체상인 β상이 있다. 또한 Q⁺점과 Q^-점의 α상을 비교해 보면 각각 전체의 51.3%와 73.4%로 Q^-점의 경우가 많음을 알 수 있다. 이로부터 Q점에서의 변태의 내용은 Q⁺점에 남아있는 전체 합금의 48.7%에 해당하는 액상 L이 Q점에서 새로운 β상과 함께 α상을 추가로 정출시키는 변태과정을 공정변태(eutectic transformation) 또는 공정반응이라 한다.

 공정반응이 일어나는 동안 상태변수인 액상 L의 조성과 온도는 변하지 않는다. 이는 상률에 따른 것이다. F = n + 1 - P 식에 상기의 공정변태과정의 상황을 대입해 보면 성분의 수 n=2(Pb, Sn), 상의 수 P=3(L,a,b)이므로 자유도 F=0이 된다. 공정반응과 같은 자유도 F=0인 반응을 불변반응(invariant reaction)이라 한다. 그림 3-2은 합금 조성이 1이 액상에서 냉각될 때의 냉각곡선을 나타낸 것이다.

 

그림 3-2 / 3-3

 

 그림 3-3, 합금조성 2는 Pb 38.1%-Sn 61.9%인 합금으로 균일한 액상금속 상태에서 냉각하면 P+(183℃⁺)까지는 아무런 상태의 변화가 없다. P점에 도달하면 주어진 조성의 액상금속으로부터 바로 두 종류의 고체상 a(Pb 81.8%-Sn 19.2%)와 b(Pb 2.5%-Sn 97.5%)가 정출된다.

 이와 같이 액체상태로부터 바로 두 종류의 고체상이 정출되는 합금의 조성을 공정조성이라 한다. P점에서의 변태과정을 정리하며 다음과 같다.

 

 

P점에서의 변태과정은 근본적으로 합금조성 1의 Q점에서의 공정변태과정과 동일하다. 즉, Pb-Sn 합금의 공정변태는 액상의 조성 Pb 38.1%-Sn 61.9% 인 조건과 온도 183℃인 조건이 만족되면 일어나며, 주어진 합금의 Sn 성분이 19.2%에서 97.5% 사이에 있는 합금은 모두 183℃에서 공정변태한다. 그러나 공정조성인 합금조성 2 (Pb 38.1%-Sn 61.9%)를 제외한 다른 합금 조성의 경우는 공정변태가 일어나기 전에 합금조성 1의 예과 같이 α 또는 β상 단독으로 정출되는 구간을 갖는다. 그림 3-2 공정조성(합금조성 2)의 냉각곡선을 나타낸 것이다.