금속 응고와 미세조직

금속의 특성을 이해하기 위해서는 금속조직에 대한 이해가 필요하다. 금속의 미세조직을 관찰하기 위해서는 금속시편의 절단면을 연마한 후 조직을 볼 수 있도록 적절한 화학부식을 시킨후 조직을 관찰한다. 소성변형 등의 가공 형태에 따라 조직의 결정립 크기는 달라진다. 일반적으로 주조조직의 경우 결정립이 크다. 냉간가공된 조직의 결정립은 길이 방향으로 연신되어 있고 풀정처리에 의해 새로운 결정립이 형성한다.  

 

격자의 형성

금속을 가열하면 용융온도 이상에서 원자배열이 무질서 해지면서 결정상태를 잃고 액체가 된다. 이 용액을 응고온도까지 냉각시키면 원자는 다시 규칙적인 결정격자의 자리를 찾아간다. 이렇게 해서 금속은 하나하나의 격자를 형성하고 이들 입방체로 정렬된 원자들은 좌우상하로 쌓이게 된다.

 

가열 및 냉각곡선

모든 금속 원자들은 액체 또는 고체상태에 따라 서로 다른 양의 에너지를 갖고 있다. 금속을 용융점 온도까지 가열하기 위해서는 일정량의 열에너지를 필요로 한다. 그러나 용융온도에서 금속은 전혀 용융되지 않는다. 이러한 금속을 비정질상의 액체상태로 용융시키기 위해서는 각 원자가 인접한 격자점으로부터 뛰쳐나올 수 있도록 상당한 양의 열에너지가 요구된다. 용해열은 금속의 비열로부터 계산할 수 있다.

금속 원자는 고체-액체의 용융과정에서 상당한 에너지를 얻게 되며 이로 인하여 원자의 운동이 활발해진다. 따라서 원자는 고체상태에서보다 액체 상태에서 높은 운동에너지를 갖는다. 이와는 반대로 용액의 응고과정을 보면 원자가 낮은 에너지를 갖는 결정상태로 돌아가기 위해서는 용융점에서 냉각이 진행되는 동안 열을 방출해야 한다. 이 응고잠열은 그 양에 있어서 용융잠열의 양과 똑같다. 금속의 용해곡선과 응고곡선을 그리면 이들은 서로 경면대칭이 된다. 한편 금속의 용융점(혹은 응고점)에서의 온도-시간관계는 시간적으로 지연되는 것을 볼 수 있는데 이는 금속이 용융 또는 응고되는 동안 전체 용융잠열을 흡수하거나, 전체응고잠열을 방출할 때 까지 온도가 변화하지 않음을 말한다.

 

Al-Cu alloy casting에 의해 생성된 dendrite의 SEM image [1]

SEM image of dendrites from an Al-Cu alloy casting. Note how the proximity of these randomly growing crystals causes foreshortened side branches to develop on the upper dendrite. This effect is caused by melt convection. Here latent heat released from the lower dendrites causes the melt (removed by decanting) to be buoyant and rise, thereby slowing the growth of some branches on the upper dendrite. These complex heat-transfer effects profoundly influence the microstructures of conventionally cast alloys.

 

참고문헌

[1] Martin Eden Glicksman, Principles of Solidification

[2] 응고(solidification)의 의미와 구동력(driving force)에 대한 이해