기계재료학 (다섯번째시간)

2. 금속의 응고와 결정

 용융 상태의 금속을 냉각시키게 되면 일정한 온도에서 고체가 되는데 공업용으로 실용되는 금속과 합금은 결정체를 이루고 있으며, 결정을 구성하고 있는 모든 원자가 규칙적으로 배열되어 있다. 이와 같이 결정체인 금속이나 합금은 용융 상태에서 냉각하게 되면 고체로 변화하게 되며, 고체의 금속은 특정 온도에서 고상내의 상변화인 동소 변태 또는 자기 변태를 일으킨다. 또한, 금속은 온도에 따라 고체 상태에서 결정 구조가 다른 상태로 존재하기도 한다.

1) 금속의 응고와 조직

 금속은 온도에 의해 고상, 액상, 기상의 3개의 상태로 변화한다. 재료의 가공은 이상과 같은 상상태의 변화를 이용하여 이루어 진다.

고상의 금속을 가열하는 과정에서 고상이 액상으로 변화하는 상태를 융해, 액상에서 기상으로 변하는 상태를 기화라 한다. 반대로 냉각하는 과정에서 기상에서 액상으로 변하는 상태를 액화, 액상에서 고상으로 변하는 상태를 응고라 한다. 융해와 기화 상태에서는 열을 흡수하고, 액화와 응고 상태에서는 열을 방출한다. 따라서 이들 상태가 일어나는 온도에서는 시간이 경과하여도 온도의 변화가 없는 구간이 생긴다.

 또한 용융 상태의 금속을 냉각시키면 일정한 온도에서 고체로 되는데 공업적으로 실용되고 있는 금속과 합금은 결정체를 이루고 있으며, 결정을 구성하고 있는 모든 원자가 규칙적으로 배열되어 있다. 이들 원자 사이의 결합은 금속 특유의 결정 구조에 따라 크고 작은 결정의 집합체로 이루어지고 있다.

 (1) 금속의 응고

 비결정체인 액체 상태의 금속이 응고하여 고체가 되면 결정체를 이루게 되고 이에따라 고체인 금속과 액체인 금속의 성질은 크게 달라진다.

 그 원인으로는 고체와 액체의 비용적에 큰 차가 있어 원자간의 거리가 크게 다른 것으로 생각될 수 있으나, 같은 온도에서의 고체와 액체 금속의 원자간 거리의 차는 통계적으로 몇 %에 불과하여 크게 영향이 없고 원자간의 거리의 차보다는 원자배열의 규칙성에 관계가 있다.

 고체의 결정은 원자의 규칙적인 배열에서 임의의 2원자의 중심을 연결하는 직선상에 긴 원자의 배열이 형성된다. 이것을 장거리 배열이라 한다. 액상에 있어서 고상의 경우와 같은 원자와 원자의 중심을 연결하는 직선상의 규칙적인 배열은 몇 개의 원자에 불과하다. 이것을 단거리 배열이라 하며, 장거리 배열에 비해 배열이 불규칙정이고 빈 공간이 있어 주기성이 없다. 체심입방격자 배열의 금속의 응고는 원자 배열상으로 단거리 배열에서 장거리 배열로의 변화로 볼 수 있다. 또한 정거리 배열과 단거리 배열에 있어서의 원자간의 작용력을 생각하면 단거리 배열의 경우는 구속력이 작아서 상대적 회전 운동이 가능하다. 금속의 응고는 원자배열의 규칙성이 증가하는 현상이다. 이와 같은 배열의 변화는 용융 금속 전체에서 동시에 일어나는 것이 아니라 점진적으로 부분적인 원자배열의 규칙화가 일어나게 된다. 여기서 배열 규칙화의 원점을 응고에 있어서의 결정핵이라 하는데, 일반적으로는 결정핵이 용융된 금속 중에 여러개 발생하고, 이것으로부터 다수의 고상이 성장한다. 따라서 고상이 된 금속은 다결정체가 된다.

 이에 대해 결정핵이 1개만 생성되어 응고된 단결정의 금속은 물성연구와 전자재료로 사용되고 있다.

 (2) 조직의 형성

 다결정체 금속에 있어서는 응고에 따라 원자배열이 그림과 같이 성장하여 변화하게 된다.

그림 (a)는 액체 상태의 금속에 단거리 배열만의 원자가 집합한 것이고, 그림(b)는 냉각에 따라 많은 결정핵이 발생하고 이것들이 성장하게 된다. 여기서 결정은 각기 원자가 규칙적으로 방향성을 갖고 배열하는데 모든 결정의 결정축의 방향이 일치하지 않는다. 따라서 응고가 진행됨에 따라 그림 (c)와 같이 성장하여 그림(d)와 같이 결정립이 서로 접촉되어 응고가 끝나는 단계가 된다.

 이러한 과정을 거치면서 각 입자의 경계에서 원자배열의 방향이 다른 부분이 형성되고 이 부분이 결정입계가 되어 평면적으로 보면 그물모양의 망목상으로 보이고 입체적으로는 입상 결정의 집합체로 입상 결정 조직이 된다.

 결정 입계는 금속의 성질 특히 기계적 성질에 영향을 준다. 금속의 소성변형에서 결정면에 따라 생기는 미끄럼은 원자 배열의 방향이 불연속적으로 변화하는 결정입계에 따라 막을 수 있다. 또, 결정핵의 수가 많으면 미세한 결정이 많아지고 결정핵이 적으면 조대한 결정의 입상 조직이 된다. 일반적으로 결정립이 미세할수록 금속은 강인하다. 따라서 금속재료의 결정 입도의 조정은 공업적으로 매우 중요하다.

 금속의 결정 입도는 응고할 때 생성되는 결정핵의 수에 따라 결정되는데, 결정핵의 수를 지배하는 요인은 주로 냉각속도의 영향을 받게 된다. 즉, 냉각 속도가 빠르면 결정핵의 수가 많아지므로 결정 입자는 미세하게 되고, 냉각 속도가 느리면 형성되는 핵의 수가 적어 결정 입자들은 커진다. 따라서 용융금속을 금형에 주입하면 모래형에 주입한 것보다 급랭되므로, 미세한 조직이 되어 기계적 성질을 개선하는 데 이용된다.

 (3) 수지상정과 주상 결정

 ① 수지상정

 용융 상태인 순금속을 냉각하여 어떤 일정한 온도에 달하게 하면, 원자가 서로 결합하여 규칙적인 배열을 하면서 작은 결정핵이 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 결정핵은 금속 원자 고유의 결정 격자를 이루면서 나무가지 모양으로 성장하여 결정과 결정 사이를 매꾸게 되고, 이것이 결정립계를 형성하여 결정 조직으로 응고하게 되는데, 이와 같이 성장하는 결정을 수지상정이라 한다.

 금속의 응고 과정에서는 결정축의 방향에 따라 성장 속도가 달라지기 때문에, 일반적으로 성장 속도가 큰 방향을 근간으로 하고 느린 쪽은 다른 축의 방향으로 나무가지와 같이 결정이 성장하게 된다. 이에 따라 결정은 수지상정으로 형성된다.

 불순물이 함유된 금속에서는 가지가 되는 결정의 사이가 편석이 되어 수지상정이 분명하게 나타난다.

 실제 금속의 응고는 주형 안에서 이루어지므로 냉각에 따른 열이동의 영향을 받게 된다. 즉 급랭된 벽면 근처에는 많은 결정핵이 생기는데, 결정의 성장 방향은 일정하지 않고 급랭층에서 내부로 결정이 발달하는 단계에서는 열의 이동 방향과 반대방향이고 성장하기 쉬운 결정축의 방향이 일치하는 결정이 선택적으로 성장하게 된다.

 열의 이동은 벽면에 대해 수직으로 이루어짐으로 결정도 벽면에 수직으로 발달한다. 아래 그림은 수지상정과 응고에 따른 수지상정의 형성 과정을 나타낸 것이다.

 ② 주상 결정

 쇳물을 금속 주형에 주입하면, 주형에 접촉되는 부분은 급속히 냉각되어 결정핵이 많이 발생하는데, 중심부는 서서히 냉각되어 결정핵의 발생이 거의 일어나지 않는다. 또 쇳물은 온다가 높은 중심 부분보다 온도가 낮은 금속 주형 표면에서부터 응고하기 시작하여 중심 방향으로 각 결정이 성장하게 되므로, 결정핵은 금속 주형 표면에서 중심부로 향하여 나란하게 성장한 방사상의 주상 결정이 형성된다.

 특히, 주철의 경우에는 응고할 때에 고용되지 않은 불순물이 결정 입계 부분에 나타나는 경우가 많으므로, 주상 결정 입자 조직이 생성된 주물에서는 주상 결정 입계 부분에 약한 면의 형성으로 메짐과 균열의 원인이 되기도 한다. 또한, 주물의 직각 모서리 부분에는 응고할 때 결정 입자의 경계선이 생기고, 그 부분에 편석과 수축 현상이 일어나서 약한 면이 생기기 쉽다. 이러한 결점을 제거하기 위하여 모서리를 둥글게 라운딩을 한다. 아래 그림은 대형 잉곳 단면의 응고 결정의 성장 방향을 나타낸 것이다.