기계재료학 (여덟번째시간)

2. 금속의 응고와 결정

4) 합금과 결정구조

 (1) 고용체

 2종류 이상의 물질이 혼합하여 있고, 그 혼합물이 원자 또는 분자의 척도로 균일한 혼합 상태에 있을 때, 이것을 용체라 한다. 알콜과 물의 혼합물과 같이 용체가 액체인 것을 용액이라 하며, 공기과 같이 기체와 기체와의 균일한 혼합물은 기용체라 한다. 또 금(Au), 은(Ag)의 합금과 같이 고체와 고체와의 균일한 혼합물은 고용체라 한다. 즉, 고용체는 고체 중에 고체가 기계적으로 혼합한것이 아니라 원자적 척도에서 융합된 상태의 것이다.

 합금을 만드는 고용체는 가장 중요한 상이다. 고용체의 기본이 되는 금속 원자를 용매원자라 하고 그 중에 용융되는 원자를 용질원자라 한다. 따라서 고용체를 만들 때, 모체가 되는 금속은 용매이고, 그 속에 녹아 들어가는 금속은 용질이다. 두 종류의 금속을 완전히 용해한 다음 응고시키면, 고상 상태에서도 융합 상태의 균일한 조성의 고체를 형성하는 경우가 있다. 금속은 고체 상태에서 결정구조를 갖게 되므로, 고체 상태에서 융합된 상태란 용질금속 하나 하나가 원자로써 용매금속의 결정격자 속에 들어간 상태이다.

 고용체는 금속적 성질을 갖고 있으며 그 성질은 용질 원자의 농도에 따라 연속적으로 변화한다. 그러나 대다수의 고용체는 용해도에 한계가 있으며 이 한계는 온도에 따라 변한다. 고용체의 격자 정수와 용질 원자의 원자 농도와의 사이에는 직선적 비례관계가 성립되는데, 이것을 배가드의 법칙이라 한다.

 따라서 고용체의 격자 정수를 측정하게 되면, 화학 분석 없이도 고용체 합금의 농도를 알아낼 수가 있다. 고용체는 혼합된 원자를 물리적인 방법으로 분리할 수 없는 것이 특징이다. 또 성질과 성분 원소가 다 같이 다른 성질을 가지고 있으므로 혼합물이나 화합물이 아닌 상이다.

고용체는 순금속에 비해 경도와 강도가 크다. 이것은 지름이 다른 원자의 격자에 침입하여 결정격자를 조이기 때문이다.

 이에 따라 결정면에서의 소성 미끄럼이 어려워져서 경도가 증가하게 된다.

 (2) 금속간 화합물

 친화력이 큰 성분 금속이 화학적으로 결합하면 각 성분 금속과는 현저하게 다른 성질을 가지는 독립된 화합물을 만드는데, 이것을 금속간 화합물이라 한다. 금속과 비금속의 화합물은 금속적 성질을 나타내진 않는데, 식염, 산화철, 규산 등이 그 보기이다. 즉 이온결합 또는 공유결합의 화합물을 세라믹이라 말한다. 그러나 금속과 금속의 화합물 및 금속과 금속간 화합물과의 화합물은 세라믹에 비해 금속적이다. 즉 금속광택과 얼마간의 소성변형이 가능하다.

 금속간 화합물은 완전한 금속 결합물질이 아니므로 일반적으로 메지고 굳기 때문에 그 특성을 이용하여 여러가지 우수한 공구 재료를 만드는데 이용한다. 경도가 큰 금속간 화합물은 단체 금속 또는 고용체 속에 분산시키면 강하고 경도가 높으며, 내마멸성이 우수한 재료를 만들 수 있다. 또 금속간 화합물은 원소가 일정한 비율로 결합한 상으로 조성과 성질은 일정하나 복잡한 결정 구조를 갖는다.

 금속간 화합물을 만드는 합금에는 아래 표와 같이 여러가지가 있는데, 여기서 Fe₃C는 시멘타이트라 말하며 탄소강 또는 주철 중에 존재하는 금속간 화합물이다. 또한 CuAl₂는 용해 Al에 Cu를 첨가한 합금에서 나타나는 금속간 화합물이다. 이것은 항공기 등에 사용되는 듀라루민으로 기계적 강도가 우수한 가공용 알루미늄 합금이다.

 (3) 공정과 공석정

 ① 공정

 고용체를 화합물에 비유하면 공정은 혼합물에 해당한다. 합금은 응고하게 되면 고용체 또는 금속간 화합물을 만들거나 기계적 혼합물을 만들게 되는데, 기계적 혼합물은 순수한 성분의 혼합물과 고용체의 혼합물이 있는 것으로 알려지고 있다. 즉, 하나의 액체로부터 일정한 온도에서 두 종류의 고체가 일정한 비율로 동시에 정출하여 생긴 혼합물을 공정이라 하며, 일반적으로 미세한 층상이 서로 교호하든지 한 성분이 입자 상태로 되어 다른 성분 중에 산재되어 있기도 한다. 공정은 같은 성분 금속의 모든 비율의 합금 중에서 가장 용융점이 낮다. 주철에서 탄소 4.3%일 때의 용융점은 가장 낮은 1153℃ 이며, 이때의 조직은 레데뷰라이트로서 오스테나이트와 시멘타이트의 공정이다.

② 공석정

 하나의 고용체로부터 일정한 온도에서 두 종류의 고체가 일정한 비율로 동시에 석출하여 생긴 혼합물을 공석정이라 한다.

 공석정의 조직은 주로 층상으로 나타나는데 Fe-C계 합금에서 펄라이트라고 하는 공석정은 탄소 0.8% 이며, 723℃ 에서 오스테나이트로부터 페라이트와 시멘타이트가 동시에 석출된 조직이다. 이와 같이 합금의 조직은 위에서 말한 공정 및 공석정, 고용체, 금속간 화합물 등의 결정이 한가지 또는 여러가지가 혼합되어 있다. 순수한 금속과 합금의 차이는 아래 그림과 같이 냉각 곡선에 의하여 구별이 된다. 즉, 순금속은 대기압 밑에서 그 용융점이 일정한 반면 합금은 응고가 시작되고 끝날 때까지 어떠한 온도 범위가 있는데 이 온도 범위를 응고범위라 한다.

 응고 범위가 너무 넓거나 성분 금속 상호간에 비중의 차가 크면, 주조할 때에 편석이 일어나기 쉽다.

 (4) 유리상

 이밖에 합금 속에 조성원소가 단체로 존재하는 경우가 있다. 즉 용융 상태에서 융합할 수 있는 합금원소가 고상에서는 융합되지 않는 경우이다. 일부만이 융합되고 여분의 원소는 단독상으로 조직 중에 유리된 상을 유리상이라 한다. 구리-납의 베어링 합금에서는 납이, 주철에서는 흑연이 유리상으로 조직 중에 분산되어 있다.