응고조직과 불순물 (수지상정, 주상정, 입상정, 결정립계, 적열취성, 저온취성)

1. 수지상정

   합금은 수지상정 (나무 가지 모양의 상)의 형태로 응고 한다. 그 이유는 합금의 핵이 8면체 형태가 된다. 8면체의 각 모서리가 성장이 시작되고, 모서리가 성장하면서 또 나무가지처럼 뻗어나가면서 성장하게 된다. 이러한 형태를 수지상정이라고 한다.

2. 주상정

  어떤 용기에 용융금속을 넣고 응고시킨다고 생각하면, 벽면에서 냉각이 시작되어 내부 방향으로 응고가 될 것이다. 이 때 벽면에서는 수지상정의 형태로 응고가 시작되고, 어느 정도 성장하면 수지상정끼리 간섭되어 더이상 성장하지 못하는 상태까지 된다. 이를 칠(chill)층이라 하고, 그 중에서도 간섭을 받지 않고 내부 방향으로 성장하기 시작하는 수지상정이 존재하게 되고, 이것이 기둥형태의 주상정이 된다. 처음 벽면에서 붙어 있지 못한 수지 상정들은 용융 금속 내부를 떠다니게 되는데, 이 수지상정들이 여러방향으로 알갱이 모양으로 성장한 것이 입상정이다. 

이 조직 중에서 입상정은 결정립이 여러 방향을 향하고 있으므로 조직이 균일하다. 그러므로 기계적 성질도 우수하고 응고할 때 발생하는 결함들도 방지할 수 있다. 따라서 응고조직은 가능한한 주상정 조직을 적게 하고 입상정 조직 부분을 많게 하는 것이 좋다.

3. 불순물

  한편 불순물은 결정립계에 존재하게 되는데, 그이유는 다음과 같다. 처음 용융금속이 응고될때 수지상정은 주로 금속원자로 구성되어 있는 결정이므로 불순물이 수지상정 속으로는 못들어가고 주변에 있게된다. 수지상정이 성장함에 따라 주변에 있던 불순물도 모이게 되고, 주상정의 사이사이와 입상정의 사이사이에 불순물이 존재하게 된다. 즉 결정립계에 불순물이 존재하는 것이다. 

4. 불순물의 영향

  결정립 사이사이 즉 결정립계에 불순물이 존재하고, 아주 견고하게 존재하기도 하고, 공간이 있기도 할 것이므로 다른부분보다 약하게 결합되어 있을 것이다. 

 첫번째로는 날카로운 모서리에서 응고될때, 각각의 면에서 성장한 주상정이 만나서 경계면이 생기는데, 이 경계면에 불순물이나 공간이 생겨 취약하게된다. 그러나 둥글게 했을 경우에는 경계면이 생기지 않아 결함을 방지할 수 있다. 

 

1) 적열취성

   적열취성은 S(유황)의 영향으로서, FeS(황화철)의 형태로 결정립계에 존재하게 된다. 이 FeS는 저온에서는 고체상태이나 고온에서는 액체상태로 변해, 이때 외력이 가해지면 결정립계에서 미끄러지듯 변형이 생겨 파괴가 된다. 이런 현상은 대장간에서 빨갛게 달궈진 금속을 두드릴때 갑자기 파괴되어 파편이 튀는 현상을 볼 수 있는데 이런 현상이 적열취성이다.

 

2) 저온취성

  저온취성은 P(인)의 영향으로서, Fe3P(인화철)의 형태로 결정립계에 존재하게 된다. Fe3P는 취약하여 외력이 가해지면 충격으로 Fe3P이 깨져서 결국 균열이 생기게 된다. 철도의 레일이 파괴되는 현상을 예로 들 수 있다. 

 

이렇게 S과 P은 Fe속에서 불순물의 형태로 존재하여, 취약하게 하므로 함유량 관리를 철저히 해야 한다. 또한, 기계부품을 제조할 때, 한 부품 안에 수지상정, 주상정, 입상정 모든 형태가 존재하게 되면 취약해진다. 모두 성질이 다르기 때문이다. 따라서, 압연, 단조, 적당한 온도에서 재가열을 통해 균질화 처리를 통해 강재 전체의 성분을 균일하게 해야 한다.