응고와 주조 조직
평형 분배 계수와 편석, 조성적 과냉과 셀·덴드라이트, 덴드라이트 암 간격과 냉각 속도, 샤일 식, 공정의 성장과 개량 처리, 주조 조직의 미세화와 응고 수축을 3지선다 문제로 확인합니다.
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응고와 주조 조직 핵심 정리
합금이 응고할 때 고상에 받아들여지는 용질의 농도는 액상과 다르며, 그 비를 평형 분배 계수 k라고 합니다. k < 1인 용질은 계면 앞쪽의 액상으로 배출되고 그곳에서 액상선 온도가 내려가므로, 온도 기울기가 작으면 조성적 과냉이 일어나 평평한 계면이 셀이나 덴드라이트로 바뀝니다. 계면의 형태는 온도 기울기와 성장 속도의 비 G/V로, 조직의 미세함은 냉각 속도 G×V로 정해집니다.
고상 내 확산이 느린 실제 응고에서는 샤일 식이 보여 주듯이 용질이 덴드라이트 사이에 농축되어, 고용 한도 안의 합금에도 비평형 공정이 생깁니다. 이러한 미시 편석은 균질화 풀림으로 줄일 수 있지만, 주괴 크기의 거시 편석은 사라지지 않습니다. 주조 조직의 주상정과 등축정의 비율은 과열도나 결정립 미세화제, 교반으로 바꿀 수 있으며, 응고 수축과 응고 시간은 압탕 설계의 기초가 됩니다.
응고와 주조 조직 문제 목록(15문제)
- 합금의 응고에서 고액 계면의 고상과 액상의 용질 농도 비 k = Cs/CL을 평형 분배 계수라고 한다. Al-Cu 합금과 같이 k가 약 0.17인 경우에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 대부분의 순금속은 매끄럽고 둥그스름한 고액 계면으로 성장하는 데 비해, Si나 Bi는 평평한 결정면(패싯)으로 둘러싸여 성장하기 쉽다. 이 차이를 설명하는 기준으로 옳은 것은 무엇인가?
- 합금의 일방향 응고에서 평평하던 고액 계면이 요철이 있는 계면으로 바뀌는 원인이 되는 조성적 과냉에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? k < 1인 합금으로 한다.
- 조성적 과냉이 일어나지 않고 평평한 계면으로 응고하는 조건은 G/V ≥ ΔT₀/D_L로 나타낸다(G는 계면의 액상 쪽 온도 기울기, V는 성장 속도, D_L은 액상 중 용질의 확산 계수, ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k는 응고 온도 범위). Al-2.0 wt%Cu 합금(액상선 기울기의 크기 m = 3.4 K/wt%, k = 0.17, D_L = 3.0×10⁻⁹ m²/s)을 V = 1.0×10⁻⁵ m/s로 성장시킬 때, 평평한 계면을 유지하는 데 필요한 최소 온도 기울기에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 합금의 응고에서 온도 기울기 G와 성장 속도 V를 바꾸었을 때 고액 계면의 형태와 조직의 미세함에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- FCC나 BCC의 입방정 금속에서 덴드라이트가 성장할 때, 줄기와 가지가 뻗는 결정 방위와 그것이 주물의 주상정에 미치는 영향에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 알루미늄 합금 주물의 2차 덴드라이트 암 간격 λ₂와 냉각 속도 Ṫ 사이에 λ₂ = A·Ṫ^(−1/3)의 관계가 있다고 하자. 냉각 속도 1.0 K/s인 부분에서 λ₂ = 50 µm였다. 냉각 속도 125 K/s인 부분의 λ₂에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 주물이나 주괴의 편석에는 덴드라이트 가지 사이 크기에서 일어나는 미시 편석과, 주괴 전체 크기에서 일어나는 거시 편석이 있다. 둘의 차이로 옳은 것은 무엇인가?
- 츄보리노프 법칙 t = B(V/A)²(t는 응고 시간, V는 부피, A는 표면적, B는 상수)이 성립한다고 하자. 같은 주형 조건에서 어떤 부피의 정육면체 주물이 10분에 응고했다. 같은 부피인 구형 주물의 응고 시간에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 응고 중 고상의 조성을 나타내는 샤일 식 Cs = kC₀(1 − fs)^(k−1)(fs는 고상의 분율)의 전제로 옳은 것은 무엇인가?
- Al-4.0 wt%Cu 합금을 응고시킨다. 샤일 식을 따르며(평형 분배 계수 k = 0.17로 일정), 남은 액상의 농도는 CL = C₀(1 − fs)^(k−1)로 올라간다고 하자. 액상이 공정 조성인 33.2 wt%Cu에 도달했을 때 남아 있는 액상의 분율(이것이 비평형 공정 조직이 된다)에 가장 가까운 것은 무엇인가? 또한 평형 상태도에서 이 조성은 α상의 최대 고용 한도(5.65 wt%) 범위 안에 있다.
- Al-Si계 아공정 주조 합금에 첨가하는 첨가물과 그 주된 효과의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- 규칙적인 층상 공정을 일방향 응고시키면 층간 간격 λ와 성장 속도 V 사이에 λ²V = 일정의 관계가 성립한다. 성장 속도 10 µm/s에서 λ = 2.0 µm였다. 성장 속도를 160 µm/s로 했을 때의 λ에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 순알루미늄의 융점(660℃)에서의 밀도를 액체 2.375 g/cm³, 고체 2.55 g/cm³라고 하자. 융점에서 액체가 모두 고체가 될 때, 액체의 부피에 대한 부피 감소율(응고 수축)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 주괴의 주상정 영역을 줄이고 중심부의 등축정 영역을 넓혀 결정립을 미세하게 하는 방법의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?