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)

  1. 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?
  2. 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?
  3. 합금의 일방향 응고에서 평평하던 고액 계면이 요철이 있는 계면으로 바뀌는 원인이 되는 조성적 과냉에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? k < 1인 합금으로 한다.
  4. 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?
  5. 합금의 응고에서 온도 기울기 G와 성장 속도 V를 바꾸었을 때 고액 계면의 형태와 조직의 미세함에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  6. FCC나 BCC의 입방정 금속에서 덴드라이트가 성장할 때, 줄기와 가지가 뻗는 결정 방위와 그것이 주물의 주상정에 미치는 영향에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  7. 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?
  8. 주물이나 주괴의 편석에는 덴드라이트 가지 사이 크기에서 일어나는 미시 편석과, 주괴 전체 크기에서 일어나는 거시 편석이 있다. 둘의 차이로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 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?
  10. 응고 중 고상의 조성을 나타내는 샤일 식 Cs = kC₀(1 − fs)^(k−1)(fs는 고상의 분율)의 전제로 옳은 것은 무엇인가?
  11. 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.
  12. Al-Si계 아공정 주조 합금에 첨가하는 첨가물과 그 주된 효과의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
  13. 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?
  14. 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?
  15. 주괴의 주상정 영역을 줄이고 중심부의 등축정 영역을 넓혀 결정립을 미세하게 하는 방법의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?

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