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조성적 과냉의 뜻

응고 계면 앞쪽에 용질이 쌓여 액상선 온도가 바뀌고, 실제 온도가 그 액상선 온도보다 낮아진 상태. 평평한 계면이 무너져 셀이나 덴드라이트가 되는 원인이 된다.

일본어 명칭: 組成的過冷

‘조성적 과냉’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 4문제가 있습니다(응고와 주조 조직 등).

이 용어의 분야: 응고와 주조 조직

왜 과냉각이 되는가

k < 1인 합금이 응고하면, 계면에서 배출된 용질이 계면 앞쪽의 액상에 쌓이고, 확산으로 멀리 운반되는 것과의 균형으로 계면에서부터 지수 함수적으로 묽어지는 농도의 층이 생깁니다. 액상선 온도는 농도로 정해지므로 계면에서는 낮고, 멀어질수록 원래 조성의 액상선 온도까지 올라갑니다. 실제 온도가 계면에서부터 직선적으로 올라가는 기울기 G가 이 액상선 온도의 기울기보다 작으면, 계면 앞쪽에 액상선 온도보다 낮은데도 액체인 채로 있는 층이 생깁니다. 온도가 아니라 조성의 분포로 생기는 과냉각이므로 조성적 과냉이라고 부릅니다.

판정식

평평한 계면이 안정한 조건은 계면에서의 액상선 온도의 기울기가 실제 온도 기울기를 넘지 않는 것으로, G/V ≥ ΔT₀/D_L로 쓸 수 있습니다. V는 성장 속도, D_L은 액상 중 용질의 확산 계수, ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k는 응고 온도 범위입니다. 용질이 많을수록, k가 1에서 멀어질수록, 성장이 빠를수록, 온도 기울기가 작을수록 조성적 과냉이 일어나기 쉬워집니다. 실제 합금에서는 우변이 매우 크므로, 일반적인 주조 조건에서는 평평한 계면을 거의 유지할 수 없고 셀이나 덴드라이트로 응고합니다. 보다 엄밀하게는 계면 에너지에 의한 안정화도 고려한 멀린스-세커카 이론으로 다룹니다.

조직에 미치는 영향

조성적 과냉이 작을 때는 계면의 돌기가 조금만 자라 육각형으로 늘어선 셀이 되고, 과냉각이 커지면 가지를 가진 주상 덴드라이트로 바뀝니다. 더 커지면 계면보다 훨씬 앞쪽의 액상에서 결정이 생겨 자라고, 등축 덴드라이트가 됩니다. 그러므로 용질이 많은 합금이나 온도 기울기가 작은 주물의 중심부에서는 등축정이 생기기 쉬워집니다. 단결정 육성이나 일방향 응고 블레이드에서는 온도 기울기를 크게, 성장 속도를 작게 유지하여 바람직한 계면 형태를 유지합니다.

조성적 과냉 연습 문제에 도전

합금의 일방향 응고에서 평평하던 고액 계면이 요철이 있는 계면으로 바뀌는 원인이 되는 조성적 과냉에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? k < 1인 합금으로 한다.

  1. A배출된 용질 때문에 계면의 액상선 온도가 내려가고 멀어질수록 액상선 온도가 높아지므로, 실제 온도 기울기가 작으면 앞쪽의 액상이 액상선 온도보다 낮아진다
  2. B계면 앞쪽 액상의 용질이 고상으로 흡수되어 묽어지고 계면 근처에서 액상선 온도가 올라가므로, 온도 기울기가 클수록 앞쪽의 액상이 과냉각되기 쉽다
  3. C계면에서 액상 쪽으로 온도가 내려가는 음의 온도 기울기가 응고 잠열로 생기며, 그 열적 과냉각이 합금에서만 계면을 불안정하게 한다
정답과 해설 보기

정답: A. 배출된 용질 때문에 계면의 액상선 온도가 내려가고 멀어질수록 액상선 온도가 높아지므로, 실제 온도 기울기가 작으면 앞쪽의 액상이 액상선 온도보다 낮아진다

k < 1에서는 계면에서 배출된 용질이 계면 앞쪽에 쌓여, 계면의 액상은 진하고 액상선 온도가 낮아집니다. 계면에서 멀어지면 농도는 원래의 C₀로 돌아가므로, 액상선 온도는 멀어질수록 높아집니다. 실제 온도 기울기 G가 이 액상선 온도의 기울기보다 작으면, 계면 앞쪽에 액상선 온도보다 낮은, 즉 과냉각된 액상의 층이 생깁니다. 이것이 조성적 과냉이며, 계면의 작은 돌기가 과냉각이 큰 쪽으로 자라므로 평평한 계면이 무너집니다. 앞쪽의 액상은 묽어지는 것이 아니라 진해지며, 온도 기울기가 클수록 조성적 과냉은 일어나기 어려워집니다. 음의 온도 기울기에 의한 열적 과냉각은 용질과 관계없이 순금속에서도 일어나는 별개의 현상입니다.

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?

  1. A약 1.9×10⁴ K/m
  2. B약 1.1×10⁵ K/m
  3. C약 1.1×10² K/m
정답과 해설 보기

정답: B. 약 1.1×10⁵ K/m

응고 온도 범위는 ΔT₀ = 3.4 × 2.0 × (1 − 0.17)/0.17 ≈ 33.2 K입니다. 필요한 온도 기울기는 G = ΔT₀V/D_L = 33.2 × 1.0×10⁻⁵/(3.0×10⁻⁹) ≈ 1.1×10⁵ K/m, 즉 약 110 K/mm입니다. 약 1.9×10⁴ K/m는 ΔT₀를 mC₀(1 − k)로 하여 k로 나누는 것을 잊은 값이고, 약 1.1×10² K/m는 110 K/mm의 숫자를 K/m로 혼동한 값입니다. 일반적인 주조의 온도 기울기는 10³~10⁴ K/m 정도이므로, 합금에서는 평평한 계면을 거의 유지할 수 없고 셀이나 덴드라이트로 응고합니다. 평평한 계면에서의 일방향 응고는 온도 기울기를 크게 하고 성장 속도를 매우 작게 한 실험이나 결정 육성에 사용됩니다.

자주 묻는 질문

순금속에서도 조성적 과냉이 일어납니까?

용질이 없으면 일어나지 않습니다. 다만 액상 쪽으로 온도가 내려가는 음의 온도 기울기가 있으면, 열적 과냉각으로 순금속에서도 덴드라이트가 성장합니다. 과냉각된 액체 속에서 자유롭게 자라는 결정이 그 예입니다.

조성적 과냉은 왜 용접부의 조직과 관계가 있습니까?

용융지의 가장자리에서는 온도 기울기가 크고 성장 속도가 작으므로 평평한 계면이나 셀에 가깝고, 중심으로 갈수록 온도 기울기가 내려가고 성장 속도가 올라가 덴드라이트가 됩니다. 용접 금속 안에서 조직이 위치에 따라 달라지는 것은 이 때문입니다.

불순물이 적은 재료일수록 평평한 계면으로 응고하기 쉽습니까?

그렇습니다. C₀가 작을수록 응고 온도 범위 ΔT₀가 좁아지고, 평평한 계면을 유지하기 위한 G/V가 작아도 됩니다. 고순도 재료의 단결정을 육성하기 쉬운 것은 이 때문입니다.

해설 속의 ‘조성적 과냉’

‘조성적 과냉’ 관련 문제(4문제)

  1. 합금의 일방향 응고에서 평평하던 고액 계면이 요철이 있는 계면으로 바뀌는 원인이 되는 조성적 과냉에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? k < 1인 합금으로 한다.
  2. 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?
  3. 합금의 응고에서 온도 기울기 G와 성장 속도 V를 바꾸었을 때 고액 계면의 형태와 조직의 미세함에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  4. 주괴의 주상정 영역을 줄이고 중심부의 등축정 영역을 넓혀 결정립을 미세하게 하는 방법의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?

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