공정 반응의 뜻
냉각할 때 액상에서 두 고상이 동시에 정출하는 반응 L → α + β. 이원계에서는 일정한 온도와 일정한 조성에서 일어나며, 층상 등의 공정 조직이 생긴다.
일본어 명칭: 共晶反応
‘공정 반응’ 관련 연습 문제는 2개 분야에 4문제가 있습니다(상태도와 지렛대 법칙, 재료의 가공과 접합 등).
이 용어의 분야: 상태도와 지렛대 법칙
상태도에서의 모습과 대표적인 계
공정 반응이 있는 이원계에서는 양쪽에서 내려온 액상선이 V자 모양으로 만나는 점이 공정점이며, 그 조성의 액체는 계에서 가장 낮은 온도에서 한꺼번에 응고합니다. 공정 온도는 어느 성분의 융점보다도 낮습니다. 대표적인 예는 Pb-Sn계(183℃, 61.9 wt%Sn), Al-Si계(약 577℃, 약 12.6 wt%Si), Fe-C계(1147℃, 4.3 wt%C)이며, Fe-C계의 공정 조직은 레데부라이트라고 합니다. 공정 온도에서는 3상이 공존하며 자유도는 0입니다.
공정 조직의 형태
공정 반응에서는 두 고상이 액체 속의 용질을 서로 주고받으면서 나란히 성장하므로, 층상이나 막대 모양의 미세한 조직이 생깁니다. 층간 간격 λ는 응고 속도 v가 클수록 작아지며, λ²v가 거의 일정하다는 관계가 잘 알려져 있습니다. 한쪽 상이 결정면(패싯)을 만들기 쉬우면 불규칙한 형태가 되며, Al-Si 합금에서는 Si가 조대한 판 모양이 되어 깨지기 쉬워집니다. 소량의 Na나 Sr을 첨가하면 Si가 미세한 섬유 모양으로 바뀌어(개량 처리) 연신율과 인성이 올라갑니다.
초정과 공정 조직의 구별
공정 조성에서 벗어난 합금에서는 액상선을 지나면 먼저 한쪽 고상이 초정으로 정출되고, 공정 온도에 도달했을 때 남아 있던 액체만 공정 조직이 됩니다. 그래서 실온의 조직은 '초정 + 공정 조직'이며, 상으로서는 둘 다 α와 β의 두 상입니다. 조직의 비율은 공정 온도 바로 위에서, 상의 비율은 바로 아래에서 지렛대 법칙을 사용하여 구합니다. 실제 응고에서는 편석 때문에, 평형에서는 공정이 생기지 않는 조성이라도 마지막에 응고하는 부분에 소량의 공정 조직이 나타나기도 합니다.
솔더와 주조 합금에서의 이용
공정 조성의 합금은 일정한 온도에서 응고하여 응고 온도 범위가 없으므로, 유동성이 좋고 응고 도중의 균열이나 편석이 잘 일어나지 않는다는 장점이 있습니다. 그래서 솔더(Sn-Pb 공정인 63Sn-37Pb나, 융점이 약 217~220℃인 Sn-3.0Ag-0.5Cu 등), 다이캐스팅용 Al-Si 합금, 주철 등에 공정 또는 그 부근의 조성이 사용됩니다. 융점을 낮출 수 있으므로 저융점 합금이나 경납재의 설계에도 공정의 개념은 빠질 수 없습니다.
공정 반응 연습 문제에 도전
Pb-Sn계의 공정 온도를 183℃, 공정 조성을 61.9 wt%Sn, 그 온도에서 α상의 조성을 18.3 wt%Sn, β상의 조성을 97.8 wt%Sn이라고 한다. 30 wt%Sn 합금을 공정 온도 바로 아래까지 평형 냉각했을 때, 조직에서 공정 조직이 차지하는 질량 분율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- A약 0.27
- B약 0.73
- C약 0.15
정답과 해설 보기
정답: A. 약 0.27
공정 조직은 공정 온도 바로 위에서 남아 있던 액상(61.9 wt%Sn)이 그대로 공정 반응으로 변한 것입니다. 그래서 공정 온도 바로 위의 α + L 영역에서 지렛대 법칙을 쓰면 W_공정 = W_L = (30 − 18.3)/(61.9 − 18.3) = 11.7/43.6 ≈ 0.27이 됩니다. 약 0.73은 나머지 초정 α의 분율로, 반대쪽 거리를 취한 오류입니다. 약 0.15는 공정 온도 바로 아래에서의 β상 전체의 분율 (30 − 18.3)/(97.8 − 18.3)입니다. β상은 모두 공정 조직 안에 있지만, 공정 조직에는 α도 포함되므로 일치하지 않습니다. 조직(초정·공정)과 상(α·β)을 구별하는 것이 이런 유형의 문제의 요점입니다.
포정 반응을 나타내는 식으로 옳은 것은 무엇인가? 냉각할 때의 방향으로 나타낸다고 한다.
- AL → α + β
- Bγ → α + β
- CL + α → β
정답과 해설 보기
정답: C. L + α → β
포정 반응은 냉각할 때 액상 L과 먼저 정출한 고상 α가 반응하여 다른 고상 β가 생기는 반응 L + α → β입니다. 새로운 β상이 α 결정립을 감싸듯이 생기는 데서 이 이름이 붙었습니다. Fe-C계에서는 약 1495℃에서 δ + L → γ가 일어나며, Cu-Zn계나 Cu-Sn계에서도 많이 볼 수 있습니다. L → α + β는 액상에서 2개의 고상이 동시에 생기는 공정 반응이고, γ → α + β는 고상에서 2개의 고상이 생기는 공석 반응(Fe-C계의 γ → α + Fe₃C 등)입니다. 포정 반응에서는 생성된 β가 α를 덮어 확산을 방해하므로, 실제 응고에서는 반응이 끝까지 진행되지 않아 α가 남기 쉽습니다.
자주 묻는 질문
공정 반응과 공석 반응의 차이는 무엇입니까?
냉각 시 액상에서 두 고상이 동시에 생기는 것이 공정 반응(L → α + β), 하나의 고상에서 두 고상이 동시에 생기는 것이 공석 반응(γ → α + β)입니다. 공석 반응은 고체 안의 확산으로 진행되므로 공정 조직보다 미세한 조직이 되기 쉽습니다.
공정 온도는 성분의 융점보다 반드시 낮습니까?
그렇습니다. 공정점은 양쪽 액상선이 내려와 만나는 점이므로, 공정 온도는 어느 순성분의 융점보다도 낮습니다. 예를 들어 Pb(327℃)와 Sn(232℃)의 공정 온도는 183℃입니다.
공정 조성의 합금이 주조에 적합한 이유는 무엇입니까?
액상선과 고상선의 온도가 일치하여 일정한 온도에서 응고하기 때문입니다. 고체와 액체가 공존하는 온도 범위가 없으므로 용탕의 흐름이 좋고, 응고 도중에 균열이 생기거나 성분이 치우치기 어렵습니다.
해설 속의 ‘공정 반응’
공정 조직은 공정 온도 바로 위에서 남아 있던 액상(61.9 wt%Sn)이 그대로 공정 반응으로 변한 것입니다.
Pb-Sn계의 공정 온도를 183℃, 공정 조성을 61.9 wt%Sn, 그 온도에서 α상의 조성을 18.3…L → α + β는 액상에서 2개의 고상이 동시에 생기는 공정 반응이고, γ → α + β는 고상에서 2개의 고상이 생기는 공석 반응(Fe-C계의 γ → α + Fe₃C 등)입니다.
포정 반응을 나타내는 식으로 옳은 것은 무엇인가? 냉각할 때의 방향으로 나타낸다고 한다.약 4.3 wt%C, 1147℃의 반응은 액상이 관여하는 공정 반응으로, 생기는 조직은 레데부라이트이며 펄라이트가 아닙니다.
Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?WC-Co계는 WC와 Co의 공정 반응에 의해 Co의 융점(약 1495℃)보다 낮은 온도에서 액상이 생깁니다.
WC-Co 초경합금을 만들 때 WC 분말에 Co 분말을 섞어 성형하고 소결한다. 이때 소결의 특징으로 옳은…
‘공정 반응’ 관련 문제(4문제)
- Pb-Sn계의 공정 온도를 183℃, 공정 조성을 61.9 wt%Sn, 그 온도에서 α상의 조성을 18.3 wt%Sn, β상의 조성을 97.8 wt%Sn이라고 한다. 30 wt%Sn 합금을 공정 온도 바로 아래까지 평형 냉각했을 때, 조직에서 공정 조직이 차지하는 질량 분율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 포정 반응을 나타내는 식으로 옳은 것은 무엇인가? 냉각할 때의 방향으로 나타낸다고 한다.
- Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- WC-Co 초경합금을 만들 때 WC 분말에 Co 분말을 섞어 성형하고 소결한다. 이때 소결의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?