공석 반응의 뜻
냉각할 때 하나의 고상에서 두 고상이 동시에 생기는 반응. 강에서는 0.76 wt%C, 727℃에서 γ → α + Fe₃C가 일어나 펄라이트가 생긴다.
일본어 명칭: 共析反応
‘공석 반응’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 2문제가 있습니다(상태도와 지렛대 법칙 등).
이 용어의 분야: 상태도와 지렛대 법칙
고체 안에서 일어나는 3상 반응
공석 반응은 냉각하면 하나의 고상이 두 개의 고상으로 동시에 나뉘는 반응으로, 상태도에서는 3상이 공존하는 수평선(자유도 0)으로 나타납니다. 강에서는 약 0.76 wt%C, 727℃에서 오스테나이트(γ)가 페라이트(α, 약 0.022 wt%C)와 세멘타이트(Fe₃C, 6.70 wt%C)로 나뉩니다. 이 온도가 A1점이며, 강의 열처리 온도의 기준이 됩니다. 공석 반응은 강 외에 Cu-Al계(알루미늄 청동) 등의 합금에서도 볼 수 있습니다.
고체 안의 확산으로 진행되므로 지연되기 쉽다
액체로부터의 공정 반응과 달리, 공석 반응은 고체 안의 확산으로 진행되므로 반응에 시간이 걸립니다. 그래서 가열과 냉각에서 변태 온도가 어긋나, 가열 시의 Ac1은 727℃보다 높고 냉각 시의 Ar1은 낮아집니다. 지렛대 법칙으로 구하면 펄라이트 안의 페라이트 질량 분율은 (6.70 − 0.76)/(6.70 − 0.022) ≈ 0.89입니다. 두 상의 밀도가 비슷하므로 페라이트와 세멘타이트의 층 두께 비는 대략 8:1이 됩니다.
아공석강·과공석강과 조직으로부터의 탄소량 추정
공석 조성보다 탄소가 적은 아공석강에서는 먼저 초석 페라이트가 석출되고, 남은 오스테나이트가 727℃에서 펄라이트가 됩니다. 탄소가 많은 과공석강에서는 초석 세멘타이트가 결정립계에 그물 모양으로 석출됩니다. 서랭한 아공석강에서는 펄라이트의 면적률을 f라고 하면 탄소량을 약 0.022 + 0.74f wt%로 어림할 수 있으며, 펄라이트가 절반이면 약 0.39 wt%가 됩니다. 현미경 사진으로부터 강의 탄소량을 대략 짐작할 수 있습니다.
합금 원소와 냉각 속도의 영향
상태도의 727℃와 0.76 wt%C는 순수한 Fe-C계의 평형값입니다. 합금 원소를 첨가하면 공석점이 이동하는데, Mn과 Ni는 공석 온도를 낮추고 Cr, Si, Mo, W, Ti는 높입니다. 또한 많은 합금 원소는 공석 탄소량을 작게 합니다. 냉각이 빠르면 A1점보다 낮은 온도에서 변태가 일어나 층간 간격이 미세한 펄라이트가 되고, 더 빠르면 베이나이트나 마르텐사이트가 됩니다. 실제 열처리 조건은 상태도와 TTT 선도나 CCT 선도를 조합하여 정합니다.
공석 반응 연습 문제에 도전
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.
1.2 wt%C 과공석강을 오스테나이트 영역에서 서랭했을 때, 실온에서 얻어지는 조직은 무엇인가?
- A초석 페라이트와 펄라이트
- B초석 세멘타이트와 펄라이트
- C펄라이트만
정답과 해설 보기
정답: B. 초석 세멘타이트와 펄라이트
공석 조성인 0.76 wt%C보다 탄소가 많은 과공석강에서는, 냉각 중에 Acm선을 지나면 먼저 오스테나이트의 결정립계에 초석 세멘타이트가 그물 모양으로 석출합니다. 727℃에 이르면 나머지 오스테나이트(약 0.76 wt%C)가 공석 반응으로 펄라이트가 되므로, 실온의 조직은 초석 세멘타이트와 펄라이트가 됩니다. 초석 페라이트와 펄라이트는 아공석강의 조직이며, 펄라이트만 되는 것은 공석강입니다. 결정립계의 그물 모양 세멘타이트는 취성의 원인이 되므로, 공구강 등에서는 구상화 풀림으로 세멘타이트를 입자 모양으로 만듭니다.
자주 묻는 질문
공석강의 탄소량은 0.76%, 0.77%, 0.8% 중 어느 것이 맞습니까?
모두 사용되며, 상태도 데이터의 출처에 따른 차이입니다. 열역학 데이터의 평가 방법에 따라 값이 조금씩 다르므로, 교과서나 문제에서는 거기서 주어진 값에 맞추어 계산합니다.
A1점이란 무엇입니까?
철강의 공석 반응 온도(평형에서는 727℃)로, 이보다 낮은 온도에서는 오스테나이트가 안정하게 존재할 수 없습니다. 템퍼링은 A1점보다 낮은 온도로, 담금질이나 불림은 A1점 또는 A3점보다 높은 온도로 가열하여 수행합니다.
공석 반응으로 생기는 펄라이트는 하나의 상입니까?
하나의 상이 아니라, 페라이트와 세멘타이트의 두 상이 층상으로 배열된 조직입니다. 상률이나 지렛대 법칙에서 '상'을 셀 때는 펄라이트를 두 상으로 나누어 생각합니다.
해설 속의 ‘공석 반응’
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.727℃에 이르면 나머지 오스테나이트(약 0.76 wt%C)가 공석 반응으로 펄라이트가 되므로, 실온의 조직은 초석 세멘타이트와 펄라이트가 됩니다.
1.2 wt%C 과공석강을 오스테나이트 영역에서 서랭했을 때, 실온에서 얻어지는 조직은 무엇인가?