미세조직의 변화에 대해 알아보기

재료과학에서의 재료 미세조직은 변화를 합니다. 그 변화에 대해 자세히 알아보겠습니다

 

응고와 석출은 상변화를  수반한다. 상변화를 수반하지 않는 공정에서 주요 미세조직의 변화가 나타나는 경우도 있으나. 그 원리는 같다. 즉 이러한 변화가 일어나기 위해서는 내부에너지가 감소하여야 하고, 운동역학적 기구가 있어야 한다. 농도가 높은 고용체는 낮은 것에 비해 높은 자유에너지를 갖기 때문에 용질원자가 확산할 수 있을 만큼 충분히 가열하게 되면 농도기울기가 낮아진다. 회복과 재결정은 결정립 조직을 변화시키는 기구이다. 

 

그 구동력은 변형된 결정 내부에 있는 전위에 축적된 탄성에너지이며, 기구는 변형된 결정립과 새로운 결정립 사이의 계면을 통과하는 원자의 확산이동이라 할 수 있다.

이제 원하는 특성을 얻기 위해 어떻게 해야 하는지, 혹은 제조법을 따르지 않을 경우 무엇이 잘못될 수 있는지를 알 수 있도록 하기 위해 제조공정 중에 발생하는 미세조직의 주요 변화에 대해 설명하고자 한다.

 

 

금속 공정

 

 

응고 : 금속 주조

 

주조 공정에서는 융점보다 높은 온도에 있는 용탕을 금형에 부어 열전도에 의해 냉각시킨다. 이 때, 핵생성과정에 의해 새로운 고체가 생기게 된다. 즉, 미세한 결정들이 자발적으로 생기기도 하고, 또 용기의 벽이나 용탕 내 존재하는 이종입자들상에서 생성되기도 한다. 핵은 고액계면에서 원자의 확산, 부착에 의해 성장한다. 응고는 반대방향으로 성장하는 결정들이 서로 만나 결정립계를 만들면서 끝나게 되며, 최초에 생성된 각각의 핵은 고상의 결정립이 생성되는 근원지이다. 

 

주조품의 초기 결정립크기는 핵의 수에 의존하게 되는데 이는 각각의 핵이 결졍립으로 성장하기 때문이다. 결정립의 크기는 원하는 특성을 얻는 데 있어 매우 중요한데, 핵생성을 쉽게 일으킬 수 있는 첨가물(접종제)을 이용하거나 냉각속도를 조절함으로써 제어할 수 있다. 단결정을 만들기 위해서는 오직 하나의 핵만을 남겨두어야 하는데, 이는 액상에 최초로 생성된 핵만 남도록 한쪽 끝에서부터 천천히 냉각시켜 시료 전체로 성장시킴으로써 얻을 수 있다. 핵생성 및 성장 속도는 열전달에 의해 결정되는 변수인 냉각 과정에도 의존하며, 많은 변수가 따른다. 즉 금속과 금형의 열적 특성, 이 둘 사이의 접촉, 액상의 초기온도, 응고 시 방출하는 잠열의 양, 그리고 주물의 크기 및 형상 등의 영향을 받는다. 

 

즉 설계시의 형상과 주조방식(금형재료, 금속의 온도 등), 그리고 합금소재가 어우러져 최종 냉각속도를 나타낸다. 그리고, 이러한 냉각속도 및 특성을 나타내는 시료의 미세조직은 합금 조성의 영향을 받는다.

주조공정을 더 복잡하게 만드는 것 중의 하나는 액상은 균일한 용질원자 농도를 가지지만 고상은 그렇지 않다는 것이다. 고상 내에서 불순물 및 용질의 고용도는 액상 내에서 고용도보다 낮기 때문에 성장하는 결정의 전방으로 용질원자가 방출된다. 이렇게 되면 결정립계와 같이 최종 응고한 부분에서 불순물 및 용질의 농도가 더 높게 되어 결정립 내에 농도기울기가 생긴다.

 

이렇게 생긴 편석은 취성을 야기하거나 결정립계에서의 부식속도를 증가시키는 요인이 될 수 있다. 따라서, 이러한 농도기울기를 감소시키고 균질화시키기 위해서 통상 주조품을 고온으로 가열한 다음 장시간 유지시킨다.

 

폴리모 몰딩

열가소성폴리머는 점액 상태에서 성형한다. 모든 몰딩공정이 다 그러하지만, 이중 특히 사출성형과 압출공정은 유동 중에 분자들을 특정방향으로 재배열시킨다. 이 때, 몰딩제품을 충분히 빨리 냉각시키면 폴리머가 재배열되지 않은 상태로 굳게 된다. 냉각속도가 충분치 않으면 폴리머들은 대부분 비정질 조직이 되는데, 일부 폴리머에서는 냉각속도가 느려도 결정질이 생기는 것도 있다. 모든 폴리머는 금형이 몰딩온도로부터 상온까지 냉각되는 동안 수축하는데, 이는 열에 의한 수축과 결정화에 따른 부피 감소에 기인한다. 따라서 금형을 설계할 때는 이를 고려하여 공차를 두어야 한다.

 

금속의 변형공정

대부분의 성형공정(압연, 단조, 압출, 인발) 은 인장이 아닌 압축 공정이다. 따라서 인장 변형시 나타나는 네킹이 없이 형상을 변화시킬 수 있고, 대변형이 가능하다. 결정립은 변형을 흡수하는 방향으로 형상이 변화되며, 섬유강화 복합재료와 같이 길이 방향으로의 강도를 다소 향상할 수 있다. 가공 경화는 전위밀도를 향상해 최종 특성을 향상하나, 성형 하중을 증가시키고 변형량을 감소시킨다. 금속을 가열하여 연화시키는 어닐링 열처리를 하면 변형량을 크게 증가시킬 수 있다. 즉 성형을 고온에서 하거나 냉간가공 한 다음 별도로 열처리를 하면 된다. 앞에서 소개한 바와 같이 어닐링은 회복과 재결정과정을 포함한다. 회복과정에서는 전위들이 서로 상호작용함으로써 재배열되어 아결 정립을 이룬다.

 

아결 정립이란 결정립 내에 존재하는 매우 미세한 결정립을 말한다. 가열을 계속하면 재결정이 일어난다. 재결정이란 결정립계가 원자의 확산에 의해 긴 거리를 이동하는 것으로서 전위가 소멸됨으로써 가공경화 효과가 완전히 없어지면서 발생한다. 두 과정 모두 항복강도를 낮추어 금속의 성형을 용이하게 한다. 이는 과거 대장장이들이, 미세조직적인 변화를 제외하더라고 수백 년 전부터 알고 있었던 사실이다. 주조용 합금과 가공용 합금의 주요 차이점은 고상성형을 통해 결정립조직을 변화시킨다는 것이라 할 수 있다. 가공용 합금에 생성된 결정립의 크기는 주조재에 비해 훨씬 작다.

 

여기서 또 다른 복합적인 문제가 생기는데, 이는 결정립 조직이 합금종류, 공정온도, 변형속도, 변형량 및 어닐링 온도에 따라 다르게 나타난다는 것이다. 따라서 성형된 부품에서는 변형량, 변형속도 및 온도가 부위에 따라 다르기 때문에 결정립크기가 균일하게 나타나기 어렵다.

 

재료의 미세조직의 변화, 금속의 변형과 공정에 다양한 방법을 살펴보았습니다.