제 10장 2원 합금 상태도의 해설

10-1 2원합금 상태도의 분류 1. 액체상태에서나 고체상태에서나 모두 완전히 고용되는 경우 : 전율고용체형 10-1 2원합금 상태도의 분류 1. 액체상태에서나 고체상태에서나 모두 완전히 고용되는 경우 : 전율고용체형 2. 액체상태에서는 완전히 혼합되나 고체상태에서는 전혀 고용되지 않는 경우 : 공정반응형 3.액체상태에서는 완전히 혼합되며 고체상태에서는 일부분만이 고용되는 경우   1) 공정반응형   2) 포정반응형 4.액체상태에서는 일부가 혼합되고 고체상태에서는 전혀 고용되지 않던가 또는 일부분만이 고용되는 경우 : 편정반응형 5.액체상태에서는 전혀 혼합되지 않던가 또는 혼합이 일부만이 가능하며 고체 상태 에서는 전혀 고용되지 않는 경우 : 완전분리형 6.금속간화합물 또는 중간상이 생성되는 경우 7.성분금속이 동소변태를 갖는 경우 1

(a)융체에서 양 성분이 서로 완전히 용해되고 (1) 고체에서도 서로 완전히 용해되는 경우 (2)고체에서는 고온에서 서로 완전히 용해되나 저온에서는 용해도에 한계가 있다. (3) 고체에서 용해도가 없는 경우 (4) 고체에서는 서로 용해도에 한계가 있고 1.2종의 고용체가 공정을 만드는 경우 2. 2종의 고용체가 한쪽이 포정을 만드는 경우 (b) 융체에서 양 성분이 서로 용해도의 한계가 있고 (1) 고체에서는 용해도가 없는 경우 (2) 고체에서도 서로 용해도에 한계가 있는 경우 (c) 융체에서는 용해도가 없으며, 고체에서도 용해도가 없는 경우 (B) 양 성분 간에 화합물을 형성하고 (a) 화합물이 자기의 융점을 가지며 (a)융체에서 서로 완전히 용해하며 (1) 고체에서 완전히 용해한다. (2) 고체에서 용해도가 없다. (3) 고체에서 용해도에 한계가 있다. (b) 융체에서 용해도에 한계가 있고 (1)고체에서는 용해도에 한계가 없다. (2) 고체에서는 용해도에 한계가 있다. (b)화합물이 분해되며 (1)고체에서는 용해도가 없다. (2)고체에서는 용해도에 한계가 있다. (b)융체에서 용해도에 한계가 있다. (1) 고체에서는 용해도가 없다. (2)고체에서는 용해도에 한계가 있다 (c) 고체에서 변태점을 가지며 (1) 성분 서로가 변태 전후에서 완전히 용해하는 경우 (2) 성분 서로가 변태 전후 어디서든지 용해도가 없는 경우 (3) 성분 서로가 고온에서 완전히 용해되나 냉각변태 후는 일부 용해 또는 전부가 용해하지 않는 경우 (4) 성분 서로가 고온에서는 일부 용해하나 냉각변태 후는 용해도에 큰 변화를 일으키는 경우

4

5

6

10-2 액체상태에서 완전히 용해 혼합되고 고체상태에서도 완전히 고용 되는 경우 : 전율고용체형 10-2 액체상태에서 완전히 용해 혼합되고 고체상태에서도 완전히 고용 되는 경우 : 전율고용체형 Ni-Cu, Au-Ag Ni : 1,435℃ Cu : 1,083℃ Ni-20%Cu 7

가 8

9

10

Ti-Zr계 Cr-Mo계 Au-Ni계 11

정출한 고용체의 외부만 액체와 평형, 내부 : 처음 농도 편석 : 고상선에 가까운 온도로 재가열, 원자의 확산 → 평형상태 농도변화 : 액체≫고용체 원자의 확산에 의한 이동 실제: 빠른 냉각, 평형냉각Ⅹ 정출한 고용체의 외부만 액체와 평형, 내부 : 처음 농도 편석 : 고상선에 가까운 온도로 재가열, 원자의 확산 → 평형상태 13

대역 정제법(zone melting, zone refining) - 고순도 금속 정제법 : 99.99999999%Ge - 정제된 봉상 금속, 불활성 가스 중, 고주파 가열로 순화된 재료 14

zone melting법에 의한 고 순도화의 이론적 배경 X농도에 상당하는 조성합금 고려 L1온도에서 S1농도의 고용체가 정출 S1농도의 고용체는 X농도 합금보다 A성분이 많다. → Y조성 합금 이 Y조성 합금을 재용해 해서 서냉 → A성분이 더 많은 S2농도의 고용체 정출 → Z조성 합금 반복 처리하면 순도가 매우 높은 A성분이 된다. 실제 : 미리 화학적으로 정제된 긴 봉상 금속 불순물의 농도 : 좌단↓ , 우단↑ 농도변화 : 액체≫고용체, 원자의 확산에 의한 이동 15

Nonequilibrium cooling Equilibrium과 Nonequilibrium cooling 비교 Equilibrium cooling Nonequilibrium cooling Slow cooling Faster rate of cooling Complete diffusion Incomplete diffusion Uniform composition Coring, segregation 16

Equilibrium Solidification of solid solution alloys 17

Nonequilibrium Solidification of solid solution alloys : Rapid cooling 18

최초에 정출한 중심부는 B성분이 rich하고, 외주로 갈수록 A성분이 Fig. Cu-30%Ni의 주조조직 최초에 정출한 중심부는 B성분이 rich하고, 외주로 갈수록 A성분이 rich하게 되어 양파모양이 된다. – 有心組織(coring structure) 결정내의 장소에 따라서 농도의 차이가 있기 때문에 – 결정 편석 (b) : 최초에 응고한 중심부분과 후에 응고한 외주부분에서는 농도차가 있기 때문에 부식에 의해 濃淡이 생긴다. 19

Nonequilibrium solidification Cu Ni First solid Last liquid The nonuniform composition produced by nonequilibrium solidification is known as segregation. Interdendritic segregation or microsegregation : coring coring : 편석으로 grain의 내부와 외부의 조성이 경사를 가지며 다르게 갖는 조직. the centers of the dendrites : rich in the higher M.P element (first solid) the regions between the dendrites : rich in the lower M.P element (last liquid) 20

Microsegregation : 수지상 사이의 짧은 거리에 걸쳐 나타나는 현상으로 용융온도가 낮은 원소가 최종적으로 응고하면서 수지상과 조성차가 발생하는 것. Homogenization heat treatment (HHT) : 열을 가하여 확산에너지를 부여함으로써 미세편석 조직 내에서 원소의 확산을 통해 평형상태를 유도하여 균질화하는 열처리. heating : below the nonequilibrium solidus → holding The nickel atoms in the center of the dendrites diffuse to the interdendritic regions ; copper atoms diffuse in the opposites direction. 21

The Ni atoms in the center of the dendrites diffuse to the interdendritic regions ; Cu atoms diffuse in the opposites direction. First solid Last liquid Cu Ni α33 α75 : 75%Ni α33 : 33%Ni α33 22

-유핵조직(cored structure) : 편석으로 grain의 내부와 외부의 조성이 경사를 가지며 다르게 갖는 조직. -비평형응고(Nonequilibrium solidification) : 금속이 응고속도가 빨라 충분히 평형상태를 유지하지 못하면서 냉각될 때 이미 형성된 고체에서 확산의 속도가 늦어 평형상태의 균일한 조성을 갖지 못하고 부위에 따라 불균일한 조성을 갖게된다. -편석(segregation) : 비평형응고 결과 발생한 불균일조성. -유핵조직(cored structure) : 편석으로 grain의 내부와 외부의 조성이 경사를 가지며 다르게 갖는 조직. -미세편석(microsegregation) : 수지상 사이의 짧은 거리에 걸쳐 나타나는 현상으로 용융온도가 낮은 원소가 최종적으로 응고하면서 수지상과 조성차가 발생하는 것. -거대편석(macrosegregation) : 응고가 먼저 일어나는 외부와 늦게 일어나는 내부와의 조성차가 발생하는 것. -균질화 열처리(homogenization heat treatment) : 열을 가하여 확산에너지를 부여함으로써 미세편석조직 내에서 원자의 확산을 통해 평형상태로 유도하여 균질화하는 열처리. 23

고용체가 없는 공정상태도 ■ 특 징 비교적 낮은 온도에서 성분이 서로 용해되지 않는 순수한 고체의 두 영역이 존재한다. ■ 특 징 비교적 낮은 온도에서 성분이 서로 용해되지 않는 순수한 고체의 두 영역이 존재한다. 고상선은 공정온도(eutectic temperature)에 해당하는 수평선으로 나타난다. 층상의 구조 24

10-3 액체상태에서 완전히 혼합 용해되어 있으나 고체상태에서도 전혀 고용되지 않는 경우 : 공정반응형 Ⅰ 10-3 액체상태에서 완전히 혼합 용해되어 있으나 고체상태에서도 전혀 고용되지 않는 경우 : 공정반응형 Ⅰ Au-Si계, Ag-Si계, Al-Sn계, Al-Be계, Cd-Bi계 t1 + 1℃ : A및 B의 균일한 액상 t1 : s1농도의 A결정 정출 → 온도강하에 따라 A결정 多 → L에서 A성분 감소 초정 : primary crystal, 초정점 초정 : 초정점~공정점까지 melt내에서 그 성장이 방해없이 성장발달 공정 : 이종결정이 서로 접하여 동시에 발생하므로 상호성장이 방해되어 미세한 결정의 집합체 초정 α : dendrite상 25

20%Bi : 250℃, 초정 Cd정출, 144℃공정점 도달(3중점) → 응고완료(공정반응) 40 45 60 80 20%Bi : 250℃, 초정 Cd정출, 144℃공정점 도달(3중점) → 응고완료(공정반응) 40%Bi : 170℃, 초정, Bi양의 증가에 따라 초정의 정출온도는 낮아지고, 144℃에서의 온도 유지시간이 길어진다. 45%Bi : 144℃까지 melt로 존재, 응고완료(공정반응) → 온도강하, 공정조직 60%Bi : 185℃, 초정, Bi정출 80%Bi : 230℃, 초정, Bi정출, 유지시간이 짧아진다. 26

20 45 80 Cd-20%Bi 27

10-4 액체상태에는 완전히 혼합용해되나 고체상태에서도 일부만이 고용되는 경우 : 공정반응형 Ⅱ 10-4 액체상태에는 완전히 혼합용해되나 고체상태에서도 일부만이 고용되는 경우 : 공정반응형 Ⅱ 한율 고용체를 갖는 공정상태도 고용체가 없는 공정상태도와 유사하나 고체상이 순수한 금속이 아니고 고용체가 되며 양끝쪽에서는 각각 다른 고용체를 갖는 양상을 나타낸다. 한율 고용체(limited solid solution) 전율고용체 + 용해도곡선 e : α의 초정점, β의 초정점, 동시정출 공정반응, 공정점, 공정선 28

β고용체를 분리, t3에서 c’농도의 물 + 에탄올 : 모든 비율에서 균질 용해 물 + 에테르 : solubility limit t1 : A성분에 B성분이 a의 농도까지 녹아서 균일한 α고용체 만으로 구성. n도… b합금 : a농도의 α고용체와 n농도의 β고용체 t2 : α, β고용체의 용해도 : b’, m’ t3, t4 : c’, l’ 및 d’, k’ 농도와 온도와의 교점 : 용해도 곡선 t5 이상 : 전율 고용 d조성을 t6에서 냉각 : d’에서 k’농도의 β고용체를 분리, t3에서 c’농도의 α고용체와 l’ 농도의 β고용체 a% → n% : 흰 α고용체 → 검은 β고용체 a% b% c% e% k% l% m% n% 29

용융상태 : 완전 용해 고체상태 : 완전고용체 이하 : 용해도 한계가 발생 → 2상 분리 30

A성분을 용매로 해서 B성분을 첨가한 경우 전율고용체 종합 → 교차, t2 x조성 : t2에서 s2정출, 잔액 L2 y조성 : t2에서 s5정출, 잔액 L2 t2에서 동시 정출 L2 point : L2의 융액, s2농도의 결정, s5농도의 결정 3상 공존 F = C + 1 - P = 2 + 1 - 3 = 0 여기서 융액이 소진될 때까지 온도는 일정하게 유지된다. (c)에서 t2이하의 전율고용체선(점선) 제거 → 그림 10-31 (a) 31

Pb-Sn계, Cd-Zn계, Ag-Cu계 t2에서 공정반응이 완료할 때까지의 상태도 (b) t2에서 공정반응이 완료하였을 때의 2성분계 상태도 (c) 용해도 곡선 (d) 종합 Pb-Sn계, Cd-Zn계, Ag-Cu계 32

33

73.9at%Sn : F농도의 α고용체와 G농도의 β고용체가 동시 정출(공정반응, E) 40.0at%Sn : α상의 농도 : S1F, 잔액의 농도 : L1E, α고용체:잔액 = HE : FH, (E) → 응고완료 → 상온 : C, D의 고용도, 양비 = KD : KC, α상 내에 β상의 미세입자의 석출, 장시간 要 20.0at%Sn : 비공정 합금, 공정점 위는 전율고용체와 동일, 고용체의 농도 : S2→S3, 잔액 : L2→L3, 240℃에서 S3농도의 고용체, 160℃에서 S4와 교차, S5농도의 β상 석출, α상:S4C, β상:S5D → 상온 : C, D의 고용도, 양비 = ND : NC 34

Pb-Sn계 합금 : 땜납, 중량비로 : Sn-40%Pb, Sn-72%Pb Sn-40%Pb : 공정 조성, 빠른 접착 시에 잘못된 접착을 바로 잡을 시간이 있다. 40.0at%Sn : α상 내에 β상의 미세입자의 석출, 장시간 要 35

36

L(61.9%Sn) → α(19%Sn) + β(97.5%Sn) 37

38

(a)층상공정 (b)봉상공정 (c) 나선상공정 39

초정의 θ가 dendrite상으로 형성 → 공정반응에 의해 dendrite 사이에 공정 lamellar가 형성된다. 아공정 조성 : 초정의 α가 dendrite상으로 형성 → 공정반응에 의해 dendrite 사이에 공정 lamellar가 형성된다. 과공정 조성 : 초정의 θ가 dendrite상으로 형성 → 공정반응에 의해 dendrite 사이에 공정 lamellar가 형성된다. 40

아공정 조성 : 초정의 α가 dendrite상으로 형성 → 공정반응에 의해 dendrite 사이에 공정 lamellar가 형성된다. 41

Al-Si계 합금 Si의 최대 고용도 : 1.65% 아공정 : α상, dendrite상 냉각속도↓:조대하고 길게 성장 과공정 : 초정Si은 괴상으로 정출, 이방성, 조대 성장 42

사진 : Al-5%Si합금의 응고조직의 형성과정. 629℃ 사진 : Al-5%Si합금의 응고조직의 형성과정. 액상선온도(629℃)이하 각 온도로 quenching했을 때의 조직. 초정 α dendrite의 생성과 성장의 모습 629℃ - 52℃ =577℃ 43

상온 : (17-0) / (99.83-0) = 17% Si의 최대 고용도 : 1.65% 99.83 44

45

공정계에서의 비평형 응고 T1 a W TA L L2 T2 b a2 Temp. a3 T3 a3’ L3 L3 ‘ LE TE aE bE a4’ d T4 T4 L4 ‘ c E a b T5 e f A W B A W B Time B(%) B(%) 공정성장속도는 과냉각도(DT)가 클수록 빨라진다 공정 성장속도가 클수록 층간 거리가 작아진다 공정 조직은 이종원소를 미량 첨가하여 미세하게 할 수 있다.(예 : Al-Si에 Na첨가)

10-5 액체상태에는 완전히 혼합용해되나 고체상태에서는 일부만이 고용되는 경우 : 포정반응형 10-5 액체상태에는 완전히 혼합용해되나 고체상태에서는 일부만이 고용되는 경우 : 포정반응형 전율고용체 + 용해도 곡선 : Cd-Hg계, Co-Cu계 46

47

전율고용체 용해도 곡선 48

포정반응 정출 고용체 : S1→E, 잔액 : L1→F 정출에 의한 응고열 발생 – 냉각은 늦어진다. ∵L:α=PE:PF α (E)+L(F)→β(P), β고용체가 α 고용체(초정)를 포위해 성장 P점 : 포정점, 용해도곡선, β고용체로부터 α 고용체가 석출 β:PD, α:EC, 상온조직 : β(D) 와 그 속에 석출한 α(C) 양비 α : β = yD : yC 49

t2 : α (E)+L(F), α :L=mF:mE, y조성보다 L양이 적다. 포정반응 → L가 α 와 반응하여 β를 생성한 정출 고용체 : S3→E, 잔액 : L3→F t2 : α (E)+L(F), α :L=mF:mE, y조성보다 L양이 적다. 포정반응 → L가 α 와 반응하여 β를 생성한 후에도α 가 남는다. α (E)+β(P), α (E)+β(P)=mP:mE 온도강하 → α 중에는 β를, β중에는 α 를 각각 석출 상온조직 : α(C) 와 β(D) 의 2상 공존, 양비 α : β = xD : xC 50

t2 : α (E)+L(F), α :L=nF:nE, y조성보다 L양이 많다. t2까지는 x, y조성과 동일 t2 : α (E)+L(F), α :L=nF:nE, y조성보다 L양이 많다. 포정반응 → α 가 L와 반응하여 β를 생성하여도 L가 남는다 . 반응직후 L(F)+β(P), L(F)+β(P)= nP:nF 온도강하 → 전율고용형에 돌입, L는 β를 정출하면서 L : F→L5, β : P→S5, t5:응고완료, S5에서는 β, t6: S6교차 α(S7)석출 상온조직 : β(D)내에 점상으로 α(c)가 석출, 양비 α : β = zD : zC 51

52

포정반응에 의한 조직변화 53

t2 54

非包晶反應 p조성, v조성 : 전율고용체형 q조성 : 전율 → tq, β석출 r조성 : 전율 → β석출 u조성 : F에서 β정출(초정) → 전율, tu, β → α석출 55

10-6 액체상태에는 일부 용해하나 고체상태에서는 전혀 고용되지 않던가 혹은 일부만이 고용되는 경우 : 편정반응형 10-6 액체상태에는 일부 용해하나 고체상태에서는 전혀 고용되지 않던가 혹은 일부만이 고용되는 경우 : 편정반응형 액상선, 용해도곡선, 공정선 Cr-Cu d Cu-Pb, Zn-Pb, Al-Cd 결정이 1개상만 정출하므로 편정반응이라 한다. 56

57

58

14.7at%Pb~67at%Pb : 990~954℃ L는 2상 분리 954℃ : 공정반응과 유사 형태 액상선과 용해도곡선의 교차 25~35at%Pb : Kelmet, 고속 고하중 베어링 합금 Cu의 dendrite조직사이에 Pb가 입상으로 분산해서 존재 원심주조법, 급냉응고법, 분말야금법 Eutectic at 99.9wt%Pb 59

+ z x조성 : t3에서 잔액양 : M 편정반응:L(M)→A+L(G) M융액이 소진하여 2상→A정출, 잔액: GE t4 : 공정, A+B z조성 : t2에서 H농도의 L2출현 구 융액:JG, 신 융액:M 편정반응: L(M)→A+L(G) M융액이 소진하여 2상→A정출, 잔액:GE O 60

Negligible solubility : 0.89at%Cr at 1077℃ Cr-Cu 모형적 상태도 Negligible solubility : 0.89at%Cr at 1077℃ 61

(Cu + L1) 편정반응 (Cu + L2) Cu + Pb Eutectic at 99.9wt%Pb 62

10-7 액체상태에는 전혀 용해되지 않던가 또는 미소량 용해되며 고체상태에서는 전혀 고용되지 않는 경우 : 완전 분리형 10-7 액체상태에는 전혀 용해되지 않던가 또는 미소량 용해되며 고체상태에서는 전혀 고용되지 않는 경우 : 완전 분리형 1600 L(Fe)+L(Bi) δ 액상선 α Fe-Bi, Al-Tl, Pb-Si(Al-Tl과 유사) α-Fe(BCC) g-Fe(FCC) δ-Fe(BCC) A3 910℃ A4 1392℃ Fe, Tl : 동소변태, 63

10-8 금속간화합물 혹은 중간상이 생성되는 경우 두 금속의 중간에 A와 B 양 금속의 결정구조와는 전혀 관계없는 새로운 10-8 금속간화합물 혹은 중간상이 생성되는 경우 두 금속의 중간에 A와 B 양 금속의 결정구조와는 전혀 관계없는 새로운 결정구조를 가지는 조성범위가 나타난다 : 중간체(intermediate phase) 중간상 중에서 성분금속의 원자수의 비가 비교적 적고, 간단한 정수비가 되고, 결정격자의 원자배치가 정해진 고용체 결정 : 금속간 화합물 64

Mg : HCP, Pb : FCC 금속간화합물 : Mg2Pb (CaF2형) 독자적 융점 공정형 상태도를 접합 조합 Mg-Mg2Pb, Pb-Mg2Pb 65

Au : FCC, Bi : 3방정계 Au2Bi – FCC Au + L → Au2Bi (포정) 33.3at%Bi cooling 액상선과 교차하는 온도에서 Au정출, 373℃, Au(E), L(F) → 포정반응, Au2Bi(P) 생성 66

2차 고용체 : 금속간화합물이 어느 정도 고용도를 가지고 있는 경우 독자적 융점 Pb-Te 고용체 g 구역이 관찰된다. Pb : FCC, Te : 육방정계 PbTe : NaCl형 단순 입방구조 硬하고 취약, 高MP semiconductor, 전기재료 2개의 공정형 상태도 Pb-PbTe, Te-PbTe 67

68

3 69

Cf) 금속간 화합물의 상태도에 의한 분류 : Kurnakov형, Bertholide형, Daltonide형 그림 10-55 기본형 상태도의 조합에 의한 금속간화합물 생성 → 조합 위치에 금속간화합물 생성 Cf) 금속간 화합물의 상태도에 의한 분류 : Kurnakov형, Bertholide형, Daltonide형 70

10-9 고체합금이 변태를 하는 경우 고체상태에서 격자변태를 가지는 2성분계 금속이 격자변태점을 경계로 하여 10-9 고체합금이 변태를 하는 경우 고체상태에서 격자변태를 가지는 2성분계 금속이 격자변태점을 경계로 하여 고용도에 따라서 다음과 같이 분류한다. 격자변태온도 이상 또는 이하에서도 완전히 용해되는 경우 격자변태온도 이상에서 완전히 고용하고 이하에서는 일부 고용되는 경우 격자변태온도 이상 또는 이하에서도 완전히 고용하지 않는 경우 여기에 성분금속의 동소변태점의 수를 고려하면 다음과 같다. 2성분금속이 각각 1개의 동소변태점을 갖는 경우 1성분금속만이 1개의 동소변태점을 갖는 경우 1성분금속만이 2개의 동소변태점을 갖는 경우 1성분금속이 2개의 변태점을, 또 하나의 성분금속은 1개의 동소변태점을 갖는 경우 71

1. 격자변태점보다 고온 또는 저온에서도 완전히 용해되는 경우 동소변태점의 상하의 온도에서 같이 고용하는 상태도의 일반적인 모델 a, b : 성분A와 B의 융점 a’, b’ : 성분A와 B의 고체 내에서의 변태점 A와 B의 고온에서의 상태 : β A와 B의 저온에서의 상태 : α β 상태 : βA, βB, α 상태 : αA, αB → 완전한 고용체 β, α를 나타낸다. 변태과정 : β→α = L→β 액상선 고상선 변태개시선 변태종료선 10-56 : 2성분 금속이 각각 1개의 동소변태점을 가지는 경우의 상태도 모델 72

Ti-Zr합금 상태도 Ti과 Zr은 결정격자도 동일, 동소변태 전후도 동일 Ti : 고체에서 882℃에 동소변태점, 882℃이상에서 BCC, 저온에서HCP Zr : 고체에서 865℃에 동소변태점, 865℃이상에서 BCC, 저온에서HCP 중간조성에서 접합 → 전율의 특수형 20at%Zr, 1,000℃에서 cooling 760℃에서 변태개시선 B1, BCC고용체내에 H1농도의 HCP 석출 720℃에서 H2, B2 685℃에서 H3, B3 새로운 상의 농도 H3, 이후는 온도 하강에 따라 상의 변화 없다. 73

10-58 : 1성분 금속만이 동소변태점을 가지는 경우의 상태도 모델 10-59 : 10-58의 실례 Co : 420℃이하 HCP, 420℃에 동소변태 1492℃융점까지 FCC Ni : 0~1453℃ : FCC 74

10-60 : 1성분 금속만이 2개의 동소변태점을 갖고 다른 성분금속은 동소변태가 없는 경우 2개의 동소변태를 갖는 Fe에 Be, Al, Si, P, Ti, V, Cr, As, Mo, Sn, Sb, W을 추가한 합금 75

10-61 : 1성분 금속만이 2개의 동소변태점을 갖고 다른 성분금속은 동소변태가 없는 경우 Fe-Al 상태도의 일부 Fe의 910℃의 A3동소변태 온도는 Al의 첨가효과로 보다 고온으로 상승하지만, Fe의 1390℃의 A4 동소변태 온도는 Al의 첨가효과로 저온측으로 하강하여 A3와 A4의 중간에서 일치된다. x조성 합금 : A4변태개시선과 a에서 만나며 α고용체내에서 g 고용체의 석출이 시작. A4변태완료선이 b에서 만날때는 전부 g. A3변태개시선과 c에서 만나면 g 로부터 다시 α고용체로 변태 개시. A3변태완료선과 d에서 만나면 다시 전부 α고용체로 변태. y조성 합금 : e점에서 A4변태개시선과 만나 A3변태개시선과 f점에서 만나면 다시 전부 α고용체로 변태. P점에서 α : g = pq : pr 10-61 : 1성분 금속만이 2개의 동소변태점을 갖고 다른 성분금속은 동소변태가 없는 경우 76

G C 포석형 (x조성) : L→전율형, α, C→β석출, D : α(F), β(E), 포석반응 →g(P), β 10-63 : 1성분 금속이 2개의 동소변태점을 갖고 다른 성분금속이 1개의 동소변태를 갖는 경우 P : 포석점 G C 포석형 (x조성) : L→전율형, α, C→β석출, D : α(F), β(E), 포석반응 →g(P), β 포석온도 이하 : β→g로 변태하여 G점에서 전부 g 재석출형 (y조성) : L→전율형, α, 변태개시선 F→β석출, G : 전부 β, H : 2째 변태개시선 g석출, K : g(C), β(E), 재석출반응 β(E)→g(C), α(D), 소실된 α가 다시 석출하므로 재석출반응, α→g, M점에서 전부 g 77

재석출형의 실례 : Mn-Pt Mn : 1244℃응고, δ→g(1143℃) →β(1079℃) →α(700℃) 30at%Pt : 중간상 ε Mn과 중간상 사이에서 재석출형의 변태가 발생 78

2. 격자변태점보다 고온에서는 완전히 고용하나 저온측에서는 일부 고용하던가 또는 전혀 고용하지 않는 경우 2. 격자변태점보다 고온에서는 완전히 고용하나 저온측에서는 일부 고용하던가 또는 전혀 고용하지 않는 경우 양 성분금속이 1개씩 동소변태를 가지며 2격자변태점 이하의 온도 에서 고용한계가 생기는 경우. (a), (b) : 공석형, S(α)→S(β)+S(g) (c) : 포석형, S(α) +S(β)→S(g) (d) : 1성분금속만이 동소변태를 갖는 경우는, 변태점의 존재 때문에 고용한계가 불연속적 으로 감소하는 경우. 변태점의 존재 때문에 공석형이 생기고 α→g 하였을 때 고용한계는 현저히 작아진다. : Ti-U, Ag-Ti, Nb-Zr 79

공석형 및 포석형의 쌍방을 갖는 Ti-U계 합금 Ti : 1720℃융점, 882℃동소변태, 고온측 : BCC, 저온측 : HCP U : 1133℃융점, 동소변태 : 768 ℃, 657 ℃ 상온(사방정) - 657℃(정방정) – 768℃(BCC) - 1133℃(융점) TiU2 : 중간상 L→g(BCC), Ti및 U의 동소 변태점의 존재때문에 공석현 상이 일어난다. 중간상에 의해 Ti및 U의 공석형 으로 분리 U측은 또 하나의 동소변태점 때문에 포석반응이 일어나고 있으며 고용한계도 현저히 작아진 채로다. 공 석 반 응 Ti-U 80

3. 격자변태점보다 고온 또는 저온측에서도 고용하지 않는 경우 격자변태점 이상의 온도에서 고용하지 않는다는 것은 2성분금속은 고체상태에서는 전혀 고용되지 않음을 의미한다. (a) 서냉하여 공정응고 후는 변태점의 존재에는 관계없이 전혀 고용하지 않는 경우 (b) 1성분금속만이 동소변태점을 갖는 경우이며, 다른 저융점의 성분금속이 아직 융액상태에 있더라도 전혀 고용되지 못하는 경우. 81

3. 격자변태점보다 고온 또는 저온측에서도 고용하지 않는 경우 Fe-Pb계 합금 Fe및 Pb의 융점 : 1534℃, 327℃ → 현저한 온도차 Fe : 2개의 동소변태점 L, cooling, 1534℃에서 Fe만이 고체가 되며 비중이 가벼운 Fe는 Pb융액에 뜨게 된다. 327℃에 와서 Pb는 고화하고 Fe는 상층, Pb는 하층으로 2개층으로 된 고체 82

4. 격자변태에 의해 상태변화 곡선이 고상선과 만나는 경우 Mn-Zn, Cu-Sn 2성분 금속의 융점 및 동소변태점의 위치에 따라서 3종으로 분리 (a) : 포정형, Fe-Ni, Fe-Co, δ(E)+L(F)→g(P) (b) : 포정형 : 융액부터 응고하는 과정 (c) : 재융반응 (metatectic reaction) F→α정출, G : 전부 α, H : g석출, K : α(M), g(C), 재용융반응 α(M)→g(C) + L(D), 일단 완전 응고한 고체에서 다시 융액이 나온다. α(M)가 전부 소멸하면 → g + L → N → g 83

재융반응 (metatectic reaction) δ 정출, 전부 δ, g석출, K : δ, g 재용융반응 δ →g + L δ가 전부 소멸하면 → g + L → N → g 84

합금 상태도를 보고 합금의 제 성질변화를 예상할 수 있을까? 전율고용형 합금의 경우 공정형의 경우 금속간 화합물이 존재하는 경우 85

r차이에 의한 1. 전율고용형 합금의 경우 Cu, Ni : FCC Cu : 1.25Å(r) Ni : 1.28Å(r) 만곡곡선(인장) : 전율고용의 전형적인 예 인장강도, 항복점, 경도 : 연속적 山型 신율, 단면수축율 : 谷型 비전기저항 : 山型 열전도도 : 谷型 Cu, Ni : FCC Cu : 1.25Å(r) Ni : 1.28Å(r) r차이에 의한 격자의 strain → 인장강도↑ 86

2. 공정형의 경우 인장강도 α고용체 부분 : 급격히 상승 공정구역 : 비연속적 완만 상승 공정점 : 최대치 (공정조직이 미세립의 집합체) 신율 α, β고용체 부분 : 급격한 감소 공정구역 : 조성 축에 직선적 변화 비전기저항 직선에 근접, 각 고용체 저항의 합계 (공정의 특성) 공정 : α고용체 + β고용체 인장강도 비전기저항 인장강도 신율 그림 공정형의 계 합금 상태도와 상온의 제 성질 변화와의 관계 87

그림 공정형 합금의 상태도와 상온의 비전기저항의 관계 그림 공정형 합금의 상태도와 상온의 비전기저항의 관계 88

3. 금속간 화합물이 존재하는 경우 그림 공정형, 전율고용형 및 금속간 화합물이 존재하는 상태도와 열기전력-조성곡선 3. 금속간 화합물이 존재하는 경우 반도체 특성 그림 공정형, 전율고용형 및 금속간 화합물이 존재하는 상태도와 열기전력-조성곡선 열기전력 : 조성에 따라 자유전자의 밀도가 변하기 때문에 조성과 함께 변화 전율고용형 : 연속적 谷型 or 山型 금속간화합물 : 양측의 부분 상태도가 공정형이라도 공정형 특성이 아닌 경우가 있다. 89

90

2

L L+S S 시 간 온 도 변화온도 Ni-Cu계 합금 액체 + 고체 Cu[%] L (액체) 액상선 고상선 S(고용체) 시 간 온 도 변화온도 Ni-Cu계 합금 액체 + 고체 Cu[%] L (액체) L+S 액상선 고상선 S(고용체) 온 도 [℃] 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1350 1325 1290 온 도 [℃] m L S S2 S1 S3 L1 L2 L3 Cu[%]

경도 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 Ni(%) Cu Ni