Fe-Fe3C 상태도

■  Fe-Fe3C 상태도 와 상 강은 열처리를 통하여 매우 다양한 미세조직과 성질이 얻어지기 때문에 열처리변수의 적절한 조합에 의해서 우리가 원하는 미세조직과 성질을 얻을 수 있다. 여기서 최종적인 미세조직과 성질을 결정해주는 기본적인 열처리변수는 첫째로, 어느 온도로 가열할 것인가 ? 둘째로, 이 온도에서 얼마 동안 유지할 것인가 ? 셋째로, 냉각은 얼마나 빨리 할 것인가 ?   하는 등의 3가지가 있다. 이러한 변수들을 결정해 주기 위한 자료로서 매우 중요한 역할을 하는 것이 평형상태도(平衡狀態圖, equilibrium phase diagram)이다. 이 상태도는 특히 첫 번째 변수인 열처리온도를 결정하는 데에는 없어서는 안될 결정적인 자료가 된다.

상태도의 기본적인 의미 상태도란 여러 가지 조성의 합금을 용융상태로부터 응고되어 상온에 이르기까지 상태의 변화를 나타낸 그림을 말한다.  즉 합금의 성분비율과 온도에 따른 상태를 나타내는 그림으로서, 횡축에는 조성(%), 종축에는 온도(℃)로서 표시하고 있다.

Fe-Fe3C 상태도 와 상 순철은 910℃이하에서는 체심입방격자이고, 910℃ 이상1390℃까지는 면심입방격자이다. 여기에 탄소원자가 함유되면 두가지의 변화가 나타난다. 즉 변태온도가 낮아지고 변태가 단일온도에서 일어나는 것이 아니라 어느 온도범위에 걸쳐서 일어나게 된다. 이러한 내용이 그림 2.1에 잘 나타나 있다. 엄격하게 말해서 시멘타이트(Fe3C)로 불리우는 금속간화합물은 평형상이 아니기 때문에 이 상태도는 엄밀하게 말하면 평형상태도가 아니다. 어떤 조건하에서 시멘타이트는 더욱 안정한 상인 철과 흑연으로 분해될 수 있다.

상(相, phase)이라는 것은 물리적, 화학적 그리고 결정학적으로 균일한 부분을 말하는 것으로, 이것은 뚜렷한 계면에 의해서 합금의 다른 부분과 구분된다. Fe-Fe3C 상태도에 나타나는 고상의 종류에는 4가지가 있다. 즉, α페라이트(ferrite), 오스테나이트(austenite), 시멘타이트 및 δ 페라이트 등이다. 이 각각의 상들을 구체적으로 나타내면 다음과 같다. 그러나 Fe3C는 한번 형성되기만 하며 실질적으로 매우 안정하므로 평형상으로 간주된다. 이러한 이유로 인해서 그림의 상태도는 준 안정 상태도이다.

Fe-C상태도 (실선:Fe-Fe3C 상태도, 점선:Fe-C상태도)

◆ Fe-Fe3C 상태도의 해설 탄소는 철과 화합하여 시멘타이트(Fe3C)의 형태로 되는 경우와 또는 탄소單體의 흑연(黑鉛, graphite)으로 되는 경우가 있다. 강의 경우는 주로 시멘타이트의 형태로 존재하지만 주철에서는 흑연과 시멘타이트의 두가지 형태가 나타난다. 보통 시멘타이트는 고온으로 가열하면 철과 흑연으로 분해되므로 준 안정상이라고 할 수 있고, 오히려 흑연이 안정상으로 간주된다. 그림 중에서 실선이 Fe-Fe3C계 상태도를 나타내고, 점선이 철-흑연계 상태도를 나타내는 것이다. 철-흑연계 상태도는 주철에서 주로 고려되는 것이므로 여기서는 Fe-Fe3C 상태도에 대하여만 설명하고자 한다.

그림 Fe-Fe3C계 평형상태도와 변형조직도

A`   순철의 용융점 (1538℃) N 순철의 A4 변태점, δ철     γ철 (1394℃) AB δ페라이트의 액상선(응고가 시작되는 온도) AH δ페라이트의 고상선(응고가 종료되는 온도) HN δ페라이트가 오스테나이트로 변태하기 시작하는 온도 JN δ페라이트가 오스테나이트로의 변태를 종료하는 온도 HJB 포정선(1495℃, J점 ; 0.17 0.53%C), 이 온도에서 δ페라이트(H) + 액상(B)   오스테나이트(J)의 포정반응이 일어난다. BC 오스테나이트의 액상선 JE 오스테나이트의 고상선 CD 시멘타이트의 액상선 ECF 공정선, 이 온도에서 액상(C)    오스테나이트(E) + Fe3C(F)의 공정반응에 의해서 액상으로부터 오스테나이트와 시멘타이트가 동시에 정출한다. C 공정점(1148℃, 4.3%C), 이 조성의 합금은 공정조직인 레데뷰라이트 (ledeburite)로 된다. 오스테나이트에 대한 탄소의 최대고용한(1148℃, 2.11%C), 이 조성으로 강과 주철을 구분하고 있다. ES 오스테나이트로부터 시멘타이트가 석출하기 시작하는 온도를 나타낸다. Acm선이라고 부른다. G 순철의 A3 변태점, γ철        α철(912℃) GS 오스테나이트로부터 페라이트가 석출하기 시작하는 온도. A3선이라고 부른다. S 공석점 (0.77%C, 727℃) PSK 공석선, 이 온도에서 오스테나이트(S)   페라이트(P) + Fe3C(K)의 반응에 의해 펄라이트를 만든다. A1선(727℃)이라고 부른다. GP 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태가 종료되는 온도. P α철에 고용하는 탄소의 최대고용도(727℃에서 0.02%C)

α 페라이트 α철에 탄소가 함유되어 있는 고용체를 α 페라이트 또는 단순히 페라이트라고 부르며, BCC 결정구조를 가지고 있다. 상태도에서 나타내듯이 α 페라이트의 최대탄소고용도는 723℃에서 0.02%이므로 페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적은 것을 알 수 있다. 또한 α 페라이트의 탄소고용도는 온도가 내려감에 따라서 감소하여 0℃에서 약 0.008%정도이다.

탄소원자는 철원자에 비해서 비교적 원자크기가 작으므로 철의 결정격자내의 침입형자리(interstitial site)에 위치한다. 침입형자리는 4면체 틈자리(tetrahedral site)와 8면체 틈자리(octahedral site)의 두 종류 가 있는데, BCC인 α 페라이트에서는 4면체 틈자리의 크기가 크고, 그 침입형 자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.35Å이다.

따라서 0.77Å의 반경크기를 갖는 탄소원자가 이 침입형자리에 들어가게 되면 탄소원자의 크기가 침입형자리보다 상대적으로 매우 크기 때문에 격자변형을 일으키게 된다. 이것이 α 페라이트내의 탄소고용도를 적게 하는 중요한 이유이다.

오스테나이트 γ철에 탄소가 고용되어 있는 고용체를 오스테나이트(austenite)라고 하며, FCC 결정구조를 가지고 있다. 탄소고용도는 1148℃에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라서 감소하여 723℃에서 0.8%로 된다. 따라서 탄소고용도는 α 페라이트보다 매우 크다. 또한 α 페라이트에서와 마찬가지로 오스테나이트중의 탄소는 침입형자리에 위치하는데, FCC의 8면체 틈자리의 크기가 8면체 틈자리 보다 크고, 8면체 틈자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.51Å이다.

그러므로 0.77Å의 반경을 갖는 탄소원자가 8면체틈 자리에 들어가면 α 페라이트에서와 마찬가지로 격자변형을 일으키게 되지만, 그 변형정도는 α 페라이트보다는 작다. 이것이 오스테나이트의 탄소고용도가 α 페라이트보다 크게 되는 중요한 이유이기도 하다. 한편 이와 같이 오스테나이트와 α 페라이트의 탄소고용도가 차이나기 때문에 대부분의 강을 경화열처리하는데 있어서의 중요한 근거가 되는 것이다.

시멘타이트 철탄화물(Fe3C)인 시멘타이트는 고용체라기 보다는 금속간 화합물로서, 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 결정구조는 단위격자당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정(orthorhombic)이고, 매우 硬하고 취약한 성질을 가지고 있다.