금속의 응고

일반적으로 금속이나 합금의 응고는 융액 내에서 안전한 핵의 형성 후 결정으로의 핵성장과 결정립구조의 형성의 단계를 거쳐 진행됩니다. 금속이 응고한 후의 각 결정립들의 모양은 여러 인자에 의해 결정되는데 그 중 온도구배가 중요합니다. 결정립의 성장이 모든 방향으로 거의 동일한 경우 등축, 그렇지 않은 경우 비등축이라고 정의합니다. 액체 금속에서 고체입자들의 핵생성이 일어나는 두 가지의 주된 메커니즘은 균질핵생성과 불균질핵생성입니다. 이 중에서 균질핵생성이 더욱 간단한 경우입니다. 액체금속에서 그 금속 자체가 핵생성에 필요한 원자를 제공할 때 균질핵생성이 일어납니다. 순수한 액체 금속이 그 평형 응고온도 이하로 충분히 냉각될 때 느리게 움직이는 원자들이 서로 결합함으로써 수많은 균질핵들이 생성됩니다. 대개 균질핵생성에는 상당히 큰 과냉도가 필요하며 어떤 금속의 경우에는 섭씨 수백도가 되기도 합니다. 핵이 안정되어 결정으로 성장할 수 있으려면 임계크기에 도달해야 합니다. 원자들이 서로 결합된 집단이 임계크기보다 작을 때 씨눈이라 하며, 임계크기보다 큰 것을 핵이라고 합니다. 이것들은 불안정하기 때문에 연속적으로 씨눈의 형성과 원자진동에 의한 용융금속으로의 재용해가 일어납니다. 응고 중인 순수한 금속의 균질핵생성에서는 액상에서 고상으로의 전이에 의해 방출된 체적 자유 에너지와 응고된 입자들의 새로운 표면을 형성하기 위해 필요한 표면 에너지의 변화를 고려해야 합니다. 순수한 액체금속이 그 평형응고점 아래로 냉각될 때, 액체에서 고체로의 전이를 위한 구동 에너지는 액체의 체적 자유 에너지와 고체의 체적 자유 에너지와의 차이힙니다. 불균질핵생성이란 용기, 불용성 불순물 또는 다른 구조적 재료 등의 표면에서 일어나는 핵생성으로, 이러한 표면은 액체 내에서 안정한 핵을 형성하기 위해 필요한 임계 자유 에너지가 낮아지게 합니다. 공업적인 주조공정에서는 과냉도가 크지 않고 대체 0.1~10K의 범위에 있기 때문에 균질핵생성이 일어날 수 없고 불균질핵생성이 일어납니다. 불균질핵생성이 일어나려면 고체의 핵생성제는 액체금속에 젖어야 합니다. 또한 액체는 핵생성제 표면에서 쉽게 응고해야 합니다. 액체가 핵생성제를 적시고 응고하여 고체금속과 핵생성제 사이에 작은 접촉각을 형성하는 경우, 안정한 핵을 형성하기 위한 표면 에너지가 순수한 액체 그 자체에서 핵을 형성할 때(균질핵생성)보다 더 작기 때문에 핵생성제 표면에서 불균질핵생성이 일어납니다. 불균질핵생성에 대한 표면 에너지가 더 작으므로 안정한 핵을 형성하기 위해 필요한 총 자유 에너지 변화가 작아지고 핵의 임계 크기도 더 작아질 것입니다. 따라서 불균질핵생성에 의해 안정한 핵을 형성하는 데는 훨씬 작은 과냉도가 필요합니다. 금속이 응고할 때 안정한 핵이 형성되면 이 핵은 결정으로 성장합니다. 응고하는 각 결정에서 원자들은 본질적으로 규칙적인 형태로 배열하지만 각 결정의 방위는 서로 다릅니다. 금속의 응고가 최종적으로 완료될 때, 결정들은 다른 방위로 상호 결합하고 몇 개의 원자 거리에 걸쳐 방위의 변화가 일어나는 결정 계를 형성합니다. 응고한 금속이 많은 결정들을 포함하면 다결정이라고 합니다. 응고한 금속에서 결정을 결정립이라고 하며 그들 사이의 계면을 결정립계라고 합니다. 금속의 응고에 유효한 핵생성 위치의 수는 생성되는 고체금속의 결정립구조에 영향을 줄 것힙니다. 응고할 때 상대적으로 적은 수의 핵생성 위치들이 유효하게 작용하면 조대하거나 큰 결정립구조가 형성될 것입니다. 많은 수의 핵생성 위치들이 응고 중에 이용되면 미세한 결정립구조가 얻어질 것입니다. 미세한 결정립구조는 강도와 균일성 면에서 유리하게 작용합니다. 결정립구조는 등축정과 주상정으로 나뉩니다. 등축정은 액체 금속에서 응고가 일어날 때 핵생성과 성장조건들이 결정들을 모든 방향에서 거의 동일하게 성장시킬 수 있는 조건에서 형성뒵니다. 주상정은 금속이 가파른 온도구배 하에서 어느 정도 천천히 응고할 때 생성되는 길고 얇은 조대한 결정립입니다. 주상정이 형성될 때는 비교적 소수의 핵이 필요합니다.