1. 이원합금의 상태도 변화와 평형상태도
2원 합금이란 두 종류의 금속 또는 비금속이 혼합된 것으로 물리적, 기계적 방법으로 금속을 구별하기 어려운 상태를 말합니다. 2원 합금의 상태를 3가지의 경우로 나누어 볼 수 있습니다. 첫 번째로 두 종류의 금속이 미세한 결정으로 결합된 상태, 두 번째로 원자상태로 고용된 고용체 상태 마지막으로 금속 간 화합물을 형성하는 상태로 나누어 볼 수 있습니다.
합금을 만들 때는 융점이 높은 금속을 먼저 용해하고 낮은 금속을 다음에 용해한 후 응고시키게 되는데 합금의 형성은 원자간의 인력 즉, 금속의 친화력에 의해서 결정됩니다. 친화력이 크면 화합물을 만들고, 약하면 서로 고용되며 더욱 약하면 혼합물을 만들게 됩니다. 합금의 조직상에 나타나는 상태는 화합물, 고용체 및 미세 결정의 혼합물 상태로 나타낼 수 있습니다.
한 금속에 다른 금속을 용해하면 그 금속이 용매금속보다 단단하거나 연하거나를 불문하고 용매금속의 경도와 강도를 증가시키게 되고 한 금속에 소량의 다름 금속을 첨가하여도 전기 및 열전도도가 크게 감소되게 됩니다.
2. 단순한 합금상태도
(1) 고용체(solid solution)
한 용매금속에 다른 용질금속이 용해 혼합되어 물리적, 기계적 방법으로 식별이 어렵고 액체의 상태가 응고 후에도 그대로 나타난 상태를 고용체라 합니다. 용매금속 결정 중에 용질금속의 원자 또는 분자가 들어가 녹아 있는 상태를 의미하는데 2개의 원소 이상으로 된 단일상의 고체에서 1개의 원소의 결정이 다른 원소에 용해된 것입니다.
고용체의 종류는 침입형 고용체 , 치환형 고용체, 규칙격자형 고용체로 나누어 볼 수 있습니다.
침입형 고용체는 녹아 들어가는 원자가 모체원자의 공간격자 사이에 들어간 고용체입니다. H, O, N, C 등과 같이 용질원자가 용매원자보다 작은 경우 용매금속의 격자 간 사이에 끼어 들어간 상태이며 격자 간 위치에 불규칙하게 침입하게 됩니다. 용매격자의 변형이 치환형의 경우보다 매우 크게 나타나게 되고 고용한도는 작고 침입원자는 비금속으로 음이온이 되기 쉽습니다.
치환형 고용체는 녹아 들어가는 원자가 모체원자의 불규칙으로 치환하는 고용체입니다. 치환형 고용체 영역을 형성하는 인자를 살펴보면 1) 용질, 용매원자 크기의 차가 15% 이내일 때 2) 결정격자형이 동일할 것 3) 용질원자와 용매원자의 전기저항의 차가 적을 것 4) 원자가 효과로서 이것은 용질의 원자가가 용매의 것보다 커야 한다 라는 조건을 충족해야 가능합니다.
규칙격자형 고용체는 고용체 내에서 용질원자의 치환위치가 규칙적인 상태가 어느 영역으로 걸쳐 있는 것을 말합니다. 전기전도도, 경도, 강도는 커지나 연성은 감소됩니다.
(2) 전율가용 고용체
전율가용 고용체란 전농도에 걸쳐 고용체를 만드는 것을 말합니다. 고상에서의 냉각속도가 금속원자의 확산속도보다 빠르면 비평형조직으로 나타나게 됩니다. 냉각속도가 성분원자의 확산속도보다 빠르면 고상선은 낮은 온도점으로 이동하고 고상의 결정립에서 중심부는 입계의 부근보다 농도가 높아지게 됩니다. 대표적인 전율가용 고용체 금속으로는 Ag-Au, Sg-Cu, Bi-Sb, Co-Ni, Cu-Ni, Au-Mg, Pt-Cu, Au-Pb, Cd-Pd, Ti-Zn 이 있습니다.
(3) 한율가용 고용체
농도에 따라 공정을 만드는 고용체로 공정점에서 강도, 경도가 최대가 됩니다. 대표금속으로는 Ag-Si, Ag-Cu, Au-Ni, Au-Co, Al-Pb, Bi-Sn, Cd-sn, Pb-Sn, Ci-Ni가 있습니다. 한율가용 고용체의 상태도를 설명하자면 다음과 같은 요소들을 주목해야 합니다.
•CG: Q-고용체의 고상선
•DF: B-고용체의 액상선
•CGF: 공정선
•GH: Q-고용체에 대한 3-고용체의 용해도 곡선
•FK: B- 고용체에 대한 Q-고용체의 용해도 곡선
•Ⅱ구역: 액체+a
(4) 공정계 상태도
하나의 액체에서 2개의 고체가 일정한 비율로 동시에 정출 하여 생긴 혼합물을 공정계 상태도라고 합니다. 동일 성분계 금속 중에서 용융점이 가장 낮고 공정 조직은 미세한 층상이 서로 교차로 있든지 또는 한 성분이 입상으로 되어 다른 성분 중에 산재되어 있기도 합니다. 주철의 경우에는 탄소가 4.3% 일 때 용융점이 1130℃로 가장 낮으며 조직은 레데뷔라이트로 Austenite+Cementite의 공정입니다.
반응식: 공정용액(E) = A(결정) + B(결정)
공정점에서의 자유도: F= 2+1 = 3 = 0
성분: 2(A, B), 상: 3(A, B, 액체) 자유도 : 0 이라고 할 때 자유도 0이 되는 것을 불변계(무변계)라 하고 이것은 공존되고 있는 3상을 변화시키지 않고 온도 및 농도를 아무것도 변화시킬 수 없다는 것을 의미합니다. 이러한 공정반응은 일정한 온도에서만 일어날 수 있습니다.
(5) 금속간 화합물(intermetallic compound)
금속과 금속 사이의 친화력이 클 때 2종 이상의 금속원소가 간단한 원자비로 결합하여 성분 금속과는 다른 성질을 가진 독립된 화합물을 의미합니다. A금속에 B금속을 원자량의 정수비로 결합하여 형성되는 성분금속과는 전혀 다른 결정구조를 갖는 중간상으로 나타나게 됩니다.
이 중간상은 AB의 화학식으로 되며 이러한 금속을 금속 간 화합물이라 하는데 화합물이 융점 이하에서 분해한 것은 자기 융점이 없는 상태이며 액상선상에 정상점도 생기지 않게 됩니다.
금속 간 화합물의 특징을 살펴보면 다음과 같습니다.
1) 구성 성분금속의 특성이 완전히 소멸된다.
2) 어느 성분 금속보다 경도가 높다.
3) 일반적으로 성분금속보다 용융점이 높다.
4) 고온에서 불안정하며 분해하기 쉽다.
5) 화합물과 성분 상호 간에 많은 화합물이 구성되는 경우는 이들 화합물 상호 간의 용해도를 갖는다.
6) 대부분 단단하고 취약하며 전성이 거의 없다.