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[공학]강의 열처리성과 합금원소의 영향

♣ 강의 열처리성과 합금원소의 영향1. Fe-C계 평형상태도에 미치는 합금원소의 영향3원계 이상의 상태도를 평면도로 나타낸다면 온도축을 분명히 밝히든가(등온단면 평형상태도) 제3원소량을 일정하게 한 Fe-C-X계로 하는 수밖에 없다. 그러나 저합금 등에서는 기본적으로 Fe-C계와 동형의 상태도로 생각되며 Ac3점의 측정을 기본으로 하여 고용화 열처리 온도가 정해져 있다.고합금강이 되면 상태도의 형상은 상당히 변한다. 그림 1은 Fe-C계 상태도의 γ단상영역에 미치는 합금원소의 영향을 나타낸 것으로서, 점선은 Fe-C계를 나타내고 있다.그림 1. Fe-C계 상태도인 ?단상 영역의 형상에 미치는 합금원소의 영향Ni이나 Mn은 γ영역을 확대시키는 효과가 있지만 Mo, Cr, Si 등은 반대로 감소시킨다.Cr, Mn 등의 합금원소는 Fe와 치환함에 따라 시멘타이트 중에 상당한 양이 고용하여 (Fe·Cr)3C 등의 형으로 나타나며, M3C라 쓴다. 여기서 M은 금속원소를 나타내고 있다. 그러나 합금량이 많아지면 M23C6 또는 M6C와 같은 다른 결정형을 가진 탄화물을 형성한다. 특히 Mo, W, V 등 C와 결합력이 강한 원소를 포함한 경우에는 융점이 높은 탄화물을 만듦으로 고용화 열처리는 그만큼 어려워진다.2. 냉각변태에 미치는 합금원소의 영향강의 냉각변태는 3개의 온도영역에서 각각 독립된 변태형식을 가지며 3개의 C곡선이 합성된 것이라 생각된다. 즉 그림 2에 나타나듯이 (a) Ar3 직하의 고온측에 위치하는 페라이트 변태영역, (b) Ar1 부근의 중온측에 의존하는 펄라이트 변태영역, (c) 약 500℃이하의 저온측에 존재하는 베이나이트 변태영역이다. 단지 탄소강의 베이나이트 변태영역은 펄라이트 변태영역과 완전히 중복된 것이라 생각되고 있다.그림 2. 냉각변태에서의 3개 변태영역합금원소는 이들 3개의 변태영역에 각각 독립된 영향을 주어 종합된 변태곡선은 그것에 따른 복잡한 변화를 나타낸다. 일반적인 합금원소의 영향은 변태영역을 저온·장시간쪽으로 이동시켜 경화능을 증가시키는 일이다. C, Ni, Mn, Si 등이 그 대표적인 예이다. Cr은 페라이트 변태를 조장하는 경향을 갖지만 베이나이트 변태는 현저히 억제되어 양 변태영역의 분리가 뚜렷해진다. Mo는 페라이트 변태를 곤란하게 하며 그 변태영역을 고온·장시간쪽으로 이동시키지만 베이나이트 영역으로의 영향은 적다. 따라서 Mo강에서는 베이나이트 조직을 만들기 쉽다. 합금원소를 복합 첨가하면 변태억제 효과는 상승적으로 일어난다.따라서 많은 원소를 소량씩 첨가하는 편이 효과적이다. Cr-Mo강이나 Cr-Mn강의 뛰어난 경화능에 대해서는 잘 알려져 있으며 Ni-Cr-Mo강의 경화능은 최고이다.B는 원자반경비가 0.7 정도이며, 치환형으로서는 작지만 침입형으로서는 너무 크다. 그러한 이유로 고용 취치는 주로 입계나 상경계와 같이 격자결함이 많은 장소로 한정된다. 원자반경비가 큰 Mo도 유사한 효과를 가진다. 이들 입계에 편석된 원소는 입계 에너지를 작게하여 변태 핵의 발생을 어렵게 하고 γ+α 계면에 편석되면 α의 입내 성장을 강력히 저지할 것이라 생각된다. 이러한 효과는 미량의 B로서 충분히 얻을 수 있다. 다량 첨가하면 공정형인 붕화물(硼化物)등을 만들어 계면이 반대로 변태 핵의 발생을 감소시키므로 경화능은 오히려 저하한다.♣ TTT곡선에 미치는 합금원소의 영향원소 첨가에 따른 TTT곡선의 변화를 그림 1에 도시한다. 그림의 (a)는 Fe-C 2원합금, 이것에 B, Mn, Ni 등을 첨가 한 경우, (b)는 W, Mo, V을 첨가한 경우로 변태종료선이 2단으로 된다. (c)는 Cr을 첨가한 때이며, nose 가 2단으로 나뉘는 경향이 있다. (d)는 몇 개의 원TTT곡선의 형상과 위치는 합금원소뿐 아니라 결정입도 등에 따라서도 크게 달라진다. 합금소를 동시에 첨가한 경우이고 고온측의 pearlite nose, 저온측의 bainite nose로 확실하게 분리되어 있다.그림 1. 아공석강의 TTT곡선에 미치는 합금원소의 영향.B, Mn, Mo, Cr, P, Si, Ni, W등은 TTT곡선을 장시간측으로 이동시키므로 소입성은 좋아진다. Co, Ti은 단 시간측으로 이동시키는 경향을 갖는다. pearlite nose는 과공석

공학/기술| 2007.04.27| 8페이지| 1,000원| 조회(1,231)

열처리, 원소, Fe, 합금, TTT곡선

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[공학]전기분해와 갈바닉전지

♠ 전기 분해1. 전기분해전해질 수용액이나 용융액에 직류전류를 통하면 그 전해질은 두 전극에서 화학변화를 일으키는데, 이 변화를 전기분해 또는 전해라 한다.한 쌍의 금속 또는 흑연 등의 막대나 판 모양 도체를 전극으로서 이온전도체 속에 놓고 직류 전류를 접속하면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 전극 표면에서 여러 화학변화를 일으킨다. 즉, 전위가 높은 쪽 전극(양극) 표면에서는 음이온이 방전하여 각종 물질을 생성하기도 하고(예를 들면, 염화나트륨 수용액을 전기분해하는 경우에는 염소 분자를 생성하여 기체인 염소가 발생하고, 일부는 물에 녹아 여러 반응을 일으킨다), 양극인 금속 자체가 녹아서 그 금속의 양이온을 생성한다(예를 들면, 묽은 황산 속에 금속 아연판을 넣어 양극으로 하면 아연이 녹아서 나온다).일반적으로 금속은 양이온으로, 음이온은 원자 또는 분자로 변화하므로 산화반응이다. 따라서 양극에서는 산화반응이 이루어진다. 이에 대하여 전위가 낮은 쪽 전극(음극) 표면에서는 양이온의 방전이 일어나거나(예를 들면, 황산을 전기분해하면 수소 분자를 생성하고, 기체인 수소가 발생한다), 금속이 석출한다(예를 들면, 황산구리 수용액을 전기분해하면 음극 표면에 금속구리를 석출할 수 있다). 이렇게 해서 음극 표면에서는 양이온으로부터 원자 또는 분자가 되거나 금속으로 석출하는 환원반응이 일어난다. 전기분해 때의 전기량과 생성되는 물질 양과의 관계에 대해서는 패러데이의 법칙이 성립한다.전기분해는 넓은 분야에서 응용하고 있는데, 전기분해분석·전기야금·전기분해연마·전기도금·전기분해 콘덴서, 식염수 전기분해에 의한 염소·수산화나트륨 제조 등에 이용한다.2. 전기분해의 원리전해질은 용액 중에서 양이온과 음이온으로 이온화하며, 양이온은 음극으로부터 전자를 받아 환원되는데, 환원이 일어나는 전극을 음극이라 하고, 음이온은 양극에서 전자를 내어 놓고 산화하는데 이와 같이 산화가 일어나는 전극을 양극이라 한다.* +극 : 음이온이 산화 → 홑원소 물질* -극 : 양이온이 분 전기분해 전지========================================================작 용 전기에너지 → 화학에너지 화학에너지 → 전기에너지음극반응 환원 산화양극반응 산화 환원========================================================5. 전기분해에서의 양적관계1) 패러데이 법칙전기분해에서 생성되는 물질의 양과 전해용기에 통한 전하량 사이에는 다음 법칙이 성립한다. 전기분해에 의하여 생성되는 물질의 양은 통해 준 전하량에 비례한다.서로 다른 물질을 전기분해 할 때 같은 전하량에 의하여 석출되는 각 물질의 질량은 (원자량/석출하는 물질의 이온의 가수)에 비례한다.2) 분해전압전해질 용액을 전기분해 할 때 양쪽전극사이에 가해주는 최소한의 전압. 분해전압은 용액의 농도, 전극의 종류에 따라 다르다.3) 전하량전하량 = 전류의 세기 * 시간모든 물질 1g 당량을 생성시키는 데 필요한 전하량은 1F (= 96,500c)이며 1F는 전자 1몰(6.0?1023개)이 갖는 전하량이다.1F의 전하량을 통할 때 1g 당량의 변화가 일어나고 nF의 전하량을 통할 때 ng 당량의 변화가 일어난다.* 쿨롱 (c) : 1A의 전류가 1초동안 흘렀을 때의 전하량6. 전기분해의 이용1) 전기도금전기분해를 이용하여 금속표면에 다른 금속의 막을 입히는 방법2) 구리의 정련순수한 구리를 (-)극, 불순물이 포함된 구리 덩어리를 (+)극으로 하여 CuSO4 용액에서 전기분해하면 Fe, Zn 등의 불순물은 구리보다 쉽게 산화하여 구리와 함께 용액 속으로 녹아들어가고, 산화되기 어려운 Ag, Au, Pt은 금속상태로 용기바닥에 남는다.(-)극 : Cu2+ + 2e- → Cu↓(+)극 : Cu → Cu2+ + 2e-3) 알루미늄의 제련산화알루미늄(Al2O3)에 빙정석(Na3AlF6)을 용제로 가하고 철로 된 전해조에서 탄소막대를 양극으로 하여 용융전해하면 음극에서 Al로 석출된다.(-)극 : 4Al3+ + 12e- → 4Al↓(고 생각하고 이를 '동물전류' 라고 불렀다.갈바니의 친구인 볼타(Volta : 1745～1827)는 동물의 근육 없이도 두 가지 다른 금속을 소금물에 적신 두꺼운 종이에 대면 이 금속을 연결하는 전선에 전류가 흐르는 것을 증명하고, 1801년에 나폴레옹 앞에서 전지의 작용을 시범해 보았다. 그는 또한 이러한 전지를 여러 개 겹쳐 놓으면 전압이 훨씬 높아지는 것도 알았다. 당시에는 전압계가 없었기 때문에 두 전선의 끝을 혀에 대 보아서 전압의 높?낮음을 대충 측정하였다.1800년 초에 볼타 전지에 관한 소식이 영구에 전해지자, 니콜슨(Nicholson : 1753～1815)과 칼라인(Carlyle : 1768～1840)은 여러 가지 볼타전지를 연결해서 높은 전압을 얻고, 물에 전류를 통과시키면 수소와 산소로 분해하는 것을 발견했다. 처음으로 화학 결합의 본질이 전기적이라는 힌트가 얻어진 것이다.◎ Zn 전극 [양극, anode, negative극, -]산화가 일어나는 전극Zn (s) → Zn2+ (aq) +2e-◎ Cu 전극 [음극, cathode, positive극, +]환원이 일어나는 전극Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s)* 산화-환원 반응은 동시에 일어난다.Cu2+ (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn2+ (aq)산화전극과 환원전극의 전압차이에 의해서 전자가 외부의 금속도선을 통해 이동한다.Zn (s) → Zn2+ (aq) +2e- ? ? ? ? E0 ox = 0.762 V = - E0 redCu2+ (aq) + 2e- → Cu (s) ? ? ? ? ? ? E0 red = 0.345 V──────────────────────────────Cu2+ (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn2+ (aq) E0 cell = 0.345 - (-0.762) = 1.107 V★ 갈바닉 전지 만들기1 . 0.5M Na2SO4용액 200ml 제조(완전히 녹이기 위해서 water bath에서 물중탕 한다. )2. 500ml 비커와 세라믹 용기에기 중의 산소와 반응하여 녹(Rust : 주로 수산화철로 구성된 육안으로 보이는 부식생성물)이 된다. 그리고 고온에서는 철과 산소와 결합하여 스케일(Scale)이 형성된다. 스케일의 형성과정을 살펴보자. 스케일의 형성과정을 그림 1-1 에 나타내었는데 그림 1-1 에서 알 수 있듯이 순수한 철이 갖는 에너지가 높기 때문에 자연적으로 낮은 쪽으로 기회가 있으면 공이 굴러가듯이 이동해 갈 것이다. 그러나 순식간에 Fe 가 FeO 나 Fe2O3 등이 되지 못한다. 그것은 에너지장벽(△G*)을 넘어야 하기 때문이다. 이 에너지 장벽을 활성화 에너지(Activation Energy)라고 부른다.그림 1. 자연적인 부식의 진행방향과 물질이 갖는 에너지열이나 충격 등으로 이만한 에너지가 얻어질 때 에너지 장벽을 넘게 될 것이다. 예를 들어서 Fe가 Fe2O3 로 되기 위해서는 그림에서 3개의 에너지장벽을 넘어야 하기 때문에 스케일은 천천히 형성될 것이다. 반대로 산화철을 순수한 Fe로 환원하기 위해서는 그림에서 볼 때 3개의 △G 라는 더 큰 에너지 장벽을 넘어야 하기 때문에 더 큰 에너지가 필요하다. 그러므로 대부분 산화물 형태로 존재하는 광석으로부터 금속을 추출하기 위해서는 매우 큰 에너지가 필요하다.2. 순수한 금속을 용액에 담구면 어떻게 될까?순수한 금속은 전지의 전극으로 생각할 수 있다. 한 개의 전극(electrode)을 용액 속에 담그어 놓은 것을 반쪽전지(half cell)라 한다. 이때 전극과 용액사이에 계면이 형성된다. 이 계면에서 발생하는 현상을 살펴보기로 하자.금속은 (+) 전기를 띤 핵과 그 주위를 돌고 있는 (-) 전기를 가진 전자로 이루어져 있기 때문에 그 자체는 전기적으로 중성을 띠고 있다. 그러나 금속을 그 금속이온이 녹아있는 용액 속에 담그면 용액과의 친화력 때문에 금속과 용액의 계면에서 전하(charge)의 분리가 일어나서 전기적 이중층(Electrical Double Layer)발생한다. 이 층으로 말미암아 금속과 용액 사이에 전위차(p+ + e → M (2)(1)반응이 (2)반응보다 빠른 경우에는 금속은 (-)로 하전 되므로 금속에서 양이온이 생성되는 것을 더욱 어렵게 하기 때문에 (1)반응속도는 늦어지게 된다. 동시에 금속의 - 전하가 용액속의 M+ 을 끌어당김으로써 (2)반응 속도는 증가하게 되어 두 반응속도는 결국 같아져서 새로운 동적 평형(dynamic equilibruium)을 이루게 된다.만약 (2)반응이 (1)반응보다 빠른 경우에는 금속은 (+)로 하전 되므로 금속으로 석출되는 것을 더욱 어렵게 하기 때문에 (2)반응속도는 늦어지게 된다. 동시에 (1)반응 속도는 증가하게 되어 두 반응속도는 결국 같아져서 새로운 동적 평형을 이루어 계면에서는 전기적 이중층을 형성하게 된다. 전체적으로 전기적 이중층은 중성이지만 전기적 이중층 형성으로 계면에서 전위차가 발생한다. 이 전위차를 그 금속의 전극전위(electrode potential)라고 한다. 이 전위는 금속의 특성에 따라 다르고 같은 금속일지라도 반응에 관여하는 화학종(化學種)들의 활동도에 따라 변한다. 이때 한 개의 반쪽전지의 전위차 (half-cell potential difference) 를 단독전극전위(single electrode potential)라고 한다. 또한 이와 같은 계(System)가 열역학적으로 평형 상태에 있을 때의 전위를 가역 전극전위(reversible electrode potential)라 한다. 다시 말하면 (1) 반응이나 (2)반응이 진행되고 있을 때가 아닌 (3) 반응과 같이 평행에 있을 때 그때의 전극의 전위차를 말한다.M ↔ M+ + e (3)그런데 단독전극의 전위는 직접 측정할 수 없다. 단독 전극 전위를 측정하기 위해서는 전위차계의 한쪽 끝은 직접 용액과 접촉해야 하는데, 이때 전선과 용액 사이에 새로운 계면이 생기기 때문이다. 단독 전극의 절대적인 전위는 측정 할 수가 없고 적합한 참조 전극(reference electrode)에 대한 상대적인 값은 구할 수 있다. 가장 일반적으로 사용일하다.

공학/기술| 2007.04.27| 13페이지| 1,000원| 조회(1,623)

금속, 양이온, 전기분해, 전극, 양극

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