확산

재료를 가공함에 있어서 중요한 많은 반응이나 공정들은 특정한 고상(통상적으로 미세 구조 수준) 내에서, 또는 액상과 기상 또는 다른 고상으로부터의 질량의 이동에 의존하고 있다. 이것은 원자 이동에 의한 물질의 유동 현상인 확산(diffusion)에 의해 이루어진다. 

 

확산 현상은 서로 다른 금속이 서로 접합되어 있는 확산쌍(Diffusion couple)에 의해 설명될 수 있다. 이 확산 쌍은 고온에서(그러나 용융 온도 이하의 온도) 장기간 동안 가열하였다가 실온으로 냉각되었다. 

 

확산 쌍의 두 끝 분위에 순수 수리와 니켈 사이에는 합금된 영역이 존재한다. 구리 원자가 니켈 금속으로, 니켈 원자는 구리 금속으로 이동하였거나 확산되었음을 나타낸다. 금속 원자가 서로의 금속으로 확산되는 현상을 상호 확산(interdiffusion) 또는 불순물 확산(impurity diffusion)이라 한다. 

 

상호 확산은 Cu-Ni 확산쌍의 경우처럼 시간에 따른 농도 변화에 의해 거시적으로 식별된다. 이때 원자들의 순 표류 혹은 순이동은 고농도에서 저농도 영역으로 일어난다. 확산은 순수 금속에서도 일어난다. 그러나 이때의 모든 원자의 위치 변환은 같은 형태이다. 이것을 자기 확산(self-diffusion)이라고 한다. 물론 자기 확산은 조성적인 변화가 없으므로 일반적으로 관찰되지 않는다. 

 

 

확산 기구 

 

원자적 차원에서 볼 때, 확산은 격자점에서 격자점으로 한 단계씩 이동한다. 실제로 고체 재료 내의 원자는 끊임없느 운동을 하며 신속히 위치 이동을 한다. 원자가 이러한 이동을 하기 위해서는 다음의 두 가지 조건이 충족되어야 한다. 

 

(1) 인접한 자리가 비어 있어야 하며, (2) 원자는 주위 원자와의 결합력을 끊을 수 있고 이동 시에 발생하는 격자 변형을 뛰어넘을 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있어야만 한다. 

 

이러한 에너지의 근원은 진동 에너지이다. 어느 특정 온도에서 전체 원자의 극히 일부분의 원자만이 이러한 확산 이동을 할 수 있고, 그 비율은 온도가 증가함에 따라 증가한다. 

이러한 원자 운동에 대한 몇 가지 모델이 있으며, 다음의 두 가지는 금속에서 주로 볼수 있는 확산 기구이다. 

 

 

공공 확산 

 

확산 기구의 하나는 원자가 정상 격자 위치에서 이웃한 빈 격자점 위치 또는 공공으로 교환되는 것이다. 이 기구를 공공 확산(vacancy diffusion)이라고 한다. 물론 이 과정에서는 공공이 존재하여야 하며, 얼마나 많은 공공 화산이 일어나느냐 하는 것은 공공의 개수에 의해 결정된다. 상당한 농도의 공공이 고온의 금속에 존재한다. 확산 원자와 공공이 서로 위치를 교환하므로, 한 방향으로의 원자 확산은 그 반대 방향으로의 공공의 이동을 수반한다. 자기 확산과 상호 확산은 모두 이러한 기구에 의해서 일어난다. 상호 확산의 경우에는 불순물 원자가 모원자를 치환해야만 한다. 

 

 

침입형 확산

 

확산의 두 번째 경우는 원자가 하나의 침입형 윛에서 이웃에 비어 있는 침입형 위치로 이동함으로써 일어나는 것이다. 이러한 기구는 수소, 탄소, 질소, 산소 등과 같이 침입형 공간에 들어갈 정도로 충분히 작은 불순물 원자의 상호 확산에서 발견된다. 모원자 또는 치환형 불순물 원자는 좀처럼 침입형을 형성하지 않으며, 일반적으로 이러한 기구를 통해 확산하지 않는다. 이러한 확산 현상을 침입형 확산(interstitial diffusion)이라 한다.

 

대부분의 금속 합금에서, 침입형 확산이 공공 확산보다 더 빨리 일어난다. 이것은 침입형 원자가 더 작고 유동적이기 때문이다. 또한 공공 보다 비어 있는 침입형 위치가 더 많이 때문이다. 따라서 침입형 원자가 이동을 확률은 치환형의 경우보다 크다. 

 

 

정상 상태 확산 

 

확산은 시간에 의존하는 과정이다. 즉, 거시적 의미에서 한 원소가 다른 원소 내로 이동한ㄴ 양은 시간의 함수라는 의미이다. 우리는 때때로 얼마나 확산이 빨리 일어나며 또는 질량 전달 속도가 어느 정도인지를 알 필요가 있다. 이러한 속도는 주로 단위 시간당 고체의 단위면적을 통화하는 질량(또는 이에 상당한 원자의 개수) M으로 정의되는 확산 유량(diffusion flux), J로 표현한다. 수학적으로는 다음과 같이 표기된다. 

 

J = M / At 

 

여기서 A는 확산이 일어나는 단면적이며, t는 경과 시간이다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판