금속 단조 공정의 이해

단조 종류와 프로세스

금속 단조란 금속을 강한 압력으로 누르거나 두드리거나 압축하여 금속 단조라고 불리는 고강도의 부품을 만드는 변형 공정을 말합니다. 단조 공정은 단조 부품을 만들기 위한 금속이 주조 공정처럼 녹거나 흘려보내지 않기 때문에 주조 공정과는 전혀 다릅니다. 단조는 금형과 도구를 사용하여 가해진 압축력에 의해 금속 가공물의 특정 형상이 고체 상태로 얻어지는 금속 작업공정으로 정의됩니다. 단조공정 중에 금속의 제어된 변형이 발생하고 금속을 망치로 치거나 눌러서 수행됩니다. 현대에서 산업단조는 압축공기, 전기, 유압 또는 증기로 구동되는 해머 또는 프레스로 만들어집니다. 모든 금속과 합금은 단조가 가능하지만 다른 금속과 합금의 단조 등급은 높음에서 낮음 또는 나쁨까지 다양할수 있습니다. 관련된 요인은 구성, 결정구조 및 모든 온도 범위내에서 고려되는 기계적 특성입니다. 온도 범위가 넓을수록 단조 등급이 높아집니다. 대부분의 단조는 가열 된 가공물에서 만들어지며 상온에서는 냉간 단조를 할수도 있습니다. 단조 공정은 약 수천년 전부터 시작된 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나입니다. 이 과정은 기원전 8000년으로 거슬러 올라가 단순한 대장장이의 손에서 발전했습니다. 전통적으로 단조는 망치와 모루를 사용하여 대장장이가 수행했습니다. 망치와 모루를 사용하는 것은 조잡한 형태의 단조입니다. 대장간은 수세기에 걸쳐 진화했고 지금은 일련의 압축 해머가 부품의 성형 또는 단조를 합니다. 현대 단조는 제어된 압력에 의해 공작물을 변형시키는 기계 구동 충격 해머 또는 프레스를 사용합니다. 단조 공정은 형성된 부품이 밀도가 높고, 입자패턴이 더 뚜렷하며, 적은 다공성을 가지므로 주조보다 훨씬 더 강도가 높고 우수합니다. 단조는 입자구조를 개선하고 금속의 기계적 특성을 향상시킵니다. 적절한 설계를 통해 입자 흐름은 실제 사용시 발생하는 주응력 방향으로 향할 수 있습니다. 입자흐름은 결정이 소성변형 중에 취하는 패턴의 방향입니다. 기계적 특성 (강도, 연성 및 인성 등)은 결정이 무작위로 결정된 비금속보다 단조에서 훨씬 낫습니다. 단조의 방향성 입자흐름은 우수한 피로 저항, 기계적 특성 및 야금학적 건전성으로 높은 강도를 보장합니다. 또한 단조는 내부공극과 다공성을 제거하고 탁월한 구조적 무결성을 얻을 수 있습니다. 단조 공정은 재료 낭비를 최소화하면서 우수한 기계적 성질을 가진 부품을 생산합니다. 단조 과정의 시작 재료는 상대적으로 단순한 형상을 가지고 있습니다. 이 재료는 하나 이상의 작업에서 비교적 복잡한 구성의 제품으로 소성 변형됩니다. 단조에는 일반적으로 상대적으로 비싼 도구가 필요합니다. 따라서 다수의 부품을 생산하거나 단조 공정에 의해서만 얻을수 있는 경우 경제적으로 매력적이다. 단조 공정은 다음과 같은 다양한 방법으로 분류 할 수 있습니다. 단조되는 공작물의 온도에 따라 단조 공정은 (i) 열간 단조, (ii) 온간 단조 및 (iii) 냉간 단조가 될 수 있습니다. 열간 단조는 가장 널리 사용되는 단조 공정입니다. 열간 단조 공정에서 단조는 금속의 재결정 온도 이상의 온도에서 진행됩니다. 즉, 금속에 새로운 입자가 형성되는 온도를 의미합니다. 변형 중에 금속의 변형 경화를 방지하기 위해 굉장히 높은 열이 필요합니다. 산업 제조 과정의 실제 조건에서 마찰은 공정에서 한 부분을 차지합니다. 다이워크 인터페이스의 마찰력은 표면근처의 재료 확산에 저항하지만 중앙의 재료는 더 쉽게 팽창할 수 있습니다. 그 결과 부품에 배럴 모양이 생성됩니다. 이 효과를 금속 단조 용어로 배럴링이라고합니다. Barreling은 일반적으로 바람직하지 않으며 효과적인 윤활을 사용하여 제어할수 있습니다. 열간 단조의 장점은 (i)높은 변형률 및 금속 흐름의 용이성, (ii)재결정 및 복구가 가능, (iii)필요한 힘이 적다. 열간 단조의 단점은 (i)고온에서의 윤활이 어렵고, (ii) 가공물에서 산화 및 스케일링 발생, (iii)표면 마감 불량, (iv)정밀공차 감소, (v) 냉각 공정 중 재료의 뒤틀림 가능성. 온간 단조 공정에서 단조 공정중에 온도범위는 실온 이상에서 재결정 온도 이하보다 낮을수 있습니다. 온간 단조에서 가공물은 유동 응력과 단조 압력을 낮추기 위해 금속의 재결정 온도 (강의 경우 최대 700 ~ 800°C) 이하로 가열합니다. 냉간 단조에 비해 온간 단조는 (i)툴링 부하감소, (ii) 프레스 부하감소, (iii) 금속 연성 증가, (iv) 단조 전 어닐링의 필요성 제거, (v)열처리를 제거할수 있는 유리한 단조속성 등의 이점을 가지고 있습니다. 온간 단조의 장점은 (i) 높은 생산률, (ii) 단조 부품의 우수한 치수 공차 및 표면 마감, (iii) 재료 및 가공의 대폭적인 절약, (iv) 강도 향상을 위한 좋은 입자흐름, (v) 단조 부품의 인성향상. 냉간단조의 대부분은 최대 1250°C의 온도에서 열간 작업으로 수행됩니다. 냉간 단조는 굽힘, 냉간 인발, 냉간 헤딩, 펀칭, 압출, 나사 압연 등과 같은 다양한 공정을 포함하여 다양한 부품을 만듭니다. 여기에는 다양한 샤프트와 같은 구성 요소, 컵모양의 형상, 스템과 샤프트가 있는 중공 부품, 모든 종류의 업셋(머리) 및 구부러진 구성 및 조합이 포함됩니다. 강철 막대, 와이어 또는 바의 냉간 단조를 하면 3면 굽힘 및 헤드 디자인 기능이 있는 샤프트와 유사한 부품이 드물지 않습니다. 일반적인 부품은 5kg이하 범위에서 가장 효율적인 비용입니다. 최대 3kg의 대칭 부품은 자동 처리에 적합합니다. 재료 옵션은 저합금 및 탄소강부터 300 및 400 시리즈 스테인리스 강, 선택된 알루미늄 합금, 황동 및 청동에 이르기까지 다양합니다. 이 과정에서 화학적으로 윤활된 바 슬러그는 극심한 압력 하에서 폐쇄된 다이로 강제 투입됩니다. 따라서 비가열금속은 원하는 모양으로 됩니다. 전방 압출의 경우 강철은 램 힘의 방향으로 됩니다. 업셋에서 금속은 램힘에 직각으로 흐르므로 직경이 증가하고 길이가 줄어듭니다. 냉간 단조 공정 중 단조는 금속의 실온 또는 그 근처에서 진행됩니다. 탄소 및 표준 합금강은 가장 일반적으로 냉간 단조됩니다. 냉간 단조는 일반적으로 알루미늄처럼 금속이 이미 부드러워졌을때 선호됩니다. 이 공정은 일반적으로 열간 단조보다 비용이 적게 들고 최종 제품은 마무리 작업이 거의 필요하지 않습니다. 냉간 단조는 또한 오염 문제에 덜 민감하며 최종 구성품은 전체 표면 마감이 더 우수합니다. 냉간 단조의 장점은 (i) 생산 속도가 매우 높음, (ii) 기계적 특성 개선, (iii) 다이 표면과 가공물 사이의 마찰 감소, (iv) 윤활 용이성, (v) 작업물에 산화 또는 스케일링이 되지 않는점. 냉간 단조의 단점은 (i) 잔류 응력의 가능성, ii) 더 무겁고 강력한 단조 장비가 필요, (iii) 더 강력한 공구가 필요, (iv) 공구 설계와 제조가 매우 중요. 내장 플랜지 및 보스와 같은 통합 설계 기능을 위해 종종 선택되는 냉간 단조는 자동차 조향 및 서스펜션 부품, ABS 시스템, 하드웨어, 방위 부품 및 고강도, 정밀 공차 및 대량 생산이 이루어지는 기타 응용 분야에 자주 사용됩니다.