열간가공 냉간가공 장단점 - yeolgangagong naeng-gangagong jangdanjeom

열간가공 및 냉간가공

1. 개요

금속의 소성 가공에서 가공온도에 따라 재결정 온도 이하에서 가공하는 냉간가공과 재결정 온도 이상에서 가공하는 열간가공 및 그중간의 온간가공으로 나눌수 있다. 그 중에서 냉간가공과 열간가공의 특성에 대하여 설명 한다.

2. 냉간가공(Cold Working)

  1) 금속의 재결정 온도 이하 및 상온에서 행하는 가공법으로 성형완성을 정밀하게 하고 동시에 강도를 크게할
     목적으로 이용된다.

2) Fe, Cu, 황동 등은 상온에서 소성변형을 받으면 가공경화한다. 경화되는 정도는 가공도 즉 변형율에 따라 증가한다.

3) 냉간가공을 하면 금속의 기계적 성질이 변하며 그 경향은 인장강도, 항복점, 탄성 한계 및 경도 등은 점차 커지고
   연율, 단면 수축률 등은 감소된다.

4) 냉간 가공을 한후 내부응력제거 열처리를 하여야 한다.

3. 열간가공 (Hot Working)

1) 재결정 이상의 온도에서 하는 가공을 열간가공 또는 고온가공이라고 한다.

2) 이때에는 변형과 재결정이 동시에 생기게 되므로 가공이 진행 되어도 가공성을 상실하지 않는다.

3) 재결정에 의한 연화속도는 가공경화속도 보다 더욱 크다. 그러므로 열간가공은 냉간가공가 달리
    강력한 가공을 짧은 시간에 할수 있는 장점이 있다.

4) Pb는 재결정 온도가 상온이다. 그러므로 약간의 압연을 하면 경도가 증가하나 압연율이 많아지면 경도가 떨어 진다.

    Pb는 심한 가공변형을 받으면 재결정이 더욱 빨리 생긴다. 이경우에 상온에서 Pb를 더욱 강하게 가공한 것은
    재결정 온도 이상에서의 가공이므로 온도는 상온이지만 고온가공에 해당한다고 볼수있다.

5) 열간가공에서는 산화 등에 주의 하여야한다.

<금속의 열간 가공>
-상업적인 가치 때문에 냉간잉곳을 다른형상으로 변화시키는 것은 비경제적
-열간가공은 초기형상의 잉곳이나 연주된 봉을 널리 사용되고 있는 형상으로 변화시키는
중요한 공정이다.
-열간가공은 잉곳 또는 연주봉을 구조용형상, 봉재 또는 판재로 만드는 것이다. 잉고, 연주
봉 또는 중간단계의 형상을 열간에서 햄머, 프레스, 압연 또는 압출하여 다른 형상으로 만든
다.
-열간가공의 높은 온도에서는 스케일링과 산화물이 존재하며 대부분의 철재 금속에서 표면
조도, 치수 정밀도 및 기계적 특성을 향상시키기 위해 냉간에서 수행되는 후속 공정을 거친
다. 재결정온도이상에서 금속의 성형을 다루는 것이 열간가공이라하며 주조, 사출, 기계가공
또는 용접과는 다른 성형방법이다.
1.소성변형
열간가공을 할 때 변형에 필요한 하중은 냉간가공보다 낮고 기계적 특성은 상대적으로 변화
가 없다.
냉간가공을 하면 더 큰 힘이 필요하며 금속의 강도가 증가한다.
열간가공에서는 재료의 두께가 상당히 큰 폭으로 변화하지만 판재의 사상압연과 같은 냉간
가공에서는 두께가 거의 변하지 않는다.
금속제품의 제작에 있어 원하는 형상을 만들기 위해 사용할 수 있는 기본적인 방법은 주조,
기계가공, 용접과 변형공정이 있다.
열간가공은 변형공정이다. 금속변형은 금속의 흥미있는 특성, 즉 금속이 고체상태에서 물리
화학적 성질의 악화를 동반하지 않고 유동할 수 있는 능력을 이용한다. 또한 원하는 형상으
로 만들기 위

해 금속에 힘을 가할 때 재료의 손실이 거의 없다.
열간가공은 금속마다 다른 그 금속의 재결정 온도 이상에서 소성변형시키는 것이다. 열간가
공은 반드시 높은 절대온도를 의미하는 것은 아니다. (예;납과 주석은 상온에서 열간가공)
열간가공은 재결정온도이상에서 소성변형을 일으키므로 가공 경화는 발생하지 않는다. 또한
열간가공된 금속은 탄성한계가 커지거나 강해지지 않고, 금속은 일반적으로 가하여 지는 응
력의 증가없이 부가적인 변형이 발생하는 점인 항복강도가 감소된다. 파단이 일어나지 않고
변형이 생기는 능력인 인성이 증가한다. 따라서 열간가공으로써 파단이 일어나지 않도록 힘
을 가하여 금속의 형상을 심하게 변화시키는 것이 가능하다.
열간가공의 잇점
1.금속내부의 기공이 상당히 제거된다. 대부분의 잉곳에는 작은 구멍이 있다. 이러한 구멍들
은 가압이 되면 서로 합쳐져서 사라진다.
2.게재물 형태의 불순물이 파괴되어 금속전체에 분포된다.
3. 기둥형상 및 덤성덤성한 입자가 미세화된다. 열간가공이 재결정온도범위에서 이루어지므
로 하한 온도에 이를 때까지 미세화된 결정립을 얻기 위한 작업을 계속한다.
4.주로 결정립 미세화에 따른 결과로서 물리적 성질이 향상된다. 인성과 충격에 대한 저항이
증가하고 강도가 증가하며, 금속의 균질화가 증대된다. 압연강재에서 최대강도는 금속의 유
동방향인 압연방향에 있다.
5.열간에서 강의 형상을 바꾸는 데 필요한 에너지의 양은 냉간에서 강이 필요로 하는 것보
다 상당히 적다.

열간가공의 단점
1.금속이 고온상태이므로 표면에서의 불량한 표면조도를 동반하는 급속한 산화 또는 스케일
링이 생긴다. 이러한 스케일링의 결과로 정밀한 공차를 유지할 수 없다.
2.열간가공 장비의 가격과 그 유지비용은 많이 들지만 낮은 온도에서 작업하는 것에 비하면
열간공정은 더 경제적이며 작업의 목적도 냉간과 비슷하다.

2.압연
연강은 두 단계를 거쳐 유용한 제품으로 변한다.
가. 용탕으로 제작한 잉곳 또는 연주봉재를 압연하여 중간단계의 형상을 만든다. - 블루움,
빌렛과 슬래브
나. 중간단계로 압연된 슬래브를 더 압연하여 판재, 얇은 판, 봉재, 구조용 형재 또는 포일
등으로 만든다.
열간압연의 한 효과는 재결정으로 인해 발생하는 입자 미세화이다. 조대한 입자구조가 압연
작용에 의해 깨어지고 늘어난다. 고온으로 인하여 재결정이 즉각 시작되고 미세한 입자들이
생기기 시작한다. 이런 입자들은 재결정이 완전히 이루어 질 때까지 급속히 성장한다. 만약
더 이상의 가공을 받지 않으면 재결정온도 범위의 하한에 이를 때까지 성장이 지속된다.
압연에서 온도 균일화는 금속의 유동과 소성변형을 조절하므로 중요하다.

3. 단조
단조는 금속을 가압 또는 충격 또는 두가지의 합력에 의해 미리 결정된 형상으로 제조하는
조정된 소성변형 또는 금속가공이다. 단조는 금형의 형상에 따라 결정이 배열되고 그에 따
라 부품의 강도가 증가된다.
-햄머 또는 대장간 단조
햄머 또는 대장간 단조는 수공구 또는 스팀햄머의 평평한 다이 사이에 놓인 가열금속을 두
드리는 것이다. 대장장이가 했던 것과 같이 수동단조는 가장 오래된 단조형태이다. 정밀도가
낮고 복잡한 형상을 얻을 수 없는 것이 이 공정의 특징이다.
가벼운 하중의 작업에는 단일 또는 개방형 골격방식의 단조햄머를 사용하는 반면 좀 더 큰
하중의 작업에는 더블하우징방식을 사용한다.
-낙하 단조
낙하단조가 햄머단조와 다른 점은 개방면이나 평평한 다이를 사용하지 않고 밀폐된 단조금
형을 사용한다는 점이다. 상하 다이는 움직인는 램과 고정된 앤빌에 각각 결합된다. 이과정
에서 소재에 반복적으로 가해지는 타격에 의해 다이 내부에 큰 소재유동이 발생한다.
낙하햄머 단조의 중요한 두 가지 형태는 증기햄머와 중력 또는 보드 햄머이다.

단조의 장점
미세한 결정구조, 기공의 제거, 기계가공시간의 감소 및 물리적 성질의 향상이 포함된다. 단
조는 탄소강과 합금강, 연철, 구리와 알루미늄 및 마그네슘 합금에 대해 유용하다.

단조의 단점
스케일 게재물이 있다는 점과 단기간 소량생산인 경우 고가의 다이비용이 필요하다는 것이
다.다이의 정확한 결합이 힘들며 작업전반에 걸쳐 금속 겹침의 결과로 나타나는 단조품 균
열을 방지하기 위해 다이 설계에 있어서 주의가 요구된다.

프레스단조
프레스 단조는 햄머의 빠른 충격과는 달리 변형에 있어서 금속을 서서히 압축하는 동작을
이용한다. 압축하는 동작은 전단면에 걸쳐 부품의 중심을 향해 압축을 받도록 일어난다.
작은 프레스 단조품에 대해서는 밀폐단조 다이가 사용되며, 단조 작업을 행하는 데 있어 보
통 단 한번의 램 스트로트가 필요하다. 최대압력은 행정의 끝에서 생기며 이 힘이 금속을
성형한다. 단조프레스는 낙하 햄머 프레스보다 입력되는 전체에너지에 대하여 더 큰 비율의
에너지가 금속에 전달된다. 낙하 햄머으 충격중 상단 부분이 기계와 기초부로 흡수된다. 프
레스에서는 소재의 변형이 낙하 햄머보다 더 빠르며, 결국 가공비용이 더 낮아진다. 대개의
프레스 단조품은 그 형상이 대칭이며, 낙하 햄머 단조품보다 표면이 매끄럽고 더 정밀한 공
차를 얻을 수 있다. 하지만 불규칙적이고 복잡한 형상을 갖는 많은 부품은 낙하 단조로써
단조하는 것이 더 경제적이다.

업셋단조
균일한 단면의 봉을 잡고서 가열된 끝단에 압력을 가하여 업셋하거나 성형하는 것

롤 단조
롤 단조 기계는 일차적으로 짧은 봉재의 단면을 줄이고 테이퍼작업을 하는 데 사용한다.

압출
열간가공이 가능한 금속은 압력을 가하여 균일한 단면형상으로 압출할 수 있다.
-직접압출: 가열된 둥근 빌렛을 다이 챔버속에 놓고 더미 블록과 램을 제위치에 놓는다. 금
속이 소량만 남을 때까지 다이를 통해 압출한다. 남은 부분을 톱으로 잘라내고 벗트 엔드를
제거한다.
-간접압출: 간접압출된 부분이 램 스템에 의해 힘을 받는 것을 제외하고는 직접 압출과 같
다. 이 방법을 사용하면 빌렛과 컨테이너 벽 사이의 마찰력이 없으므로 직접압출보다 힘이
작게 걸린다. 펀치가 중공인 경우 강도의 약화와 압출된 부분의 양호한 지지에 대한 난점이
이 공정의 제약조건이다.
-충격압출:충격압출에서 펀치는 슬러그로부터 금속이 위쪽과 주위로 밀리도록 하는 힘을 직
접 슬러그에 전달한다.

인발
블루움을 단조온도까지 가열하고 수직 프레스로 작동되는 피어싱 펀치로써 블루움을 끝이
막힌 중공단조품으로 성형한다. 단조품을 재가열하여 열간 드로우밴치에 놓는데 한 개의 프
레임에 고정되어 연속적으로 직경을 감소시키는 몇 개의 다이로 구성된다. 유압으로 작동하
는 펀치는 드로우밴치의 전체 길이를 통해 가열된 실린더에 힘을 작용한다. 길고 얇은 실린
더나 튜브는 반복적인 가열과 인발이 필요하다.

특수한 방법들

열간스피닝
금속의 열간 스피닝은 회전하는 형틀 위에서 접시모양이나 무거운 원형판을 성형하거나 또
는 튜브의 목형상을 만들거나 끝을 붙이는데 상업적으로 사용한다. 두가지 경우 모두 부품
을 빨리 회전시키기 위해 선반과 같은 형태를 사용한다. 약한 힘을 내는 압력공구 또는 회
전하는 부품의 표면에 접촉하는 롤러에 의해 성형되고, 성형에 의해 금속이 유동하고 원하
는 형상을 가진 맨드릴에 적합하도록 작동시킨다. 작업이 한번 시작되면 상당한 마찰열이
발생하고 이 열은 금속이 소성상태를 유지하도록 해 주는 역할을 한다. 튜브의 끝은 직경이
감소하여 원하는 형상으로 성형되거나 스피닝 작용에 의해 완전히 막힌다.

온간단조
온간단조는 냉간과 열간가공 사이의 온도를 일반적으로 사용한다. 소재의 금속학적 변화가
없고 높은 온도상태의 금속가공에서 주로 생기는 표면결함이 없다.

<금속의 냉간가공>
재결정온도 이하의 온도에서 금속이 압연 압출 또는 인발될 때 금속은 냉간가공된다. 대부
분의 금속은 상온에서 냉간가공된다.
냉간가공은 입자를 변형시키기는 하지만 소재의 용적을 줄이지는 않는다. 냉간가공은 강도,
가공성, 치수정밀도와 소재의 표면상태를 향상시킨다. 열간가공보다는 냉간가공에서 산화가
더 적게 발생하므로 얇은 판재와 포일은 냉간에서 압연한다.
성형시점에서 국부적인 온도상승이 발생하지만 열간가공에서 만큼 높지 않다. 그러나 열간
가공은 소성상태에서 입자구조를 미세화 하면서 수행한다. 열간, 냉간가공 모두에서 유사한
공정과 장비가 사용되지만 필요한 하중과 가공결과는 다르게 나타난다.

1. 냉간가공
금속은 본질적으로 결정체이고 다양한 크기의 불규칙한 형상의 결정입자로 구성되어 있다.
금속을 적절히 연마하고 부식시키면 현미경을 사용하여 이러한 입자를 볼수 있다.
각각의 결정입자는 격자라고 알려진 질서있게 정렬된 원자로 구성되어 있다. 주어진 한 입
자에서 원자의 방향은 균일하나 인접한 다른 입자와는 다르다. 소재가 냉간가공되면, 소재의
형상변화는 입자구조에서 상당한 변화를 일으킨다. 구조의 변화로는 입자의 분쇄, 원자의 이
동, 격자의 변형이 있다. 슬립면은 원자 결합력이 최소로 되는 점에서 격자 구조를 통해 나
타나고 원자의 전체 블록이 변위를 일으킨다. 슬립이 일어날 때 원자의 방향은 변하지 않는
다. 재배향이 일어날 경우 쌍정이라는 현상이 발생한다. 쌍정에서 슬립면 한쪽의 격자는 반
대쪽과 다른 방향으로 배열되나 원자는 인접 원자와 같은 형상을 하고 있다. 슬립은 변형의
공통적인 결과이다.
열간가공에서보다 냉간가공에서는 더 큰 압력을 필요로 한다. 더욱 강한 상태에 있는 금속
은 응력이 탄성한계를 초과하지 않는 한 영구 변형이 일어나지 않는다. 냉간가공 범위에서
는 입자의 재결정이 없으므로 입자의 찌그러짐 또는 분열로부터 회복이 일어나지 않는다.
입자변형이 진행됨에 따라 이러한 작용에 대한 더 큰 저항으로 인해 강도와 경도가 증가되
는 결과를 가져온다. 이때금속은 변형경화가 생긴다고 하며, 열처리로도 효과를 보이지 않는
몇몇 금속에 대해서도 변형률경화를 통해 경도, 강도와 같은 물리적 성질을 변화시키는 유
일한 방법으로 알려져 있다. 이러한

현상을 설명하기 위해 몇몇 이론이 발전되었다. 일반적
으로 앞의 이론에서는 원자의 전위, 분쇄, 격자의 변형 또는 이들 세 가지 현상의 조합에 의
해 입자내에서 저항이 된다고 언급하고 있다. 금속이 받을 수 있는 냉간가공의 가공성은 금
속의 연성에 영향을 받게 된다. 어떤 금속의 연성이 더 클수록 냉간가공을 더 많이 받게 된
다. 합금원소는 변형률 경화속도와 경향을 증가시키므로 순수금속은 합금원소를 가진 금속
보다 더 많은 양의 변형에 견딜수 있다. 큰 입자금속은 작은입자의 금속보다 더 연성이 크
다. 냉간가공에 의해 금속이 변형될 때 잔류응력으로 알려진 큰 응력이 금속 내부에 남게
된다. 이러한 바람직하지 못한 응력을 제거하기 위해서 재결정 범위 약간 아래 온도로 재가
열한다. 이러한 범위에서는 물리적 성질이나 입자의 구조에 거의 변화없이 잔류응력의 효과
가 없어지게 된다. 냉간가공의 효과는 재결정 범위로 가열하면 제거된다. 때로는 금속에 잔
류응력이 남아 있는 것이 바람직 할 때가 있다. 소형부품의 피로수명은 금속 표면을 압축상
태, 그 표면 아래에 있는 금속을 인장상태로 만드는 쇼트피닝에 의해서 향상될 수 있다.

장점과 한계
많은 제품은 품질을 높이기 위해 열간 압연후 냉간 마무리 가공을 하게 된다. 열간압연된
스트립과 판재는 무르고 표면 결함을 가지고 있다. 또 원하는 치수정도나 특정한 물리적 성
질의 기대치에 미치지 못하기도 한다. 냉간압연 작업은 크기를 작게 감소시킬 수 있으므로
정확하게 치수를 제어할 수 있다. 냉간압연 공정에서는 표면 산화가 발생하지 않고 매끄러
운 표면을 얻을 수 있다. 한편 강도와 경도가 증가하므로 열처리에 반응하지 않는 몇몇 금
속에 대해서 냉간가공은 경도를 증가시키는 방법이 될 수 있다.
연성재료는 재결정 온도 이하에서 압출될 수 있다. 그러나 냉간가공에서는 열간가공작업에
비해 높은 압력과 무거운 장비가 필요하다. 만약 금속을 과도하게 가공하면 결과적으로 취
성이 생기며 풀림작업이 필요하게 된다.
-냉간가공의 효과
1.만약 후속적인 열처리에 의해 제거하지 않으면 응력이 금속에 남게 된다.
2.입자구조의 변형과 분쇄가 생성된다.
3.연성이 감소함과 동시에 금속의 강도와 경도는 증가된다.
4.강에 대한 재결정 온도는 증가한다.
5.표면 마무리가 향상된다.
6.정밀한 치수 허용오차가 유지된다.
7.냉간가공 공정은 경제적이며 부품의 대량생산에 응용할 수 있다.