단조 – 공정, 분류 및 방법

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단조는 망치질, 압착 또는 압연을 통해 금속의 모양을 만드는 제조 공정입니다. 단조의 기원은 기원전 4000년 전 메소포타미아로 거슬러 올라갑니다. 초기 인류는 금속을 가열하면 모양을 쉽게 만들 수 있다는 사실을 발견하면서 단순한 망치질에서 자연스럽게 단조 공정이 발전했습니다. 대장장이들은 용광로를 사용하여 금속을 가열함으로써 칼이나 농기구와 같은 무기와 도구를 만들 수 있었습니다.

수세기에 걸쳐 단조는 현대 산업의 요구를 충족하기 위해 상당한 발전을 거듭해 왔습니다. 자세히 알아보겠습니다.

단조란 무엇인가요?

단조는 다음을 사용하는 제조 공정입니다. 열과 고압 을 사용하여 금속을 원하는 형태로 성형합니다. 고온으로 가열하면 원시 금속은 가단성이 생깁니다. 제조업체는 수작업, 유압 프레스 및 기타 특수 장비를 사용하여 비교적 쉽게 금속을 성형할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 단조 제품은 전기 프레스를 사용하여 제조됩니다. 그러나 다마스커스 강철 나이프와 같은 특정 특수 품목은 여전히 전통적인 수작업 방식으로 제작됩니다.

단조에 사용되는 인기 있는 금속으로는 합금강, 알루미늄, 황동, 탄소강, 구리, 듀플렉스강, 니켈, 스테인리스강, 티타늄, 공구강 등이 있습니다. 일반적으로 취성이 높지 않은 금속은 단조 공정을 거칠 수 있습니다. 반면 주철, 특정 고탄소강 및 기타 취성 합금과 같은 소재는 충격 하중을 견디지 못하기 때문에 단조 공정에 적합하지 않습니다.

단조 부품은 정제된 입자 구조, 높은 내피로성 및 강도 등 다양한 이점을 제공합니다. 또한 최종 제품에는 다공성, 균열 및 블로우홀과 같은 결함이 없습니다.

단조는 여분의 금속을 사용하지 않고도 부품을 대량 생산할 수 있도록 설계할 수 있습니다. 크랭크샤프트, 고압 밸브, 볼 조인트, 캠 및 기어와 같은 핵심 부품의 경우 항공우주, 자동차, 석유 및 가스 등 안전 및 성능 중심 산업에서 널리 사용됩니다.

단조 공정 단계

열과 고압은 대부분의 금속을 연화시켜 다양한 소재를 단조로 효과적으로 가공할 수 있습니다. 하지만 금속마다 특성이 다르기 때문에 단조 공정도 그에 맞게 조정해야 합니다. 일반적인 단조 공정을 살펴보고 주요 단계를 이해해 보겠습니다:

다이 설계 및 제조

최신 단조 공정에서는 금형을 사용하여 생산되는 부품의 정확성, 정밀도 및 속도를 향상시킵니다. 금형 설계 및 제조는 단조 공정의 첫 번째 단계입니다. 좋은 금형은 더 나은 입자 흐름, 우수한 표면 마감, 낭비 감소, 치수 정확도 향상, 일관된 생산 품질 등의 이점을 제공할 수 있습니다.

빌렛/잉곳 준비

다양한 단면의 빌릿 또는 잉곳은 단조 공정의 원재료로 사용됩니다. 제품 사양에 따라 적절한 단면의 필요한 길이를 절단하여 단조 생산 라인에 통합합니다.

가열

차가운 금속을 두드리는 것은 아무 소용이 없습니다. 이 단계에서는 일반적으로 용광로에서 금속을 단조 온도까지 가열합니다. 그리고 강철의 단조 온도는 섭씨 850도에서 1150도 사이입니다.알루미늄의 이상적인 단조 온도는 최대 섭씨 500도입니다. 단조 공정의 특정 가열 및 담금 온도는 사용되는 금속의 종류에 따라 결정됩니다.

단조

가열된 금속은 다이로 이동하여 모양을 만들어 냅니다. 최종 형태를 얻기 위해 다양한 금형을 여러 번 통과해야 할 수 있습니다. 또한 프레스 사이에 부품을 재가열해야 할 수도 있습니다.

열처리

대부분의 부품은 강도와 경도를 포함한 특정 기계적 특성을 향상시키기 위해 단조 후 열처리를 거칩니다. 일반적으로 사용되는 열처리 공정은 어닐링, 템퍼링, 담금질, 정규화, 용액 처리 및 케이스 경화입니다.

냉각

냉각은 강도 및 입자 구조와 같은 특성을 향상시킬 수 있는 훌륭한 기회를 제공합니다. 다양한 냉각 메커니즘과 속도를 사용함으로써 단조 부품의 바람직한 특성 개발을 촉진할 수 있습니다.

마무리

부품을 사용하기 전에 가공, 트리밍 및 표면 처리와 같은 마감 작업이 필요할 수 있습니다. 또한 이 단계에서 특정 코팅을 적용하여 내식성 및 미적 매력과 같은 특성을 향상시킬 수 있습니다.

단조 공정을 분류하는 방법

야금학에 대한 끊임없는 연구와 발전으로 단조 공정의 여러 변형이 개발되었습니다. 오늘날에는 최종 제품의 다양한 특성 조합을 달성하기 위해 다양한 단조 기술이 사용됩니다. 다양한 유형의 단조 공정을 더 잘 이해하기 위해 두 가지 주요 분류 방법을 사용하겠습니다. 단조 공정은 다음과 같이 분류할 수 있습니다. –

온도별 분류

단조 공정은 온도에 따라 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다: 냉간 단조, 열간 단조, 온간 단조 또는 열간 단조입니다.

열간 단조

열간 단조는 금속을 재결정화 온도를 초과하는 온도까지 가열하는 독창적인 단조 공정입니다. 이 온도는 일반적으로 순수 금속의 녹는점의 0.3~0.4배이며, 합금의 경우 그 절반 정도입니다. 이렇게 높은 온도에서 금속의 미세 구조는 내부 응력을 완화하고 새로운 입자를 형성하여 강도 및 연성과 같은 기계적 특성을 향상시킵니다.

금속이 이 온도에 도달하면 압축력을 가하여 원하는 모양으로 성형합니다. 열간 단조 제품은 고온에서 재료가 더 쉽게 변형되기 때문에 더 낮은 수준의 압축력이 필요합니다.

하지만 열간 단조에는 몇 가지 단점이 있습니다. 다음과 같은 단점이 있습니다. 낮은 정밀도와 최종 표면 마감이 더 거칠어집니다. 다른 공정에 비해 거칠습니다. 또한 공작물은 결함이 발생하기 쉽습니다. 산화, 탈탄 및 화상 손상과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.

온간 단조

열간 단조에서는 금속을 상온 이상으로 가열하면서도 재결정화 온도보다 훨씬 낮은 온도를 유지합니다. 열은 금속을 더 유연하게 만듭니다. 열간 단조와 비교하여 열간 단조는 다음과 같은 이점이 있습니다. 더 매끄러운 표면과 더 높은 정밀도하지만 변형에 대한 저항력도 높습니다. 결과적으로 더 큰 압축력 열간 단조보다 열간 단조에서 금속을 성형하는 데 더 큰 압축력이 필요합니다.

냉간 단조

상온에서 진행되는 단조 공정을 냉간 단조라고 합니다. 이 공정에서는 금속을 가열하지 않고 압축력을 가하여 재료를 직접 성형합니다. 이 기술을 통해 얻을 수 있는 결과물은 다음과 같습니다. 우수한 표면 마감, 높은 차원 정확도그리고 즉시 사용할 수 있는 부품. 또한, 냉간 단조는 자동화하기 가장 간단한 프로세스 중 하나입니다..

그러나 프로세스 고톤수 프레스가 필요합니다.상당한 압축력이 필요하기 때문입니다. 이 부품은 또한 균열이 발생하기 쉽습니다. 저온에서 가소성이 낮기 때문입니다.

사용된 툴링 및 장비별

도구와 장비를 사용하여 단조 공정을 분류할 수도 있습니다. 전통적으로 대장장이들은 망치와 모루와 같은 초보적인 장비를 사용하여 금속을 단조했습니다. 시간이 지나면서 물레방아는 대형 벨로우즈에 동력을 공급하여 다음을 가능하게 했습니다. 블로머리 를 사용하여 더 높은 용광로 온도에 도달할 수 있습니다.

그 후 산업혁명과 함께 기계식 및 유압식 프레스와 업세터가 도입되어 금형을 사용하여 단조를 통해 더 복잡한 형상을 만들 수 있게 되었습니다. 또한 이 시기에는 견고한 롤러를 사용하여 다양한 단면을 가진 길쭉한 부품을 만드는 롤 단조 기계화가 개발되었습니다.

단조 방법의 종류

단조 공정은 공정 레이아웃, 생산되는 부품의 종류, 자동화 수준, 사용되는 장비 유형 등의 요인에 따라 다양한 방법으로 나뉩니다. 이 섹션에서는 이러한 요소를 통합하여 오늘날 가장 많이 사용되는 단조 공정에 대한 개요를 제공합니다. 여기서 다룰 방법은 다음과 같습니다:

드롭 단조

드롭 단조는 드롭 해머를 특정 높이에서 공작물에 떨어뜨리는 제조 공정입니다. 공작물은 고정된 모루 위에 놓입니다. 여러 번의 충격에 의해 생성된 힘이 공작물을 원하는 모양으로 서서히 압축합니다.

드롭 단조는 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다: 오픈 다이 단조 및 폐쇄 다이 단조. 오픈 다이 단조에서는 공작물 위에 다이가 위치하지 않고 해머가 공작물 표면과 직접 접촉합니다. 오픈 다이 단조 공정의 변형은 다음과 같이 알려져 있습니다. 코깅 금속 집게를 사용하여 재료를 제자리에 고정하고 조작기(금속 다이)가 두 방향 또는 네 방향에서 접근하여 모양을 변경하는 방식입니다.

반대로 폐쇄 다이 단조는 금형 내에서 공작물을 캡슐화합니다. 폐쇄 다이 단조는 임프레션 다이 단조라고도 합니다. 원하는 최종 형상을 한쪽 또는 양쪽 다이(상단 및 하단)에 주조할 수 있습니다. 해머가 상단 다이에 부딪히면 단조되는 금속이 다이 캐비티를 채우도록 강제합니다.

카운터 블로우 공정 은 드롭 단조 기술의 변형입니다. 중력에 의존하는 드롭 단조 공정과 달리 카운터 블로우 공정은 고압 공기 또는 오일을 사용하여 단조 다이 캐비티를 서로 향해 가속합니다. 금형 사이에 위치한 금속 스톡은 가속 금형에서 발생하는 강한 충격력을 흡수하여 금형의 모양에 맞출 수 있습니다.

프레스 단조

프레스 단조는 드롭 단조와 유사한 원리를 사용하지만, 충격에 의존하는 대신 더 오래 지속되는 지속적인 힘을 사용합니다. 갑작스러운 충격이 아닌 제어된 압착입니다.

드롭 단조의 충격은 금속 공작물의 코어를 변형시키지 않으며, 그 영향은 표면층에만 국한됩니다. 반면 프레스 단조에서는 지속적인 압력이 가해지면 부품의 전체 부피에 걸쳐 소성 변형이 발생합니다. 단조 프레스는 냉간 단조 또는 열간 단조 공정을 사용할 수 있습니다.

업셋 단조

헤딩 단조라고도 하는 업셋 단조는 일련의 다이를 사용하여 공작물의 한쪽 끝을 변형하거나 뒤집습니다. 이 공정은 일반적으로 한쪽 끝의 둥근 막대의 단면을 늘려 못, 볼트 및 나사와 같은 제품을 형성하는 데 사용됩니다.

둥근 막대는 그립핑 다이를 사용하여 고정하고 다른 다이가 노출된 끝을 향해 전진하여 압축하고 모양을 변경합니다.

자동 열간 단조

자동 열간 단조 방식은 빠르고 효율적인 대량 생산 수단 철근 또는 완제품을 대량 생산할 수 있습니다. 자동 열간 단조 공장의 한 쪽에서는 지정된 길이의 철근이 기계로 공급됩니다. 이 철근은 단조 기계에서 수초 내에 유도 가열, 석회질 제거, 절단 및 완제품으로 단조됩니다.

부품은 기계 내부에서 여러 성형 단계를 거칠 수 있습니다. 단조 기계의 출력물은 완제품의 장점을 살리기 위해 냉간 단조 또는 정밀 단조를 위해 보내지기도 합니다.

롤 단조

자동 단조와 유사한 롤 단조는 다음과 같은 특수 단조 공정입니다. 독특한 단면을 가진 부품을 생산할 수 있습니다. 대규모로 생산합니다.

롤 단조는 평평하거나 둥근 단면의 긴 바를 받는 두 개의 반대쪽 롤을 포함합니다. 바가 롤 사이의 틈새를 통과하면서 압축되어 두께가 줄어들고 재료의 길이가 늘어납니다.

일단 통과하면 최종 제품에 여러 단계가 필요한 경우 부품을 뒤집어서 동일하거나 다른 롤러 세트를 다시 통과시킬 수 있습니다.

롤 단조는 열간 또는 냉간 단조가 가능합니다. 열간 단조는 더 가벼운 압축력이 필요합니다. 롤 단조 공정은 공작물의 입자 구조가 우수합니다.

압연 링 단조

압연 링 단조 공정은 다음을 생산합니다. 이음매 없는 금속 링 단조 공정에서. 이 공정은 중앙에서 원통형 스톡을 뚫어 도넛 모양을 만드는 것으로 시작됩니다. 이 속이 빈 중앙에 아이들러 롤러가 배치됩니다. 그런 다음 두 개의 다른 롤러 세트를 사용하여 공작물을 회전하고 조작합니다.

구동 롤러는 자신과 아이들러 롤러 사이에서 공작물을 눌러 도넛 구멍의 크기를 점차적으로 늘립니다. 상단과 하단에 위치한 축 롤러는 도넛의 표면을 압축하여 두께(또는 원통형 높이)를 줄입니다.

최종 제품은 이음새가 없고 원래의 공작물에서 파생된 우수한 입자 구조를 가진 링 모양의 부품입니다. 압연 링 단조는 일반적으로 기어, 클러치 및 베어링과 같은 핵심 부품에 사용되며, 기능 및 안전 목적으로 이음매 없는 부품이 필요합니다.

정밀 단조

그물 모양 또는 그물 모양에 가까운 단조라고도 하는 정밀 단조는 단조 공정입니다. 상당히 낮은 온도에서 수행됩니다. 열간 단조보다 훨씬 낮은 온도에서 진행되어 정밀도를 높일 수 있습니다. 강철의 경우 정밀 단조의 온도 범위는 섭씨 750~950도(화씨 1380~1740도)입니다.

정밀 단조는 주로 독립적인 작업이라기보다는 마무리 공정입니다. 다른 단조 방식으로 생산된 부품은 사용되거나 추가 제조 공정을 거치기 전에 정밀 단조를 위해 보내집니다.

냉간 단조

정밀 단조는 다음에서도 수행할 수 있습니다. 상온에 가까운 온도일반적으로 냉간 단조라고 하는 공정입니다. 이 방법은 매우 정확한 최종 치수를 얻을 수 있으며 일반적으로 추가 마감 작업이 필요하지 않습니다. 하지만 모든 유형의 금속에 적합한 것은 아니며, 금형의 결합 표면을 보존하는 데 윤활이 중요한 역할을 합니다. 냉간 단조는 알루미늄과 같은 연성 금속에 자주 사용됩니다.

등온 단조

이름에서 알 수 있듯이, 등온 단조는 고정 온도에서 수행됩니다.. 블랭크와 다이 모두 전체 단조 공정에서 균일한 온도를 유지합니다.

이러한 특정 조건은 지정된 온도에서 금속의 가소성을 최대한 활용할 수 있게 해줍니다. 등온 단조는 일반적으로 다른 금속에 비해 단조 온도가 430°C(806°F)로 상대적으로 낮은 알루미늄을 단조하는 데 사용됩니다.

등온 단조는 정밀도 향상, 결함률 감소, 낮은 압축력, 재료 가소성 향상 등 여러 가지 장점을 제공합니다.

유도 단조

인덕션 단조는 별도의 금속 단조 공정이 아니라 가열 방식입니다. 단조 온도에 도달하는 데 사용됩니다. 고출력 유도 코일은 빠른 온도 상승을 촉진하고 대량 생산 환경에서 사이클 시간을 단축하는 데 사용됩니다.

공정에 맞게 가열 설정을 조정하여 다양한 공정에서 사용할 수 있습니다.

Swaging

스웨이징은 특수 금속 단조 공정입니다. 속이 빈 단면에 테이퍼 또는 뾰족한 모서리를 만드는 데 사용됩니다.파이프 등 스웨이징은 열린 끝을 밀봉하거나 파이프 끝의 둘레를 넓혀 다른 파이프 섹션과 쉽게 연결할 수 있도록 하는 데 사용됩니다.

이 공정에서는 먼저 재료를 단조 온도까지 가열한 다음 다이에 압착하여 파이프 끝부분의 모양을 변형합니다. 유연한 정원용 호스를 물 배출구 연결부에 강제로 끼운다고 상상해 보세요. 금속 파이프가 금형에서 분리되어도 모양이 유지된다는 점을 제외하면 단조는 시각적으로 비슷해 보입니다. 이것은 하나의 구체적인 예일 뿐입니다. 공정 매개변수를 조작하여 다양한 결과를 만들어낼 수 있습니다.

결론

단조는 금속 가공에서 뚜렷한 이점을 제공합니다. 단조는 중요한 응용 분야에 적합한 고강도, 신뢰성 높은 제품을 생산할 수 있는 비용 효율적이고 다재다능한 방법입니다. 단조로 인한 정제된 입자 구조는 탁월한 방향 강도와 구조적 무결성을 제공합니다.

따라서 이 공정은 크랭크샤프트, 철도 휠 및 궤도, 차량 차축, 커넥팅 로드, 서스펜션, 기어, 샤프트 및 베어링과 같은 중요한 부품에 사용됩니다.

단조는 꾸준히 인기를 얻고 있습니다.특히 티타늄 및 초합금과 같은 금속에서 더욱 그렇습니다. 이 프로세스는 다음과 같이 향후 수십 년 동안 더욱 주류가 될 것으로 예상됩니다. 점점 더 정확하고 정교해짐에 따라 고급 재료와 시뮬레이션 기술을 사용하여 점점 더 정확하고 정교해지고 있습니다.

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