단조 공정 설명: 유형 및 기술

1.0단조의 정의와 핵심 특성

단조는 국부적인 압축력을 이용하여 금속을 성형하는 제조 공정입니다. 망치(종종 파워 해머)나 다이를 사용하여 타격합니다. 단조는 수행되는 온도에 따라 냉간 단조(냉간 가공의 한 유형), 온간 단조, 열간 단조(열간 가공의 한 유형)로 분류되는 경우가 많습니다. 후자의 두 가지 단조는 금속을 보통 단조장에서 가열합니다. 단조된 부품의 무게는 1kg 미만에서 수백 톤에 달할 수 있습니다. 단조는 수천 년 동안 대장장이들에 의해 이루어져 왔으며, 전통적인 제품으로는 주방용품, 철물, 수공구, 날카로운 무기, 심벌즈, 보석 등이 있습니다.

산업 혁명 이후, 단조 부품은 높은 강도가 요구되는 모든 기계 및 장치에 널리 사용되었습니다. 이러한 단조품은 완성된 부품을 얻기 위해 일반적으로 추가 가공(예: 기계 가공)을 필요로 합니다. 오늘날 단조는 전 세계적으로 중요한 산업입니다.

2.0단조 온도에 따른 분류

온도 분류의 주요 기준은 금속의 재결정 온도입니다. 재결정 온도는 원자들이 재배열되어 새로운 결정립을 형성하는 임계점입니다. 이를 기준으로 단조는 열간 단조, 온간 단조, 냉간 단조로 구분할 수 있습니다.

2.1열간 단조

온도 범위: 강철의 경우 일반적으로 950~1260°C입니다(금속 및 합금에 따라 다름).
주요 특징:
- 금속 가소성이 뛰어나고 성형성이 좋으며 성형력이 낮습니다.
- 가공 경화는 재결정으로 상쇄되어 내부 응력이 낮아집니다.
- 산화물 스케일이 생성되어 표면 마감 및 치수 정확도가 낮아질 수 있습니다.
응용 프로그램: 대형 단조품(예: 샤프트, 허브), 고강도 합금의 황삭 가공. 고정밀이 요구되지 않는 대량 생산에 적합합니다.

2.2온간 단조

온도 범위: 재결정 온도보다 낮지만 냉간 단조 온도보다 높습니다. 강의 경우 일반적으로 650~950°C입니다.
주요 특징:
- 최소 또는 전혀 스케일이 없고, 열간 단조에 비해 표면 마감이 더 좋습니다.
- 열간단조와 냉간단조 사이의 치수 정확도, 냉간단조보다 성형력이 낮음.
- 열간 단조에 비해 성형성이 약간 떨어집니다. 균열을 방지하기 위해 정밀한 온도 제어가 필요합니다.
응용 프로그램: 표면 품질은 필요하지만 극한의 냉간 단조 정밀도는 필요하지 않은 기어 블랭크와 같은 중소형 정밀 부품.

2.3냉간 단조

온도 범위: 강철의 경우 일반적으로 실온에서 ~150°C까지이며, 알루미늄과 구리는 실온에서 냉간 단조하는 반면, 200~400°C는 연성을 개선하고 성형 하중을 줄이기 위한 온간 단조로 간주됩니다.
주요 특징:
- 산화되지 않고, 표면 조도가 높으며, ±0.3mm 허용 오차를 달성할 수 있습니다.
- 상당한 가공 경화로 항복 강도와 피로 저항성이 향상됩니다.
- 높은 성형력과 견고한 장비가 필요합니다. 알루미늄, 구리, 저탄소강과 같은 연성 금속에 한함.
응용 프로그램: 조립 허용 오차를 직접 충족해야 하는 정밀 패스너(볼트, 나사) 및 소형 구조 부품(베어링 링)입니다.

3.0Die Constraint에 따른 분류

단조는 금형 밀폐 범위에 따라 개방형 금형 단조와 폐쇄형 금형 단조로 분류할 수도 있습니다.

3.1오픈 다이 포징(스미스 포징)

공정 원리: 가공물을 부분적으로만 감싸는 다이를 사용합니다. 가열된 금속은 자유롭게 바깥쪽으로 흐르면서 반복적으로 두드리거나 눌러 모양을 형성하므로 수동으로 위치를 조정해야 합니다.
장점: 금형 구조가 간단하고 비용이 저렴하며, 대형 또는 불규칙한 단조품 생산이 가능합니다. 입자 흐름을 배향시켜 강도를 향상시킬 수 있습니다. 소량 생산 또는 맞춤형 생산에 적합합니다.
단점: 작업자에 따라 다르고, 치수 일관성이 낮고, 가공 여유가 크고, 재료 활용도가 낮습니다.
대표적인 제품: 대형 샤프트, 디스크, 블록 및 맞춤형 산업용 부품.

3.2폐쇄형 단조(인상형 단조)

공정 원리: 상단 및 하단 다이는 부품 형상에 맞는 캐비티를 형성합니다. 예열된 빌릿은 압력을 가하여 캐비티를 채웁니다. 초과된 재료는 플래시 형태로 흘러나와 나중에 다듬어집니다. 플래시리스 단조는 플래시를 방지하기 위해 캐비티를 완전히 봉합합니다.
장점: 높은 치수 정확도와 우수한 반복성으로 대량 생산에 적합합니다. 입자 흐름이 부품 형상에 맞춰져 기계적 특성이 향상됩니다.
단점: 복잡한 금형 설계, 높은 금형 비용, 플래시리스 단조를 위한 엄격한 빌릿 및 윤활 요건, 높은 초기 투자 비용.
대표적인 제품: 자동차 부품(커넥팅로드, 기어), 공구 부품, 중소형 정밀 구조물.

4.0장비 및 운영에 따른 분류

4.1드롭 포징

원칙: 드롭 포징은 증기, 유압, 공압 또는 전기 구동 장치로 구동되는 해머나 램을 사용하여 공작물 위로 떨어뜨려 순간적으로 변형시키는 방식입니다. 개방형 다이(open-die)와 폐쇄형 다이(closed-die) 두 가지 형태가 있습니다. 개방형 다이 포징은 공작물을 수동으로 재위치해야 하는 반면, 폐쇄형 다이 포징은 여분의 소재가 플래시(flash) 형태로 흘러내리도록 합니다. 현대식 설비에서는 종종 공압 단조 파워 해머 제어된 고주파 충격을 전달하여 일관성을 개선하고 작업자 피로를 줄입니다.
응용 프로그램: 샤프트, 농기구, 기계 부품 등 중소형 부품에 적합합니다. 자유단조(Open-die drop forging)는 입자 흐름 방향이 중요한 대형 또는 불규칙한 형상을 생산할 수 있습니다.
장점 및 제한 사항: 빠른 변형과 강력한 방향성 특성을 지녔지만, 치수 정확도는 작업자의 기술에 따라 달라지며, 폐쇄형 단조에는 플래시 트리밍이 필요합니다.

4.2프레스 단조

원칙: 프레스 단조는 충격 대신 느리고 지속적인 압력을 가하여 금속의 균일한 변형을 보장합니다. 기계식 또는 유압식 프레스를 사용하여 개방형 또는 폐쇄형 금형을 사용하여 단조할 수 있습니다.
응용 프로그램: 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드, 균일한 변형률 분포가 필요한 구조 부품을 포함한 대형 또는 복잡한 구성품에 적합합니다.
장점: 가열된 다이를 사용하면 변형을 제어하고, 표면 마감을 개선하고, 세부적인 정확도를 높일 수 있습니다.
제한 사항: 드롭 포징보다 느리고 초기 장비 비용이 더 높습니다.

4.3업셋 포징

원칙: 업셋 단조에서는 막대나 빌릿을 축 방향으로 압축하여 길이를 줄이고 직경을 증가시킵니다. 다중 캐비티 다이를 사용하면 형상을 순차적으로 성형할 수 있습니다.
응용 프로그램: 패스너(볼트, 나사), 엔진 밸브, 커플링 및 기타 직경 확장이 필요한 부품. 대량 생산 라인에서는 분당 수십 개에서 수백 개의 부품을 생산할 수 있습니다.
메모: 현대 생산의 패스너 자동화 시스템에 통합되는 경우가 많습니다.

4.4자동 열간 단조

원칙: 자동화된 열간 단조 라인은 여러 스테이션에서 가열, 스케일 제거, 전단 및 단조를 통합합니다. 플래시리스 공정은 재료 낭비를 최소화하고 효율성을 향상시킵니다.
응용 프로그램: 자동차 부품 등 소형에서 중형 대칭 부품의 대량 생산.
장점 및 제한 사항: 높은 처리량과 일관된 품질을 보장하며, 생산 속도와 공차는 부품 형상에 따라 달라집니다. 장비 투자는 수백만 달러에 달하며, 라인은 일반적으로 작고 대칭적인 부품을 위해 설계됩니다.

많은 현대 CNC 롤 단조기 대량 생산에서 정밀한 변형을 제어하고 반복성을 보장하기 위해 자동화된 열간 단조 라인에 사용됩니다.

4.5롤 포징

원칙: 가열된 막대는 홈이 있는 롤을 통과하면서 두께를 줄이고 가공물의 길이를 늘립니다. 여러 번 가공하거나 롤을 교체하여 최종 형상을 얻습니다.
응용 프로그램: 샤프트, 차축, 스프링 및 공구 블랭크.
장점: 플래시리스, 균일한 입자 흐름으로 긴 형상의 부품을 연속 생산하는 데 적합합니다.

CNC 롤 단조기 롤 속도, 갭, 빌릿 회전을 정밀하게 제어하여 치수 일관성과 반복 가능한 곡물 흐름을 보장합니다.

4.6링 롤링

원칙: 링 롤링은 롤 사이에 속이 빈 빌릿을 압축하여 이음매 없는 링을 생산합니다. 벽 두께를 조절하면서 내경이 확장됩니다. 크기는 소형 산업용 링부터 대형 풍력 터빈 베이스까지 다양합니다.
응용 프로그램: 베어링 레이스, 플랜지, 대형 구조용 링.
장점 및 제한 사항: 높은 재료 효율성, 곡물 흐름은 원주 방향으로 정렬됨; 미리 성형된 중공 빌렛이 필요함.

고급의 CNC 링 롤링 머신 그리고 방사형 및 축형 링 롤링 머신 링 확장, 맨드럴 회전, 벽 두께에 대한 자동화된 제어를 제공하여 복잡한 링의 거의 최종 형상 생산을 가능하게 합니다.

4.7등온 단조

원칙: 다이와 빌릿은 균열을 줄이고 균일한 변형을 허용하기 위해 거의 동일한 온도로 유지됩니다.
응용 프로그램: 변형이 어려운 합금, 터빈 블레이드와 같은 항공우주 부품.
장점: 미세구조 제어가 뛰어나고 결함 형성이 감소했습니다.
제한 사항: 특수 금형과 정밀한 온도 제어가 필요하며, 기존의 열간 단조보다 사이클이 느립니다.

4.8유도 단조

원칙: 전자기 유도는 단조하기 전에 빌렛을 빠르고 국부적으로 가열하는데, 종종 드롭 단조나 프레스 단조와 결합됩니다.
응용 프로그램: 국부적인 고온 변형이 필요한 자동차 및 항공우주 부품.
장점: 효율적인 가열, 규모 감소, 일관된 공정, 가열 구역에 대한 정확한 제어.
제한 사항: 장비 투자 비용이 높으며, 작업물 크기와 코일 설계에 따라 제한을 받습니다.

5.0단조의 보조 공정

단조 부품의 최종 성능은 성형 작업 자체뿐만 아니라 야금학적 품질을 최적화하기 위해 설계된 일련의 보조 공정에도 좌우됩니다. 주요 보조 공정으로는 어닐링, 템퍼링, 그리고 금형 윤활이 있습니다.

가열 냉각:

목적: 금속의 연성과 가공성을 향상시키고, 단조 중 발생하는 내부응력을 완화하며, 경도를 낮춥니다.
프로세스: 단조품은 재결정 온도 이상(열간 후 단조) 또는 그 이하(냉간 전 단조)로 가열되고, 일정 시간 동안 유지된 후 제어된 방식으로 냉각됩니다. 냉각 속도 조절은 결정립 크기를 미세화하는 데 사용되며, 미세한 결정립은 인성을 향상시킵니다.
애플리케이션:열간 단조 후 풀림은 후속 가공 시 균열을 방지하는 반면, 냉간 단조 전 구형화 풀림은 펄라이트 구조를 미세화하고, 연성을 개선하며, 성형 하중을 감소시킵니다.

템퍼링:

목적:단조품의 경도와 인성을 균형 있게 조절하고, 담금질 후 취성을 낮추며, 치수 정확도를 안정화합니다.
프로세스:담금질된 단조물은 임계점(일반적으로 강의 경우 200~600°C) 이하의 온도로 재가열되고, 일정 시간 동안 유지된 후 냉각됩니다. 템퍼링 온도가 높을수록 경도는 감소하고 인성은 증가합니다.
애플리케이션:충격이나 반복적 하중을 받는 부품(예: 크랭크샤프트, 기어)은 높은 강도와 높은 인성을 결합하기 위해 담금질이 필요합니다.

다이 윤활:

기능:금속과 다이 사이의 마찰을 줄여 표면 결함이나 통 모양 변형을 방지하는 동시에 다이 수명을 연장하고 캐비티 세부 사항으로 금속이 적절하게 흐르도록 돕습니다.
요구 사항:열간 단조에는 고온에 강한 윤활제(예: 흑연 기반)가 필요하지만, 냉간 단조에는 마찰이 적고 쉽게 제거할 수 있는 윤활제(예: 금속 비누 기반)가 필요합니다.

6.0단조용 금속 선택

거의 모든 금속과 합금은 단조가 가능하지만, 재료 선택은 완성된 부품의 용도와 성능 요건에 따라 달라집니다. 일반적인 산업용 금속과 그 특성은 다음과 같습니다.

금속/합금	주요 속성	적합한 단조 공정	일반적인 응용 프로그램
탄소강 및 합금강	고강도, 저비용, 우수한 열간 단조성, 양호한 열처리 반응성	열간단조, 온간단조	자동차 크랭크샤프트, 농기계 부품, 공구
스테인리스 스틸	우수한 내식성, 높은 강도 대 중량 비율	열간 단조와 온간 단조가 일반적입니다. 오스테나이트 등급(예: 304/316)의 경우 냉간 단조가 가능한 반면 마르텐사이트 또는 석출 경화 등급의 경우 온간 단조 또는 열간 단조가 필요할 수 있습니다.	화학 장비 부품, 항공우주용 패스너
알루미늄 및 알루미늄 합금	낮은 밀도, 우수한 연성, 뛰어난 냉간 단조성	냉간단조, 온간단조	경량 구조 부품(예: 자동차 바퀴, 전자 하우징)
티타늄 및 티타늄 합금	고강도, 고온 및 내식성이 우수하고 변형이 어려움	열간단조, 등온단조	항공기 엔진 블레이드, 우주선 지지대
구리와 황동	우수한 전기 전도성, 높은 연성, 냉간 단조 시 매끄러운 표면	냉간단조, 온간단조	전기 커넥터, 밸브, 하드웨어 구성품

6.1단조품과 기타 제조 공정

단조품의 장점은 고체 소성 변형과 최적화된 결정립 구조에 있습니다. 단조품의 특성은 주조, 용접 및 기계 가공 제품과 크게 다릅니다.

단조품 vs. 주조품

비교의 차원	단조품	주조물
구조적 무결성	다공성 및 수지상 결함 없음; 입자 흐름은 부품 형상을 따릅니다. 강도는 일반적으로 동등한 주물보다 20% 더 높습니다.	가스 기공 및 수축 결함이 발생하기 쉬움; 무작위 결정립 방향; 피로 저항성 낮음
관용과 복잡성	얇은 벽이나 깊은 공동에 대한 제한된 기능; 더 넓은 허용 오차에는 기계 가공이 필요함	정교한 디테일을 갖춘 복잡한 형상이 가능하며, 종종 2차 가공을 최소화하여 거의 완벽한 형태를 만들어냅니다.
재료 활용	열간 단조는 플래시(10–20% 재료 손실)를 발생시키고, 냉간 단조/플래시리스 단조는 더 높은 효율을 달성합니다.	주조에는 게이트와 라이저(20–30% 재료 손실)가 포함되지만 순형에 가까운 성능이 더 높습니다.
비용 고려 사항	높은 다이 비용, 대량 생산에 경제적	낮은 금형 비용(예: 모래 주조)으로 소량 생산에 더욱 경제적입니다.

단조품 대 용접 조립품:

힘:단조품은 용접 이음매 결함(예: 기공, 불완전 용융)이 없는 일체형 구조로, 일관된 충격 및 피로 저항성을 제공합니다. 용접 조립품은 용접부가 "취약점"으로 작용하여 응력 집중 시 균열이 발생하기 쉽습니다.
재료 활용:단조품은 최소한의 스크랩으로 변형을 통해 형상을 얻습니다. 용접 구조물은 여러 조각을 절단하고 조립해야 하므로 재료 손실이 증가합니다.
생산 효율성:단조품은 대량 생산을 위해 고도로 자동화될 수 있는 반면, 용접 조립품은 수동 또는 로봇 용접과 추가적인 비파괴 검사(예: X선 검사)가 필요하므로 공정이 더욱 복잡해집니다.

단조품 대 가공된 막대 재고:

입자 구조:단조품에서는 입자 흐름이 부품 형상을 따라가므로 방향성 강도가 향상됩니다. 반면, 가공은 입자를 관통하여 진행되므로 피로 저항성이 감소합니다.
크기 범위:단조품은 1인치 미만에서 450톤이 넘는 부품까지 생산할 수 있는 반면, 기계 가공은 사용 가능한 재고 크기에 따라 제한됩니다.
비용:준정형 단조는 후속 가공을 줄여 대량 생산 비용을 절감합니다. 가공 폐기물은 원자재의 30~50%에 달할 수 있습니다.

7.0일반적인 단조 결함 및 원인

단조는 성숙되고 잘 정립된 공정이지만, 설계 결함, 운영상의 오류 또는 재료 관련 문제로 인해 결함이 발생할 수 있습니다. 주요 단조 결함 유형, 그 증상 및 근본 원인은 다음과 같습니다.

결함 유형	표명	주요 원인
공극	금속 내부의 내부 공동 또는 채워지지 않은 영역	불균일한 빌렛 가열, 금속 흐름을 제한하는 부적절한 다이 설계, 가스 포집
균열	단조 표면 또는 내부의 선형 불연속성	온도 부족(연성 불량), 과도한 성형력, 작은 다이 반경으로 인한 응력 집중
랩	재료가 자체적으로 접혀서 생긴 거짓 솔기	부적절한 재료 흐름, 부적절한 다이 캐비티 설계로 인한 금속 역류
콜드 셧(랩/심)	표면 접힘 결함으로 인해 약한 영역이 생성됨	낮은 단조 온도(금속 흐름 불량), 부적절한 금형 배출로 인한 가스 막힘
과도한 플래시	의도된 한계를 넘어서는 잉여 재료	대형 빌렛, 부적절한 다이 폐쇄 클리어런스, 폐쇄형 다이 단조에서의 압력 부족
표면 스크래치	불규칙한 표면 표시 또는 움푹 들어간 부분	마모된 다이 표면, 부적절한 윤활, 빌렛의 불충분한 탈수석으로 인해 산화물 스케일이 끼어들었습니다.
불량한 입자 구조	거칠거나 고르지 않은 곡물 분포	과열로 인한 결정립 성장, 불충분한 변형으로 인한 불완전한 재결정, 제어되지 않은 냉각 속도

7.1코어 단조 장비

단조 장비의 선택은 공정 유형과 부품 크기에 따라 달라집니다. 주요 기계류와 그 기능은 다음과 같습니다.

단조로: 필요한 단조 온도를 제공합니다. 현대 시스템은 주로 가스 또는 전기 가열을 사용합니다. 자동 열간 단조 또는 유도 단조에 사용되는 유도로는 빠르고 국부적인 가열을 가능하게 합니다.
파워 해머: 드롭 포징의 주요 장비입니다. 동력원에 따라 증기 해머, 유압 해머, 전기 해머로 구분됩니다. 램의 무게는 약 230kg(소형)에서 수 톤(대형)까지 다양하며, 높은 충격 변형력을 제공합니다.
프레스 기계: 산업용 프레스의 무게는 수 톤에서 수천 톤까지 다양하며, 매우 큰 프레스는 수만 톤에 달하기도 하지만 이런 경우는 드뭅니다.
업세팅 머신: 업세팅 작업을 위해 설계된 특수 수평 또는 수직 프레스입니다. 다중 캐비티 분할 다이를 장착하여 자동 공작물 이송 및 연속 성형이 가능합니다.
링 롤링 밀: 구동 롤, 맨드렐 롤, 가이드 롤로 구성된 링 단조 전용 장비입니다. 롤 사이의 간격을 조절하여 링의 내경, 외경, 높이를 제어합니다.
롤 단조기: 한 쌍 이상의 홈이 있는 롤로 구성됩니다. 롤의 회전에 따라 금속이 변형되므로, 이 시스템은 막대나 샤프트와 같은 긴 부품의 연속 단조에 적합합니다.