금속 성형 공정: 단조, 압연, 인발 및 압출

금속 성형은 재료 가공 공학의 핵심 분야로서 금속 재료의 산업적 활용을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 주조, 기계 가공 또는 접합 방식과 달리, 금속 성형은 외부 힘에 의한 소성 변형을 통해 재료를 재형성하는 동시에 내부 결정립 구조와 기계적 성질을 미세화합니다. 이를 통해 고강도, 균일한 미세 구조, 그리고 뛰어난 성형 효율을 가진 부품을 생산할 수 있습니다.

금속 성형은 변형 온도와 공정 특성에 따라 냉간 가공, 온간 가공, 열간 가공으로 구분되며, 이는 다시 단조, 압연, 인발, 압출 등의 공정으로 세분화됩니다. 이러한 공정은 자동차 크랭크샤프트, 건축용 프로파일, 항공우주용 구조 부품, 전자 도체 등의 제품 제조에 널리 적용됩니다.

1.0금속 성형 이론의 기초

1.1성형 공정의 분류

산업 실무에서 금속 제품의 성형은 주로 네 가지 기본 공정 범주에 의존하며, 각 범주에는 뚜렷한 기술적 역할과 적용 시나리오가 있습니다.

• 주조: 용융 금속을 주형 캐비티에 주입하고 응고시켜 원하는 형상을 만듭니다. 복잡한 부품의 대량 생산에 적합하지만, 기공이나 수축과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.
• 가공: 절삭이나 연삭을 통해 재료를 제거하여 최종 형상을 얻는 공정입니다. 치수 정확도는 높지만 재료 사용량이 적어 정밀 마감에 적합합니다.
• 접합: 용접, 볼트 체결 또는 접착을 통해 부품을 조립합니다. 이는 대규모 또는 복잡한 조립에 일반적으로 사용됩니다.
• 소성 변형(금속 성형): 외부 힘은 금속에 영구 소성 변형을 유발하여 성형 과정에서 구조와 성능을 최적화합니다. 소성 변형은 효율성과 기계적 이점을 모두 제공하며, 본 논의의 핵심 주제입니다.

1.2금속 결정 구조가 형성에 미치는 영향

금속은 다결정으로, 불규칙하게 배열된 입자들로 이루어져 있으며, 각 입자 내부의 원자는 주기적인 격자 구조를 이루고 있습니다. 금속에 외부 힘이 작용하면 세 가지 주요 변화가 발생할 수 있습니다.

• 결정립 파편화: 응력이 격자 항복 한계를 초과하면 결정립 경계가 미끄러지고 결정립이 분열됩니다.
• 원자 이동: 원자는 응력 방향을 따라 확산되어 결정립 형태의 조정을 촉진합니다.
• 격자 왜곡: 원자가 평형 위치에서 벗어나 내부 응력과 변형 경화가 발생합니다.

금속의 소성 변형성은 연성에 따라 달라지며, 연성은 결정립 크기와 양의 상관관계를 보입니다. 결정립이 클수록 경계 저항이 낮아져 더 큰 변형을 허용하는 반면, 결정립이 미세할수록 강도는 높아지지만 변형 저항성은 커집니다. 변형 온도 또한 결정적인 요소입니다. 실온에서 금속은 단단하여 변형에 더 큰 힘이 필요한 반면, 고온에서는 원자 활동도가 증가하고 변형 저항성이 감소합니다.

1.3냉간, 온간, 열간 작업의 핵심 차이점

냉간 가공

정의: 재결정 온도(일반적으로 실온부터 0.3Tₘ까지, 여기서 Tₘ는 융점) 이하에서 수행되는 소성 변형. 경우에 따라 연성을 높이기 위해 약간 높은 온도(예: 구리의 경우 50~100°C)가 사용됩니다.
원리: 재결정이 일어나지 않습니다. 결정립은 응력 방향으로 늘어나고 변형되어 "섬유질" 구조를 형성합니다. 격자 변형은 가공 경화를 유발합니다.
형질:

• 장점: 가열 장비가 필요 없고, 매끄러운 표면(Ra ≤ 1.6 μm)을 생성하고, 높은 치수 정밀도(최대 IT8~IT10의 허용 오차)를 보장하고, 강도와 피로 성능을 향상시키고, 산화를 방지합니다.
• 제한 사항: 상당히 높은 힘이 필요함(예: 저탄소강의 냉간 단조는 열간 단조보다 30~50% 더 높은 하중이 필요함), 대용량 장비가 필요함, 연성(균열 위험)이 낮음, 가공 경화를 완화하기 위해 중간 어닐링이 필요한 경우가 많음, 잔류 응력이 남을 수 있음.

따뜻한 작업

정의: 냉간 가공과 열간 가공의 중간 범위(0.3Tₘ–0.5Tₘ)에서 수행되는 변형으로, 냉간 가공의 정확도와 열간 가공의 성형성이 균형을 이룹니다.
원리: 온도는 변형 저항을 낮추고 가공 경화를 감소시키기에 충분하지만, 완전한 재결정을 위해서는 충분히 높지 않습니다. 열간 가공에서 나타나는 결정립 조대화 없이 부분적인 회복이 이루어집니다.
형질:

• 장점: 냉간 가공에 비해 공구 부하가 20–30%만큼 감소하고, 연성이 향상되고, 필요한 어닐링 단계가 줄어들고, 치수 정확도가 냉간 가공에 가까워지고(IT9–IT11), 산화나 탈탄이 경미합니다.
• 제한 사항: 정밀한 온도 제어(변동 ≤ ±20°C), 열 조절이 가능한 장비가 필요하며, 적용 가능한 재료가 제한적입니다(주로 알루미늄 및 구리 합금).

열간 작업

정의: 재결정 온도(0.5Tₘ–0.8Tₘ) 이상에서 발생하는 소성 변형으로, 변형과 재결정이 동시에 일어나는 것이 특징입니다.
원리: 고온에서 원자는 새로운 무변형 결정립을 형성하기에 충분한 에너지를 가지므로 변형 경화가 발생하지 않습니다. 잔류 열이 과도하면 새로운 결정립이 너무 크게 성장하여 기계적 성능이 저하될 수 있습니다.
형질:

• 장점: 변형 저항성이 낮음(냉간 가공의 1/5~1/3에 불과함), 연성이 높음(변형률 >50%), 잔류 응력이 없음, 결정립 미세화로 기계적 성질이 향상됨, 장비 부하 요구 사항 낮음.
• 제한 사항: 상당한 열 입력이 필요함(예: 1100~1150°C에서의 강철 단조), 산화물 스케일 형성(두께 5~10μm)이 발생하기 쉬움, 치수 정확도가 낮음(IT12~IT14), 부품 일관성이 낮음, 고온으로 인한 심각한 공구 마모가 있음.

재결정 온도의 기술적 중요성

재결정 온도는 냉간 가공과 열간 가공을 구분하는 중요한 기준점입니다. 재결정 온도는 "변형된 결정립이 변형이 없는 새로운 결정립으로 완전히 대체되는 최저 온도"로 정의됩니다. 재결정은 강도와 경도를 20~40°C 감소시키는 반면, 연성은 향상시킵니다(연신율은 50°C 이상 증가할 수 있음). 구체적인 범위는 재료에 따라 다릅니다. 강(600~900°C), 알루미늄 합금(200~300°C), 구리 합금(300~400°C) 등이 있습니다. 실제로 열간 가공은 과도한 결정립 성장을 방지하기 위해 재결정 온도보다 50~100°C 낮은 온도에서 종료됩니다.

2.0단조 공정 및 기술적 특성

2.1단조의 기본 개념

단조는 국부적인 압축력을 이용하여 재료를 형상화하는 금속 성형 공정입니다. 핵심 원리는 망치나 다이의 충격이나 압력을 이용하여 금속을 다이 캐비티에 맞추거나 원하는 형상을 제어하는 것입니다.

• 온도에 따라: 단조는 열간 단조(재결정 온도 이상), 냉간 단조(실온), 온간 단조(중간 온도)로 분류됩니다.
• 금형 제약에 따라 단조는 개방형 금형 단조와 폐쇄형 금형 단조로 나눌 수 있습니다.

2.2주요 단조 공정 유형

오픈 다이 포징

원리: 금속은 밀폐된 공동 없이 금형 사이에서 변형됩니다. 상부 금형은 램에, 하부 금형은 앤빌에 고정되어 있으며, 반복적인 망치질을 통해 공작물은 점차 원하는 형상에 가까워집니다.
적용 분야: 발전기 로터 및 선박용 크랭크샤프트와 같이 일반적으로 단일 부품 또는 소량 생산되는 대형 또는 비대칭 구성 요소입니다.
특징: 높은 유연성, 낮은 공구 비용, 낮은 치수 정확도(공차 ±5~10mm)를 지닙니다. 추가 가공이 필요하며 작업자의 숙련도에 크게 의존합니다.

폐쇄형 단조

원리: 금속은 밀폐된 금형 캐비티 내부에서 변형됩니다. 단일 또는 다중 타출을 통해 캐비티가 완전히 채워집니다. 이는 플래시를 사용하는 임프레션 다이 단조와 플래시리스 단조로 구분할 수 있습니다.
적용 분야: 기어 블랭크, 볼트 헤드 등 중대형 배치로 생산되는 대칭 부품.
특징: 높은 치수 정확도(공차 ±0.5~2mm), 우수한 표면 조도, 균일한 구조. 그러나 공구 비용이 상당히 높고(개방형 금형 공구의 5~10배), 정밀한 금형 정렬이 필요합니다.

업셋 포징

원리: 축방향 압축은 금속 길이를 줄이고 단면적을 증가시킵니다. 일반적인 적용 분야는 볼트 헤드 생산입니다. 좌굴을 방지하려면 지지되지 않은 빌릿의 길이가 직경의 세 배를 초과해서는 안 됩니다.
용도: 직경 ≤200mm의 봉재로, 저온 및 고온 모두에 적합합니다. 주요 제품으로는 패스너, 밸브, 커플링 등이 있습니다.

롤 포징

원칙: 를 사용하여 롤 단조기가열된 막대는 홈이 있는 편심 롤에 의해 점진적으로 압축되고 길어지며, 이를 통해 단면 모양을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

응용 프로그램: 리프 스프링과 액슬과 같은 긴 샤프트 구성품에 적합한 롤 단조는 후속 단조 작업 전 예비 성형 단계로 일반적으로 사용됩니다.

형질: 높은 생산성(자유단조 대비 3~5배)과 탁월한 소재 활용도(≥90%)를 제공합니다. 그러나 일반적으로 대칭 단면을 가진 부품에만 적용됩니다.

2.3단조 장비 및 결함

핵심 장비 유형

• 유압 프레스: 5~500MN 용량으로, 균일한 변형을 위해 느리고 균일한 압력을 가합니다. 대형 부품 및 정밀 단조에 적합합니다.
• 기계식 프레스: 용량 900kN~110MN, 플라이휠과 크랭크 메커니즘을 사용하여 힘 전달, 분당 10~50회 스트로크로 작동. 중량 생산에 적합.
• 증기/공압 망치: 중력 또는 압축 공기를 통해 충격력을 발생시키며, 400~8000kg의 용량을 가집니다. 일반적으로 소형 부품의 자유단조에 사용됩니다.

일반적인 단조 결함 및 원인

3.0압연 공정 및 그 기술적 특성

3.1롤링의 기본 원리

압연은 원통형 롤이 금속을 압축하고 신장시켜 단면적을 줄이는 동시에 길이를 늘리는 연속 성형 공정입니다. 주요 매개변수로는 두께 감소, 초기 두께 감소, 그리고 폭 증가가 있습니다. 압연은 온도에 따라 열간 압연(재결정 온도 이상)과 냉간 압연(상온)으로 나눌 수 있으며, 미세 조직 및 물성 제어에 상당한 차이가 있습니다.

3.2열간 압연과 냉간 압연의 비교

3.3압연기 유형 및 압연 결함

코어 압연기 유형(롤 구성별)

• 2단 압연기: 구조가 간단하고, 역전형(롤이 양방향으로 회전하여 거친 압연에 사용)과 비역전형(단일 방향으로 회전하여 간단한 단면에 사용)으로 제공됩니다.
• 3단 압연기: 상단, 중간, 하단 롤이 서로 반대 방향으로 교대로 회전하여 소재의 앞뒤 압연이 가능합니다. 중간 두께의 판재에 적합합니다.
• 4단 압연기: 소구경 작업 롤(압력 가함)과 대구경 백업 롤(굽힘 방지)로 구성됩니다. 일반적으로 판재와 스트립에 사용됩니다.
• 클러스터 밀: 직경이 매우 작은(≤10mm) 작업 롤을 여러 개의 백업 롤로 지지합니다. 알루미늄 호일(두께 ≤0.01mm)과 같은 초박형 스트립 생산에 적합합니다.

일반적인 압연 결함 및 관리 조치

• 물결 모양 가장자리: 롤 벤딩으로 인해 과도한 가장자리 감소가 발생함. 롤 크라운 디자인(중앙 직경이 약간 더 큼)으로 제어됨.
• 지퍼 균열: 연성 부족 또는 압연 온도가 지나치게 낮아 발생합니다. 빌릿을 적절한 온도로 예열하여 관리합니다.
• 적층(앨리게이터링): 불균일한 변형으로 인해 과도한 중앙 인장 응력이 발생할 때 발생합니다. 압하율 최적화(패스당 ≤30%)를 통해 제어합니다.
• 접힘: 지나치게 낮은 압하율로 인해 발생하며, 표면 금속이 겹치게 됩니다. 패스당 최소 ≥5%의 압하율을 확보하여 관리합니다.

4.0인발 및 압출 공정

4.1금속 도면

정의 및 핵심 특성

드로잉은 인장력으로 금속 빌릿을 다이 구멍을 통해 당겨 단면적을 줄이는 공정입니다. 압출과의 주요 차이점은 힘의 방향에 있습니다. 드로잉은 "당기는" 방식을 사용하는 반면, 압출은 "미는" 방식을 사용합니다. 제품 크기에 따라 드로잉은 다음과 같이 분류됩니다.

• 바 드로잉: 단면적이 ≥10 mm²인 샤프트 제조용. 인발력 ≤150톤의 드로잉 머신에서 수행.
• 와이어 드로잉: 단면적 ≤10 mm², 와이어 및 스프링에 사용. 정밀성을 보장하기 위해 다이아몬드 다이를 사용하여 여러 번 가공해야 하며, 직경은 0.0025mm까지 미세하게 가공할 수 있습니다.
• 튜브 드로잉: 맨드렐을 사용하여 고정 또는 유동적으로 내경을 조절합니다. 일반적으로 이음매 없는 튜브의 마감 작업에 사용됩니다.

프로세스의 장점과 한계

• 장점: 높은 치수 정확도(허용 오차 IT7–IT9), 뛰어난 표면 마감(Ra ≤0.8 μm), 형상이 있는 막대와 같은 복잡한 단면을 생산할 수 있습니다.
• 제한 사항: 패스당 변형량이 제한적(직경 감소 ≤20%), 중간 어닐링을 포함한 여러 패스가 필요함. 소형 단면 부품에 가장 적합함.

4.2압출

원리와 분류

압출은 금속을 밀폐된 챔버에 넣고 램을 통해 압력을 가하여 다이를 통해 밀어내어 단면적이 다이 구멍과 일치하는 긴 제품을 생산합니다. 압출은 온도와 힘의 방향에 따라 다음과 같이 구분됩니다.

• 열간 압출: 0.5Tₘ~0.75Tₘ의 압력으로 35~700 MPa의 압력으로 압출합니다. 창틀 및 항공우주 구조물과 같은 알루미늄 및 구리 합금 프로파일에 널리 사용됩니다.
• 냉간 압출: 실온에서 0.3Tₘ까지 압출합니다. 캔이나 기어 블랭크와 같은 강철 및 알루미늄 정밀 부품에 적용됩니다. 거의 정형에 가까운 성형이 가능합니다.
• 직접(전방) 압출: 금속이 램과 같은 방향으로 흐릅니다. 용기와의 마찰을 극복해야 하므로, 단순한 단면에 적합합니다.
• 간접(역방향) 압출: 금속이 램 운동과 반대로 유동하여 용기 마찰을 제거합니다. 복잡한 중공 프로파일에 적합합니다.

일반적인 압출 결함

• 표면 균열: 압출 온도나 속도가 지나치게 높아 표면 응력이 인장 강도를 초과하여 발생합니다.
• 파이프 결함: 흐름이 고르지 않으면 산화물 스케일과 이물질이 제품 중심부로 끌려 들어갑니다.
• 내부 균열: 금형 변형 영역 중앙의 높은 인장 정수압 응력으로 인해 공동이 형성됩니다.
• 표면 이음새: 이전 압출 과정에서 남은 재료가 다이 표면에 남아 제품에 각인됩니다.

5.0결론

금속 성형 기술은 현대 제조의 핵심 요소로, 효율적인 재료 활용과 정밀한 기계적 특성 제어를 보장합니다. 각 공정은 고유한 기술적 특성과 적용 범위를 가지고 있습니다.

• 냉간 가공(냉간 단조, 냉간 압연, 냉간 인발): 고정밀, 고강도 부품에 적합하지만, 고톤수 장비와 중간 어닐링이 필요합니다.
• 열간 가공(열간 단조, 열간 압연, 열간 압출): 큰 변형과 대형 부품에 가장 적합하며, 성형은 쉽지만 정밀도가 낮고 표면 품질이 나쁩니다.
• 온간 가공: 냉간 가공과 열간 가공의 장점을 균형 있게 조화시켜 중간 정밀도와 중간 배치 규모의 구성품에 적용 가능하지만 엄격한 온도 제어가 필요합니다.
• 공정별 장점: 단조는 복잡한 3차원 형상에 탁월하고, 압연은 연속적인 긴 프로파일에 최적화되어 있으며, 인발은 작고 정밀한 단면에 적합하고, 압출은 복잡하고 속이 빈 프로파일을 가능하게 합니다.

실제로 공정 선택 시에는 재료 특성(예: 연성, 재결정 온도), 제품 요구 사항(정확도, 강도, 생산량), 그리고 비용 제약 조건을 고려해야 합니다. 온도, 변형 속도, 금형 설계와 같은 공정 매개변수를 최적화하면 결함을 줄이고 제품 품질과 생산 효율을 모두 향상시킬 수 있습니다.

앞으로 금속 성형 기술의 발전은 지능형 온도 제어, 정밀 금형 설계, 지속 가능한 관행(산화 없는 열간 단조 등)에 중점을 두어 첨단 제조 산업의 증가하는 성능 요구를 충족할 것입니다.

 

참고문헌

www.researchgate.net/figure/기본-벌크-변형-공정-a-압연-b-단조-c-압출-및-d-드로잉_fig26_325178996

www.researchgate.net/figure/Deformation-of-a-crystal-structure-a-original-lattice-belastic-deformation-with-no_fig12_325178996

www.youtube.com/watch?v=YuQFhbRaWD0