소성가공 개요
소성가공이란 성형 작업을 의미한다.
재료에 물리적인 힘을 가해 소성변형을 발생시켜 재료를 원하는 형상으로 만드는 작업을 말한다.
소성가공은 가공 온도를 기준으로 열간가공(Hot Working)과 냉간가공(Cold Working) 등으로 구분할 수 있다. 소성가공의 종류에는 공정 방식에 따라 크게 단조, 압연, 압출, 인발 등으로 구분할 수 있다.
소성가공
소성가공이란 물체의 소성을 이용하여 가공하는 방법으로, 먼저 소성가공의 원리는 슬립(Slip)과 전위(Dislocation)가 존재합니다. 슬립이란, 전위의 움직임에 따른 결정의 미끄럼 현상을 나타냅니다. 그리고 전위란 선결함으로부터 결정격자의 이동이 생기는 것을 의미합니다.
여기서, 슬립은 결정이 이동하는 것을, 전위는 결정격자가 이동하는 것을 의미합니다. 그리고 전위의 종류에는 칼날 전위(Edge Dislocation)와 나선 전위(Screw Dislocation)가 존재하는데, 이 둘의 차이점은 전위의 이동방향이 전단응력과 평행하면 칼날 전위, 전위의 이동방향이 전단응력과 수직하면 나선 전위라고 불립니다.
열간가공 (Hot Working)
열간가공이란 금속재료에 재결정 온도 이상으로 소성변형을 발생시키는 공정을 말한다.
여기서 말하는 재결정(Recrystallization) 온도란 재료를 가열하면 재료의 내부응력이 제거되고, 더욱더 가열하면 내부응력이 없는 새로운 결정핵이 생기며 변형된 입자가 금속의 무결점 입자로 대체되는 온도를 말한다.
열간가공의 특징으로는 높은 온도에서 가열하기 때문에 가공이 더 쉬운 편이다. 또한 열간가공에서는 전체적으로 금속의 변형을 크게 할 수 있는 것이 가장 큰 특징입니다. 금속은 온도가 높아지면 부드러워집니다. 하지만, 고온으로 인한 금속이 산소와 반응이 더 높아지기 때문에 표면에서 산화가 일어나며 스케일이 발생한다.
열간가공은 변형과 재결정이 동시에 생기게 되어 가공이 진행되어도 가공성을 상실하지 않는다. 재결정에 의한 연화 속도는 가공경화 속도보다 크기 때문에 냉간가공과는 달리 짧은 시간에 강력한 가공을 할 수 있다. 열간가공할 때는 재료를 균일하게 가열하고, 또한 소성변형은 가공이 용이하고 안전한 온도 범위에서 진행되어야 한다.
열간가공된 제품은 냉간가공에 의한 제품에 비해 조직 및 성질의 균일성이 좋지만 표면이 산화되어 변질하기 쉽고, 온도 분포가 불균일하게 되어 냉각할 때 치수 변화가 많아지며, 따라서 열간가공 후 다시 냉간가공하거나 풀림 처리하는 과정이 필요하다.
냉간가공 (Cold Working)
냉간가공이란 소성가공을 재결정 온도 미만의 온도에서 소성변형에 의해 금속을 강화하는 공정을 말하며 일반적으로 상온에서 진행한다. 냉간가공의 특징으로는 냉간가공이 진행되는 과정에서 금속재료에는 가공경화현상이 발생한다.
가공경화현상이란 소성가공에 의해 전위 밀도를 증가시켜 금속재료의 강도가 올라가는 현상이다. 열간가공 중에는 금속 내부의 변형을 가해도 금방 회복되기 때문에 가공경화가 일어나지 않는다. 냉간가공을 통해 만들어진 제품의 경우 표면이 깨끗하며, 정확한 치수대로 가공과 변형이 가능하다.
하지만, 냉간가공이 과도하면 최종 형상에 도달하기 전에 금속이 파손될 우려가 있다. 이는 금속재료가 고온과 달리 저온에서는 부드럽지 않기 때문이다. 만약 냉간가공 중 가공경화로 인해 가공이 진행이 안는다면 금속을 다시 부드럽게 만들기 위해 어닐링을 하여 재료의 내부응력을 제거시킨 후 다시 냉간가공을 실시하기도 한다.
금속재료 중 Fe, Cu 등은 냉간가공 시 소성변형에 대한 저항이 커져서 가공경화를 일어난다. 경화되는 정도는 가공도에 따라 증가된다. 냉간가공을 하면 금속의 기계적 성질이 변화하며 그 영향은 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도 등의 성질은 점차 증가되고, 연신율, 단면수축률 등은 반대로 감소된다. 냉간가공 시 가공면이 깔끔하고, 정밀한 형상이 되지만 가공에 큰 힘이 필요하게 된다. 재료에 변형이 크게 되고 경화가 진행됨에 따라 재료의 변형 능력은 점차 감소되어 나중에는 파괴되기 때문에 파괴 전에 재결정 온도 이상 온도로 풀림하여 내부 변형 및 변형 응력을 제거시킨 후 다시 가공변형하는 과정이 필요하다.
일반적으로 금속은 가공 작용에 의해서 결정립이 비틀어지거나 일그러지는데 이것을 적당한 온도로 가열하면 내부응력이 제거 이완되고, 응력이 없는 새로운 결정립 핵이 생성되어 점차 성장하여 새로운 결정립이 된다.
(1) 내부응력 이완으로 성질 회복 : 냉간가공에 의해 내부변형을 생기게 한 결정립이 가열에 의해 변형이 소실되고 성질이 회복되는 단계.
(2) 재결정 : 결정립 중에서 새로운 결정핵이 생기고 이것이 결정립이 되며 변형된 결정립이 소멸되는 단계.
(3) 결정입자의 성장 : 새로운 결정립이 크게 성장하는 단계.
냉간가공 vs 열간가공 장단점(특징)
냉간가공
재결정 온도 이하에서 소성가공하는 상온가공
① 제품의 치수를 정확히 할 수 있다.
② 가공면이 아름답다.
③ 기계적 성질을 개선할 수 있다.
④ 가공경화로 강도 및 경도가 증가하고 연신율이 감소한다.
⑤ 가공방향으로 섬유조직이 되어 방향에 따라 강도가 달라진다.
열간가공
재결정 온도 이상에서 소성가공하는 고온가공
① 작은 힘으로 큰 변형을 줄 수 있다.
② 재질의 균일화가 이루어진다.
③ 가공도가 커서 거친 가공에 적합하다.
④ 가열로 인해 산화되기 쉬워 정밀가공은 곤란하다.
⑤ 강괴 중의 기공이 압착된다.
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