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단조용 재료와 설비

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단조용 재료와 설비

단조용 재료

단조용 재료는 급격한 가공 하중을 받아도 소성 변형이 잘 되는 것이어야 한다.
단조에 적합한 재료의 성질을 가단성이라 하는데, 가단성은 소재가 균열을 일으키지 않고 겪을 수 있는 변형 능력으로 정의된다.

가단성을 정량화시키기 위해 여러 가지 시험법이 개발되어 있으나, 보편적으로 사용되는 방법은 아직 없다.
흔히 사용되는 시험은 원주형 시편을 압축하여 배가 나온 옆면에 균열이 생기는 지를 관찰하는 업세팅 시험이다. 균열이 생길 때까지 많은 변형을 받을수록,
그 금속의 가단성은 양호하다고 할 수 있다. 업세팅 시험은 온도 및 변형 속도를 변화시켜 가면서 행할 수도 있다. 재료의 노치에 대한 민감성이 높을수록 표면
결함은 균열로 발전되어 재료에 영향을 준다. 전형적인 표면 결함으로는 길이 방향 자국, 개재물, 전 단계 가공 시에 생긴 겹침 등을 들 수 있다.

열 간-꼬임 시험(hot-twist test)에서는 둥근 시편을 파단이 생길 때까지 같은 방향으로 바른다. 여러 개의 시편으로 온도를 변화시켜가며 이 시험을 행하여
각 시편이 파단에 이르기 전까지 꼬인 회전수를 측정한다. 이렇게 함으로써 최적 단조 온도를 알아낼 수 있다.
열 간-꼬임 시험은 특히 철강 재료에 유용한 방법이다. 철, 구리, 알루미늄 중 순도가 높은 것은 가단성이 커서 단조하기 쉽지만, 기계 재료는 강도, 가격, 제품에
요구되는 조건 등을 만족시켜야 하므로 가단성은 다소 떨어지더라도 알맞게 기계적 성질을 가진 것이 사용된다.
여러 가지 금속 및 합금의 가단성을 양호한 순으로 나열하면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 구리 합금, 탄소강, 저합금강, 마르텐사이트 스테인레스강, 오스테
나이트 스테인레스 강, 티타늄 합금, 철기 초내열 합금, 코발트기 초내열 합금, 몰리브덴 합금, 니켈기 초내열 합금, 텅스텐 합금 순이다. 이와 같은 간단성의
순서는 각 재료의 연성과 강도, 단조 온도, 윤활, 단조품의 질 등을 고려한 일반적인 순서이다.

재료의 가열

보통 금속 재료는 온도가 높을수록 변형 능력이 커져서 단조 가공이 쉬워지나, 여기에는 두 가지의 제한이 있다. 하나는 단조 최고 온도이며, 다른 하나는 단조 종료
온도이다. 재료를 가열할 때 과열되면 재료는 여리게 되고 균열이 생기기 쉬워진다.
과열 상태에서 단조를 하면 단조가 끝난 후에도 재결정 온도 이상으로 남아서 결정 입자가 성장하게 되므로 오히려 기계적 성질이 나쁘게 한다.

이와 반대로, 끝나는 온도가 재결정 온도이하가 되면 조직은 미세하게 되나, 단조품에는 상당한 내부 응력이 발생하여 균열되기 쉽다.
따라서 단조 종료 온도가 재결정 온도보다 약간 높은 것이 바람직하다.
강재를 단조할 때 온도가 800°C이하로 되면 재가열하여 단조를 계속하여 재료 내부에 잔류 응력이 남지 않도록 한다.
또, 강재는 300°C 부근에서 청열 취성 온도가 있어서 이 온도에서는 상온 때보다 오히려 취성이 있으므로, 이 부근에서는 단조 가공을 피해야 한다.

단조기계

단조에도 다양한 용량, 속도, 행정 특성을 줄 수 있는 여러 가지 단조 기계가 사용되고 있다. (표1)단조 기계는 대략 프레스와 해머로 구분한다.

프레스

유압 프레스

유압 프레스
기계 단조속도(m/s)
유압 프레스 0.06 - 0.30
기계 프레스 0.06 - 1.5
나사 프레스 0.6 - 1.2
중력 낙하 해머 3.6 - 4.8
동력 낙하 해머 3.0 - 9.0
카운터 블로우 해머 4.5 - 9.0

< 표1 - 단조기계의 가공속도 >

유압 프레스는 일정한 속도로 작동되고 최대 하중 또는 제한 하중을 갖고 있다. 다시 말하면,
기계의 용량을 초과하는 하중에 대하여는 프레스의 작동이 정지한다. 조절 가능한 전 행정
및 속도에 걸쳐 일정한 하중으로 소재에 큰 에너지를 전달할 수 있는 특징이 있다.

다른 단조 기계에 비하여 유압 프레스로 가공하는 데는 많은 시간이 소모되므로 가열된 금형을 사용하지 않으면 소재는 쉽게 냉각된다.

기계 프레스에 비하여 유압 프레스는 느리고, 초기 비용이 많이 들지만, 유지 보수는 용이한 편이다.

기계 프레스

기계 프레스는 기본적으로 크랭크 기구나 편심형으로 속도는 행정의 중간에서 최대에 달하고 행정의 끝에서는 영이 된다.
램이 상하 운동하도록 편심축 대신 크랭크축을 사용할 수도 있다. 따라서 기계 프레스는 제한 행정을 갖게 된다.
기계 프레스에서는 전동기에 의해 회전하는 큰 플라이휠에 의해 에너지가 전달된다. 플라이휠과 편심축은 클러치를 통해 연결된다.

회전 운동은 커넥팅 로드를 통해 선형 왕복 운동으로 바뀐다. 너클 조인트 프레스는 특수하게 설계된 링크 기구에 의해 매우 높은 하중을 가할 수 있다.
기계 프레스에서 얻을 수 있는 하중은 행정위치에 따르고 하사점 부근에서는 하중이 매우 커지게 된다.

따라서 금형이나 장비의 부품 파손을 피하려면 적절하게 정렬시켜야 한다. 기계 프레스의 생산율은 매우 높으며, 자동화가 용이하고 다른 단조 기계에 비해
작업자의 숙련도가 덜 요구된다.

나사 프레스

나사 프레스는 플라이휠로부터 에너지를 전달받으므로 제한된 에너지를 갖는다.
단조 하중은 수직으로 놓여진 나사를 통하여 전달된다.
플라이휠에 저장된 에너지가 모두 사용되면 램은 정지하게 된다. 한 주기가 끝나도 금형이 완전히 닫히지 않으면 단조가 완료될 때까지 작업이 반복된다.
나사 프레스는 여러 가지 자유 단조, 형단조에 사용되며 터 빈 블레이드와 같이 소량의 정밀한 제품의 단조에 적절하다.

해머

해머는 램의 위치 에너지를 운동 에너지를 변환시킨 후 에너지를 얻으므로 제한된 에너지를 갖는 방식이다.
유압 프레스와는 달리, 해머는 고속으로 작동하여 작업 시간이 짧으므로 열 간 단조 시에 냉각 속도를 최소화할 수 있다.
냉각 속도가 작으므로 복잡한 형상, 특히, 얇고 깊은 부분이 있는 단조품의 단조에 사용될 수 있다.
단조 종료 시까지 동일한 금형의 수 회의 타격이 가해지는 것이 보통이다. 해머는 종류가 다양하면서도 저렴한 단조기계이다.

중력 낙하 해머

중력낙하 해머에서는(즉, 낙하 단조의 경우), 자유 낙하하는 램으로부터 에너지를 얻는다. 이 종류의 해머에서 얻을 수 있는 에너지를 램의 중량과 낙하 시 들어
올리는 높이의 곱이 된다. 램의 중량은 180kg에서 4,500kg에 이르고, 에너지 용량은 최대 120KJ에 이른다.

카운터 블로우 해머

카운터 블로우 해머는 제품을 단조하는데 동시에 서로 수평 혹은 수직으로 접근하는 2개의 램을 갖는다.
자유 단조 작업에서는 소재가 원하는 형상이 되도록 매 타격 사이마다 소재를 일정 각도씩 회전시킨다. 카운터 블로우 해머는 고속으로 작동되지만 지지대에
진동을 많이 주지 않는다. 용량은 최대 1,200KJ까지이다.

고속 단조기(High-Energy-Rate Machine)

고속 단조기에서는 고압의 불활성 기체에 의해 램이 가속되어 매우 높은 속도로 1회의 타격으로 제품이 단조된다. 이 기계에는 몇 가지 종류가 있으나,
유지보수, 금형파손, 안전성 등과 연관된 여러 가지 문제로 인해 단조 공장에서는 실제 사용이 제한되고 있다.

단조 기계의 선택

단조기계의 선택에 있어서 중요하게 고려되어야 할 점은 소요 하중 및 에너지, 크기, 단조품의 형상 및 복잡성, 소재 재료의 강도, 재료의 변형 속도에 대한 민감도
등이다. 그 밖에 고려되어야할 인자로는 생산율, 정밀도, 유지 보수, 요구되는 작업 숙련도, 소음도 및 가격 등을 들 수 있다.

일반적으로 알루미늄 마그네슘, 벨릴륨, 청동 및 황동 등에서 프레스가 흔히 사용된다. 해머는 강, 티타늄, 구리 및 내열 금속 합금에 잘 사용된다. 한 개의 단조품
이라 해도 두 종류 이상의 기계가 사용될 수 있다. 예로써, 해머에서 일단 가공된 후 유압 또는 기계 프레스에서 후속 가공되는 것을 들 수 있다.