분말 금속 단조

단조는 단조 기계를 사용해 금속 빌릿에 압력을 가하여 소성 변형을 일으키고, 일정한 기계적 특성, 형상 및 치수를 가진 단조품을 얻는 가공 방법입니다. 단조(단조 및 프레싱)의 구성 요소 중 하나입니다. 단조는 제련 과정에서 발생한 주조 금속의 기공과 같은 결함을 제거하고 미세조직을 최적화할 수 있습니다. 또한 완전한 금속 유동선이 보존되므로 단조품의 기계적 특성은 일반적으로 동일한 소재의 주물보다 우수합니다. 관련 기계에서 높은 하중과 가혹한 작업 조건을 견디는 중요 부품은 압연 판재, 형재 또는 용접 부품으로 제작할 수 있는 단순한 형상의 경우를 제외하면 대부분 단조품을 사용합니다.

01 변형 온도

강철의 초기 재결정 온도는 약 727℃이지만 일반적으로 800℃를 구분 기준으로 사용합니다. 800℃ 이상의 단조를 열간 단조라고 하며, 300~800℃에서의 단조를 온간 단조 또는 반열간 단조라고 하고, 실온에서의 단조를 냉간 단조라고 합니다. 대부분의 산업에서 사용되는 단조품은 열간 단조품이며, 온간 단조와 냉간 단조는 주로 자동차, 일반 기계 등의 부품을 단조하는 데 사용됩니다. 온간 단조와 냉간 단조는 소재를 효과적으로 절약할 수 있습니다.

02 단조 분류

앞서 언급한 것처럼 단조 온도에 따라 열간 단조, 온간 단조 및 냉간 단조로 나눌 수 있습니다. 성형 메커니즘에 따라 단조는 자유 단조, 형단조, 링 압연 및 특수 단조로 나눌 수 있습니다.

1) 자유 단조는 간단한 범용 공구를 사용하거나 단조 장비의 상부 앤빌과 하부 앤빌 사이에 있는 소재에 외력을 직접 가하여 소재를 변형시키고, 필요한 단조품의 기하학적 형상과 내부 품질을 얻는 가공 방법을 말합니다. 자유 단조로 제작된 단조품을 자유 단조품이라고 합니다. 자유 단조는 주로 소량 생산 단조품에 사용됩니다. 단조 해머와 유압 프레스 등의 단조 장비를 사용하여 소재를 성형하고 적합한 단조품을 얻습니다. 자유 단조의 기본 공정에는 업세팅, 늘리기, 펀칭, 절단, 굽힘, 비틀림, 이동 및 단조가 포함됩니다. 자유 단조에는 열간 단조 방법이 사용됩니다.

2) 형단조 형단조는 개방형 형단조와 폐쇄형 형단조로 나뉩니다. 금속 소재를 일정한 형상의 단조 금형에서 압축하고 변형시켜 단조품을 얻습니다. 형단조는 일반적으로 중량이 작고 생산 수량이 많은 부품을 제작하는 데 사용됩니다. 형단조는 열간 형단조, 온간 단조 및 냉간 단조로 나눌 수 있습니다. 온간 단조와 냉간 단조는 형단조의 향후 발전 방향이며 단조 기술 수준을 나타내기도 합니다.

소재에 따라 형단조는 철계 금속 형단조, 비철금속 형단조 및 분말 제품 성형으로도 나눌 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 소재는 탄소강과 같은 철계 금속, 구리와 알루미늄과 같은 비철금속, 그리고 분말 야금 소재입니다.

압출은 형단조로 분류해야 하며, 중금속 압출과 경금속 압출로 나눌 수 있습니다.

폐쇄형 형단조와 폐쇄형 업세팅은 형단조의 두 가지 고급 공정입니다. 플래시가 없으므로 소재 이용률이 높습니다. 복잡한 단조품의 마무리 성형을 한 공정 또는 여러 공정으로 완료할 수 있습니다. 플래시가 없기 때문에 단조품의 하중 작용 면적이 감소하고 필요한 하중도 줄어듭니다. 그러나 소재를 완전히 제한해서는 안 된다는 점에 유의해야 합니다. 이를 위해 소재의 체적을 엄격하게 관리하고, 단조 금형의 상대 위치를 제어하며, 단조품을 측정하여 단조 금형의 마모를 줄여야 합니다.

3) 링 압연 링 압연은 특수 장비인 링 압연기를 통해 다양한 직경의 링 부품을 생산하는 것을 말합니다. 자동차 허브와 열차 바퀴 같은 바퀴형 부품을 생산하는 데에도 사용됩니다.

4) 특수 단조 특수 단조에는 롤 단조, 쐐기 교차 압연, 방사형 단조, 액상 형단조 및 기타 단조 방법이 포함되며, 특정한 특수 형상의 부품을 생산하는 데 더 적합합니다. 예를 들어 롤 단조는 효과적인 예비 성형 공정으로 사용되어 후속 성형 압력을 크게 줄일 수 있고, 쐐기 교차 압연은 강구와 변속기 샤프트 등의 부품을 생산할 수 있으며, 방사형 단조는 대형 배럴, 단차 샤프트 및 기타 단조품을 생산할 수 있습니다.

5) 단조 금형 단조 금형의 운동 방식에 따라 단조는 스윙 압연, 스윙 회전 단조, 롤 단조, 쐐기 교차 압연, 링 압연 및 사선 압연으로 나눌 수 있습니다. 스윙 압연, 스윙 회전 단조 및 링 압연은 정밀 단조로도 가공할 수 있습니다. 소재 이용률을 높이기 위해 롤 단조와 교차 압연을 봉상 소재의 선행 공정으로 사용할 수 있습니다. 자유 단조와 마찬가지로 회전 단조도 부분적으로 성형됩니다. 회전 단조의 장점은 단조품의 크기에 비해 더 작은 단조력으로도 성형할 수 있다는 것입니다. 자유 단조를 포함한 이 단조 방법에서는 가공 중 소재가 금형 표면 부근에서 자유 표면 쪽으로 퍼지므로 정확도를 확보하기 어렵습니다. 따라서 단조 금형의 운동 방향과 회전 단조 공정을 컴퓨터로 제어하면 더 낮은 단조력으로 복잡한 형상과 높은 정밀도의 제품을 얻을 수 있습니다. 대표적으로 종류가 다양하고 크기가 큰 터빈 블레이드 등의 단조품이 있습니다.

03 단조 장비:

제한 단조력 방식: 슬라이더를 유압으로 직접 구동하는 유압 프레스.

준 스트로크 제한 방식: 크랭크-커넥팅 로드 메커니즘을 유압으로 구동하는 유압 프레스.

스트로크 제한 방식: 크랭크, 커넥팅 로드 및 쐐기 메커니즘으로 슬라이더를 구동하는 기계식 프레스.

에너지 제한 방식: 나선형 메커니즘을 사용하는 나선형 프레스 및 마찰 프레스. 높은 정밀도를 얻으려면 하사점에서의 과부하 방지, 속도 및 금형 위치 제어에 주의해야 합니다. 이러한 요소가 공차, 형상 정밀도 및 단조 금형 수명에 영향을 미치기 때문입니다. 또한 정밀도를 유지하려면 슬라이더 가이드 간극 조정, 강성 확보, 하사점 조정 및 보조 동력 전달 장치 사용에도 주의해야 합니다.

슬라이더에는 수직 및 수평 이동 방식도 있습니다(세장 부품의 단조, 윤활 및 냉각, 부품 단조의 고속 생산에 사용). 보상 장치를 사용하면 다른 방향의 움직임을 늘릴 수 있습니다. 위의 방법은 서로 다르며 필요한 단조력, 공정, 소재 이용률, 생산량, 치수 공차 및 윤활·냉각 방식도 다릅니다. 이러한 요소는 자동화 수준에도 영향을 미칩니다.

04 단조 소재

단조 소재는 주로 다양한 조성의 탄소강과 합금강이며, 그다음으로 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티타늄 등의 금속과 그 합금이 사용됩니다. 소재의 원래 상태는 봉재, 잉곳, 금속 분말 및 액체 금속입니다. 변형 전 금속의 단면적과 변형 후 단면적의 비율을 단조비라고 합니다. 단조비를 올바르게 선택하고, 가열 온도와 유지 시간, 초기 단조 온도와 최종 단조 온도, 변형량과 변형 속도를 합리적으로 설정하는 것은 제품 품질 향상과 비용 절감에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 중소형 단조품은 원형 또는 사각 봉재를 소재로 사용합니다. 봉재의 결정립 조직과 기계적 특성은 균일하고 우수하며, 형상과 치수가 정확하고 표면 품질도 양호하여 대량 생산 체계를 구축하기에 편리합니다. 가열 온도와 변형 조건만 합리적으로 제어하면 큰 단조 변형 없이도 우수한 성능의 단조품을 제작할 수 있습니다.

잉곳은 대형 단조품에만 사용됩니다. 잉곳은 큰 주상정과 중심부의 기공을 가진 주조 조직입니다. 따라서 큰 소성 변형을 통해 주상정을 미세한 결정립으로 분쇄하고 치밀화하여 우수한 금속 조직과 기계적 특성을 얻어야 합니다.

압축 및 소결된 분말 야금 프리폼은 고온 상태에서 플래시가 없는 형단조를 통해 분말 단조품으로 제작할 수 있습니다. 분말 단조품의 밀도는 일반 형단조품에 가깝고 기계적 특성이 우수하며 정밀도가 높아 후속 절삭 가공을 줄일 수 있습니다. 분말 단조품의 내부 조직은 균일하고 편석이 없으므로 소형 기어 및 기타 공작물 제작에 사용할 수 있습니다. 그러나 분말 가격이 일반 봉재보다 훨씬 높기 때문에 생산 적용에는 일정한 제한이 있습니다.

금형 캐비티에 주입한 액체 금속에 정압을 가하여 압력하에서 응고, 결정화, 유동, 소성 변형 및 성형이 이루어지도록 하면 필요한 형상과 성능을 가진 형단조품을 얻을 수 있습니다. 액상 금속 형단조는 다이캐스팅과 형단조 사이에 해당하는 성형 방법으로, 일반적인 형단조로 성형하기 어려운 복잡한 박육 부품에 특히 적합합니다.

일반적인 소재와 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티타늄 등의 금속 및 그 합금 외에도 철계 고온 합금, 니켈계 고온 합금 및 코발트계 고온 합금도 단조 또는 압연됩니다. 그러나 이러한 합금은 소성 영역이 비교적 좁기 때문에 단조가 상대적으로 어렵습니다. 소재별 가열 온도, 단조 시작 온도 및 최종 단조 온도에 대한 요구 사항이 엄격합니다.

05 공정 흐름

단조 방법에 따라 공정이 다르며, 그중 열간 형단조 공정이 가장 깁니다. 일반적인 순서는 다음과 같습니다: 절단 → 가열 → 롤 단조 → 형단조 → 트리밍 → 펀칭 → 교정 → 중간 검사, 단조품의 치수 및 표면 결함 검사 → 단조품의 열처리를 통한 단조 응력 제거 및 금속 절삭 성능 향상 → 세척, 주로 표면 산화 스케일 제거 → 교정 → 검사. 일반적으로 단조품은 외관 및 경도 검사를 거쳐야 하며, 중요 단조품은 화학 조성 분석, 기계적 특성, 잔류 응력 및 기타 검사와 비파괴 검사도 받아야 합니다.

06 단조품의 특성

주물과 비교하면 금속은 단조 후 조직과 기계적 특성이 향상될 수 있습니다. 주조 조직이 단조에 의한 열간 가공으로 변형되면 금속의 변형 및 재결정으로 인해 원래의 조대한 수지상정과 주상정이 더 미세하고 크기가 균일한 등축 재결정 조직으로 바뀝니다. 그 결과 잉곳에 존재하던 편석, 기공, 수축공, 슬래그 개재물 등이 치밀화되고 접합되며 조직이 더 치밀해져 금속의 소성 및 기계적 특성이 향상됩니다.

주물의 기계적 특성은 동일한 소재의 단조품보다 낮습니다. 또한 단조는 금속 섬유 조직의 연속성을 보장하여 단조품의 섬유 조직이 단조품의 형상과 일치하도록 하고 금속 유동선을 완전하게 유지할 수 있으므로, 부품의 우수한 기계적 특성과 긴 수명을 보장할 수 있습니다. 정밀 형단조, 냉간 압출, 온간 압출 및 기타 공정으로 제작된 단조품은 주물과 비교할 수 없을 정도로 우수합니다.

단조품은 금속에 압력을 가해 소성 변형시키고 필요한 형상 또는 적절한 압축력을 부여한 제품입니다. 이러한 힘은 일반적으로 해머나 프레스를 사용하여 가합니다. 단조 공정은 미세한 입자 조직을 형성하고 금속의 물리적 특성을 향상시킵니다. 실제 부품 사용 시 올바른 설계를 적용하면 입자가 주요 압력 방향으로 흐르도록 할 수 있습니다. 주물은 다양한 주조 방법으로 형상을 만든 금속 제품으로, 즉 용해된 액체 금속을 주입, 사출, 흡입 또는 기타 주조 방법으로 미리 준비된 금형에 부은 후 냉각하고 연마, 세척 및 후처리하여 일정한 형상, 치수 및 성능을 가진 제품을 얻습니다.