열간 단조 및 냉간 단조는 유사한 결과를 제공할 수 있는 두 가지 금속 성형 공정입니다. 단조는 특정 도구와 장비를 사용하여 금속을 미리 결정된 모양으로 변형시키는 과정입니다. 변형은 열간 단조, 냉간 단조 또는 온간 단조 공정을 사용하여 이루어집니다. 궁극적으로 제조업체는 특정 용도에 가장 적합한 단조 유형을 선택하기 전에 많은 표준을 고려할 것입니다. 입자 구조의 배열이 부품에 방향성 특성을 부여하는 경우 부품이 직면하게 될 가장 높은 응력에 저항할 수 있도록 입자를 정렬하는 데 단조가 사용됩니다. 대조적으로 주조 및 기계 가공은 일반적으로 입자 구조의 배열을 덜 제어합니다.
단조 공정
단조는 고체 상태에서 금속의 형성 또는 변형으로 정의됩니다. 많은 단조 공정은 해머 또는 스트라이커가 수평으로 이동하여 막대 또는 막대의 끝을 눌러 끝의 모양을 넓히고 변경하는 업세팅을 통해 완료됩니다. 최종 형상에 도달하기 전에 부품은 일반적으로 연속 워크스테이션을 통과합니다. 고강도 볼트는 이런 식으로 '콜드 헤드'입니다. 엔진 밸브도 업세팅으로 형성됩니다.
드롭 해머 단조에서 부품은 금형에서 완성된 부품의 모양으로 망치질되며 이는 대장장이의 개방형 단조와 매우 유사합니다. 이 경우 금속은 앤빌에 대해 원하는 모양으로 망치질됩니다. 개방형 단조와 폐쇄형 단조에는 차이가 있습니다. 다이 단조에서 금속은 금형에 의해 완전히 구속되지 않습니다. 폐쇄형 또는 프레스형 금형에서 단조 금속은 하프 금형 사이로 제한됩니다. 금형을 반복적으로 망치로 두드리면 금속이 모양을 갖게 되고 결국 금형의 두 반쪽이 만나게 됩니다. 해머의 에너지는 증기 또는 공압, 기계 또는 유압 수단으로 제공될 수 있습니다. 진정한 드롭 해머 단조에서는 중력만으로 해머를 아래로 밀어내지만 많은 시스템에서는 중력과 결합된 동력 보조를 사용합니다. 해머는 금형을 닫기 위해 일련의 상대적으로 빠른 속도와 적은 힘으로 타격을 가합니다.
압력 단조에서는 고압이 고속을 대체하고 금형의 절반은 일반적으로 파워 스크류 또는 유압 실린더에 의해 제공되는 단일 스트로크로 닫힙니다. 해머 단조는 일반적으로 작은 부품을 생산하는 데 사용되는 반면 프레스 단조는 일반적으로 대량 생산 및 자동화에 사용됩니다. 압력 단조의 느린 적용은 망치질보다 부품 내부를 더 잘 처리하는 경우가 많으며 일반적으로 티타늄 항공기 격벽과 같은 대형 고품질 부품에 적용됩니다. 다른 특수 단조 방법은 이러한 기본 테마에 따라 다릅니다. 예를 들어 베어링 레이스와 대형 기어 링은 이음매 없는 원형 부품을 생산할 수 있는 롤링 링 단조라는 프로세스를 통해 만들어집니다.
열간 단조
금속 조각을 열간 단조할 때 상당히 가열해야 합니다. 다른 금속의 열간 단조에 필요한 평균 단조 온도는 다음과 같습니다.
섭씨 1150도까지 강철
알루미늄 합금의 경우 섭씨 360~520도
700~800℃(동합금)
열간 단조 공정에서 강철 빌렛 또는 빌렛은 단조로 또는 오븐에서 금속의 재결정점보다 높은 온도로 유도 가열되거나 가열됩니다. 이 극단적인 열은 변형 중에 금속의 변형 경화를 방지하는 데 필요합니다. 금속의 소성 상태로 인해 매우 복잡한 모양으로 만들 수 있습니다. 금속은 연성과 연성을 유지합니다.
초합금과 같은 특정 금속을 단조하기 위해 등온 단조라는 일종의 열간 단조가 사용됩니다. 여기에서 금형은 단조 공정 중에 부품의 표면 냉각을 방지하기 위해 빌릿의 온도와 거의 동일하게 가열됩니다. 단조는 때때로 산화물 스케일의 형성을 최소화하기 위해 제어된 분위기에서 수행됩니다.
전통적으로 제조업체는 재료가 소성 상태에서 변형되어 금속 가공이 더 쉽기 때문에 부품 제조에 열간 단조를 선택합니다. 열간 단조는 금속이 결함을 일으키지 않고 얼마나 많은 변형을 견딜 수 있는지를 나타내는 지표인 높은 성형성 금속 변형에도 권장됩니다. 열간 단조에 대한 기타 고려 사항은 다음과 같습니다.
개별 부품 생산
중간에서 낮은 정밀도
낮은 응력 또는 낮은 가공 경화
균질한 입자 구조
연성 증가
화학적 비호환성 및 다공성 제거
열간 단조의 가능한 단점은 다음과 같습니다.
덜 정확한 공차
재료는 냉각 과정에서 휘어질 수 있습니다.
다른 금속 입자 구조
주변 대기와 금속 사이의 가능한 반응(스케일링)
냉간 단조(또는 냉간 성형)
냉간 단조는 금속이 재결정점 아래에서 변형되도록 합니다. 냉간 단조는 연성을 줄이면서 인장 강도와 항복 강도를 크게 향상시킵니다. 냉간 단조는 일반적으로 실온 근처에서 수행됩니다. 냉간 단조 응용 분야에서 가장 일반적인 금속은 일반적으로 표준 강철 또는 탄소 합금강입니다. 냉간 단조는 일반적으로 폐쇄 다이 공정입니다.
금속이 이미 연질 금속(예: 알루미늄)인 경우 일반적으로 냉간 단조가 선호됩니다. 이 공정은 일반적으로 열간 단조보다 저렴하며 최종 제품에는 정밀 가공이 거의 필요하지 않습니다. 경우에 따라 금속을 원하는 형상으로 냉간 단조할 때 잔류 표면 응력을 제거한 후 열처리를 수행합니다. 냉간 단조에 의한 금속 강도의 향상으로 인해 가공 또는 열간 단조를 통해 동일한 재료로 만들 수 없는 사용 가능한 부품을 생산하기 위해 낮은 등급의 재료를 사용할 수 있습니다.
제조업체는 여러 가지 이유로 열간 단조보다 냉간 단조를 선택할 수 있습니다. 냉간 단조 부품에는 정밀 가공이 거의 또는 전혀 필요하지 않고 제조 공정의 이 단계는 일반적으로 선택 사항이므로 비용이 절약되기 때문입니다. 냉간 단조는 또한 오염 문제에 덜 민감하여 구성 요소의 전체 표면 마감이 향상됩니다. 냉간 단조의 다른 이점은 다음과 같습니다.
방향성 특성을 더 쉽게 할당
재현성 향상
크기 제어 증가
높은 응력 및 높은 금형 부하 처리
깨끗하거나 거의 깨끗한 부품 생산
몇 가지 가능한 단점은 다음과 같습니다.
금속 표면은 단조 전에 깨끗하고 산화물 스케일이 없어야 합니다.
금속의 약한 연성
잔류 응력이 발생할 수 있음
더 무겁고 강력한 장비 필요
더 강력한 도구 필요
온간 단조
온간 단조는 재결정 온도보다 낮지만 상온보다 높은 온도에서 수행하여 단점을 극복하고 열간 및 냉간 단조의 장점을 얻습니다. 산화 피막의 형성은 문제가 되지 않으며, 열간 단조에 비해 공차가 작을 수 있습니다. 냉간 단조에 비해 금형 비용이 저렴하고 제조에 필요한 힘도 적습니다. 냉간 가공에 비해 변형 경화를 줄이고 연성을 향상시킵니다.
애플리케이션
자동차 산업에서 단조는 아이들러 암, 차축 등의 서스펜션 부품과 커넥팅 로드, 트랜스미션 기어 등 파워트레인 부품을 제조하는 데 쓰인다. 단조품은 일반적으로 파이프라인 밸브 스템, 밸브 본체 및 플랜지에 사용되며 때로는 내식성을 높이기 위해 구리 합금으로 만들어집니다. 렌치와 같은 수공구는 일반적으로 많은 와이어 로프로 위조됩니다.