[기계공학] 냉간가공과 열간가공에 대하여

기계공작법의 기본적인 가공방법 중 하나인 열간가공과 냉간가공에 대해 알아보자.

1. 냉간가공

냉간가공이란 재료의 가공에 있어서 비교적 낮은 온도에서 재료를 변형 시키는 것이다.  즉 압축 프레스등을 이용하여 재료를 깎아 내거나 녹여서 성형틀에 붓는 등의 방법이 아닌 찍어내기 등의 방법을 이용하여 재료의 모양을 결정시키는 것이다.

 

우리가 흔히보는 깡통이나 식판등이 이러한 냉간가공의 방법을 이용하여 가공한 제품들이다. 믿기지 않겠지만 얇을 알루미늄철판을 깡통제조용 압출성형틀에 놓고 압력을 가하게 되면 알루미늄판이 구멍이나 찢어지는 부분이 없이 깡통의 모양 그대로 변형되게 된다.

 

식판도 같은 방법으로 성형을 하게 되는데 그 두께나 사용상 필요한 강도에 따라 재료의 두께나 배합비율등이 달라지게 되는 것이다. 물론 깡통이 99% 알루미늄으로 구성된 것은 아니다. 그속에는 약간의 철과 아연등이 들어있다. 이는 부식및 재료의 사용상의 불편을 줄이고 보관등의 용이점을 위해 조합해 낸 재료이다.

 

냉간가공을 하게 되면 몇가지 특징을 가지게 된다. 낮은온도에서 압력을 가하게 되면 재료의 입자들이 눌리게 되고 그사이에 grain size가 작아지게 되며 그에따라 grainboundary가 커지게 된다.

 

다시말하면 입자간의 빈공간이 사라지게 되고 그에따라 제품의 파괴의 근본적인 원인인 슬립이 일어나기 힘들어지며 dislocation이 일어나기가 힘들어 진다. 그래서 재료가 강성은 가지지만 탄성과 연성을 잃게 되는 것이다. 즉 딱딱해지는 것이다. blittle해지며 ductiollity가 줄어들게 되는 것이다.

 

1. 최종 형상으로 성형 및 금속 강화

2. 깨끗한 표면 상태

3. 소형 부품을 대량으로 제조 시 경제적인 방법

4. 연성, 전기 전도도 및 내식성이 나빠짐

5. 잔류 응력(residual stress), 이방성 발생 

 

회복, 재결정, 결정립 성장

- 결정립의 모양, 결정의 방향에 변화를 일으키지 않고 물리적, 기계적 성질만 변화

- 전기 전도도는 회복 단계에서 서서히 증가, 강도의 변화는 거의 없음

- 미세구조를 살펴보면 전위의 감소는 거의 없으나 이동이 됨 (cell구조)

- 잔류응력은 제거됨

- 고체상태에서 새로운 결정립의 핵이 생기고, 성장하여 전체가 변형이 없는 새로운 결정립으로 바뀌어지는 과정 (액체상태에서 발생하는 것 : 응고)

- 재결정 온도 : 1시간 동안의 열처리로 100% 재결정이 이루어지는 온도

- 재결정의 진행은 생성되는 결정 핵의 수(핵생성 속도 N)와 그 성장 속도(G)의 두 가지 인자로 결정

     ·  N이 작고 G가 크면 적은 수의 결정립이 성장하므로 재결정립이 조대해짐

     ·  N이 크고 G가 작으면 많은 수의 미세한 결정립으로 됨

- 재결정이 완료된 상태에서 결정립이 커짐: 균일성장 혹은 불균일성장 (2차 재결정)

 

2. 열간가공

열간가공이란 재료의 가공에 있어서 비교적 높은 온도에서 재료에 응력또는 원하는 방향의 힘을 가하여 모양을 변형 시키는 것이다. 이는 냉간가공에 비해 비교적 작은 힘이 들게 되지만 성형기가 재료의 높은 온도를 견딜 수 있어야 하는 단점이 있다.

 

냉간가공이 grain size가 작아지게 되며 그에따라 grainboundary가 커지게 되는 현상을 보이는 반면, 열간가공의 경우 압력을 가하게 되어도 열에너지가 재료에 제공되므로 원자간의 결합이 끊어졌다가 다시 결합되게 되면서 냉간가공과 달리 grain size가 일정하게 유지되거나 오히려 커지게 된다.

 

그에따라 grainboundary가 작아지거나 일정하게 유지되면서 재료가 원래 가지고 있던 성질이 제품에 그대로 나타나게 된다. 즉 연성과 강성이 일정하게 유지 된다. 하지만 재료의 구조에 변형이 일어나게 되면 탄성이나 이러한 특징은 변하게 되므로 열간가공에 있어서도 연성과 강성등의 몇가지 성질을 제외한 다른 성질은 변하게 된다. 그렇다면 열간가공할 만한 성형기가 없는 경우 냉간가공만을 이용한 열간가공의 효과를 내는 방법은 무엇이 있을까?

 

바로 열처리로 극복이 가능하다.

 

즉 냉간가공한 제품을 다시 열처리를 하게 되면 어닐링이라는 효과에 의해 재료의 원래 성질을 갖게 되는 것이다. 이는 마치 열간가공에서 성형과 에너지제공을 따로따로 하는 효과로서 냉간가공에 의한 재료성형을 다시 에너지공급을 통한 열처리로 열간가공과 같은 효과를 내는 것이다.

 

즉 냉간가공하여 grain size가 작아지게 되며 그에따라 grainboundary가 커지게 되면 열처리를 통한 어닐링을 통하여 다시 grain size를 키우고 grainboundary를 작게 하면 최초의 연성을 회복할 수 있다는 것이다.

 

열간가공과 냉간가공에는 재료의 성질에 있어 큰 차이가 있다. 또한 재료의 변형및 성형가공에 필요한 기계들에도 차이가 있는것이다. 단순히 깡통이나 식판 혹은 압출 압연만으로 제품을 사용해도 무방한 경우 혹은 재료의 연성을 줄이고 brittle 하게 만들 필요가 잇는 제품의 경우 냉간가공을 통하여 그 효과를 얻을 수 있는것이다. 즉. 완제품의 필요한 성격에 따라 제조 방법을 선택할 수 있는 것이다.

 

열간가공의 장점과 단점

- 가공 경화가 일어나지 않기 때문에 가공도의 제한없이 많은 양의 소성 가공 가능

- 가공하기 전에 금속 내에 존재하던 결함들이 열간 가공 시에 제거

- 기공(porosity)은 압착되어 닫혀지고, 조성의 불균일도 감소

- 열간 가공된 부품의 최종 성질은 등방적이지 못함

- 가공되는 재료의 온도차에 의한 불균일 조직형성  

- 금속의 표면은 냉간 가공한 금속의 표면보다는 깨끗하지 못함

- 열간 가공 시에 산소가 금속 표면에서 반응하여 산화물을 형성

- 열간 가공 시에는 치수의 정확성을 얻기가 어려움 (열팽창)