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 금속의 가공

■ 금속가공의 기본

     공업분야에서 금속이 널리 이용되고 있는 것은 봉, 판, 튜브 등의 형상으로 쉽게 가공할 수 있기 때문이다. 필요한 형상을 만드는 데는 두 가지 방법이 있다.

1. 소성변형 공정: 재료의 체적과 질량을 한 부분으로부터 다른 부분으로 이동시키는 방법에 의해서 필요한 형상을 만드는 방법.

2. 기계가공: 필요한 형상을 만들기 위하여 불필요한 부분의 금속을 제거하는 방법.

     소성변형에 의한 급속가공공정에는 수백가지의 공정이 이용되고 있지만 재료에 작용하는 하중의 상태를 기본으로 하여 나누어 보면 몇 가지의 범주로 좁혀진다.

1. 직접 압축형 공정 - 단조와 압연

2. 간접 압축형 공정 - 인발, 압출, 디이프 드로잉

3. 인장형 공정 - 스트레칭

4. 굽힘 공정 - 판재에 굽힘모멘트를 주므로써 행하여진다.

5. 전단 공정 - 판재 금속에 파단을 유발할 수 있을 정도의 전단하중을 가하므로써 재료를 절단 하는 방법

     잉고트 및 빌릿으로부터 판, 박판, 봉재등 간단한 형상으로 가공하는 공정을 일차적 소성가공 공정(processing)이라 부르며, 최종의 요구 형상으로 만드는 가공공정을 이차적 소성가공 공정(tabrication)이라 부른다.

그림 1. 대표적인 가공공정

     응력 변형률 곡선에서 탄성변형부분을 벗어나는 부분이 소성변형이다. 변형속도와 변형속도와의 관계는 변형속도가 빠라지면 유동곡선이 상승하고 연성은 감소한다. 반면에 온도가 올라가면 유동곡선은 낮아지고 연성은 증가한다.

● 취성

취성에는 청열취성(blue brittleness), 적열취성(red brittleness), 템퍼취성(temper brittlrness)등이 있다.

청열취성은 yield drop이 일어나는 취성이다. C와 N과 같은 interstitial atom이 칼날 전위와 상호 작용하여 전위의 움직임을 어렵게 하다가 어느 순간 서로 떨어져서 전위는 보다 쉽게 움직이므로 응력이 갑자기 떨어진다. 250 ∼ 400℃에서의 가공에서는 청열취성이 일어난다.

적열 취성은 고온으로 가열시 저융점 액상이 되어 결절립계로 편석되어 얇은 필름형태로 존재하여 온도가 내려가면 얇은 판상의 고체로 변한다. 이렇게 되었을 때는 충격을 받으면 입계를 따라 파괴되는 취성을 말한다.

템퍼 취성은 온도구역 450 ∼ 600℃에서 장시간 테퍼링하거나 이 온도구역을 천천히 지나며 냉각될 때 embrittling 원소들(Sb, P, As)등이 결정립계로 편석되어 결정립계가 취약해져 일어나는 취성이다.

● 열간가공

     열간가공이란 재결정이 일어나는 조건이상의 온도와 변형률 속도 조건에서 변형을 주는 공정으로 가공경화를 수반하지 않고 큰 변형률을 얻을 수 있다.

열간가공의 장점은

      -작은 힘으로 가공할 수 있다.
     -가공량을 많이 할 수 있다. ← 균열없이 화학성분이 고르다. (∵온도가 높으므로 빠른 확산속도)
     -기공(void)등의 결함이 메꿔질 수 있다.
     -작은 재결정립을 얻을 수 있다.

등이 있고 반면에 단점으로는

      -표면이 산화한다.
     -표면이 거칠다]
     -산소나 수소(interstitial atom)에 의한 취성을 일으킬 수 있다.
     -표면에서 탈탄(decarburization)에 의한 취성을 일으킬 수 있다.
     -표면과 속의 틀린 냉각속도로 인해 성질이 균일치 못하다.

등이 있다.

     열간가공에서 온도가 너무 높으면 red shortness가 일어날 수 있고 너무 잦으면 위의 장점을 이용하지 못한다. 따라서 가능한 한 낮은 온도에서 가공한 후 빠른 속도로 냉각해야 한다. 트? l마자막 공정은 낮은 온도에서 많은 deformation을 해주어야 작은 재결정립을 얻을 수 있다.

     열간가공의 기구(mechanism)은 동적회복과 동적재결정으로 나눌수 있다. 동적회복은 크리프 변형에서 처럼 크로스 슬립과 클라임에 의해서 잘 형성된 서브그레인 조직을 형성하므로 일어난다. 반면에 격자 결함에너지가 낮은 금속에서는 열간가공에서 연화를 위한 활성화에너지가 크리프의 그것보다 낮다. 따하서 이러한 금속에서는 연호가 동적 재결정에 의해서 일어난다.

● 냉간가공

     재결정온도를 기준으로 냉간가공과 열간가공을 구별하는데 열간가공이 적은 힘을 필요로 하고 표면이 거칠며 성형이 목적인 반면에 냉간가공은 많은 힘을 필요로 하고 표면이 깨끗하며 강도상스이 목적이다. 냉간가공은 재료의 경도와 강도의 증가와 연성의 감소를 수반하다. 냉간가공으로 한꺼번에 많은 소성변형을 하면 파단이 일어나게 된다. 따라서 어닐링을 도중에 행하여 회복을 시키거나 재결정을 시킨 뒤 다시 소성변형을 시켜야 한다.

● 마찰 및 윤활

◆ 마찰

그림 2. 원판압축에서의 응력

    원판의 상하면의 마찰조건은 쿠롬마찰계수(coefficient of Coulomb friction)에 의해서 아래와 같이 표시된다.

     여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다. 반경방향의 힘의 평형으로부터

의 식을 얻을 수 있다. 여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다. 그런데

이라 하고 원판의 축 대칭성으로부터 dε_θ = dε_r 그리고 σ_θ = σ_r 을 대입하면

을 얻을 수 있다. 여기서 σ_z , σ_θ , σ_r 을 주응력으로 가정한다면 von Mises조건으로부터 σ_z , σ_r 간의 관계를 얻을 수 있다.

        σ₀ = σ_r - σ_z

그리고 P를 계면에 수직인 양의 압축응력으로 취하면 P= - σ_z 그리고 σ₀ = σ_r - P, 따라서 dσ_r = -dp를 위의 식에 대입하면  

를 얻을 수 있고 이것을 적분하면

여기서 원판의 r=a에서는 σ_r = 0,그리고 p=σ₀ 이므로 대입하여 정리하면

으로 나타날 수 있다. 압력의 분포는 원판의 중심선에 대하여 대칭이며, 그 중심에서 정점을 이루고 있다. 이와같은 변형압력의분포를 마찰언덕(friction hill)이라 부른다. 평균압력(마찰언덕의 평균높이)은 아래식으로 주어진다.

     금속가공에 마찰을 취급하는데 있어서 쿠롬 마찰 개념 대신에 스틱킹 마찰과 같은 개념을 쓰는 것이 편리한 경우가 많다. 공구와 접하고 있는 피가공물의 성질을 재료상수-즉 전단강도 τ_i-에 의해서 표시할 수 있기 때문이다. 계면의 전단강도를 항복강도의 일전분율 m으로 나타낼 수 있다.

     여기서 m은 계면마찰계수(interface friction factor)라고 부르고 0에서 1까지 변한다.

◆ 윤활

     계면 윤활제란 금속의 표면에 무리적으로 혹은 화학적으로 흡착되어 막을 형성하는 유기질을 말한다. 윤활의 목적은

       1. 가공하중을 줄인다.
     2. 가공한계를 늘일 수 있다.(undeformed region을 줄일 수 있다.)
     3. 재료표면을 곱게 한다.
     4. 기계에 부착되는 금속을 방지한다.
     5. 기계의 마모를 줄인다.
     6. 재료와 기계의 열차단을 한다.
     7. 재료와 기계의 열을 식힌다. → 온도가 올라가면 상변태가 일어남.

● 변형정도의 측정

     plane strain case는 두께를 잰다

     bar의 경우는 단면적을 잰다

● 정수압

     소성가공 공정에서 정수압이 걸리면 항복응력은 변하지 않지만, 인장응력은 크랙을 유발하는 임계값이하로 낮추어주는 결과가 된다. 따라서 정수압은 물체의 연성을 높히고 damage를 적게 준다. 결과적으로 많은 소성변형이 가능하다 압출의 경우 다이반각이 크면 tenssile stres가 커지고 작으면 정수압이 커져 많은 가공이 가능하게 된다. 너무 각을 줄일 경우 변형량이 작아져 작업능률이 저하되므로 보통 45°를 많이 사용한다.

● 가공도

     가공도는 소성변형이 얼마나 쉽게 되는지 즉 균열없이 가공할 수 있는 정도를 말한다. 가공균열이 생기는 원인은

    1. 기계와 물체사이에 생기는 temp. gradient에 의한 inhomogeneous deformation
   2. matrix와 2nd phase 사이에서의 inhomogeneous deformation
   3. tensile necking

     등이다. 금속가공에서 나타나는 크랙은 크게 세 가지 종류로 나누어질 수 있다.

   1. 원판의 평다이 압축에서 배부름이 일어나는 자유표면에서 혹은 평판 압연의 모서리 자유표면에서 나타나는 크랙
  2. 압출공정에서 처럼 계면 마찰이 높은 부위에서 나타나는 크랙
  3, 인발에서 나타나는 내부 쉐브론 크랙

● 잔류응력

     외력이 작용하지 않는 물체에 존재하는 응력을 잔류응력이라 한다. 이러한 잔류응력은 불균일한 소성변형에 기인하고, 표면부는 늘어나려고 하는 반면 내부는 영향을 받지 않으면서 전체적으로 연속을 유지하려고 한다. 이 잔류응력은 응력제거 소둔 처리에 의해서 제거될 수 있다.

그림 3. 평판압연에서의 불균일 변형(a)과 그에 따른 두께방향에 대한 길이 방향의 응력분포(b)