단조 (열간단조, 온간단조, 냉간단조)

1. 단조

고체인 금속재료를 망치 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만듦.

두들기는 온도는 상온인 경우도 있으나, 녹는점이 높은 재료에서는 다소 가열해야 할 때가 많다. 일반적으로 그 재료에서 재결정이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 단조하는 것을 열간단조, 재결정 온도상에서 단조하는 것을 온 간단조, 그보다 낮은 온도에서 단조하는 것을 냉간 단조라고 한다.

금속을 적절히 열간 단조하려면 상당한 양의 가열이 필요하다. 평균 온도는 금속에 따라 낮은 화씨 660도에서 거의 2200도까지 다양하다. 예를 들어, 알루미늄 합금은 화씨 680도에서 1148도 사이에서 열단 단조될 수 있다. 황동 및 청동과 같은 구리 합금은 더 높은 온도(화씨 1292~1472도)에서 열단 단조된다. 강철은 화씨 2102도까지 작업할 수 있으므로 열간 단조 온도가 가장 높다.

열간단조와 냉간 단조 모두 금속을 변형하기 위해 수행된다. 즉, 초기 모양과 형태(그리고 어느 정도는 화학적 조성)를 잃게 하여 모양을 만들고 다른 용도로 사용할 수 있도록 한다. 변형동안 금속이 냉각됨에 따라 금속의 결정립 또는 결정이 생성되고, 재결정화는 변형된 결정립이 결구 변형된 것을 소비하고 대체하는 새로 형성된 입자로 대체되는 것이다. 이것을 재결정이라고 한다. 이공정은 성형 및 성형을 위해 금속의 강도와 경도를 감소시키기 때문에 단조에 매우 중요하다. 열간 단조 중 금속의 온도는 금속의 재결정점보다 높아야 한다. 이는 금속이 변형을 통해 금속을 강화하는 일종의 변형 경화를 방지하기 위해 필요하다. ( 금속이 너무 단단하면 작업이 불가능하다. )

1) 열간 단조

소재의 소성을 크게 하면 단조는 일반적으로 쉬워지므로 가열해서 온도를 올린다. 이렇게 뜨겁게 해 놓고 영구 변형을 일으키게 하는 것을 열간단조라고 한다. 대부분의 단조는 열간단조로 냉간단조와의 구별은 재결정 온도에 의한다. 즉 재결정이 이뤄지는 범위에서 가공하는 것을 열간가공이라고 하며, 그 이하의 가공을 냉간가공이라고 한다. 따라서 상온에서도 납, 주석 등은 열간가공이다.

[ 장점 ]

가. 동일한 변형량에 외력이 비교적 적게 들어간다.  

나. 생산속도가 빠르다. ( 대량 생산 가능 )

다. 복잡한 형상의 성형을 쉽게 할 수 있다. ( 항공 우주 제품 및 비행기 부품과 같은 것 )

라. 내부 조직 우수(균일)

[ 단점 ]

가. 고열량을 낼 수 있는 대형설비가 필요하다. ( 설비 설치 제약 )

나. 공정이 복잡하고 많다. 고열에서의 작업으로 결과물 표면에 탄 흔적이 남을 수 있고 표면이 불량할 수 있다.

다. 작업 비용이 높아, 소량생산이 어렵고 대량생산에 알맞은 제조과정이라고 볼 수 있다.

라. 고온에서의 작업에 의한 환경문제도 문제점으로 지적되고 있다.

마. 금속은 냉각 과정이서 뒤틀릴 수 있다.

바. 기계적 성질(강도, 경도 등)이 낮다.

사. 치수 정밀도는 낮다.

아. 후속공정으로 절삭가공을 필연적으로 수반함.

2) 냉간 단조

재결정 온도 이하에서의 단조를 말한다.( 실제로 냉간 단조의 온도는 실온이거나 실온에 가깝다.) 냉간 단조를 하면 소재의 강도 및 경도가 증가하고 연신과 인성이 감소하며 기타 물리적, 화학적 성질이 변한다. 가공 정도의 향상을 위해 냉간 단조의 이용은 넓은 범위로 확대되고 있어 볼트, 너트까지 만들어지고 있다. 또한, 냉간에서는 소재의 이송이나 처리를 쉽게 하기 위해 자동 기게 가 개발되고 있는 중이다.

[ 장점 ]

가. 치수정밀도가 높고 가열이 없어 표면에 흔적이 없고 매끄러워 후공정이 필요 없거나 또는 과정이 매우 간소화된다.

나. 열간 단조보다 비용이 적게 드는 경향이 있고 마무리 작업이 거의 필요하지 않다.

다. 기술의 발달로 가공에 폭이 넓어 다양한 모양으로 가공이 가능하다.

라. 후속공정으로 절삭공정이 조금 들어가거나 필요하지 않음.

마. 환경오염을 덜 유발한다.

바. 설비설치에 제약을 덜 받는다.

[ 단점 ]

가. 동일한 변형량에 외력이 비교적 많이 들어간다. ( 동일한 외력시 변형이 적게 됨. )

나. 생산속도가 느리다.

다. 내부조직 불균일, 응력 쌓임으로 인한 파괴 우려된다.

3) 온간 단조

프레스 용량, 사용 재질, 제품 형상, 질량 등의 관계로 냉간단조는 할 수 없지만, 가능한 한 치수 정도가 좋은 제품을 단조할 목적으로 열간단조 온도 범위 이하의 온도에서 단조하는 방법. 장점으로는 냉간단조보다 변형 저항이 적고 또 열간단조보다 산화, 탈탄이 적어 정도가 좋다는 점이 있다.

4) 재결정

냉간가공 등으로 소성변형을 일으킨 결정이 가열될 때, 내부응력이 감소하는 과정에 이어서 변형이 남아 있는 원래의 결정입자로부터 내부 변형이 없는 새로운 결정의 핵이 생기고 그 수를 늘림과 더불어 각각의 핵이 점점 커져 원래의 결정입자와 치환되어 가는 현상. 재결정을 일으키는 온도를 재결정 온도라고 한다. 이는 온도는 금속 및 합금의 순도 또는 조성, 결정 내의 소성변형의 정도, 가열시간 등에 의하여 크게 영향을 받는다.