금속의 냉간가공에 대해서 공부하기

금속의 냉간가공에 대해서 알아보고자 한다. 재결정온도 이하의 온도에서 금속이 압연, 압출 또는 인발 될 때 금속은 냉간가공된다. 대부분의 금속은 상온에서 냉간가공 된다. 냉간 가공은 입자를 변형시키기는 하지만 소재의 용적을 줄이지 않는다. 냉간가공은 강도, 가공성, 치수정밀도와 소재의 표면상태를 향상시킨다. 열간가공보다는 냉간가공에서 산화가 더 적게 발생하므로 얇은 판재와 포일(foil)은 냉간에서 압연한다. 성형시점에서 국부적인 온도상승이 발생하지만 열간가공에서 만큼 높지 않다. 그러나 열간가공은 소성상태에서 입자구조를 미세화 하면서 수행된다. 열간, 냉간가공 모두에서 유사한 공정과 장비가 사용되지만 필요한 하중과 가공결과는 다르게 나타난다.

냉간가공

냉간가공의 작용을 이해하기 위해서, 금속의 구조에 대한 지식을 반드시 가지고 있어야 한다. 금속은 본질적으로 결정체이고 다양한 크기의 불규칙한 형상의 결정입자로 구성된다. 금속을 적절히 연마하고 부식시키면 현미경을 사용하여 이러한 입자를 볼 수 있다.

 

사진1

각각의 결정입자는 격자라고 알려진 질서있게 정렬된 원자로 구성된다. 주어진 한 입자에서 원자의 방향은 균일하나 인접한 다른 입자와는 다르다. 소재가 냉간가공되면, 소재의 형상변화는 입자구조에서 상당한 변화를 일으킨다. 구조의 변화로는 입자의 분쇄, 원자의 이동, 격자의 변형이 있다. 사진 1에서 보여주는 슬립면은 원자 결합력이 최소로 되는 점에서 격자구조를 통해 나타나고 원자의 전체블록이 변위를 일으킨다. 슬립이 일어날 때 원자의 방향은 변하지 않는다. 재배향이 일어날 경우 쌍정이라는 현상이 발생한다. 쌍정에서 슬립면 한쪽의 격자는 반대쪽과 다른 방향으로 배열되나 원자는 인접원자와 같은 형상을 하고 있다. 슬립이 변형보다 더 보편적인 결과이다.

 

열간가공에서보다 냉간가공에서는 더 큰 압력을 필요로 한다. 더욱 강한 상태에 있는 금속은 응력이 탄성한계를 초과하지 않는 한 영구변형이 일어나지 않는다. 냉간가공 범위에서는 입자의 재결정이 없으므로 입자의 찌그러짐 또는 분열로 부터 회복이 일어나지 않는다. 냉간가공 범위에서는 입자의 재결정이 없으므로 입자의 찌그러짐 또는 분열로부터 회복이 일어나지 않는다. 입자변형이 진행됨에 따라 이러한 작용에 대한 더 큰 저항으로 인해 강도와 경도가 증가되는 결과를 가져온다.

 

이때, 금속은 경형변화가 생긴다고 하며, 열처리로도 효과를 보이지 않는 몇몇 금속에 대해서도 변형률 경화를 통해 경도, 강도와 같은 물리적 성질을 변화시키는 유일한 방법으로 알려져 있다. 이러한 현상을 설명하기 위해 몇몇 이론이 발전되었다. 일반적으로 앞의 이론에서는 원자의 전위, 분쇄, 격자의 변형 또는 이들 세 가지 현상의 조합에 의해 입자 내에서 저항이 된다고 언급하고 있다.

 

금속이 받을 수 있는 냉간가공의 가공성은 금속의 연성에 영향을 받게 된다. 어떤 금속의 연성이 더 클수록 냉간가공의 영향을 더 많이 받게 된다. 합금원소는 변형률 경화속도와 경향을 증가시키기므로 순수금속은 합금원소를 가진 금속보다 더 많은 양의 변형에 견딜 수 있다. 큰 입자 금속은 작은 입자의 금속보다 더 연성이 크다.

 

냉간가공에 의해  금속이 변형될 때 잔류응력으로 알려진 큰 응력이 금속내부에 남게된다. 이러한 응력을 제거하기 위해서 재결정 범위 약간 아래 온도로 재가열 한다. 이러한 범위에서는 물리적 성질이나 입자의 구조에 거의 변화 없이 잔류응력의 효과가 없어지게 된다. 냉간가공의 효과는 재결정 범위로 제거된다. 때로는 금속에 잔류응력이 남아 있는 것이 바람직할 때가 있다. 소형 부품의 피로수명은 금속 표면을 압축상태, 그 표면 아래에 있는 금속을 인장상태로 만드는 숏피닝에 의해서 향상될 수 있다.

 

장점과 한계

많은 제품은 품질을 높이기 위해 열간압연 후 냉간 마무리 가공을 하게 된다. 열간압연된 스트립과 판재는 무르고 표면결함을 가지고 있다. 또 원하는 치수정도나 특정한 물리적 성질의 기대치에 미치지 못하기도 한다. 냉간압연 작업은 크기를 작게 감소시 킬 수 있으므로 정확하게 치수를 제어할 수 있다. 냉간압연 공정에서는 표면산화가 발생하지 않고 매끄러운 표면을 얻을 수 있다. 한편 강도와 경밀도가 증가하므로 열처리에 반응하지 않는 몇몇 금속에 대해서 냉간가공은 경도를 증가시키는 방법이 될 수 있다.