금속의 가공과 열처리
금속에 열을 가하여 판재, 봉재, 선재 등의 모양으로 가동되는데 이와 같이 변형되는 성질을 소성(plasticity)이라고 하고, 이 성질을 이용한 변형을 소성 변형(plastic deformation)이라 한다.
탄성 한계의 범위 내에서 가해진 외력을 제거하면 원상태로 돌아가는 일시적인 변형을 탄성 변형(elastic deformation)이라 한다.
탄성 변형에 비하여 소성 변형은 외력을 제거해도 원상태로 돌아가지 않으므로 영구 변형이라고도 한다.
소성 변형을 이용한 가공을 소성 가공(plastic workging) 또는 가공이라 하는데 소성 가공 방법에는 다음과 같은 것이 있다.
① 단조(forging) : 소재를 가열하여 에어 해머(air hammer) 등으로 단련 및 성형하는 조작을 단조라 한다.
② 압연(extrusion) : 회전하는 롤러 사이에 소재를 넣고 판재, 봉재, 형재 등을 가공하는 조작을 압연이라 한다.
③ 압출((extrusion) : 금속 원주형 소재를 실린더 모양의 컨테이너(container)에 넣고 가압하여 봉재, 판재, 형재 등으로 가공하는 조작을 압출이라 한다.
④ 인발(drawing) : 원뿔형의 구명을 뚫은 공구를 사용하여 소재를 길게 뽑아 내는 방법으로 봉재, 선재를 가공하는 방법을 인발이라 하며, 이 때 사용하는 공구를 다이스라 한다.
⑤ 프레스 가공(press working) : 금속 판재를 아래 위 한 쌍의 프레스 금형에 넣고 성형 가공하는 것을 프레스 가공이라 한다.
2. 금속의 소성 가공 및 변형 원리
(1) 금속의 소성 가공
금속을 소성 가공하는 목적은 다음과 같은 세 가지가 있다.
① 금속을 변형시켜 필요한 모양으로 만든다.
② 주조(casting)한 금속은 기계적 성질이 나쁘므로 단련하여 조직을 미세화한 후에 풀림처리하여 기계적 성질을 개선한다.
③ 가공으로 인해 생긴 내부 응력을 적당히 재료 내부에 남게 하므로 기계적 성질을 개선 시킨다.
금속의 소성 가공에서 변형시키는 온도가 재결정 온도보다 낮을 때에는 냉간 가공(cold working)이라 하고, 재결정 온도보다 높을 때에는 열간 가공(hot working)이라 한다.
(2) 금속의 소성 변형 원리
금속의 소성 변형은 슬립, 쌍정, 전위 등의 원리가 있다.
① 슬립(slip) : 그림 [소형 변형 설명도]의 (a)는 외력이 작용하지 않은 상태에서 인장력을 작용시켰을 때 그림[소형 변형 설명도]의 (b)와 같은 상태로 미끄럼(sliding) 변화를 일으켜 결정의 이동이 생기는 데 이것을 슬립은 금속 고유의 슬립면을 따라 이동이 생긴다.
슬립이 생겼을 때 결정 잎이 이동된 뒤 현미경으로 보면 그림 [슬립 밴드]와 같이 슬립선이 생기며 이것을 슬립 밴드(slip band)라 한다. 변형이 진행됨에 따라 슬립선의 수가 많아지고 선도 굵어 지므로 슬립에 대한 저항이 증가하며 금속의 경도와 강도가 증가한다. 이러한 현상을 가공 경화(work hardening) 또는 변형 강화(strain hardening)라 한다.
② 썽정(twin) : 그림 [소형 변형 설명도]의 (c)와 같이 변형 전과 변형 후의 위치가 서로 대칭으로 변형하는 것을 쌍정이라 하며이 와 같은 현상은 황동을 풀림하였을 경우 연강을 저온에서 변형시켰을 때 볼 수 있다
③전위(dislocation) : 금속의 결정 격자가 불완전하거나 결함이 있을 때 외력이 작용하면 불완전한 곳과 결함이 있는 곳에서부터 이동이 생기는 데 이것을 전위라 하고 이 진위의 이동으로 소성 변형이 생기며, 전위에는 날끝 전위(edge dislocation) 나사 전위(screw dislocation)가 있다.
3. 냉간 가공과 풀림 열처리
(1) 냉간 가공제의 기계적 성질
얇은 판, 가는 선을 소성 가공할 때 치수의 정밀도 및 균일한 성질이 필요한 것 또는 표면이 매끈한 것을 만들려고 할 때 냉간 가공을 한다.
냉간 가공을 계속하면 결정 내부의 저항이 크게 되어 가공 경화되므로 강도와 경도가 증가하고 연신율이 감소한다.
그러므로 냉간 가공을 계속하려면 작업 도중에 풀림처리하여 연성, 전성 등을 회복시켜 주어야 한다.
그림 [가공도와 기계적 성질]은 가공 경화에 의한 기계적 성질을 나타낸 것이다.
가공 경화한 금속은 시간이 경과하면 기계적 성질이 변화하나 나중에는 일정한 값을 나타내는 것을 가공 시효 경화 또는 시효 경화(age hardening)라 한다.
금속을 적당한 온도로 가열하여 물이나 기름에 급행하면 시효 경화가 일어나는 것을 인공 시효(artificial aging)라 한다.
(2) 냉간 가공 재료의 풀림
냉간 가공을 계속 할 경우 가공도가 증가하면서 가공 경화가 일어나고 더욱 가공을 계속하려면 더 큰 힘이 필요하게 된다. 또 무리하게 가공하면 균열이 일어나고 파괴된다.
이러한 현상을 방지하기 위해 가공 경화된 조직을 가공 전의 상태로 회복시키는 작업을 풀림이라 한다.
(3) 재결정
소성 가공에 의해 가공 경화된 조직을 가열하면 경도에는 벼로 차이가 없이 내부 변형이 일부 제거되면서 그림[재결정 온도]의 1구역에서와 같이 회복(recovery)되고 2구역와 같이 경도가 급격히 감소하고 새로운 결정이 생기는 것을 재결정이라 하는데 이때의 온도를 재결정 온도라 한다.
이 때에 재결정 온도 이상 가열하면 결정이 성장하여 조직이 커진다.
일반적으로 소성 가공도가 큰 재료는 새로운 결정핵의 발생이 빠르므로 재결은 낮은 온도에서 생긴다.
또한, 소성 가공도가 작은 새로운 결정핵의 발생이 적어 높은 온도에서 재결정이 일어난다.
[주요 금속의 재결정 온도]
|
금속 원소 |
재결정 온도(℃) |
금속 원소 |
재결정 온도(℃) |
|
Au Ag Cu Fe Ni W |
200 200 200~300 350~450 530~660 1,000 |
Al Zn Sn Pb Pt Mg |
150~240 5~25 -7~25 -3 450 150 |