 인류가 도구를 사용하여 자연산의 일정한 형상의 장식품으로 만들기 시작한 것은 기원전 4,000년경으로 본다. 단조의 기원은 지금부터 약 6,000년전 이상으로 거슬러 올라간다.
약 4,000년전에는 광석에서 구리를 용해하여 사용하였으며, 약 3,000년 전에는 청동합금을 만들어 무기나 농기구, 장식품으로 이용하였고 광석에서 철을 정련하기 시작하였다. 한편, 단조작업을 하는 가장 오래된 중거물로는 기원전 1,450년경 이집트의 벽화를 들 수 있다.
인류가 최초로 단조를 할 때는 나무나 돌과 같은 간단한 도구를 이용하였으리라고 여겨지고, 이 때에는 소송가공에 제1차가공과 2차가공의 구분이 없이(예를 들면 압연과 형단조의 구분과 같은), 단지 단련에 의해 형상을 만들었으므로 불순물을 정련하는 개념도 없었다고 보여진다.
단조방식의 변천과정을 보면, 기원전 약 1,450년 경에는 집게와 같은 단순한 도구를 사용하였고, 기원전 1,000년 경에는 청동제 도끼를 이용하였으며, 기원전 850년에는 석제형, 기원전 700년에는 형에 의해 압입가공된 주화, 기원전 300~100년 경에는 형에 압입되어 단조된 것으로 보여지는 철제등의 그림으로부터 오늘날과 같은 대량생산에 사용되는 형단조는 이미 기원전에 시작되었다고 여겨진다.
단조기계의 발달사를 보면, 로마시대에는 노예의 에네지를 이용한 드롭해머가 있었다고 하는 상상화가 있다. 1350년 경에는 발로 밟아 구동하는 해머, 1400년대에는 수동 프레스가 사용되었으며, 한편, 1488년에 그려진 수력을 이용한 수차해머의 그림이 발견되었고, 1784년에는 Watt의 증기해머가 특허를 받음으로써, 단조의 동력원으로 인력을 사용하지 않아도 되었다.
그리고 1798년에 Bramah가 특허를 딴 수동펌프에 의한 수압프레스가 출현함으로써, 인력을 직접 이용하지 않고 기계에 공구를 달고 재료에 하중이 전달되게 되었다.
1. 우리나라에서의 단조산업
우리나라에서는 단조를 통하여 제조된 것으로 보이는 삼국시대의 많은 유물이 출토되었고, 조선시대의 화가 단원 김홍도의 풍속도 중에 대장간에서 단조를 통하여 단련하는 그림이 있다.
이후, 전근대적인 방법에 의해 단조되던 많은 수공구 및 일용도구를 1945년 해방후까지 지속되었고, 1950년 한국동란과 함께, 주로 무기체계에서 현대적인 단조품이 많이 소개가 되었으나, 한반도에서의 전쟁으로 인해 오히려 단조산업을 비롯한 많은 산업들이 파괴되었다.
1970년대에 기계공업이 공단을 중심으로 정식으로 시작되면서 단조산업도 활기를 찾기 시작하는듯 하였으나, 경공업을 중심으로 한 수출위주의 산업구조와 제품기술 위주의 투자우선순위에 밀려 가장 중요한 생산기반기술인 단조산업은 1980년대까지도 그 중요성이 많이 부각되지 못했던 것이 사실이다.
1980년대 후반에 몇 차례의 호기로 우리 국민이 가졌던 자부심과 경제적인 호조건은 정부와 기업의 방심으로 인하여 생산기반기술에 대한 근본적인 투자로 이어지지 못하였지만, 자동차, 중장비 등 수요산업의 비약적인 발전으로 말미암아 대량의 수요를 요구하게 되었고, 국내 단조산업은 이러한 추세에 맞추어 생산량, 업체수 등에는 획기적인 발전을 이룩하게 되었다.
1990년대에 들어서면서 세계는 냉전시대를 종식하게 되었고 이제는 각국간에 무력에 의한 경쟁이 아니라, 기술력에 의한 경제전쟁이 펼쳐지게 되었다.
그러나, 단조를 중심으로한 생산기반기술이 취약하여 경제전쟁의 가장 큰 무기라고 할 수 있는 기술력이 부족하여 제조업의 대외경쟁력이 점차 떨어지고 있는 실정이며, 특히 수요산업의 침체와 중국, 동남아 등 후발 개도국의 부상으로 국내단조 산업을 시련을 겪게돠었다.
더욱이 단순하고 값싼 제품도 중국산의 저가공세로 말미암아 내수시장과 수출시장이 잠식당하고, 고가품은 선진국의 기술보호로 인한 기술이전 기피로 개발생산이 어려운 단계에 있어, 우리나라 단조산업도 매우 어려운 상황에 처해있다.
기술전쟁, 경제전쟁, 환경전쟁이 주가 될 다가올 2000년대를 맞이하면서, 이제라도 단조업계 종사자와 단조기술과 관련된 정부기관, 학계, 연구소 등에서는 심기일전하여 기술정보를 교환하고, 신기술을 연구개발하며 단조산업의 나갈 길을 정립하여야 할 것이다.
어지러웠던 1800년대 말, 열강은 무력으로 국가간의 각축을 벌이고 있었으나, 당시 국세정세를 제대로 파악하지 못하고 대비에 소홀했던 우리나라는 결국 국가체제가 붕괴되었고, 이후 수 십년동안 수 많은 인명, 재산상의 손실을 입었고, 아직도 국토분단의 희생을 치루고 있다.
2,000년을 불과 몇 년 앞둔 오늘날, 기술력으로 선진산업국들이 각축을 벌이고 있을 때, 과연 우리는 얼마나 기술정보를 갖고 있으며, 기술개발에 노력하고 있는지 생각해봐야 한다. 100년전에는 무력이 국력이었다면, 이제는 기술이 곧 국력이라 할 수 있다.
무력에 대한 국제정세를 모르고, 몽매한 가운데 결국 국가의 멸망으로까지 이어졌던 100년 전의 우매한 일을, 오늘날 기술력을 소홀히 하여 다시 반복한는 일이 절대 없어야 할 것이다.
2. 단조공정의 개요
단조는 금형과 단조기계로 금속재료에 압축 하중을 가하여 성형하는 가공법으로 가장 오래된 금속 가공 공정의 하나이다. 간단한 단조 공정은 대장간에서 전통적으로 행해온 것처럼 무거운 손 해머와 모루를 사용하여 작업되지만, 대부분의 단조는 금형 세트, 단조용 프레스나 기계 해머와 관련 설비를 사용하여 그림 1과 같은 절차로 이루어 진다.긴 판재나 구조재를 생산하는 압연과는 달리, 단조 작업에서는 별개의 제품을 생산한다.
단조 작업을 통하여 금속 재료의 유동과 입자 구조가 조절될수 있으며, 단조품은 우수한 강도와 인성을 갖게 된다. 따라서 단조품은 응력을 심하게 받는 중요한 용도, 예를 들면, 항공기의 착륙용 기어나 제트 엔진의 부품에 신뢰성있게 사용될 수 있다. 일반적인 단조품에는 볼트와 리벳, 커넥팅 로드, 터어빈의 축,기어, 공구등의 기계부품과 기계, 철도, 수송 기계의 구조용 부품을 들 수 있다.
단조로 가공될 수 있는 제품은 주조, 절삭, 분말 야금 등과 갇은 다른 가공법으로도 제조될 수 있다. 그러나 각 공정으로 가공되는 제품은 강도, 인성, 치수 정확도, 표면 정도, 결함등에 있어서 각기 다른 특성과 한계를 갖게 되고 단조품은 그 중 우수한 성질을 갖는다.
3. 단조방법의 분류
(1) 온도에 따른 단조 작업의 분류
단조는 상온에서 작업되거나(냉간 단조), 열간에서 작업된다(작업 온도에 따라 온간 단조 또 는 열간 단조). 냉간 단조시에는 재료의 강도가 커지므로 큰 단조 하중을 필요로 하고 소재 의 재질은 상온에서 충분한 연성을 갖고 있어야 한다.
냉간 단조 제품은 표면 정도와 치수 의 정확도가 우수하다. 열간 단조는 단조 하중이 작아도 되나, 치수 정확도와 표면 정도가 좋지 않다. 단조 작업 후에는 제품의 성질을 개선하기 위한 열처리나 최종 치수로 정밀하게 절삭하는 등의 마무리 작업이 이루어 진다.
(2) 금형에 따른 단조작업의 분류
단조는 금형을 사용하지 않는 자유 단조와 금형을 사용하는 형 단조로 나누기도 한다. 자유 단조는 상부의 해머와 하부의 모루가 서로 닿지 않고, 그 모양이 편평하거나 간단하며, 재료에 압축력을 가하였을 때 재료는 입축력 방향에 대하여 직각 방향으로 구속받지 않고 자유로이 유동 변형된다. 이 가공법은 모양이 간단한 대형물에 이용되며, 형 단조를 하기 위한 공작물을 예비 가공하는데 사용된다.
형 단조에서는 원하는 모양의 공간을 파놓은 한 쌍의 금형 사이에 재료를 넣고 가압하면, 재료는 금형의 공간 안에서만 금형의 모양대로 변형 된다. 이때, 한 쌍의 금형의 가장자리는 거의 서로 닿게 된다. 이 가공법은 대량 생산에 적용되는 방식으로서, 치수 정밀도가 높고 성형을 빨리 할 수 있는 장점이 있으나, 금형의 제작이 가격이 비싼 편이다.
(3) 단조의 효과
단조를 하는 목적의 하나인 단련은 재료의 모든 성질을 개선, 향상시킨 내부 결합을 줄이고 안선성을 높이는 효과가 있다. 따라서, 그 효과가 재료의 내부까지 충분히 미치도록 하는 것 이 중요하다. 단련 효과를 변형량만으로 표시하는 것은 정확하지는 않지만, 소성 변형 정도 를 나타내기 위해 단조비를 사용하여 단련 효과를 판단한다.
일반적으로 단조 가공을 함으로써 재료의 인장 강도, 항복점, 경도 및 충격값은 상승하나, 연신율이나 단면 감소율은 최초에는 상승하지만 단조비가 3이상이 되면 점차 감소하게 된 다.
4. 단조용 재료와 설비
(1) 단조용 재료
단조용 재료는 급격한 가공 하중을 받아도 소성 변형이 잘 되는 것이어야 한다. 단조에 적합한 재료의 성질을 가단성이라 하는데, 가단성은 소재가 균열을 일으키지 않고 겪을 수 있 는 변형 능력으로 정의된다.
가단성을 정량화시키기 위해 여러가지 시험법이 개발되어 있으나, 보편적으로 사용되는 방 법은 아직 없다. 흔히 사용되는 시험은 원주형 시편을 압축하여 배가 나온 옆면에 균열이 생기는 지를 관찰하는 업세팅 시험이다. 균열이 생길 때까지 많은 변형을 받을수록, 그 금속 의 가단성은 양호하다고 할 수 있다.
업세팅 시험은 온도 및 변형 속도를 변화시켜 가면서 행할 수도 있다. 재료의 노치에 대한 민감성이 높을수록 표면 결함은 균열로 발전되어 재료 에 영향을 준다. 전형적인 표면 결함으로는 길이 방향 자국, 개재물, 전 단계 가공시에 생긴 겹침 등을 들수 있다.
열간-꼬임 시험(hot- twist test)에서는 둥근 시편을 파단이 생길 때까지 같은 방향으로 비 튼다. 여러 개의 시편으로 온도를 변화시켜 가며 이 시험을 행하여 각 시편이 파단에 이르 기 전까지 꼬인 회전수를 측정한다. 이렇게 함으로써 최적 단조 온도를 알아낼 수 있다. 열 간-꼬임 시험은 특히 철강재료에 유용한 방법이다.
철, 구리, 알루미늄 중 순도가 높은 것은 가단성이 커서 단조 하기 쉽지만, 기계 재료는 강 도, 가격, 제품에 요구되는 조건 등을 만족시켜야 하므로 가단성은 다소 떨어지더라도 알맞 게 기계적 성질을 가진 것이 사용된다.
여러가지 금속 및 합금의 가단성을 양호한 순으로 나열하면 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 구리 합금, 탄소강, 저합금강, 마르텐사이트 스테인레스강, 오스테나이트 스테인레스 강, 티 타늄 합금, 철기 초내열 합금, 코발트기 초내열 합금, 몰리브덴 합금, 니켈기 초내열 합금, 텅스텐 합금 순이다. 이와 같은 간단성의 순서는 각 재료의 연성과 강도, 단조 온도, 윤활, 단조품의 질등을 고려한 일반적인 순서이다.
(2)재료의 가열
보통 금속 재료는 온도가 높을수록 변형 능력이 커져서 단조 가공이 쉬워지나, 여기에는 두 가지의 제한이 있다. 하나는 단조 최고 온도이며, 다른 하나는 단조 종료 온도이다. 재료를 가열할 때 과열되면 재료는 여리게 되고 균열이 생기기 쉬워진다.
과열 상태에서 단조를 하 면 단조가 끝난 후에도 재결 정 온도 이상으로 남아서 결정 입자가 성장하게 되므로 오히려 기계적 성질이 나쁘게 한다.
이와 반대로, 끝나는 온도가 재결정 온도이하가 되면 조직은 미세하게 되나, 단조품에는 상 당한 내부 응력이 발생하여 균열되기 쉽다. 따라서 단조 종료 온도가 재결정 온도보다 약간 높은 것이 바랍직하다
강재를 단조할 때 온도가 800℃이하로 되면 재가열하여 단조를 계속하여 재료 내부에 잔류 응력이 남지 않도록 한다. 또, 강재는 300℃부근에서 청열 취성 온도가 있어서 이 온도에서 는 상온때보다 오히려 취성이 있으므로, 이 부근에서는 단조 가공을 피해야 한다.
(3) 단조 기계 
단조에는 다양한 용량, 속도, 행정 특성을 줄 수 있는 여러 가지 단조 기계가 사용되고 있 다. (표 1)단조 기계는 대략 프레스와 해머로 구분한다.
1) 프레스
① 유압 프레스: 유압 프레스는 일정한 속도로 작동되고 최대 하중 또는 제한 하중을 갖고 있다. 다시 말하면, 기계의 용량을 초과하는 하중에 대하여는 프레스의 작동이 정지한다. 조 절 가능한 전 행정 및 속도에 걸쳐 일정한 하중으로 소재에 큰 에너지를 전달할 수 있는 특 징이 있다.
다른 단조 기계에 비하여 유압 프레스로 가공하는 데는 많은 시간이 소모되므로 가열된 금형을 사용하지 않으면 소재는 쉽게 냉각된다. 기계 프레스에 비하여 유압 프레스 는 느리고, 초기 비용이 많이 들지만, 유지 보수는 용이한 편이다.
② 기계 프레스:기계 프레스는 기본적으로 크랭크 기구나 편심형으로 속도는 행정의 중간에 서 최대에 달하고 행정의 끝에서는 영이 된다. 램이 상하 운동하도록 편심축 대신 크랭크 축을 사용할 수도 있다.
따라서 기계 프레스는 제한 행정을 갖게 된다. 기계 프레스에서는 전동기에 의해 회전하는 큰 플라이 휘일에 의해 에너지가 전달된다. 플라이휘일과 편심축은 클러치를 통해 연결된다.
회전 운동은 커넥팅 로드를 통해 선형 왕복 운동으로 바뀐다. 너클 조인트 프레스는 특수하게 설계된 링크 기구에 의해 매우 높은 하중을 가할 수 있다. 기계 프레스에서 얻을 수 있는 하중은 행정위치에 따르고 하사점 부근에서는 하중이 매우 커지게 된다.
따라서 금형나 장비의 부품의 파손을 피하려면 적절하게 정렬시켜야 한다. 기 계 프레스의 생산율은 매우 높으며, 자동화가 용이하고 다른 단조 기계에 비해 작업자의 숙 련도가 덜 요구된다.
③ 나사 프레스: 나사 프레스는 플라휘일로부터 에너지를 전달받으므로 제한된 에너지를 갖 는다. 단조 하중은 수직으로 놓여진 나사를 통하여 전달된다. 플라이휘일에 저장된 에너지가 모두 사용되면 램은 정지하게 된대. 한 주기가 끝나도 금형이 완전히 닫히지 않으면 단조가 완료될 때까지 작업이 반복된다. 나사 프레스는 여러가지 자유 단조, 형 단조에 사용되며 터 빈 블레이드와 같이 소량의 정밀한 제품의 단조에 적절하다.
2) 해머
해머는 램의 위치 에너지를 운동 에너지로 변환시킨 후 에너지를 얻으므로 제한된 어너지를 갖는 방식이다. 유압 프레스와는 달리, 해머는 고속으로 작동하여 작업 시간이 짧으므로 열 간 단조시에 냉각 속도를 최소화할 수 있다. 냉각 속도가 작으므로 복잡한 형상, 특히, 얇고 깊은 부분이 있는 단조품의 단조에 사용될 수 있다.
단조 종료시까지 동일한 금형에 수 회 의 타격이 가해지는 것이 보통이다. 해머는 종류가 다양하면서도 저렴한 단조기계이다.
(1) 중력낙하 해머: 중력낙하 해머에서는(즉, 낙하 단조의 경우), 자유낙하하는 램으로부터 에너지를 얻는다. 이 종류의 해머에서 얻을 수 있는 에너지는 램의 중량과 낙하시 들어올리 는 높이의 곱이 된다. 램의 중량은 180㎏에서 4.500㎏에 이르고, 에너지 용량은 최대 120KJ 에 이른다.
(2) 동력낙하 해머: 동력낙하 해머에서는 램의 낙하행정 약 700KPa의 증기압, 공기압, 유압 등에 의해 가속된다. 램의 중량은 225㎏ 에서 최대 22,500㎏에 이르며, 에너지 용량은 최대 1,150KJ에 이른다.
(3) 카운터 블로우 해머: 카운터 블로우 해머는 제품을 단조하는데 동시에 서로 수평 혹은 수직으로 접금하는 2개의 램을 갖는다. 자유 단조 작업에서는 소재가 원하는 형상이 되도록 매 타격 사이마다 소재를 일정 각도씩 회전시킨다. 카운터 블로우 해머는 고속으로 자동되 지만 지지대에 진동을 많이 주지 않는다. 용량은 최대 1,200KJ까지이다.
(4) 고속 단조기( high-energy-rate machine): 고속 단조기에서는 고압의 불활성 기체에 의 해 램이 가속되어 매우 높은 속도로 1회의 타격으로 제품이 단조된다. 이 기계이ㅔ는 몇 가 지 종류가 있으나, 유지보수 , 금형파손, 안전성 등과 연관된 여러 가지 문제 로 인해 단조 공자에서는 실제 사용이 제한되고 있다.
3) 단조 기계의 선택
단조 기계의 선택에 있어서 중요하게 고려되어야 할 점은 소요 하중 및 에너지, 크기, 단조 품의 형상 및 복잡성, 소재 재료의 강도, 재료의 변형 속도에 대한 민감도 등이다. 그 밖에 고려되어야 할 인자로는 생산율, 정밀도, 유지 보수, 요구되는 작업 숙련도, 소음도 및 가격 등을 들 수 있다.
일반적으로 알루미늄 마그네슘, 벨릴륨, 청동 및 황동 등에서 프레스가 흔 히 사용되다. 해머는 강, 티타늄, 구리 및 내열 금속 합금에 잘 사용된다. 한 개의 단조품이 라 해도 두 종류 이상의 기계가 사용될 수 있다. 예로써, 해머에서 일단 가공된 후 유압 또 는 기계 프레스이서 후속 가공되는 것을 들 수 있다.
5. 단조작업
(1) 자유 단조(Open-die-forging)
자유 단조는 간단한 단조 공정으로 소재를 2개의 평 금형 사이에ㅣ 올려 놓고 압축하여 높 이를 감소시키는 것이다. 금형 표면에는 간단한 공동부를 만들어 비료적 간단한 모양의 단 조품을 만들 수 있다. 작업증에 체적이 일정하게 유지되므로 소재의 높이가 감소하면 지름 이 늘어나게 된다.
그러나, 실제 작업에서는 소재가 균일하게 변형되지 않고, 제품의 옆면이 나오게 되는 바렐 링 현상이 생긴다. 버랠링의 주된 이유는 금형과 소재간의 접촉면에서 재료가 바깥 방향으 로 유동하는데 대하여 반대 방향으로 마찰력이 자공하기 대문이다. 따라서 바렐링은 호과적 인 윤활제를 사용함으로써 최소화시킬 수 있다. 바렐링은 고온의 소재를 냉각된 금형으로 업체팅할 때도 생긴다.
접촉부위에 있는 재료는 급속히 냉각하는 반면 소재의 나머지 부분 은 비교적 고온으로 남아 있으므로 소재의 양 끝면은 가운데 부분보다 변형에 대한 저항이 커진다. 결국,소재의 가운데 부분이 양 끝면보다 많이 변형하게 된다. 열 효과에 의한 바렐 링은 금형을 가열하여 사용하거나, 금형과 소재간의 점촉부에 유리 피복제같은 열 차폐물을 둠으로써 감소시키거나 없앨 수 있다.
자유 단조로는 간단한 모양의 단조품ㅇ르 만들 수 있다. 증기 터어빈용 대형축은 긴 주조 잉곳을 열간 단조하여 만들어 진다. 증기 터어빈용 대형축은 긴 주조 잉곳을 열간 단도하여 만들어 진다.
잉곳은 평 금형에 길게 놓여져 매 타격마다 사용하여 조금씩부터 얻어진 소재 으 미세 조직을 단련 조직으로 변화시켜 결정립을 균일하게 미세화하고 기계적 성질ㅇ르 향 상시킨다.
링 모양의 제품도 내무에 맨드릴을 사용하면 이와 같은 방법으로 두께를 줄일 수 있다. 대부분의 자유 단도 제품은 15-500㎏정도이지만 대로는 100톤이상의 초대형 단조품도 있다. 크기는 매우 작은 것으로부터 선박용 프로펠러 축으로 쓰이는 길이 23n에 달하는 제 품도 있다.
단지 작업(cogging or drawing out)은 연속적으로 소재의 두께를 감소시키는 자유 단조 작 업이다. 1회 압착당 접촉 면적이 큰 단조 하중이나 기계없이도 길이가 긴 소재의 두께를 감 소시킬 수 있다.
(2) 형 단조(Impression-die and-Closed-die forging)
형 단조에서는 같이 소재가 2개의 단조용 금형에 의해 단조되면서, 금형 공동부의 모양으로 만들어진다. 단조가 되는 동안, 재료의 일부는 밖으로 유동되어 플래시를 형성한다.
플래시 는 형 단조시 재료의 유동에 있어서 매우 중요한 역학을 한다. 플래시는 두께가 얇으므로 급속히 냉각되고 또한 마찰 저항으로 인해 금형 공동부에 있는 재료에 높은 압력을 가하여 재료가 금형 공동부를 채우 수 있도록 해 주고, 단조 작업이 끝나면 제거된다.
일반적인 형 단조 작업에서 소재는 처음에 긴 바이로부터 전단되어 하부 금형 위에 올려진 다. 지지판을 사요하면 절단한 소재의 옆면이 더욱 직각에 가깝게 된다.
여러 단계의 단조 작업을 거치면서 소재의 모양은 점차적으로 변화된다. 풀러링(fuiiering)이나 에징(edging)과 같은 예비 성형 작업(preforming)을 하면 재료를 여러 구역으로 미리 분산시킬 수 있다. 풀 러링 작업에서는 재료를 특정 부분에서부터 분산 시키고, 에징 작업으로는 특정 부분으로 재료를 모으게 된다.
예비 성형 작업푸에 소재는 블록커 금형(blocker-die)를 사용하는 블록킹(blodking)작업으로 대략적인 모양이 만들어 진다. 마지막 자겅ㅂ은 단조품에 최종 형상을 주는 피니셔(finisher) 금형로 최공 단조를 한다. 플래시는 트리밍 작업으로 제거되며, 내부의 얇은 부분은 펀칭으 로 제거된다.
형 단조에서 원하는 치수는 가공 오차를 얻으려면, 소재의 체적을 정확히 계량하고 금형을 적절하게 설계하여야 한다. 부적하게 계량된 소재로는 금형 공동부를 완전히 채울 수 없게 되고, 과다한 소재는 과도한 압력을 발생시켜 금형 파손시키 거나 기계를 고장나게 한다.
(3) 정밀 단조
오늘날의 단조는 경제적인 이유로 인해 보다 정밀하게 작업되어 부차적인 마무리 작업을 줄 이는 방향으로 가고 있다. 성형되는 제품이 원하는 최종 제품의 치수와 거으 같도록 하는 단조 방식을 준정형(near net-shape)단조라고 한다. 정밀 단조 후 단조품에 붙어 있는 여분 의 재료는 보통 매우 적은 양이며, 트리밍이나 연삭으로 쉽게 제거된다.
정밀 단조에서는 평 단조에서보다 높은 정밀도로 제품이 가공되도록 한다. 정밀 단조 공정 에서는 제품의 구체적인 최공 형상까지도 얻어야 하므로 매우 높은 단조 하중이 필요하여, 큰 용량의 기계가 필요하다.
알루미늄이나 마그네슘 합금은 단조 하중과 온도가 낮으므로 정밀 단조에 적합 하다. 또한 이들 재료를 단조할 경우에는 금형 마모가 적고 펴면 정도도 우수하다. 강이나 기타 합금은 정밀 단조하기가 어려운 편이다.
정밀 단조를 하려면 특수한 금형이 필요하고 소재의 부피 및 모양의 적절한 조절, 소재를 금형 공동부내에 적절하게 배치하는 것이 필요하다. 그러나 재료나 낭비가 적고 부차적인 절삭 공정이 생략된다. 따라서 일반 단조와 정밀 단조 간의 선택은 경제성을 분석하여 이루 어 진다.
(4) 코이닝
코이닝은 동전, 메달, 장신구등을 만드는데 사용되는 형 단조의 한 유형이다. 소재는 완전히 밀폐된 금형 공동부 내에서 변형된다. 최종 형상을 만드는데는 소재의 강도보다 5-6배 높은 압력이 필요하다. 코이닝에는 윤활제가 사용되지 않는데, 그 이유는 윤활제가 소재와 금형 사이에 완전히 갇히게 된어 금형 표면의 형상이 소재에 정밀하게 만들어지지 않기 때문이 다.
코이닝 작업은 단조 제품이나 기타 제품의 표면 정도를 높이고 정확한 치수로 제작할 때에 도 사용된다. 이때의 공정은 사이징(sizing) 이라고 하며, 이 때는 소재의 모양에 거의변화가 없으면서도 높은 압력이 필요하게 된다. 문자나 숫자를 제품에 표시하는 것도 코이닝과 유 사한 공정으로 신속하게 작업될 수 있다.
(5)헤딩(Heading)
헤딩은 기본적으로는 업세팅 작업이며, 둥근 봉이나 선의 한 쪽 끝에 단면적이 큰 부분을 만드는데 적용된다. 이 방법으로는 볼트, 스크루, 리벳, 못 기타 체결용 부품들의 머리 부분 을 제작할 수 있다. 헤딩 작업은 냉간, 온간, 열간에서 헤더(hesder)라는 자동화된 기계에서 이루어 진다. 헤딩 작업은 냉간 압출 공정과 조합되어 여러가지 제품을 생산하는데 사용된 다.
헤딩 작업시 소재의 구속되지 않은 부분의 길이가 지름에 비해 너무 길면 소재에 좌굴이 일 어나기 쉽다. 이 부분의 이 부분의 비는 보통3:1이내로 제한되지만, 금형의 형상에 따라 더 커질 수도있다., 예를 들면 금형 공동부를의 지름이 소재 지름의 1.5배 이내이면 더 큰 비도 가능하다.
(6) 천공(piercing)과 허빙(Hubbing)
천공은 소재를 완전히 관통하지 않고 소재의 표면에 펀치를 압입시켜 공동부나 압입된 형상 을 만드는 공정이다. 천공 작업에서는 소재를 금형 공동부내에 구속시키거나, 금형을 사용하 지 않고 그대로 천공하기도 한다.
천공 작업후이는 펀치를 반대 방향에서 압입하여 완전하 게 구멍을 만들 수 있다. 천공 하중은 천치의 단면적과 끝 부분의 형상, 재료의 강도, 마찰 등에 따라 결정된다. 천공 압력은 재료강도의 3-5배 정도이다.
허빙은 금속 소재의 표면에 특정한 형상을 가진 경화 처리된 펀치로 압입하는 작업이다. 만 들어진 공동부는 식기류와 같은 제품을 성형하는 데 쓰일 금형로 사용 된다. 금형 공동부는 보통 얕은 편인데, 깊은 공동부를 만들 때는 허빙 전에 재료의 표면을 적당한 치수로 미리 절삭 가공하여야 한다.
(7) 압연 단조(Roii forging)와 전조
압연 단조는 공형(shaped grooves)을 가진 한 쌍의 로울 사이에 소재를 통과시켜 단면적을 줄이거나 형상을 만드는 작업이다. 이 방법은 테이퍼진 축이나 겹판 스프링, 공구 등을 만드 는 데 사용된다.
또한 다른 단조 공정 전에 행해지는 1차 성형 작업으로도 사용된다. 압연 단조와 비슷한 공정으로 강구 건조 작업(sken rolling)이 있는데, 선재가 로울 사이에 이송되어, 회전하는 로울에 의해 연속적으로 구모양의 소재로 대강 성형된다.
구 모양의 소 재는 둥근 봉재를 전단한 뒤, 반구형 금형 공동부를 가진 두 개의 금형 사이에서 업세팅하 여 만들어 질 수도 있다. 이 때는 플래시가 생기며 베어링용으로 사용되기 위해서는 연삭 및 광택 작업을 하여야 한다.
(8) 궤도 단조(Orbital forging)
궤도 단조는 상부 금형이 특수한 기계장치에 의해 정해진 궤도를 따라 움직이며 소재를 점 차적으로 성형해 나가는 작업이다. 이 공정은 마치 적구와 절구 공이의 움직임과 같다.
이 공정으로 제조되는 제품으로는 판 모양의 부품과 베벨 기어와같은 원추형 부품을 들 수 있 다.
들형의 접촉은 항상 소재의 작은 영역에서만 국한 되므로 단도하중은 비교적 작은 편이 다. 또한 소음도 비고적 적으며 금형이 10-20회 궤도 운동하면 제품이 성형된다.
(9) 등온 단도(Isothermal forging)
등온 단조는 가열금형 단조라고도 하는데, 가열된 소재와 같은 돈도를 갖도록 금형도 가열 된다.
단조가 진행되는 동안 소재가 고온으로 유지되므로 강도가 낮고 연성이 풍부하도록 유지되어 단조 하중은 작고 금형 공동부 내에서의 소재의 유동은 향상된다. 정밀한 치수가 요구되는 복잡한 부품도 유압 프레스를 사용하여 1회의 행정으로 준정형 가공되도록 단조될 수있다.
금형 재료는 니켈이나 몰리브덴 합금이 보통 사용된다. 등온 단조는 비싸고 생산속도가 낮 은 편이다. 그러나 복잡한 형상의 제품을 티타늄이나 초내열 합금과 같은 재료로 만들어야 할 때, 금형 가격을 보상할 정도로 수량이 충분히 확보되면 경제성을 가질 수 있다.
(10) 회전 스웨이징(Rotary swaging)
회전 스웨이징은 간단히 스웨이징 또는 방향 단조(radial forging)라고도 하며, 왕복운동하는 금형으로 봉재나 관재에 반경 방향으로 타격력을 가하는 작업이다.
금형의 움직임은 마치 로울러 베어링처럼 틀 속에 들어 있는 로울러 들에 의하여 얻어지는 것이 보통이다.
소재는 움직이지 않고 금형 세트가 회전하며 초당 20회 정도의 고속으로 소재에 타격을 가한다.
금형 밀폐형 스웨이징 기계(die-closing swaging machine)에서는 금형의 운동이 왕복 하는 쐐기의 운동으로 부터 얻어진다.
회전 스웨이징기에 비해 금형이 넓게 벌려 지므로 지름이 크거나 고르지 않은 제품도 단조할 수 있다. 또 다른 유형으로는 금형이 회전하지 않고 반 경 방형으로 왕복 운동만 하는 것도 있다.
관재의 스웨이징에서는 관의 내벽과 두께가 조절되는데, 내부 맨들릴을 사용하는 방법과 사 용하지 않는 방법이 있다. 내부 맨드릴을 사용하면 관의 벽두께를 조절할 수 있다. 길이 방 향으로 형상을 가진 맨드릴을 사용하면내벽에셩상이 있는 관도 제조할 수 있다.
예를 들면 포신의 강선은 나선 현상을 갖는 맨들릴에 관을 스웨이징하여 만들어 진다. 지름이 작은 관 의 제조에는 고장력 선이 맨드릴로 사용된다. 포신 및 기타 제품을 가공하는데 쓰이는 특수 기계는 지름이 350nm에 달하는 것도 있다.
스웨이징은 케이블이나 철사 위에 접합물을 직접 부착하여 조립하는 데도 이용된다. 이러한 공정에는 원형부품의 끝을 테이퍼지게 하는 포인팅(pointing)과 부품의 치수를 최종적으로 마무리하는 사이징(sizing)이있다.
스웨이징으로 가공할 수 있는 소재의 최대 지름은 150nm정도이고, 최소 지름은 0,5nm정도 이다. 가공 오차는 0.05nm에서 0.5nm정도이다.
스웨이징은 생산 속도가 높은 편으로 제품의 복잡한 정도에 따라서 매 분당 50개까지의 비율로 가공하는데 적절한 공정이다.
맨드릴을 사용하는 경우에는 소재의 길이가 맨드릴 지지봉의 길이에만 제한 되므로, 이 공정은 유 연성이 높은 공정이라 할 수 있다.
스웨이징에 의해 제조된 제품은 다른 냉간 가공법과 마 찬가지로 소재의 기계적 성질이 개선된다. 보다 우수한 표면정도를 얻고 금형 수명을 늘리 기 위해서는 윤활제가 사용된다.
상온에서는 연성이 부적한 재료는 고온에서 스웨이징을 할 수 있다.
6. 단조금형, 윤활, 결함
(1) 단조용 금형
대부분의 단조, 특히 대형 단조품인 경우에는 열간에서 가공 한다. 따라서 금형 재료에 일반 적으로 요구되는 조건으로는 ⒜고온에서의 강도와인성, ⒝균일하게 경화할 수 있는 능력, ⒞ 기계적 및 열충격에 대한 저항, ⒟ 마모 저항, 특히 열간단조에서 소재에 생기는 스케일에 대한 마보 저항 등을 들 수 있다.
금형 재료를 적절하게 선택하는 데는 금형의 크기, 소내의 조성 및 성질, 셩상의 복잡성, 단 조 온도, 단조 작업의유형, 금형 재료의가격, 생산할 단조품의 수량 등이 고려되어야 한다. 고온의 소재로부터 금형으로 열이 전달되고 이에 따라 금형이 변형되는 것도 중요한 사항이 다.
보통 쓰이는 금형 재료는 공구 및 금형강으로 이는 크롬, 니켈, 몰리부덴, 바나듐을 함유 하고 있다. 금형은 그 자체가 주조된 뒤 단조된 소재로부터 원하는 형상으로 기계 가공된후 마무리 작업으로 표면 다듬질되어 만들어진다.
금형의 파손은 부적절한 열처리, 부적절한 설계, 과열 및 열하중으로 인한 고온 균열, 고도 한 마모, 과부하 등에 기인한다. 열 균열 및 파괴를 줄이려면 금형을 약150-250℃정도로 예 열하여 사용한다.
(2) 윤활제
윤활제는 마찰과 마모에 매우 중요한 영향을 끼치므로, 결국 단조 하중과 금형 공동부 내에 서 소재의 유동에 영향을 준다.
윤활제는 가열된 소재와 상대적으로 온도가 낮은 금형 사이 에서 열을 차단하는 작용을 하여, 소재의 냉각속도를 늦추고, 금속의 유동속도를 개선시켜 준다. 윤활제의 또 다른 중요한 역할은 이형제로 사용되어, 단조품이 금형에 붙는 것을 방지 하고 금형로부터 잘 탈착될 수 있도록 도와주는 것이다.
단조에는 매우 다양한 종류의 윤활제들이 사용된다. 열간 단조에서는, 흑연, 이황화 몰리브 덴 및 유리가 흔히 쓰인다.
냉간 단조에는, 광유나 비눗물이 사용된다. 열간 단조에서는 윤 활제를 금형에 바르고 냉간 단조시에는 소재쪽에 바른다. 윤활제를 사용하는 방법과 윤활막 두께의균일성은 제품의 질에 중요한 영향을 준다.
(3) 단조 제품의 결함
단조 중에 나타나는 표면 결함회에도 금형 내에서 소재 유동의부적절로 인해 다른 종류의 결함이 생길 수 있다. 웨브에서의 재료가 과다하면 다조 중에 좌굴이 생겨 겹침으로 남게 된다. 이러한 결함을 피하려면 웨브가 보다 두꺼워야 한다.
그러나 반대로 웨브 부분이 너무 두꺼우면, 금형 공동부가 미리 채워져서 금형이 밀폐됨에 따라 내부의 재료가 채워진 영역 을 지나서 유동하여 단조품 내부의결함이 될 수 있다.
금형 공동부의 반경은 이러한 결함의 생성에 매우 중요한 영향을 끼친다. 또한, 금형 공동부 내에서의 불균일한 변형, 단조 공정 중 소재의 온도 분포, 상변환에 의한 미세 조직의 변화 등으로도 내부 결합이 발생할 수 있 다.
단조 결함은 제품 사용시에 피로파괴를 야기하거나 부식 및 마모와 같은 문제로 이어진다. 일반적으로 단조품을 사용하기 전에 제품의 검사를 실시하고, 특히 중요한 부분에 사용될 때는 필수적으로 검사를 하여야 한다.
단조품의 결함은 육안으로 판단할 수 있을 정도의 큰 표면 결함이 아니면 내부의 결함은 쉽게 찾아 내기가 힘들다. 따라서 단조 후에는 여러 가 지 검사법을 이용하여 단조품을 검사한다.
① 표면 검사: 단조품의 표면에 생긴 균열, 주름, 재료의 겹핌, 연소 조직, 지나친 스케일과 족 등은 육안으러 검한다.
② 절단 검사: 단조품의 절단하여 내부에 발생한 결함을 검하한다.
③ 부식 검사: 강재 단조품의 결함 검사법으로 널리 쓰이는 방법이다. 가열한 산 영액에 검 사할 시험편을 적당한 시간 동안 당가서 주름, 겹침과 같은 표면 결함이나, 잘라진 단조품의 단면에서 기공, 균열 현석 등의 결함을 검사한다.
④ 비파괴 검사: 단조품을 자르지 않고도 내부 결함을 검사하는 방법으로 이에는 초음파 탐 상 시험, X선 투과 시험, 자기 탐사 시험, 침투 탐상 시험등이 있다. |
|  상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company) |
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