기계재료학 (열네번째시간)

3) 금속 재료의 소성 가공

(1) 열간가공과 냉간가공

 일반적으로 재결정 온도를 중심으로 하여, 이것보다 높은 온도에서의 가공을 열간가공 또는 고온가공 이라 하며, 이때 가공경화현상은 일어나지 않는다. 반대로 낮은 온도에서의 가공을 냉간가공이라 한다. 많은 경우 상온가공과 냉간가공을 같은 뜻으로 사용되고 있으나 Sn, Pb 등의 상온에서의 가공을 냉간가공이라고는 할 수 없다. 냉간가공은 가공 도중에 가공 경화와 내부 응력이 생겨 가공이 어렵게 되므로, 연화와 풀림을 가공 중에 하여야 한다.

 일반적으로 금속재료는 고온이 될수록 변형저항이 감소되어 변형능이 증가되므로 열간 가공은 소성가공을 용이하게 한다. 따라서 공업적인 변형가공은 열간 가공에서 거친 가공을 하고, 냉간 가공에서는 마무리 가공하는 것이 경제적이고 일반적이다.

 예를 들면 냉연강판은 두께 5mm까지는 열간압연을 하고 그다음 공정은 냉간압연하고 있다. 아래 그림은 금속재료의 변형능을 나타내는 연성과 가열온도와의 관계를 3개의 유형으로 나누어 비교한 것이다. 그림(a)는 연강, 동, 알루미늄의 경우로 고온뿐 아니라 실온에 가까운 온도범위에서도 연성이 있으므로 상온에서 소성가공이 가능하다. 그러나 실온에서 가공할 때에는 가공경화로 변형저항이 증가되므로 한번에 큰 변형을 줄 수는 없다. 이에 반해 재결정온도 이상의 온도에서 소성가공하는 경우에는 가공경화와 동시에 풀림작용에 의한 연화형상이 생기므로 변형저항이 감소되어 변형능이 증가로 가공이 쉬워진다. 그러나 Pb, Sn 과 같은 저융점 재료에 있어서는 재결정온도가 실온 가까이 있으므로 그림(b)와 같이 실온에서 용융점 가까이까지 넓은 범위에 걸쳐 연성을 갖고 있어 열간 가공으로 취급하고 있다. 또한 합금강의 경우에는 그림(c)와 같이 실온에서는 거의 연성이 없으므로 용융점 가까운 고온에서의 열간가공이 적용된다.

연성과 가열온도와의 관계 비교

(2) 잔류응력의 영향

① 잔류응력의 발생요인

 금속재료가 외력을 받아 소성변형을 일으킨 다음 외력을 제거하여도 재료의 각부에는 잔류응력이 존재하게 되고 이들의 번형력은 국부적으로 다르게 된다. 또한 잔류응력은 재료가 외부로부터 힘을 받았을 때 뿐만아니라 가열과 냉각 등과 같은 열처리를 받아도 발생하게 된다. 이것은 재료 내부의 온도분포나 금속조직의 변화에 의해 소성변형이 국부적으로 다르기 때문이다.

 보통 재료의 잔류응력으로 문제가 되는 것은 재료의 단면에 걸쳐 평형상태를 유지하고 있는 거시적인 잔류응력이다.

 즉, 압연, 인발, 절삭, 열처리, 주조 그리고 용접 등의 가공에 의해 금속재료에 치수 또는 체적의 변화로 인하여 생긴 것이다. 이와 같은 잔류응력은 금속조직과 밀접한 관련이 있으며, 결정립 또는 결정립간에 있어서 원자의 배열상태의 변화 또는 전위, 친입형 원자 등의 재결합에 따른 미시적인 내부변형에 그 원인이 있는 것이다.

 

② 피로의 영향

 잔류응력은 반복하중에 의한 피로 파괴에 대하여 현저한 영향을 주는 점에 주의하여야 한다. 금속재료의 정적하중에 의한 파괴는 보통 인성파괴로, 이는 정도의 소성변형을 수반한 파괴이나, 피로파괴는 외견상으로는 거의 소성변형을 수반하지 않는 파단형상을 나타낸다. 따라서 피로파괴에서는 잔류응력의 감소 또는 해소가 일어나기 힘들고, 잔류 응력은 외력에 가산되어 재료에 작용하게 된다.

 피로파괴균열은 많은 경우 재료의 표면부근에 발생한다. 이에 따라 균열은 인장응력에의해 일어나는 것으로 여겨지고 있으며, 재료의 표면부근에 압축 잔류응력이 존재하게 되면 외부로부터의 하중에 의해 생기는 인장응력은 이 잔류응력에 상당한 만큼 떨어짐으로 균열은 생기기 힘든 것으로 여겨지고 있다.

 이러한 추측은 많은 실험에 의해 확인되고 있다. 예를 들면 판형 스프링의 표면에 쇼트핀닝을 하던가, 고주파경화로 차축의 표면을 경화하는 등 실용적으로 이용되고 있다.

(3) 금속의 파괴

 금속의 파괴란, 일체인 금속재료가 파면을 형성하여 불리되는 형상이다. 궁극적으로는 원자간 결합이 단절되어 일어나는 것으로, 파단면은 전체 파면이 동시에 형성되지 않고 금속에 따라 갖고 있는 고유의 약점, 또는 소성변형 등에 따라 생기는 파괴열의 발생과 이들의 성장과 관련인자에 의해 형성되는데 그 형상은 매우 복잡하게 나타난다.

다결정체인 금속재료에 있어서는 거시적 형태에서는 연성파괴와 취성파괴로 나눈다.

 금속재료는 외력을 받게 되면 변형되어 가공경화에 따라 변형저항이 커지는데, 외력이 더욱 커지면 파괴된다. 연성이 있는 재료는 파괴되기까지의 소성변형이 크고 파괴전에 극부적 단면수축이 생겨 그 위치에서 파단된다. 그러나 파괴될 때 까지 생기는 소성변형이 작은 금속은 단면수축이 거의 일어나지 않고 돌연 파괴되면서 분리된다. 이와 같은 파괴를 취성파괴라 한다.

 금속의 파괴가 연성적 형식에 의해 이루어지는지 아니면 취성적 파괴가 되느냐는 금속의 종류, 조직 등 금속자체의 성질, 그리고 외력의 종류, 온도, 시험편의 모양, 시험조건 등에 따라 달라진다. 특히 중요한 것은 연성금속의 취성파괴이다. 이밖에도, 반복작용에 의한 피로파괴도 기계재료에서 자주 볼 수 있는 형식의 파괴이다.

 취성파괴는 순간적으로 금속내를 전파하는 파괴이나 피로파괴는 금속내를 서서히 확대되는 형식의 파괴이다. 실제적인 금속파괴의 형식은 연성파괴, 취성파괴, 피로파괴 및 그리프 파괴가 있다.

 그리프 파괴는 금속의 점탄성적 거동에 의한 변형으로, 그 결과에 의해 그리프 파괴가 일어난다. 그리프 및 그리프 파괴는 고온에서 문제가 되는데, 여기에는 립계에서 심한 미끄럼이 일어나는 점성 입계 파괴와 입계에서 분리되는 취성 입계 파괴 등이 포함된다.

 입계 파괴는, 저온에서 입계부식이 생긴 금속에서 생기는데, 입계의 강도가 입자자체의 결합력보다 적을 때의 파괴이다. 금속의 파괴는 파면의 상태로부터 섬유상과 입상으로 구분한다. 또한 금소의 파면은 아래그림의 (a)와 같이 연성의 경우와 그림 (b)와 같은 벽개파면 그리고 그림 (c)와 같은 전단파면이 있다.

파단면의 비교

(4) 소성가공

① 소성가공에 의한 기계적 성질 변화

 소성가공은 주로 금속을 소성변형하여 공업적인 수단으로 활용되는 가공방식이다. 즉 필요로 하는 제품을 생산하기 위한 수단으로 절삭가공과 용접등을 제외한 모든 소성변형을 수반하는 가공이다. 금속을 냉간가공하면 금속결정의 내부에 원자공공과 같은 결함이 증가하므로 다음과 같이 물리적 기계적 성질이 변화한다.

 

㉠ 가공경화에 의하여 금속은 경도와 항복강도가 증가하나 연신은 감소한다. 즉 강도는 증가하나 인성은 저하한다.

㉡ 가공에 의하여 결정 내에 원자공공이 있으면 거기에서 자유전자가 산란되기 때문에 전기의 전도, 즉 자유전자의 이동이 방해되어 전기저항이 증가한다.

㉢ 가공에 의한 원자공공의 증가 때문에 부피가 증가하므로 미미하지만 밀도가 감소한다.

 

 가공도란 금속재료가 원래의 형상에 대하여 변형된 비율이다. 예를 들면 압연의 경우에는 원래의 판의 두께에 대한 가공 후 판 두께의 감소율을 표시한 값이다. 가공에 의한 금속의 성질 변화는 특히 강도의 증가라는 점에서 실용적 가치가 주요하다. 실제로 금속 재료는 가공하여 강화한 상태로 사용하는 예가 많다. 소성가공은 공업적으로 금속의 성질을 변화시킨다는 목적보다는 금속재료에 필요로 하는 모양과 크기를 부여하는 목적에 이용되는 경우가 더 많다.

 

② 주요 소성가공법

 소성변형을 응용한 가공법에는 그림과 같이 압연, 압출, 인발, 프레스가공, 단조 등이 있으며 이들 가공법을 총칭하여 소성가공이라 한다.

 압연가공은 회전하는 두 개 이상의 롤 사이에 금속재료의 소재를 통과시켜 성형하는 방법이며 판재의 제조에 이용된다. 적당한 공형을 가진 롤을 사용하면 봉, 관, 형재, 레일 등도 만들 수 있다. 압출가공은 소재를 다이의 구멍에 밀어넣어 성형하는 방법이며, 봉, 관, 형재 등의 제조에 이용된다. 인발가공은 소재를 다이의 구멍을 통해 뽑아내어 성형하는 방법으로 단면적이 작은 봉, 관, 선 등의 제조에 이용된다. 프레스 가공은 파재를 펀치를 다이 사이에 압축하여 성형하는 방법이다. 이 가공법은 다시 전단가공, 굽힘가공, 디프드로잉, 압축가공 등으로 분류된다. 단조를 괴상의 금속소재를 고온에서 가압하여 필요한 모양으로 성형하는 자유단조와 소재를 형 안에 넣고 필요한 형태로 성형하는 형단조가 있다.

 소성가공의 특징은 정확하고 균일한 제품을 높은 생산능률로 제조할 수 있다. 소성가공의 목적에는 소재를 가공 생산하는 단계와 소재를 가지고 2차 가공에 의해 제품을 생산하는 두 가지 단계가 있다. 예를 들면 압연에 의해 얇은 판을 대량으로 생산하고 이것을 가지고 자동차의 몸체, 문짝 및 각종 용기등을 프레스에서 생산하는 것으로 생산성이 매우 높아 규격품의 대량 생산에 많이 응용되고 있다.

 소성가공의 또 다른 특징으로는 가공경화에 의해 경도와 강도를 높이는 등 성형과 동시에 재료의 성질을 개량시킬 수 있는 장점이 있다.

주요 소성가공법