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단금

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목차

1. 개요

단조는 금속을 망치나 프레스 등으로 두드려 원하는 형태로 만드는 금속 가공법이다. 가장 오래된 금속 가공법 중 하나로, 고대부터 금, 은, 구리 등 다양한 금속에 적용되었으며, 철기 시대 도래에도 기여했다. 현대에는 기계식 프레스나 해머를 사용하여 티타늄, 알루미늄 합금 등 다양한 금속 및 합금을 가공하며, 산업 전반에 걸쳐 널리 사용된다. 단조는 가공 온도, 금형 사용 여부, 금속 접합 방식에 따라 분류되며, 기공 감소, 피로 저항 증가, 결정립 흐름 개선 등의 장점을 가진다.

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단금
개요
대장장이와 조수
대장장이와 조수
정의금속을 가열하고 망치질, 프레스, 압연 등의 방법으로 원하는 형태로 만드는 제조 공정
관련 직업대장장이
특징
장점금속의 결정 조직을 미세화하여 강도와 인성을 향상시킬 수 있음
복잡한 형상의 제품을 비교적 쉽게 제작 가능
재료의 낭비가 적음
단점대량 생산에는 부적합
숙련된 기술 필요
소음과 진동 발생
단조 방법
가열 방식에 따른 분류열간 단조: 금속의 재결정 온도 이상으로 가열하여 단조
냉간 단조: 상온에서 단조
작업 방식에 따른 분류자유 단조: 특별한 금형 없이 망치나 프레스로 가압하여 성형
형단조: 금형을 사용하여 정밀한 형상으로 성형
기계 장치에 따른 분류해머 단조: 해머를 사용하여 충격력을 가하여 성형
프레스 단조: 프레스를 사용하여 서서히 압력을 가하여 성형
업세팅: 금속의 축 방향으로 압축하여 단면적을 증가시키는 단조 방법
단조 공정
준비재료 준비
가열 (열간 단조의 경우)
금형 준비 (형단조의 경우)
단조 작업망치질, 프레스, 압연 등으로 성형
후처리열처리
표면 처리
정밀 가공
단조 제품
산업 분야자동차 부품 (크랭크 축, 커넥팅 로드 등)
항공기 부품 (엔진 부품, 랜딩 기어 등)
건설 기계 부품 (굴삭기 부품, 불도저 부품 등)
일반 기계 부품 (기어, 샤프트 등)
기타수공구 (망치, 렌치 등)
칼
장신구
참고 자료
관련 링크【鍛造事典】鍛造の種類Ⅰ（金型および変型方式・加工温度）
Forging: The Early Years

2. 역사

못을 단조하는 모습. 체코, 발라셰 민속 박물관


단조는 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나이다.[1] 전통적으로 단조는 망치와 모루를 사용하여 대장장이가 수행했지만, 12세기에 철의 생산과 가공에 수력을 도입하면서 대량의 철을 생산하고 단조할 수 있는 대형 트립 해머 또는 동력 해머의 사용이 가능해졌다. 대장간 또는 제철소는 수세기에 걸쳐 엔지니어링된 공정, 생산 설비, 도구, 원자재 및 현대 산업의 요구를 충족하는 제품을 갖춘 시설로 발전했다.

현대에는 산업 단조가 기계식 프레스 또는 압축 공기, 전기, 유압 또는 증기로 구동되는 해머로 수행된다. 이 해머는 수천 파운드의 왕복 중량을 가질 수 있다. 소형 동력 해머(500파운드 이하의 왕복 중량) 및 유압 프레스도 예술 대장간에서 흔히 사용된다. 일부 증기 해머는 여전히 사용되고 있지만, 다른 더 편리한 동력원의 사용 가능성으로 인해 구식이 되었다.

금속을 두드리는 가공법은 고대부터 천연의 금, 은, 구리로 행해졌으며, 철도 니켈을 많이 포함하는 운석을 소재로 두드려 가공되었다.[52] 단조는 가장 오래된 금속 가공법이다.[52] 고대 이집트에서 기원전 3000년경에 제작된 운석제로 보이는 철환 목걸이가 발견되었다.[52] 기원전 15세기경에는 히타이트가 숯을 사용한 철의 환원·가열 단조 기술을 발명하여[55], 기원전 1200년의 재앙을 거쳐 인류 역사에 철기 시대가 도래한다. 산업 혁명이 일어나는 18세기까지 주철은 무른 것으로 여겨졌기 때문에 두드려 만드는 단조품의 철이 귀하게 여겨졌다.[52]

오늘날에는 단조는 구리나 철에 국한되지 않고, 티타늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 니켈 등 다양한 금속 및 합금의 가공 제품화를 위해 사용되고 있다.

2. 1. 고대



단조는 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나이다.[1] 금속을 두드리는 가공법은 고대부터 천연의 금, 은, 구리로 행해졌으며, 철도 니켈을 많이 포함하는 운석을 소재로 두드려 가공되었다.[52] 고대 이집트에서 기원전 3000년경에 제작된 운석제로 보이는 철환 목걸이가 발견되었다.[52] 기원전 15세기경에는 히타이트가 숯을 사용한 철의 환원·가열 단조 기술을 발명하여[55], 기원전 1200년의 재앙을 거쳐 인류 역사에 철기 시대가 도래한다. 전통적으로 단조는 망치와 모루를 사용하여 대장장이가 수행했지만, 12세기에 철의 생산과 가공에 수력을 도입하면서 대량의 철을 생산하고 단조할 수 있는 대형 트립 해머 또는 동력 해머의 사용이 가능해졌다. 산업 혁명이 일어나는 18세기까지 주철은 무른 것으로 여겨졌기 때문에 두드려 만드는 단조품의 철이 귀하게 여겨졌다.[52]

2. 2. 중세 및 근대



단조는 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나이다.[1] 전통적으로 단조는 망치와 모루를 사용하여 대장장이가 수행했다. 12세기에 철의 생산과 가공에 수력을 도입하면서 대량의 철을 생산하고 단조할 수 있는 대형 트립 해머 또는 동력 해머의 사용이 가능해졌다. 대장간 또는 제철소는 수세기에 걸쳐 엔지니어링된 공정, 생산 설비, 도구, 원자재 및 현대 산업의 요구를 충족하는 제품을 갖춘 시설로 발전했다.

금속을 두드리는 가공법은 고대부터 천연의 금, 은, 구리로 행해졌으며, 철도 니켈을 많이 포함하는 운석을 소재로 두드려 가공되었다[52]。 단조는 가장 오래된 금속 가공법이다[52]。 고대 이집트에서 기원전 3000년경에 제작된 운석제로 보이는 철환 목걸이가 발견되었다[52]。 기원전 15세기경에는 히타이트가 숯을 사용한 철의 환원·가열 단조 기술을 발명하여[55], 기원전 1200년의 재앙을 거쳐 인류 역사에 철기 시대가 도래한다. 산업 혁명이 일어나는 18세기까지 주철은 무른 것으로 여겨졌기 때문에 두드려 만드는 단조품의 철이 귀하게 여겨졌다.[52]

2. 3. 현대

현대에는 산업 단조가 기계식 프레스 또는 압축 공기, 전기, 유압 또는 증기로 구동되는 해머로 수행된다.[1] 이 해머는 수천 파운드의 왕복 중량을 가질 수 있다. 소형 동력 해머(500파운드 이하의 왕복 중량) 및 유압 프레스도 예술 대장간에서 흔히 사용된다. 일부 증기 해머는 여전히 사용되고 있지만, 다른 더 편리한 동력원의 사용 가능성으로 인해 구식이 되었다.

오늘날 단조는 구리나 철에 국한되지 않고, 티타늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 니켈 등 다양한 금속 및 합금의 가공 제품화를 위해 사용되고 있다.

2. 4. 한국의 단조 역사

단조는 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나이다.[1] 금속을 두드리는 가공법은 고대부터 천연의 금, 은, 구리로 행해졌으며, 철도 니켈을 많이 포함하는 운석을 소재로 두드려 가공되었다.[52] 고대 이집트에서 기원전 3000년경에 제작된 운석제로 보이는 철환 목걸이가 발견되었다.[52]

전통적으로 단조는 망치와 모루를 사용하여 대장장이가 수행했지만, 12세기에 철의 생산과 가공에 수력을 도입하면서 대량의 철을 생산하고 단조할 수 있는 대형 트립 해머 또는 동력 해머의 사용이 가능해졌다. 제철소는 수세기에 걸쳐 엔지니어링된 공정, 생산 설비, 도구, 원자재 및 현대 산업의 요구를 충족하는 제품을 갖춘 시설로 발전했다. 기원전 15세기경에는 히타이트가 숯을 사용한 철의 환원·가열 단조 기술을 발명하여[55], 기원전 1200년의 재앙을 거쳐 인류 역사에 철기 시대가 도래한다. 산업 혁명이 일어나는 18세기까지 주철은 무른 것으로 여겨졌기 때문에 두드려 만드는 단조품의 철이 귀하게 여겨졌다.[52]

현대에는 산업 단조가 기계식 프레스 또는 압축 공기, 전기, 유압 또는 증기로 구동되는 해머로 수행된다. 이 해머는 수천 파운드의 왕복 중량을 가질 수 있다. 소형 동력 해머(500파운드 이하의 왕복 중량) 및 유압 프레스도 예술 대장간에서 흔히 사용된다. 일부 증기 해머는 여전히 사용되고 있지만, 다른 더 편리한 동력원의 사용 가능성으로 인해 구식이 되었다. 오늘날에는 단조는 구리나 철에 국한되지 않고, 티타늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 니켈 등 다양한 금속 및 합금의 가공 제품화를 위해 사용되고 있다.

3. 단조의 분류

단조(Forging)로 제작된 커넥팅 로드(connecting rod)의 단면을 산업적 에칭(industrial etching)하여 결정립 흐름을 보여주는 모습


다양한 종류의 단조 공정이 존재하지만, 크게 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있다:[1]

  • 인발: 길이 증가, 단면 감소
  • 업셋: 길이 감소, 단면 증가
  • 폐쇄형 압축 다이에서 압착: 다방향 흐름 생성


일반적인 단조 공정에는 롤 단조, 스웨이징(swaging), 코깅(cogging), 자유 단조, 형 단조(폐쇄 다이 단조), 프레스 단조, 냉간 단조, 자동 열간 단조, 업셋 등이 있다.[1][3]

크게 다음으로 대별된다.[50]

  • '''형단조'''(die forging) - 단조용 금형을 사용하여 단조한다. 비교적 형상이 간단한 제품에 채용되기 쉽고, 초기 투자가 고가이므로 대량 생산에 적합하다.
  • '''자유 단조'''(free forging) - 가공물을 지그 등에 세팅하고, 해머 등으로 성형한다. 초기 투자는 비교적 저렴하게 들지만 숙련된 기술이 필요하며, 소량 생산이나 대형 제품의 가공에 적합하다.


가공 재료의 온도에 따라 다음과 같이 분류된다[50]。

  • '''열간 단조'''(hot forging) - 소재의 변형 저항을 감소시키기 위해 재결정 온도 이상의 고온으로 가열하여 부드러운 상태로 가공·성형한다. 단조선이 정돈되기 때문에 대형 제품이나 고강도 재료의 제조에 적합하다.
  • '''냉간 단조'''(cold forging) - 상온에서 가공을 실시한다. 가공에 필요한 에너지와 시간이 열간 단조보다 절약되지만, 변형에 필요한 힘이 열간 단조보다 크다. 또한, 완성된 제품의 치수 정밀도가 열간 단조보다 우수하고, 표면이 매끄럽게 마무리된다.
  • '''온간 단조''' - 약 600~900℃에서 가공. 열간 단조와 마찬가지로 인성을 높이는 동시에, 냉간 단조보다 작은 하중으로 단조하는 것을 목적으로 하는 공법.
  • '''용탕 단조''' - 주조와 단조의 융합 공법. 응고 수축에 의한 주조 결함의 발생을 막기 위해 반응고 상태에서 가압한다.

3. 1. 가공 온도에 따른 분류

금속의 단조 공정은 일반적으로 금속 온도가 재결정 온도보다 높은지 낮은지에 따라 분류된다.[4] 온도가 재료의 재결정 온도보다 높으면 '''열간 단조'''로 간주된다. 열간 단조의 주요 장점은 더 빠르고 정밀하게 수행할 수 있으며, 금속이 변형됨에 따라 가공 경화 효과가 재결정 과정에 의해 상쇄된다는 것이다.[5][6] 열간 단조는 소재의 변형 저항을 감소시키기 위해 재결정 온도 이상의 고온으로 가열하여 부드러운 상태로 가공·성형한다. 단조선이 정돈되기 때문에 대형 제품이나 고강도 재료의 제조에 적합하다.[50]

온도가 재료의 재결정 온도보다 낮지만 재결정 온도의 30% (절대 척도 기준)보다 높으면 '''온간 단조'''로 간주되며, 재결정 온도의 30% 미만 (보통 실온)이면 '''냉간 단조'''로 간주된다.[4] 냉간 단조는 일반적으로 제품의 가공 경화를 초래한다.[5][6] 냉간 단조는 상온에서 가공을 실시한다. 가공에 필요한 에너지와 시간이 열간 단조보다 절약되지만, 변형에 필요한 힘이 열간 단조보다 크다. 또한, 완성된 제품의 치수 정밀도가 열간 단조보다 우수하고, 표면이 매끄럽게 마무리된다.[50] 온간 단조는 약 600~900℃에서 가공하며, 열간 단조와 마찬가지로 인성을 높이는 동시에, 냉간 단조보다 작은 하중으로 단조하는 것을 목적으로 한다.[50]

근접 순형 단조는 슬러그, 바 또는 빌렛을 가열하지 않고 부품을 단조할 때 가장 일반적이다. 알루미늄은 최종 형상에 따라 냉간 단조가 가능한 일반적인 재료이다. 성형되는 부품의 윤활은 짝을 이루는 다이의 수명을 연장하는 데 중요하다.

용탕 단조는 주조와 단조의 융합 공법이다. 응고 수축에 의한 주조 결함의 발생을 막기 위해 반응고 상태에서 가압한다.[50]

3. 2. 금형 사용 여부에 따른 분류

금형 사용 여부에 따라 단조는 크게 자유 단조와 형 단조(밀폐형 단조)로 나뉜다.[50]

자유 단조는 금형을 사용하지 않고, 해머나 앤빌이라고 불리는 평면 또는 곡면 도구를 사용하여 재료에 압력을 가해 늘이기, 솟아오르기, 구멍 뚫기, 자르기, 절단 등의 작업을 수행하여 목적하는 형상으로 가공하는 방법이다.[50] 대장장이가 앤빌 위에서 망치를 휘두르는 일본도 제작이 자유 단조의 예시이며, 공업 제품에서는 선박용 크랭크축(열간 단조), 발전용 터빈 발전기 로터, 원자로 압력 용기, 압연 롤 등 대형 단조품의 일품 생산에 이용된다.[50] 대형 자유 단조에는 1만 4천 톤급 대형 유압 프레스가 사용되기도 한다.[51] 자유 단조는 금속 내부 공간을 없애고 결정을 미세화하며 결정 방향을 정돈하여 강도를 높인다.[52] 특히 정련을 주된 목적으로 단조된 철은 "강"(はがね, 칼날에 사용하는 금속을 의미하는 칼날에서 유래)이라고 불린다. 자유 단조는 다이(die)가 공작물을 완전히 둘러싸지 않아 재료가 자유롭게 흐를 수 있도록 하며, 작업자는 원하는 모양을 얻기 위해 공작물 방향을 조정해야 한다.[7] 다이는 보통 평평하지만 특수 작업을 위해 둥글거나 오목한 표면을 갖기도 한다.[8] 디스크, 허브, 블록, 샤프트, 슬리브, 실린더 등 다양한 형태로 가공할 수 있으며,[9] 소량 생산, 예술적인 대장장이 작업, 맞춤형 작업에 적합하다. 잉곳의 거친 형상을 만들거나 재료 결정립을 정렬하여 강도를 높이는 데에도 사용된다.[8]

금형 단조 프레스 기계


단조 에어 해머


형 단조는 상하 1조의 금형 사이에 재료를 넣고 기계로 눌러 목표한 형상으로 가공하는 방법으로, 동일한 형상의 제품을 대량 생산하는 데 적합하며 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있고 신속하게 성형 가공을 할 수 있다.[50] 자동차 차체, 가전제품 케이스, 금속 가구, 금속 용기 등 대량 생산에 활용된다. 형 단조는 "밀폐형 단조"라고도 불리며, 금속을 금형과 비슷한 금형에 넣고 해머를 떨어뜨려 금형 캐비티를 채우도록 한다. 과도한 금속은 "플래시"를 형성하며, 이는 나중에 제거된다. 상업적 단조에서는 일반적으로 공작물을 여러 캐비티를 통해 이동시켜 최종 형태로 만든다. 초기 비용은 높지만 각 부품의 반복 비용이 적어 대량 생산에 경제적이며, 자동차 및 공구 산업에서 주로 사용된다. 단조품은 동일 재료의 주조 또는 가공 부품보다 약 20% 더 높은 강도 대 중량 비율을 갖는다. 조직이 치밀해지고 주조에 비해 주조 결함(공동)이 생기기 어려우며, 단조선이 연속되므로 반복 굽힘 응력에 강하고, 재료 낭비가 적다는 장점이 있다.

형 단조의 변형으로 "플래시리스 단조"가 있는데, 이는 금형 캐비티가 완전히 닫혀 플래시 형성을 방지한다. 금속 손실을 줄일 수 있지만, 복잡한 금형 설계로 인한 추가 비용과 정밀한 윤활 및 공작물 배치가 필요하다.

3. 3. 기타 단조 방법

업셋 단조는 공작물의 길이를 압축하여 지름을 증가시키는 공정이다.[17] 생산되는 부품의 수에 따르면, 업셋 단조는 가장 널리 사용되는 단조 공정이다.[17] 일반적인 부품으로는 엔진 밸브, 커플링, 볼트, 나사 및 기타 패스너가 있다. 업셋 단조는 보통 ''크랭크 프레스''라는 특수 고속 기계에서 수행되지만, 수직 크랭크 프레스 또는 유압 프레스에서도 수행할 수 있다. 초기 공작물은 와이어 또는 봉 형태이며, 일부 기계는 지름이 25cm이고 용량이 1,000톤 이상인 바를 수용할 수 있다. 표준 업셋 기계는 여러 개의 캐비티를 포함하는 분할 다이를 사용하며, 다이가 닫힌 후 헤딩 공구 또는 램이 막대에 대해 종방향으로 이동하여 캐비티로 업셋한다. 모든 캐비티가 매 사이클마다 사용되는 경우, 매 사이클마다 완성된 부품이 생산되므로 대량 생산에 유리하다.[17]

업셋 단조를 위한 부품 설계 규칙은 다음과 같다:[18]

  • 지지되지 않은 금속의 길이는 한 번의 타격으로 업셋할 때 막대 지름의 세 배로 제한해야 한다.
  • 주식 길이의 3배보다 큰 길이는 업셋의 지름이 주식 지름의 1.5배를 넘지 않는 경우 성공적으로 업셋될 수 있다.
  • 주식 길이의 3배보다 큰 주식 길이를 필요로 하고, 캐비티의 지름이 주식 지름의 1.5배를 넘지 않는 업셋에서 다이 면을 넘어 지지되지 않은 금속의 길이는 막대 지름을 초과해서는 안 된다.


자동 열간 단조 공정은 한쪽 끝에 상온의 강철 봉(일반적으로 7m 길이)을 공급하여 다른 쪽 끝에서 열간 단조 제품이 나오도록 한다. 작은 부품은 분당 180개, 더 큰 부품은 분당 90개의 속도로 만들 수 있으며, 최대 6kg, 지름 18cm까지 가능하다. 이 공정은 높은 생산 속도와 저렴한 재료 사용, 적은 노동력, 재료 절감 효과(20~30%), 일정한 제품 온도(1050°C)로 인한 쉬운 가공성, 우수한 공차(±0.3mm), 깨끗한 표면, 작은 테이퍼 각도(0.5~1°), 긴 공구 수명 등의 장점을 가진다. 단점은 작은 대칭 부품에만 적합하고 초기 투자 비용이 높다는 점이다.[19] 이 공정은 고출력 유도 코일로 막대를 1200~1300°C로 가열한 후, 롤러로 스케일을 제거하고 블랭크로 전단하여 여러 단계를 거친다. 고속 냉간 성형 작업과 결합하여 냉간 가공의 장점을 얻을 수도 있다.[20] 휠 허브 유닛 베어링, 변속기 기어, 테이퍼 롤러 베어링 레이스, 스테인리스강 커플링 플랜지, 액화 프로판(LP) 가스 실린더용 넥 링 등이 이 공정으로 만들어진다.[21]

롤 단조는 둥글거나 평평한 봉재의 두께를 줄이고 길이를 늘리는 공정으로, 하나 이상의 홈이 있는 두 개의 원통형 또는 반원통형 롤을 사용한다. 가열된 봉재를 롤 사이에 삽입하고 회전시키면서 점차 성형한다. 이 공정은 플래시가 없고, 가공물에 유리한 결정립 조직을 부여한다는 장점이 있다.[23] 차축, 테이퍼 레버 및 판 스프링이 이 방법으로 생산된다.

정밀 단조는 단조 후 공정과 관련된 비용 및 폐기물을 최소화하는 공정으로, 최종 제품은 최종 가공이 거의 또는 전혀 필요하지 않다. 더 적은 재료 사용, 에너지 사용량 감소, 가공 감소 또는 제거를 통해 비용을 절감할 수 있다. 정밀 단조는 1°에서 0°의 더 작은 테이퍼를 필요로 한다. 단점은 비용이 많이 든다는 점이다.[24]

유도 단조는 사용되는 가열 방식에 기반하며, 위에 언급된 많은 공정들이 이 가열 방식과 함께 사용될 수 있다.

다방향 단조는 여러 방향으로 한 번에 공작물을 성형하는 것으로, 공구의 구조적 조치를 통해 프레스 램의 수직 운동을 웨지를 사용하여 재분배하고 단조 프레스의 힘을 수평 방향으로 재지향한다.[25]

등온 단조는 재료와 금형을 동일한 온도로 가열하는 공정이다. 단열 가열은 재료의 변형을 돕고, 변형률이 고도로 제어된다. 알루미늄 단조에 일반적으로 사용되며, 알루미늄의 단조 온도는 430°C 정도인 반면, 강철 및 초합금은 930~1260°C일 수 있다. 낮은 가공 요구 사항, 부품의 재현성, 열 손실이 적어 더 작은 기계 사용 가능 등의 장점이 있다. 단점으로는 높은 금형 재료 비용, 균일 가열 시스템 필요, 보호 분위기 또는 진공 필요, 낮은 생산율 등이 있다.

크게 형단조와 자유 단조로 나뉜다.[50]

  • '''형단조'''(die forging)는 단조용 금형을 사용하여 단조하며, 대량 생산에 적합하다.
  • '''자유 단조'''(free forging)는 가공물을 지그 등에 세팅하고 해머 등으로 성형하며, 소량 생산이나 대형 제품의 가공에 적합하다.

4. 단조의 장점

단조는 다음과 같은 장점을 가진다.


  • 기공 감소[10]
  • 더 나은 피로 저항[10]
  • 개선된 미세 구조[10]
  • 연속적인 결정립 흐름[10]
  • 더 미세한 결정립 크기[10]
  • 더 높은 강도[10]
  • 열처리에 대한 더 나은 반응[11]
  • 내부 품질 향상[10]
  • 기계적 특성, 연성 및 충격 저항의 신뢰성 증가[10]


"코깅"은 오픈 다이 단조를 사용하여 막대 재료를 길이 방향으로 연속적으로 변형시키는 공정이다. 이것은 일반적으로 원자재를 적절한 두께로 가공하는 데 사용된다. 적절한 두께가 달성되면 "엣징"을 통해 적절한 폭을 얻는다.[12] "엣징"은 오목한 모양의 오픈 다이를 사용하여 재료를 집중시키는 공정이다. 이 공정은 일반적으로 공작물의 가장자리에서 수행되기 때문에 "엣징"이라고 불린다. "풀러링"은 볼록한 모양의 다이를 사용하여 단조품의 단면을 얇게 만드는 유사한 공정이다. 이러한 공정은 추가적인 단조 공정을 위해 공작물을 준비한다.[13]

엣징


동일한 형태의 제품을 신속하게 성형 가공하여 대량 생산할 수 있으며, 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있다. 자동차 차체, 가전제품 케이스, 금속 가구, 금속 용기 등 사회생활에 필수적인 제품이 형단조에 의해 대량 생산되고 있다.

조직이 치밀해지고, 주조에 비해 주조 결함(공동)이 생기기 어려워 인장 강도와 경도가 우수한 소재를 만들 수 있다. 소재도 최종 형상에 가까운 형태로 마감되므로 절삭이나 주조, 분말 야금 등의 방법보다 후공정인 절삭 및 연마를 비교적 생략하거나 간략화할 수 있다. 또한, 부품 형상에 맞춰 단조선 (fiber flow, metal flow)이 연속되므로 반복 굽힘 응력에 강하다. 게다가, 성형 금형에 맞춰 필요한 소재량을 사전에 산출하여 준비하는 방법이기 때문에 절삭, 주조, 분말 야금 등보다 재료가 적게 든다. 이 때문에 대량 생산에도 적합하다.

5. 단조 설비



가장 흔한 유형의 단조 장비는 해머와 앤빌이다. 해머와 앤빌의 원리는 오늘날에도 ''드롭 해머'' 장비에 사용된다. 이 기계의 원리는 간단하다. 해머를 들어 올려 앤빌 위에 놓인 공작물에 떨어뜨리거나 밀어 넣는 것이다. 드롭 해머의 주요 차이점은 해머의 동력 방식에 있는데, 가장 흔한 방식은 공기 해머와 증기 해머이다. 드롭 해머는 일반적으로 수직 위치에서 작동한다. 이는 열이나 소리로 방출되지 않는 과도한 에너지(공작물을 변형하는 데 사용되지 않는 에너지)를 기초로 전달해야 하기 때문이다. 또한 충격을 흡수하기 위해 대형 기계 베이스가 필요하다.[8]

드롭 해머의 몇 가지 단점을 극복하기 위해 ''카운터블로우 기계'' 또는 ''임팩터''가 사용된다. 카운터블로우 기계에서는 해머와 앤빌이 모두 움직이며 공작물이 그 사이에 위치한다. 여기서 과도한 에너지는 반동이 된다. 이를 통해 기계가 수평으로 작동하고 더 작은 베이스를 가질 수 있다. 다른 장점으로는 소음, 열, 진동 감소가 있다. 또한 뚜렷하게 다른 흐름 패턴을 생성한다. 이 두 기계는 모두 오픈 다이 또는 클로즈 다이 단조에 사용할 수 있다.[35]

현대의 단조에서는 다음과 같은 단조 기계가 사용된다.

5. 1. 단조 프레스

프레스 단조는 해머 단조와 달리 지속적인 압력을 가하여 작동하며, 냉간 또는 열간 방식으로 수행할 수 있다.[16] 해머 단조는 공작물의 표면만 변형시키는 반면, 프레스 단조는 공작물 전체를 변형시킬 수 있다는 장점이 있다.[16] 또한, 프레스 단조는 변형률을 알 수 있고 압축 속도를 제어하여 내부 변형을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 공작물이 다이와 오랜 시간 접촉하면서 냉각되어 균열이 발생할 수 있으므로, 열간 다이를 사용하거나 공작물을 다시 가열해야 하는 경우도 있다.[16] 고생산성으로 수행할 때 프레스 단조는 해머 단조보다 경제적이며, 더 좁은 공차를 생성한다.[16] 프레스 단조 기계는 크기 제한이 없어 어떤 크기의 부품도 제작할 수 있으며, 새로운 프레스 단조 기술은 높은 수준의 기계적 및 방향적 무결성을 생성하여 완제품의 미세 균열 수준을 감소시킨다.[16]

프레스 단조는 오픈 다이 단조 및 폐쇄 다이 단조 등 모든 유형의 단조에 사용 가능하다.[17] 폐쇄 다이 프레스 단조는 해머 단조보다 드래프트가 덜 필요하고 치수 정확도가 우수하며, 자동화가 용이하다.[17]

단조 프레스는 크게 기계식과 유압식으로 나뉜다. 기계식 프레스는 캠, 크랭크 및/또는 토글을 사용하여 스트로크를 생성하며, 유압식 프레스보다 빠르다. 유압식 프레스는 유체 압력과 피스톤을 사용하여 힘을 발생시키며, 유연성과 용량이 크지만 느리고 비용이 많이 든다.

롤 단조, 업세팅 및 자동 열간 단조 공정은 모두 특수 기계를 사용한다.

잉곳 크기별 대형 단조 프레스 목록
힘
(톤s)		잉곳 크기
(톤s)		회사위치
16,500600상하이 전기 그룹(Shanghai Electric Group)상하이, 중국
16,000600중국 국가 얼중 그룹(China National Erzhong Group)더양, 중국
14,000600일본 제강소(Japan Steel Works)일본
15,000580중국 제일 중공업 그룹(China First Heavy Industries Group)헤이룽장, 중국
13,000두산중공업(Doosan Heavy Industries & Construction)대한민국



힘별 대형 단조 프레스 목록
힘
(톤s)		힘
(톤s)		잉곳 크기
(톤s)		회사위치
80,000(88,200)>150중국 국가 얼중 그룹(China Erzhong)더양, 중국
75,000(82,690)VSMPO-AVISMA러시아
65,000(71,660)오베르 & 뒤발(Aubert & Duval)이수아르, 프랑스
53,500(60,000)웨버 메탈스(Weber Metals, Inc.)캘리포니아, 미국
(45,350)50,00020알코아 50,000톤 단조 프레스(Alcoa 50,000 ton forging press)
알코아(Alcoa), 와이먼 고든(Wyman Gordon)		미국
40,000(44,100)오베르 & 뒤발(Aubert & Duval)파미에, 프랑스
30,000(33,080)8와이먼 고든(Wyman Gordon)리빙스턴, 스코틀랜드
30,000(33,070)웨버 메탈스(Weber Metals, Inc.)캘리포니아, 미국
30,000(33,070)호우멧 에어로스페이스(Howmet Aerospace)조지아, 미국



주로 사용되는 단조 프레스는 다음과 같다:


  • 유압식 프레스: 냉간 단조에 주로 사용된다.
  • 기계식 프레스: 전기·전자 기기나 자동차 부품 등 대량 생산에 사용된다.
  • 트랜스퍼 프레스: 다양한 제품을 자동으로 단조 가공할 수 있는 대형 프레스 기계이다.

5. 2. 해머



가장 흔한 유형의 단조 장비는 해머와 앤빌이다. 해머와 앤빌의 원리는 오늘날에도 ''드롭 해머'' 장비에 사용된다. 이 기계의 원리는 간단하다. 해머를 들어 올려 앤빌 위에 놓인 공작물에 떨어뜨리거나 밀어 넣는 것이다. 드롭 해머의 주요 차이점은 해머의 동력 방식에 있는데, 가장 흔한 방식은 공기 해머와 증기 해머이다. 드롭 해머는 일반적으로 수직 위치에서 작동한다. 이는 열이나 소리로 방출되지 않는 과도한 에너지(공작물을 변형하는 데 사용되지 않는 에너지)를 기초로 전달해야 하기 때문이다. 또한 충격을 흡수하기 위해 대형 기계 베이스가 필요하다.[8]

드롭 해머의 몇 가지 단점을 극복하기 위해 ''카운터블로우 기계'' 또는 ''임팩터''가 사용된다. 카운터블로우 기계에서는 해머와 앤빌이 모두 움직이며 공작물이 그 사이에 위치한다. 여기서 과도한 에너지는 반동이 된다. 이를 통해 기계가 수평으로 작동하고 더 작은 베이스를 가질 수 있다. 다른 장점으로는 소음, 열, 진동 감소가 있다. 또한 뚜렷하게 다른 흐름 패턴을 생성한다. 이 두 기계는 모두 오픈 다이 또는 클로즈 다이 단조에 사용할 수 있다.[35]

주로 에어 해머와 스프링 해머가 사용된다. 에어 해머는 압축 공기로 해머를 상하로 움직여 재료를 두드리는 기계로, 주로 열간 단조에 사용된다. 스프링 해머는 모터의 동력을 벨트와 크랭크를 통해 전달하여 해머 헤드의 활을 상하로 움직이는 기계로, 단접이 완료된 강재를 늘리는 목적으로 사용되는 경우가 많다.

6. 단접

단접은 금속을 접합하는 기술 중 하나로, 압력을 가하여 접합면을 밀착시켜 일체화시키는 기법이다.[56][57][58] 대표적인 예로, 칼을 제조할 때 강과 연철을 단접하는 기법이 있다. 수도관이나 배수관에 사용되는 강관을 제조할 때 띠 모양의 강재를 둥글게 말아 접합부를 단접하기도 한다.[56][57][58]

6. 1. 한국의 단접 기술

단접은 금속을 접합하는 기술 중 하나로, 압력을 가하여 접합면을 밀착시켜 일체화시키는 기법이다.[56][57][58] 대표적인 예로, 칼을 제조할 때 강과 연철을 단접하는 기법이 있다. 수도관이나 배수관에 사용되는 강관을 제조할 때 띠 모양의 강재를 둥글게 말아 접합부를 단접하기도 한다.[56][57][58]

7. 응용 분야

강철 단조는 성형 온도에 따라 열간 단조, 온간 단조, 냉간 단조로 나눌 수 있다.[26] 열간 단조는 950–1250 °C 사이에서 이루어지며 우수한 성형성과 낮은 성형력을 가진다. 온간 단조는 750–950 °C 사이에서 이루어지며, 열간 단조보다 좁은 공차를 달성할 수 있지만, 더 높은 성형력이 필요하다. 냉간 단조는 상온에서 이루어지며, 가장 좁은 공차를 달성할 수 있지만, 낮은 성형성과 높은 성형력이 필요하다.[26]

대형 산업용 챔버 용광로에 재가열을 위해 적재되는 강철 단조 빌릿(빛을 발하며 뜨겁게 달아오름)


산업 공정에서 강철 합금은 주로 열간 단조된다. 황동, 청동, 구리, 귀금속 및 이들의 합금은 냉간 단조 공정을 통해 제조되며, 각 금속마다 다른 단조 온도가 필요하다.

알루미늄 단조는 350~550°C의 온도 범위에서 수행된다. 550°C 이상에서는 가공물 표면이 불리해지고 부분 용융 및 접힘 현상이 발생할 수 있으며,[27] 350°C 미만에서는 성형성이 감소하고 균열이 발생할 수 있다. 좁은 온도 범위와 높은 열전도율 때문에 알루미늄 단조는 공구 온도의 제어가 중요하며, 예비 성형 형상 최적화를 통해 국부적 과열을 줄여 균일한 온도 분포를 만들 수 있다.[28] 고강도 알루미늄 합금은 중간 강도 강철 합금의 인장 강도를 가지면서 무게가 가벼워 항공우주, 자동차 산업 등에 사용된다. 주로 사용되는 합금은 AlSi1MgMn (EN AW-6082) 및 AlZnMgCu1,5 (EN AW-7075)이며, 특히 AlZnMgCu1,5는 항공우주 분야에 주로 사용된다.[29]

마그네슘 단조는 290–450°C의 온도 범위에서 발생한다.[30] 마그네슘 합금은 낮은 가소성 등으로 단조가 더 어렵다.[30] 3-슬라이드 단조 프레스(TSFP)를 사용한 반개방형 열간 단조는 항공기 브래킷 성형에 사용되는 Mg-Al 합금 AZ31에 대한 새로운 단조 방법으로, 인장 특성을 향상시키지만 균일한 입자 크기가 부족하다.[31][32][33][34] 마그네슘 합금 단조는 비용이 많이 들어 대량 생산에는 적합하지 않으며, 산업용 마그네슘 합금 부품의 대부분은 주조 방법으로 생산된다.

참조

[1] 문서 Degarmo, p. 389
[2] 웹사이트 Forging: The Early Years https://web.archive.[...] All Metals & Forge Group 2013-01-22
[3] 웹사이트 Things To Know About Forging https://sites.google[...]
[4] 간행물 "FORGING AND STAMPING NONFERROUS METALS. HANDBOOK (10 May, 1984, By N. I. Korneyev, V. M. Arzhakov, et al）" https://apps.dtic.mi[...]
[5] 문서 Degarmo, p. 373
[6] 문서 Degarmo, p. 375
[7] 문서 Degarmo, p. 391
[8] 문서 Degarmo, p. 390
[9] 웹사이트 Forging Shapes https://web.archive.[...] All Metals & Forge Group 2013-01-04
[10] 웹사이트 Forged Crankshaft Advantages http://www.glforge.c[...] Great Lakes Forge 2014-02-28
[11] 웹사이트 Advantages of Forging https://web.archive.[...] 2020-08-31
[12] Citation Cast steel: Forging https://web.archive.[...] 2010-03-03
[13] Citation Manufacturing Processes https://books.google[...] PHI Learning
[14] 문서 Degarmo, p. 392
[15] 문서 Degarmo, p. 393
[16] 문서 Degarmo, p. 394
[17] 문서 Degarmo, p. 395
[18] 문서 Degarmo, pp. 395–396
[19] 문서 Degarmo, pp. 396–397
[20] 문서 Degarmo, p. 396
[21] Webarchive Precision Hot Forging http://www.samtech.c[...] 2008-10-20
[22] Webarchive Precision Composite Forging http://www.samtech.c[...] 2008-04-17
[23] 문서 Degarmo, pp. 397–398
[24] 문서 Degarmo, p. 398
[25] 간행물 Flash reduced forging of complicated high duty parts using preforming operations IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH, Hannover
[26] 서적 Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen Springer Verlag
[27] 서적 Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen Springer Verlag
[28] 간행물 Mehrdirektionales Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen
[29] 간행물 Qualitätsverbesserung beim Aluminiumschmieden Giesel Verlag GmbH
[30] 논문 Mg-Alloys for Forging Applications-A Review 2020-02-22
[31] 논문 THE FORMING OF MAGNESIUM ALLOY FORGINGS FOR AIRCRAFT AND AUTOMOTIVE APPLICATIONS
[32] 논문 A new method for producing magnesium alloy twin-rib aircraft brackets
[33] 논문 Qualitative research on AZ31 magnesium alloy aircraft brackets with a triangular rib produced by a new forging method
[34] 논문 The Microstructure and Mechanical Properties of AZ31 Magnesium Alloy Aircraft Brackets Produced by a New Forging Technology
[35] 문서 Degarmo, pp. 392–393
[36] 웹사이트 Heavy Manufacturing of Power Plants http://www.world-nuc[...] 2010-09-25
[37] 웹사이트 New nuclear build – sufficient supply capability? http://www.neimagazi[...] 2010-09-25
[38] 뉴스 World's Largest 15000MN hydraulic forging press http://www.chinatech[...] 2011-11-03
[39] 뉴스 China Building World's Largest Press Forge http://www.chinatech[...] 2011-10-27
[40] 웹사이트 Eramet alloys http://www.eramet.fr[...] 2012-05-18
[41] 서적 Feasibility of Using a Large Press (80,000 – 200,000 Ton) for Manufacturing Future Components on Army Systems http://www.dtic.mil/[...]
[42] 간행물 Weber Metals' New 60,000-Ton Hydraulic Press https://www.forgemag[...] 2020-04-25
[43] 뉴스 Iron Giant https://www.theatlan[...] 2012-02-08
[44] 서적 50,000 Ton Closed Die Forging Press http://files.asme.or[...] American Society of Mechanical Engineers 2012-05-15
[45] 서적 The Wyman-Gordon 50,000 Ton Forging Press http://files.asme.or[...] American Society of Mechanical Engineers
[46] 뉴스 Revolutionary Metal Press Cuts Cost of Planes and Guns https://news.google.[...] 1952-04-18
[47] 웹사이트 Wyman Gordon Livingston http://www.wyman-gor[...] 2012-05-18
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[50] 웹사이트 【鍛造事典】鍛造の種類Ⅰ（金型および変型方式・加工温度） https://www.hakkokin[...] 2023-08-20
[51] 서적 絵とき「鍛造加工」基礎のきそ https://pub.nikkan.c[...] 日刊工業新聞社
[52] 웹사이트 世界文化遺産、韮山反射炉の10大ミステリーを解く https://www.kimuragr[...] 2020-05-15
[53] 웹사이트 鍛造 {{!}} 塑性（そせい）加工 {{!}} なるほど！機械加工入門 {{!}} キーエンス https://www.keyence.[...] 2023-08-20
[54] 웹사이트 鍛造とは？鍛造と鋳造の違いは？ {{!}} 株式会社大宮日進 https://ohmiyanissin[...] 2023-08-20
[55] 문서 "文明の誕生」p128-129　小林登志子　中公新書　2015年6月25日発行"
[56] 웹사이트 鍛接鋼管 https://www.jfe-stee[...] JFEスチール株式会社 2023-08-22
[57] 웹사이트 JFE スチールの鋼管の製造プロセスおよび商品の特徴 https://www.jfe-stee[...] JFE スチール株式会社 2023-08-23
[58] 서적 鍛接管と電縫管―その発展と歴史 コロナ社 1986-06-01


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