냉간가공과 열간가공

냉간가공과 열간가공에 대해서 알아봅시다.

금속의 가공에는 냉간가공(cold working)과 열간가공(hot working)의 두 가지가 있다. 금속은 고유의 재결정(recrystallization)을 일으키는 온도가 있어서 그 온도 이하의 비교적 저온도에서 하는 가공을 냉간가공 또는 상온가공이라고 한다.

 

그 재결정온도 이상의 높은 온도 영역에서 하는 가공을 열간가공(고온가공)이라고 한다. 금속을 비롯한 고체는 일정한 힘에 의해 변형되면 원래대로 돌아가지 않는 성질인 소성이 있다는 점을 이용한 가공 방법을 소성가공이라 하며 일반적으로 프레스 가공이라 한다.

 

금속은 가열하면 열팽창을 일으키며 변형되기 때문에 가능한 한 냉간가공으로 하고, 가공물의 재질의 경도가 높은 경우 등에는 열간 가공을 이용한다.

 

또한, 소성 가공의 종류로는 프레스 외에 볼트나 너트의 제조에 이용하는 단조, 선재나 파이프 가공에 이용하는 압출, 와이어 드로잉, 인발, 판재를 구면으로 만드는 드로잉, 판 스프링 등을 만드는 구부림, 리벳으로 가공물을 고정하는 접합, 판재를 절단하는 전단 등이 있다.

 

소성 가공에서는 크게는 수만 톤에 이르는 힘을 가공물에 가하여 가공할 수도 있는데 사전에 가공물의 재질에 따라 정확히 판단하여 변형에 필요한 최소한의 힘과 마찰력 등을 미리 검토해야 한다. 또한, 소성 가공과 함께 가공물이 늘어나는 등 변형이나 파손이 발생할 수 있으므로 구부리거나 조일 때 가공물의 가공 한계를 파악하는 것도 중요하다. 그 외에 소성 가공을 할 때는 가공물이 가능한 한 손상되지 않도록 가공하는 힘을 줄이는 대책도 필요하다.

 

1. 냉간가공(Cold Working)

금속재료 중 Fe, Cu 등은 냉간가공 시 소성변형에 대한 저항이 커져서 가공경화를 일으킨다. 경화되는 정도는 가공도에 따라 증가된다. 냉간가공을 하면 금속의 기계적 성질이 변화하며 그 영향은 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도 등의 성질은 점차 증가되고, 연신율, 단면수축률 등은 반대로 감소된다.

냉간가공 시 가공면이 깔끔하고, 정밀한 형상이 되지만 가공에 큰 힘이 필요하게 된다. 재료에 변형이 크게 되고 경화가 진행됨에 따라 재료의 변형능력은 점차 감소되어 나중에는 파괴되기 때문에 파괴 전에 재결정온도 이상 온도로 풀림하여 내부변형 및 변형응력을 제거시킨 후 다시 가공변형하는 과정이 필요하다.

일반적으로 금속은 가공작용에 의해서 결정립이 비틀어지거나 일그러지는데 이것을 적당한 온도로 가열하면 내부응력이 제거 이완되고, 응력이 없는 새로운 결정립 핵이 생성되어 점차 성장하여 새로운 결정립이 된다.

 

(1) 내부응력 이완으로 성질 회복

냉간가공에 의해 내부변형을 생기게 한 결정립이 가열에 의해 변형이 소실되고

성질이 회복되는 단계.

(2) 재결정

결정립중에서 새로운 결정핵이 생기고 이것이 결정립이 되며 변형된 결정립이 소

멸되는 단계.

(3) 결정입자의 성장

새로운 결정립이 크게 성장하는 단계.

 

2. 열간가공(Hot Working)

금속의 재결정온도 이상에서 하는 고온가공으로서, 변형과 재결정이 동시에 생기게 되어 가공이 진행되어도 가공성을 상실하지 않는다. 재결정에 의한 연화속도는 가공경화 속도보다 크기 때문에 냉간가공과는 달리 짧은 시간에 강력한 가공을 할 수 있다. 열간가공할 때는 재료를 균일하게 가열하고, 또한 소성변형은 가공이 용이하고 안전한 온도범위에서 진행되어야 한다.

 

열간가공된 제품은 냉간가공에 의한 제품에 비해 조직 및 성질의 균일성이 좋지만 표면이 산화되어 변질하기 쉽고, 온도 분포가 불균일하게 되어 냉각할 때 치수변화가 많아진다. 따라서 열간가공 후 다시 냉간가공하거나 풀림처리하는 과정이 필요하다.

 

냉간가공	열간가공
재결정 온도 이하에서 소성가공하는 상온가공	재결정 온도 이상에서 소성가공하는 고온가공
① 제품의 치수를 정확히 할 수 있다. ② 가공면이 아름답다. ③ 기계적 성질을 개선할 수 있다. ④ 가공경화로 강도 및 경도가 증가하고 연신율이 감소한다. ⑤ 가공방향으로 섬유조직이 되어 방향에 따라 강도가 달라진다.	① 작은 힘으로 큰 변형을 줄 수 있다. ② 재질의 균일화가 이루어진다. ③ 가공도가 커서 거친 가공에 적합하다. ④ 가열로 인해 산화되기 쉬워 정밀가공은 곤란하다. ⑤ 강괴 중의 기공이 압착된다.