단조 (제조)

단조

단조(forging, 鍛造)는 금속을 일정한 온도로 가열한 다음 힘을 가하여 어떠한 형체를 만드는 일이다. 단조는 가장 오래된 성형(成形) 방법 중의 하나이다. 단조는 고체인 금속재료를 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만드는 조작이다. 단금(鍛金·鎚金)이라고도 한다.

개요

단조란 소성가공의 일종이다. 해머 등으로 금속 가공물을 두드려 원하는 형태로 성형한다. 주조나 분말 야금에 의한 가공보다 소재가 질겨지기 때문에 충격에 강한 성질(인성)을 가진다는 점이 특징이다. 공구나 식기류, 자동차나 철도용 부품 등의 제조에 단조가 활용된다. 단조는 두들기는 온도는 상온(常溫)인 경우도 있으나 녹는점이 높은 재료에서는 다소 가열해야 할 때가 많다. 일반적으로 그 재료에서 재결정(再結晶)이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 단조하는 것을 열간단조(熱間鍛造), 재결정온도상에서 단조하는 것을 온간단조(溫間鍛造), 그보다 낮은 온도에서 단조하는 것을 냉간단조(冷間鍛造)라고 한다. 고체 재료의 조직을 균일하게 하고 결정 고체(結晶固體)에서는 결정입자의 크기를 작게 하기 위해 해머로 두들기는 조작을 단련(鍛鍊)이라 하고 해머로 두들기지 않고 공구로 서서히 가압하여 소정의 모양으로 만드는 일을 프레스(press)라고 한다.

단조는 주로 철에 사용된다. 철은 적렬(赤熱)한 두 조각을 쇠망치로 치면 결합하고 반복하여서 때리면 단련되어서 강인하게 되는 성질이 있다. 도검이 대표적이다. 오늘날에는 형단조(型鍛造) 등 기계화되어 있다. 추금(鎚金)은 금, 은, 구리, 쇠 따위 연전성이 큰 소재의 판을 당금(當金, 앰빌－받치는 금속덩어리) 위에 놓고 쇠망치로 때리면서 늘리거나 짜거나 해서 성형하는 기술이다. 무기를 비롯하여 종교 용구나 그릇 따위 일상 용구에 널리 사용되었다. 오늘날에는 금형 사이에 판금을 넣고 압력을 가하면서 가공하는 프레스나 회전축에 부착시킨 판금을 회전시키면서 변형시키는 스피닝 등의 양산기술이 개발되고 있다. 자동차의 보디, 그릇, 조명기구 등 최근의 금속제품의 주요한 부분을 차지하고 있다.

목적

단조의 목적은 단련과 성형에 있다. 단련은 고체재료의 조직을 균일하게 하고, 결정 고체에서는 결정입자의 크기를 작게 하기 위해 해머로 두들기는 조작을 말한다. 프레스 성형은 해머로 두들기지 않고 공구로 서서히 가압하여 소정의 모양으로 만드는 일이다. 따라서 단조는 단련을 통하여 강재의 기계적 성질을 향상시키고 성형에 의하여 소정의 형상을 만들어 후공정이나 기계 가공 공수를 절감하려는 데 그 목적이 있다.

장점

• 단조는 구성과 구조의 균일성으로 충격 및 전단 강도 측면에서 강한 결과물을 제공한다.
• 주조품보다 일반적으로 강하다.
• 단조의 특성상 다공성, 수축, 공동 및 냉기 문제가 발생하지 않는다.
• 단조의 단단한 입자 구조는 기계적으로 강하기 때문에 고강도 구성 요소를 얻기 위해 고가의 합금이 덜 필요하다.
• 단조 부품은 캐스트 부품보다 인장 강도가 26% 더 높아 더 낮은 중량으로 더 강한 결과물을 얻을 수 있다.
• 피로 강도는 37% 높으므로 피로 수명이 6 배 더 길어져 더 오래 품질을 유지할 수 있다.

단점

• 크기 제한이 있으며 클수록 단조가 어렵다.
• 상대적으로 정밀한 제품은 얻기가 힘들고 이를 극복하기 위해서는 후가공이 필요하다.

종류

냉간단조

냉간단조는 상온에서 하는 단조를 말한다. 냉간단조를 받은 금속은 단조시의 소성변형으로 인해 조직 내부에서 전위(dislocation)가 추가적으로 이동할 여지가 제한되므로 경도와 강도가 증가되는 반면 전연성(가공하기 쉬운 성질)은 저하된다.

열간단조

열간단조는 금속을 열로 가열해 변형시키는 단조를 말한다. 열간단조를 받은 금속은 소성변형(변태점 부근 온도에서 이루어지는 변형)이 일어나, 조직이 미세화되고, 결과적으로 강도와 인성이 증가된다.

분류

자유 단조

자유 단조(Free Forging)란 특정한 금형을 사용하지 않고 성형하는 것으로 형 단조와 구분된다. 자유 단조는 금형에 의한 제약을 받지 않으므로 성형에 필요한 에너지가 형단조에 비하여 적게 소요된다. 따라서 금형을 사용할 수 없는 대형 단조품에 적합하며 또한 별도의 금형이 필요하지 않으므로 제품 수량이 많지 않은 경우에 적합한 단조 방법이다.

형단조

형단조(Die Forging)란 특정한 금형을 사용하여 성형하는 단조 방법으로 자유 단조와 구분된다. 형단조는 재료를 변형시키기 위하여 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 보통 재료의 변형 저항이 가장 적은 고온(高溫) 상태에서 성형하게 되며 이를 열간 단조(熱間鍛造)라 한다. 그리고 압연 강재를 사용하여 다시 단련하게 되므로 우수한 단련 효과를 얻을 수 있으며 동일 금형으로 많은 양의 단조품을 생산할 수 있다. 따라서 정밀도가 우수한 단조품을 얻을 수 있으므로 후공정에서 절삭 가공 시간과 비용을 절감할 수 있다. 그러나 형단조는 자유 단조에 비하여 단조 장비가 고가이며 소정의 금형을 제작해야 하므로 소량의 생산에는 적합하지 않고 자동차 부품이나 농기계 부품 등의 대량생산에 유리하다.

해머 단조

해머 단조(Hammer Forging)는 원하는 형상을 얻기 위하여 수회의 타격을 해야 한다. 일반적인 형단조의 경우에는 각 공정별로 1회 이상의 타격이 이루어진다. 예를 들어 연접봉(Connecting Rod)의 경우 먼저 I-Beam부를 위한 인발 작업이 이루어지고 다음은 브로커 (Blocker), 피니샤(Finisher) 공정으로 이루어지며 별도로 준비된 기계에서 트리밍(Trimming) 작업이 이루어지게 된다. 이러한 해머 단조에서 단조품의 생산성과 품질은 작업자의 숙련 정도가 크게 작용한다.

프레스 단조

프레스 단조(Press Forging)는 각 공정마다 한 번씩의 작업으로 이루어진다. 또한 프레스 단조는 해머 단조에 비하여 예비 성형(황지) 작업을 할 수 있는 범위가 좁다. 따라서 황지가 필요한 경우에는 별도의 장비를 사용하여야 하는 경우가 많다. 예를 들어 연접봉 (Connecting Rod)의 경우 I-Beam부의 인발 작업이 해머 단조보다는 원활하지 못하여 별도의 단조 롤 머신(Forging Roll Machine)에서 황지를 하고, 단조 프레스에서는 브로카, 피니샤 작업만을 실시하는 것이 일반적인 방법이다. 경우에 따라서는 트리밍 작업을 단조 프레스에서 실시하는 경우도 있다. 그러나 프레스 단조는 해머 단조에 비하여 작업자의 숙련도에 의지하는 비율이 낮으므로 미숙련자도 작업이 가능하다는 장점이 있다.

업셋트 단조

업셋트 단조(Upsetter Forging)는 상하 또는 좌우로 개폐되는 그립다이(Grip Die)와 전후로 운동하는 펀치(Heading Tool)로 구성된 단조 기계이다. 업셋트는 긴축의 끝단에 플렌지(Flange)가 있는 형상의 단조에 가장 많이 사용되며 중간 부분에 플렌지가 있는 제품, 관통된 구멍 이 있는 제품, 관통하지 않은 큰 구멍을 가진 제품 등의 단조에 사용된다. (파이프의 단조도 가능하다.) 업셋트에 의하여 만들어지는 단조품으로는 자동차용 리어액슬샤프트(Rear Axle Shaft)가 대표적이다. 그리고 드라이브 피니언(Drive Pinion), 허브케이싱 (Hub Casing), 드래그링크(Drag Link), 스템(Stem) 등도 업셋트로부터 생산되고 있다. 또한 업셋트 단조는 해머나 프레스 단조를 위한 예비 단계의 황지를 제작하는데도 이용되고 있다.

롤 단조

롤 단조(Roll Forming)는 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤(Roll) 사이에 롤의 회전 방향과 직각 방향으로 환봉(Round Bar)이나 각재 (Square Bar)를 통과시켜 소재의 단면적을 감소시키고, 길이 방향으로 인발하는 작업이다. 롤 금형은 보통 한개 또는 수개의 그루브(Groove)를 갖게 된다. 롤 단조는 자동차의 프론트액슬(Front Axle)과 같이 각 단면의 체적 변화가 심한 긴 제품의 단조를 위한 예비 단조품(황지)으로 많이 사용되며, 리어액슬샤프트의 축부 인발 용으로 사용되기도 한다.

링 롤링

링 롤링(Ring Rolling)은 메인 롤(Main Roll), 롤링 맨드럴(Rolling Mandrel)과 상하 각 하나의 액설 롤(Axle Roll)로 구성된 단조 기계로서 링(Ring) 형상의 황지를 가압한 뒤 링의 직경을 키워서 원하는 형상을 만드는 작업을 말한다. 작업 공정은 먼저 소재를 절단하고, 이를 가열하여 해머나 프레스에서 업 셋팅(Upsetting) 하고 내경을 펀칭(Punching)하여 황지를 제작한다. 그다음 링 롤링 기계에서 원하는 형상으로 직경을 키우는 작업이다.

참고자료

• 〈단금〉, 《위키백과》
• 〈단조(금속 가공)〉, 《나무위키》
• 〈단조〉, 《네이버 지식백과》
• 〈단조(forging)〉, 《네이버 지식백과》
• 〈단조〉, KOREA KEYENCE
• 휴먼, 〈단조와 주조 - Forging & Casting 비교(장단점)〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-03
• SF열처리, 〈현존하는 고대 예술, 단조(鍛造 Forging)〉, 《네이버 블로그》, 2016-06-24

같이 보기

• 주조
• 가공
• 금속
• 온도
• 힘
• 형체
• 재료
• 기계
• 자동차
• 제조
• 철
• 금
• 은
• 구리
• 프레스
• 대량생산
• 단조

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