탄소강 단조: 등급, 온도 및 단조 용접 가이드

무엇입니까? 탄소강 단조 그리고 그것이 중요한 이유

탄소강 단조는 높은 온도에서 해머, 프레스 또는 링 롤링에 의해 압축력을 받아 탄소강 빌렛 또는 바를 성형하는 제조 공정입니다. 그 결과 피로 강도, 충격 인성 및 방향성 기계적 특성이 주조 또는 기계 가공된 소재보다 근본적으로 우수한 세련된 입자 구조를 갖춘 단조 소재가 탄생했습니다. 단조 탄소강 부품은 인장 강도와 항복 강도에서 지속적으로 주조 제품보다 20~30% 더 우수합니다. 동등한 구성으로 단조가 자동차, 석유 및 가스, 중장비 및 구조 응용 분야의 내하중 부품에 대한 기본 선택이 됩니다.

단조 성공을 좌우하는 주요 변수는 탄소 함량, 가공 온도, 변형률, 단조 후 열처리입니다. 각각은 다른 것과 상호 작용합니다. 저탄소강에서 이상적인 결정립 미세화를 생성하는 온도는 고탄소강에서 균열을 일으킬 수 있습니다. 이러한 관계를 이해하는 것은 일관되지 않은 기계적 특성이나 스크랩을 생성하는 단조 공정과 신뢰할 수 있는 단조 공정을 구분하는 것입니다.

강철의 단조 온도: 탄소 함량에 따른 범위

강철의 단조 온도는 단일 값이 아닙니다. 이는 상한(그 이상에서는 입자 성장 또는 연소가 발생함)과 하한(이 하한에서는 강철이 너무 단단해져서 변형되기 쉬움)으로 정의되는 작업 창입니다. 탄소강의 경우 탄소 함량이 증가함에 따라 이 창은 좁아집니다.

마감 온도 이하로 단조하지 마십시오. 탄소강의 온도가 약 750~800°C 아래로 떨어지면 오스테나이트에서 페라이트/펄라이트로 변태가 시작되고 재료가 소성에서 취성 거동으로 전환됩니다. 이 범위에서 계속 단조하면 내부 찢어짐, 표면 균열 및 후속 열처리로 완전히 교정할 수 없는 일관성 없는 경도 분포가 발생합니다.

더 높은 온도 상한선도 똑같이 중요합니다. 저탄소강을 1,300°C 이상으로 가열하면 결정립이 급속히 조대화되는 반면, 약 1,350~1,400°C 이상의 온도에서는 결정립계에서 초기 용융이 발생할 위험이 있습니다. 이러한 상태는 연소로 알려져 있으며, 이는 되돌릴 수 없고 빌렛 스크랩을 생성합니다.

단조 등급: 탄소강 유형 및 응용

단조 등급은 화학 및 경화성이 단조 공정 및 후속 열처리에 예측 가능하게 반응하기 때문에 특별히 선택된 표준화된 강철 구성입니다. 가장 널리 사용되는 시스템은 AISI/SAE(북미), EN(유럽) 및 GB/T(중국)이지만 등급은 표준 간에 광범위하게 상호 참조됩니다.

저탄소 단조 등급

다음과 같은 등급 AISI 1018, 1020, 1025 (EN 등가물: C20, S20C)은 0.15~0.25%의 탄소를 함유하고 있으며 온도 제어 측면에서 가장 관대합니다. 이는 경도보다 인성이 우선되는 샤프트, 핀, 축 및 구조용 브래킷에 사용됩니다. 탄소 함량이 낮기 때문에 일반적으로 담금질만으로는 경화되지 않습니다. 표면 내마모성이 필요할 경우 표면 경화(침탄 또는 침탄질화)가 사용됩니다.

중탄소 단조 등급

AISI 1040, 1045, 1050 산업용 탄소 단조의 일꾼입니다. 0.36~0.55%의 탄소를 사용하여 담금질 및 템퍼링 처리에 잘 반응하고 단면 크기 및 템퍼링 온도에 따라 700~1,000MPa의 인장 강도를 달성합니다. 특히 AISI 1045는 단조 크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 기어, 플랜지 및 유압 실린더 부품의 기본 등급입니다. 적당한 단조성, 우수한 기계 가공성, 신뢰할 수 있는 열처리 반응이 결합되어 전 세계적으로 가장 많이 단조된 탄소 등급입니다.

고탄소 단조 등급

의 성적 AISI 1060–1095 범위(0.60~0.95% 탄소)는 스프링 강, 농업용 경작 도구, 수공구 및 철도 부품 등 경도와 내마모성이 주요 요구 사항인 곳에 사용됩니다. 단조 창이 더 좁을수록 빌렛을 깨뜨리는 열 구배를 피하기 위해 더 엄격한 온도 제어와 더 느린 가열 속도가 필요합니다. 질석이나 노에서 단조 후 서서히 냉각하는 것은 의도된 열처리 사이클 전에 마르텐사이트 형성을 방지하기 위한 표준 관행입니다.

미세합금(단조 최적화) 탄소 등급

단조강 유형의 특수 범주에는 다음과 같은 미세합금 등급이 포함됩니다. 38MnVS6 및 46MnVS3 이는 단조 후 열처리 없이 담금질 및 템퍼링된 중탄소강에 필적하는 항복 강도를 달성합니다. 단조 후 제어된 냉각 중에 바나듐(0.05~0.15%)을 소량 첨가하면 미세한 탄화물로 석출되어 석출 강화를 제공합니다. 이러한 등급은 열처리 단계를 없애 기계적 특성을 저하시키지 않고 생산 비용을 15~25% 절감하는 자동차 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

단조 용접 탄소강의 온도

단조 용접은 두 개의 강철 조각을 가열하여 플라스틱 또는 액체에 가까운 상태로 만들고 충분한 압축력을 가하여 경계면에서 고체 결합을 생성함으로써 두 조각을 결합하는 프로세스입니다. 이는 가장 오래된 금속 접합 기술이며 도구 제작, 칼날 제작, 이음매 없는 링 및 중공 단조품 제조와 관련이 있습니다.

단조 용접 탄소강의 온도는 탄소 함량에 직접적으로 의존합니다.

• 저탄소강(<0.25%C): 단조 용접 온도는 대략 1,300~1,370°C . 이 범위에서 강철은 "습식" 또는 반짝이는 황백색에 도달합니다. 높은 온도는 표면 산화물을 태워 없애고 두 조각의 원자가 압력 하에서 인터페이스를 통해 확산되도록 합니다.
• 중탄소강(0.25~0.60%C): 단조 용접 온도가 다음으로 떨어집니다. 1,200~1,300°C . 용접 인터페이스를 오염시킬 수 있는 산화물 스케일 형성을 방지하기 위해 이 범위에서는 플럭스(붕사 또는 독점 플럭스)가 더욱 중요해집니다.
• 고탄소강(0.60~1.00%C): 단조 용접 온도는 1,100~1,200°C . 고탄소 등급은 용접 범위가 훨씬 더 좁습니다. 30~50°C 정도의 온도만으로도 타서 부서지는 표면과 성공적인 용접이 분리됩니다. 플럭스 도포는 필수이며, 온도가 떨어지기 전에 용접을 빨리 해야 합니다.

중요한 실제 사항: 단조 용접 온도를 일반적인 열간 단조 온도와 혼동해서는 안 됩니다. 단조 용접은 작업 창의 맨 위에서 작동하며 의도적으로 고상선 온도에 접근하여 표면 확산을 활성화합니다. 일반 단조는 입자 구조를 보존하고 연소를 방지하기 위해 이 임계값보다 훨씬 낮은 수준에서 수행됩니다.

단조강 등급: 열처리 후 기계적 성질

단조 탄소강의 기계적 특성은 단조 공정만으로 결정되지 않습니다. 단조 후 열처리는 정제된 입자 구조를 사용 가능한 엔지니어링 데이터로 변환하는 것입니다. 동일한 AISI 1045 단조품은 적용된 열 사이클에 따라 570MPa(표준화)에서 900MPa(400°C에서 담금질 및 템퍼링) 범위의 인장 강도를 생성할 수 있습니다.

• 정규화 (870-930 °C의 공기 냉각): 예측 가능하고 적당한 강도를 지닌 균일한 펄라이트 미세 구조를 생성합니다. AISI 1045(UTS ≒ 570–620 MPa, 경도 ≒ 160–180 HB)의 기본 조건으로 사용됩니다.
• 어닐링 (760~820°C에서 노 냉각): 부드러움과 가공성을 극대화합니다. UTS는 450–520 MPa로 떨어집니다. 최종 열처리 전 무거운 단조 후 가공이 필요한 경우에 사용됩니다.
• 담금질 및 템퍼링(Q&T) : 최고의 강도와 인성 조합을 제공합니다. 820~860°C에서 담금질하고 550~600°C에서 뜨임 처리한 AISI 1045의 일반적인 특성은 UTS 800~900MPa, 수율 650~750MPa, 충격 에너지 50~80J(샤르피 V-노치)입니다. 300°C 미만으로 뜨임하면 뜨임이 부서지고 충격 인성이 감소할 위험이 있습니다.
• 구형화 어닐링 (고탄소 등급): 라멜라 시멘타이트를 구형 탄화물 입자로 변환하여 최종 경화 전 고탄소 단조 등급의 냉간 성형성과 가공성을 획기적으로 향상시킵니다.

단조 재료는 동일한 인장 강도에서 동등한 주조 재료보다 지속적으로 더 높은 충격 인성을 달성합니다. 단조 공정은 내부 다공성을 닫고 입자 흐름을 부품 형상과 일치시키기 때문입니다. 압력 용기 플랜지, 조향 너클, 랜딩 기어 부품과 같은 중요한 응용 분야에서 이러한 차이는 정량화 가능합니다. 단조 탄소강은 일반적으로 동일한 구성의 원심 주조보다 샤르피 충격 값이 30~50% 더 높습니다.

단조에 적합한 탄소강 선택: 주요 고려 사항

단조에 적합한 탄소강을 선택하려면 필요한 기계적 특성, 단면 크기, 단조성, 단조 후 기계 가공성, 열처리를 포함한 총 비용 등 5가지 요소의 균형을 맞춰야 합니다.

• 단면 크기 및 경화성: 일반 탄소강은 담금질성이 제한되어 있습니다. 담금질 후 경도는 담금질된 표면에서 25~30mm 이상 급격히 떨어집니다(Jominy 최종 담금질 데이터). 완전 경화가 필요한 75mm 이상의 큰 단면의 경우 합금 등급(Cr-Mo, Ni-Cr-Mo)이 올바른 선택입니다. 더 작은 단면의 경우 탄소 등급이 완전히 적합하고 훨씬 저렴합니다.
• 위조 가능성 지수: 단조성은 탄소 함량이 증가함에 따라 감소합니다. 저탄소 등급(1018, 1020)은 최소한의 압력으로 단조할 수 있으며 랩, 폴드 또는 콜드 셧과 같은 단조 결함에 가장 덜 취약합니다. 고탄소 등급에는 보다 정밀한 온도 관리와 단위 면적당 더 큰 프레스 용량이 필요합니다.
• 황 및 인 함량: 재황 자유 가공 등급(예: AISI 1144)은 가공성은 향상되지만 가로 인성은 감소하며 충격 하중이 예상되는 단조 응용 분야에서는 일반적으로 사용되지 않습니다. 동적 서비스의 단조 부품에 대해 저황 등급(≤0.025% S)을 지정합니다.
• 적용 온도: 탄소강 단조품은 크리프와 산화가 제한 요소가 되므로 약 400~450°C 이상의 온도에서 사용하는 데 적합하지 않습니다. 고온 응용 분야의 경우 크롬-몰리브덴 등급(P22, P91)이 지정됩니다.

대부분의 일반적인 산업용 단조 응용 분야(플랜지, 샤프트, 링, 허브 및 주변 온도에서 작동하는 구조 부품) AISI 1045는 가장 비용 효율적이고 널리 사용되는 단조용 탄소강입니다. , 모든 주요 제조 지역에 걸쳐 단조성, 열처리 반응, 기계 가공성 및 공급망 깊이의 검증된 조합을 제공합니다.