폐쇄형 다이, 개방형 단조 및 탄소강 단조: 전체 공정 가이드

폐쇄형 단조 공정: 작동 방식 및 장점

폐쇄형 단조(인프레션 다이 단조라고도 함)는 최종 부품 형상과 일치하는 가공된 공동을 포함하는 두 개 이상의 다이 사이에서 가열된 빌렛을 압축하여 금속을 형성합니다. 프레스 또는 해머 힘으로 다이가 닫히면 금속이 흘러 캐비티를 완전히 채우고 치수 공차가 엄격하고 다이가 만나는 부분에 잘 정의된 분할선이 있는 거의 그물 모양의 부품이 생성됩니다.

폐쇄형 단조의 공정 순서는 일반적으로 다음 단계를 따릅니다.

1. 빌렛 준비: 원재료는 계산된 중량으로 절단됩니다. 초과 재료(플래시)는 단조 후 다듬어지지만 상당한 초과분으로 인해 재료가 낭비되고 다듬기 부하가 증가합니다.
2. 난방: 빌렛은 유도로 또는 가스 연소로에서 적절한 단조 온도 범위(탄소강 및 합금강의 경우 일반적으로 1,100~1,250°C)로 가열됩니다.
3. 사전 성형(블로킹): 다단계 툴링에서 빌렛은 마무리 캐비티에 들어가기 전에 최종 형상을 향해 질량을 재분배하기 위해 하나 이상의 차단 캐비티를 통과합니다.
4. 단조 마무리: 가열된 프리폼은 마감 다이 캐비티에 배치되고 완전히 닫힐 때까지 두드리거나 눌러 금속을 인상의 모든 오목한 부분에 밀어 넣습니다.
5. 플래시 트리밍: 분할선에서 압출된 과잉 금속은 일반적으로 부품이 여전히 뜨거운 동안 트리밍 프레스에서 제거됩니다.
6. 열처리 및 마무리: 부품은 재료 및 기계적 특성 요구 사항에 따라 정규화, 담금질 및 템퍼링되거나 어닐링됩니다.

폐쇄 형 단조는 기계식 프레스, 유압 프레스 또는 중력 낙하 해머에서 실행됩니다. 유압프레스 — 일반적으로 500톤에서 50,000톤 이상의 크기로 크거나 복잡한 모양에 적합한 제어되고 지속적인 압력을 가합니다. 기계식 및 스크류 프레스 정밀한 스트로크 제어가 필요한 소형 부품에 적합한 고에너지 충격을 전달합니다. 드롭 해머는 중소형 부품의 대량 생산에 널리 사용됩니다.

장점과 한계

폐쇄형 단조는 다음과 같은 부품을 생산합니다. 주조 또는 가공된 스톡 바에 비해 무게 대비 강도가 우수합니다. 단조 공정은 입자 구조를 개선하고 입자 흐름을 부품 형상에 맞춰 정렬하기 때문입니다. 동등한 주조물에 비해 피로 강도가 20~30% 향상되는 것은 항공우주 및 자동차 구조 부품에서 일반적으로 보고됩니다. 다이가 검증되면 치수 반복성이 높기 때문에 폐쇄 다이 단조는 커넥팅 로드, 기어, 플랜지, 크랭크샤프트 및 자동차 서스펜션 부품의 중대량 생산에 매우 적합합니다.

주요 제한은 툴링 비용입니다. H13 열간 공구강의 폐쇄형 다이 세트 비용은 부품 복잡성에 따라 수만 달러에서 수십만 달러에 달하므로 프로세스는 최소 생산량(부품 크기에 따라 일반적으로 500~1,000개 이상) 이상에서만 경제적으로 실행 가능합니다. 다이 수명은 일반적으로 단조 온도, 재료 마모성 및 윤활 방식의 영향을 받아 10,000~100,000회의 충격 범위입니다.

개방형 단조 프로세스: 대형 및 맞춤형 부품에 대한 유연성

개방형 단조는 공작물을 완전히 둘러싸지 않는 평면 또는 단순한 윤곽의 금형 사이에서 금속을 형성합니다. 작업자 또는 자동화된 조작기는 프레스 스트로크 사이에서 점차적으로 뜨거운 빌렛의 위치를 ​​변경하고 회전시켜 일련의 변형 단계를 통해 점차적으로 재료를 원하는 모양으로 가공합니다. 금속을 가두는 임프레션 캐비티가 없기 때문에 부품 형상은 사전 절단된 캐비티가 아닌 다이 이동, 프레스 스트로크, 작업자 또는 CNC 제어에 따라 달라집니다.

일반적인 개방형 다이 툴링 구성에는 플랫 플래튼, V-다이, 스웨이징 다이, 중공 부품용 맨드릴 링, 윤곽 프로파일용 새들 다이가 포함됩니다. 이 프로세스는 다음을 포함하여 광범위한 부품 형상을 수용합니다.

• 샤프트, 스핀들 및 차축 - 대형 잉곳에서 길이를 따라 점진적으로 단조됩니다.
• 링 및 플랜지 - 펀칭, 업세팅 및 링 롤링으로 형성됨
• 툴링, 압력 용기 블랭크 및 다이강용 블록, 플레이트 및 슬래브
• 중장비, 발전, 방위산업을 위한 맞춤형 일회용 구성품

코깅: 개방형 단조의 핵심 작업

가장 기본적인 개방형 다이 작업은 다음과 같습니다. 코깅 - 인발이라고도 함 - 빌렛이 겹쳐지는 바이트 증분으로 길이를 따라 점진적으로 압축되어 단면을 줄이고 길이를 늘립니다. 각각의 물림은 국부적인 영역을 변형시킵니다. 프레스 작업자는 인접한 바이트가 30~50% 겹쳐지도록 스트로크 사이에서 빌렛을 전진시켜 바이트 경계에서 콜드 셧이나 랩 없이 지속적인 변형을 보장합니다. 코깅은 추가 가공 또는 최종 가공을 위해 대형 잉곳(1톤 ~ 300톤)을 중간 빌렛 크기까지 가공하는 기본 방법입니다.

개방형 단조는 최대 규모의 항공우주 및 발전 단조를 위해 800톤에서 125,000톤 이상의 유압 프레스에서 작동됩니다. 세계 최대의 개방형 단조 프레스(50,000~80,000톤 등급)는 항공기 동체 프레임 및 대형 터빈 디스크용 티타늄 및 니켈 초합금 부품을 단조할 수 있습니다.

개방형 다이와 폐쇄형 다이: 선택 방법

두 프로세스는 경쟁하기보다는 보완적입니다. 개방형 단조는 부품 크기가 폐쇄형 다이 툴링이 경제적으로 수용할 수 있는 것(일반적으로 200~500kg 이상)을 초과하거나, 생산량이 너무 낮아 다이 투자를 정당화할 수 없거나, 형상이 단일 캐비티 다이에 비해 너무 복잡하거나 가변적일 때 선호됩니다. 폐쇄형 단조는 치수 정밀도, 표면 마감 및 생산량이 툴링 투자에 유리할 때 선호됩니다. 많은 대형 구성 요소는 개방형 단조 프리폼으로 시작되며 이후 중요한 기능을 위해 폐쇄형 단조됩니다.

단조 용접 온도: 열과 압력을 통해 금속 접합

단조 용접은 가장 오래된 금속 가공 공정 중 하나입니다. 두 금속 조각을 가열하여 플라스틱 또는 반용융 상태로 만든 다음 접합 표면을 청소하는 데 사용되는 것 이외의 용가재나 플럭스를 사용하지 않고 원자 수준에서 결합할 수 있는 충분한 압축력을 가하여 두 금속 조각을 결합합니다. 저탄소 및 연강의 올바른 단조 용접 온도는 일반적으로 1,260~1,370°C(2,300~2,500°F)입니다. - 강철 표면이 특유의 밝은 황백색, 거의 스파크를 일으키는 외관을 나타내고 해머 타격 하에서 원자 확산 결합을 위해 충분히 가소성이 되는 지점.

재료별 온도

단조 용접 온도는 금속의 고상선 온도와 소성 변형 거동에 따라 결정되므로 합금 구성에 따라 크게 달라집니다.

• 저탄소강(0.05~0.20%C): 1,260–1,370 °C — 가장 관대한 범위, 넓은 플라스틱 작업 범위
• 중탄소강(0.20~0.50%C): 1,200~1,315°C — 탄소 함량이 증가하면 온도 범위가 좁아지고 과열 위험이 증가합니다.
• 고탄소강/공구강(0.60~1.0%C): 1,100~1,260°C — 매우 좁은 범위; 30~50°C까지 과열되면 연소(돌이킬 수 없는 입자 경계 산화)가 발생하고 용접이 실패합니다.
• 단철: 1,315–1,425 °C - 높은 슬래그 함량은 실제로 경계면에서 산화물을 씻어내는 액체 슬래그를 형성하여 용접을 용이하게 합니다.
• 스테인리스강(304/316): 1,200–1,260 °C — 결합을 방해하는 산화 크롬 형성을 방지하기 위해 불활성 대기 또는 플럭스가 필요합니다.

플럭스 및 표면 준비

금속 표면의 스케일과 산화물은 원자 접촉을 방지하므로 용접 타격 직전에 제거해야 합니다. 붕사(사붕산나트륨)는 가장 널리 사용되는 단조 용접 플럭스입니다. — 강철이 용접 온도에 가까워짐에 따라 약 900~1,000°C에서 적용되며, 녹아서 산화철 스케일을 용해하고 최종 가열 단계에서 재산화를 방지하는 액체 장벽을 형성합니다. 플럭스가 없으면 조인트 인터페이스에 갇힌 스케일로 인해 용접이 약화되거나 방지되는 개재물이 생성됩니다. 일부 대장장이는 특정 합금 시스템에 규사, 철제 파일링 또는 독점 플럭스 제제를 사용합니다.

현대 산업 단조 용접

손 단조 용접은 칼날 세공 및 예술적 철공예 분야에서 살아남았지만 산업용 단조 용접은 다음 분야에 가장 두드러지게 적용됩니다. 플래시 맞대기 용접 그리고 유도압접 파이프 제조 및 레일 접합용. 플래시 용접은 전기 저항 아크(플래싱)를 통해 접합 표면을 가열한 다음 전복(축 압축) 힘을 적용하여 접합부를 강화함으로써 제어되고 반복 가능한 방식으로 단조 용접 조건을 달성합니다. 이 방법은 모재 기계적 특성을 지닌 완전 단조 열영향부 프리 조인트가 필요한 드릴 파이프, 앵커 체인 및 레일 섹션을 용접하는 데 사용됩니다.

탄소강 단조품: 등급, 특성 및 용도

탄소강 단조품은 합금강 단조품을 특징짓는 상당한 합금 첨가물(크롬, 니켈, 몰리브덴) 없이 주요 강화 메커니즘이 탄소 함량(0.20%C 미만의 저탄소 등급부터 0.60%C 이상의 고탄소 등급에 이르기까지)인 강철로 생산됩니다. 탄소강 단조품은 세계 단조 산업에서 가장 큰 규모를 차지하고 있습니다. , 자동차 구동계 부품, 산업 기계, 건설 장비, 석유 및 가스 피팅, 수공구에 사용됩니다.

단조품에 일반적으로 사용되는 탄소강 등급

탄소 함량은 단조 탄소강에서 얻을 수 있는 기계적 특성을 지배하는 주요 변수입니다.

• AISI 1020/1025(저탄소): 인장 강도 380-480 MPa 단조 상태; 우수한 용접성 및 인성; 고강도가 요구되지 않는 레버, 핀, 샤프트 및 일반 구조 단조품에 사용됩니다.
• AISI 1040/1045(중탄소): 인장 강도 570-700 MPa 정규화, 최대 800-950 MPa 담금질 및 템퍼링; 커넥팅 로드, 크랭크샤프트, 기어, 액슬 샤프트 및 플랜지 단조품을 위한 주력 등급 - 합리적인 가공성과 우수한 강도를 결합
• AISI 1060/1080(고탄소): 인장강도 800~1,100 MPa 열처리; 높은 경도와 내마모성; 철도 바퀴, 스프링, 수공구 및 농업용 경작 부품에 사용됩니다.
• AISI 1095(고탄소): 최대 65HRC 표면 경도 달성 가능; 칼날, 절삭 공구, 가장자리 유지가 중요한 마모판

단조가 탄소강 특성을 향상시키는 방법

단조 공정은 동일한 등급의 탄소강 단조품과 주조품 또는 열간 압연봉을 구별하는 미세 구조 개선을 제공합니다. 재결정 온도(탄소강의 경우 약 720~750°C) 이상의 열간 가공은 주조 수지상 구조를 파괴합니다. , 응고 다공성과 공극을 닫고 정제된 등축 입자 구조를 생성합니다. 기계적 작업은 또한 완성된 부품의 주요 응력 방향과 정렬될 때 섬유질 입자 흐름을 개발하여 곡물 전체에 가공된 스톡 바에 비해 피로 강도와 충격 인성을 크게 향상시킵니다.

AISI 1045 중탄소강 단조품과 동급 주조품의 문서화된 특성 개선에는 실온에서 20~37%의 피로 강도 개선과 30~50%의 샤르피 충격 인성 개선이 포함되며, 석유 및 가스 및 북극 응용 분야와 관련된 영하의 온도에서 훨씬 더 큰 이점이 있습니다.

탄소강 단조품의 열처리

단조된 탄소강 부품은 일반적으로 단조 응력을 완화하고 후속 가공 또는 열처리를 위한 기준으로 균일한 펄라이트-페라이트 미세 구조를 생성하기 위해 정규화(Ac3 이상에서 공냉식)됩니다. 최종 기계적 특성은 다음을 통해 달성됩니다.

• 담금질 및 템퍼링(Q&T): 820~870°C에서 오스테나이트화하고 마르텐사이트로 물 또는 오일 담금질한 다음 400~650°C에서 뜨임하여 목표 경도/인성 균형을 달성합니다. 이는 구조 및 마모 분야에서 중탄소강 및 고탄소강 단조를 위한 표준 경로입니다.
• 유도 경화: 견고한 코어를 유지하면서 중요한 마모 영역(기어 톱니, 저널 표면)의 선택적 표면 경화 - 1045 및 1050 샤프트 및 기어에 널리 적용
• 어닐링: 정삭 가공 및 최종 경화 전에 가공성을 향상시키기 위해 고탄소 등급에 대한 완전 어닐링 또는 구형화 어닐링

탄소강 단조품과 합금강 단조품 비교

탄소강 단조품은 필요한 기계적 특성이 열처리된 탄소 등급의 달성 가능한 범위 내에 속하고 단조되는 단면에서 경화성 요구 사항을 충족할 수 있는 경우 선택됩니다. 약 50-75 mm 이상의 단면에서는 경화성 제한이 심각해집니다. - 대형 탄소강 단조 코어는 담금질 중에 완전한 마르텐사이트 경도에 도달하지 못해 표면보다 코어 인성이 낮아질 수 있습니다. 합금강 등급(4140, 4340, 8620)은 깊은 경화성, 고온 강도 또는 내식성 요구 사항이 탄소강이 제공할 수 있는 수준을 초과하는 경우 지정됩니다. 균형은 비용입니다. AISI 1045의 탄소강 단조품은 동등한 합금강 단조품보다 재료 비용이 15-35% 더 낮습니다.