단조강이란 무엇입니까? 속성, 유형 및 산업 응용

무엇입니까? 단조강 ?

단조강은 금속이 재결정 온도보다 높거나 일부 공정에서는 실온에 있는 동안 망치질, 프레싱 또는 압연을 통해 압축력을 가하여 성형된 강철입니다. 액체 금속을 주형에 붓는 주조와 달리 단조는 고체 재료를 가공하여 입자 구조를 정렬하고 내부 공극을 제거합니다. 그 결과 우수한 피로 저항성과 기계적 인성을 갖춘 더 밀도 있고 강한 부품이 탄생했습니다. 이것이 단조강이 크랭크샤프트, 플랜지, 압력 용기 피팅, 랜딩 기어, 중장비 부품 등 까다로운 환경의 하중 지지 부품에 기본적으로 선택되는 이유입니다.

주조강이나 가공강에 비해 단조강의 근본적인 장점은 입자 흐름의 연속성입니다. 강철이 단조될 때 내부 결선은 기계 가공으로 절단되지 않고 부품의 윤곽을 따릅니다. 이 방향성 결은 단조 부품을 제공합니다. 최대 37% 더 높은 피로 강도 단조 산업 협회(Forging Industry Association)의 데이터에 따르면 동등한 주조 부품과 비교되었습니다.

단조강과 단조 합금강: 차이점 이해

일반 탄소 단조강에는 철과 탄소(일반적으로 0.1%~0.6% 탄소)와 미량의 망간, 규소 및 기타 잔류 원소가 포함되어 있습니다. 이는 비용 효율적이며 극도의 강도나 고온이 요구되지 않는 곳에 널리 사용됩니다. 일반 구조 부품, 도구 및 표준 부속품이 이 범주에 속합니다.

단조 합금강 크롬, 몰리브덴, 니켈, 바나듐 또는 망간과 같은 하나 이상의 합금 원소를 의도적으로 첨가하여 탄소 단독으로 달성할 수 있는 것 이상으로 특정 특성을 강화합니다.

• 크롬-몰리브덴(Cr-Mo)강 — 우수한 고온 강도 및 크리프 저항성; 압력 용기 플랜지 및 증기 배관 표준(ASTM A182 F11, F22).
• 니켈-크롬-몰리브덴(Ni-Cr-Mo) 강철 — 저온에서의 높은 충격 인성; 항공우주 및 극저온 응용 분야에 사용됩니다.
• 붕소 합금강 — 소량의 붕소 첨가(0.001%-0.003%)는 최소한의 비용 프리미엄으로 경화성을 극적으로 증가시킵니다.
• 바나듐강 — 입자 미세화 및 석출 경화; 자동차 크랭크샤프트와 커넥팅 로드에 흔히 사용됩니다.

일반 단조강과 단조 합금강 사이의 선택은 사용 조건, 즉 온도 범위, 반복 하중, 부식 노출 및 요구되는 항복 강도에 따라 결정됩니다. 대부분의 석유 및 가스, 석유화학, 발전 분야에서는 단조 합금강이 기본적으로 지정됩니다.

강철의 단조 온도: 그것이 중요한 이유

온도는 단조강에서 가장 중요한 공정 변수입니다. 너무 낮으면 금속 가공이 경화되고 균열이 발생합니다. 너무 높으면 입자 성장이 발생하여 강도와 연성이 저하됩니다. 올바른 단조 온도는 탄소 함량, 합금 구성 및 의도한 최종 미세 구조에 따라 달라집니다.

열간 단조 온도

가장 일반적인 산업 방법인 열간 단조는 강철을 재결정 온도 이상으로 가열합니다. 950°C ~ 1250°C(1740°F ~ 2280°F) 탄소강 및 저합금강용. 이 범위에서 금속은 프레스나 해머 힘을 가해도 균열 없이 흐를 수 있을 만큼 충분히 플라스틱입니다. 주요 고려사항:

• 저탄소강(0.05%~0.25% C)은 이 범위의 가장 높은 온도(최대 1250°C)에서 단조될 수 있습니다.
• 중탄소강 및 합금강은 일반적으로 입자 조대화를 방지하기 위해 900°C~1150°C에서 가공됩니다.
• 고탄소 공구강은 더 엄격한 제어(주로 850°C~1,100°C)와 더 좁은 작업 범위가 필요합니다.
• 마무리 온도가 중요합니다. 부품을 그 이하에서 작업하면 안 됩니다. 850°C , 이중 위상 범위의 단조로 인해 이방성 결함이 발생할 수 있습니다.

온간 및 냉간 단조

온간 단조는 650°C에서 950°C 사이에서 작동합니다. 이는 전체 오스테나이트화 온도보다 낮지만 실온보다 높은 온도입니다. 이는 산화 및 스케일 형성을 줄여 치수 정확성과 표면 조도를 향상시킵니다. 냉간 단조(실온)는 매우 엄격한 공차와 가공 경화된 표면이 필요한 작은 강철 부품에 사용됩니다. 볼트, 나사 및 베어링 부품은 냉간 단조되는 경우가 많습니다. 냉간 단조에는 일반적으로 다음이 필요합니다. 2~3배 더 높은 압력 동일한 부품의 열간 단조와 비교.

단조 강철 피팅: 표준, 압력 등급 및 응용 분야

단조 강철 피팅은 바 스톡이나 주조에서 가공하는 대신 폐쇄 다이 단조로 생산되는 나사식 또는 소켓 용접 파이프 피팅(엘보우, 티, 커플링, 유니온, 크로스 및 캡)입니다. 단조 공정을 통해 이러한 피팅은 주조 제품보다 더 높은 압력 등급과 더 나은 유압 충격 저항성을 제공하므로 고압 및 고온 배관 시스템의 표준 선택이 됩니다.

대부분의 시장에서 단조 강철 피팅에 대한 관리 표준은 다음과 같습니다. ASME B16.11 , 압력 등급 2000, 3000 및 6000의 소켓 용접 및 나사형 피팅을 다룹니다. 재료 사양은 일반적으로 다음을 참조합니다.

• ASTM A105 — 탄소강, 최대 425°C(800°F)의 주변 및 중간 온도 서비스용.
• ASTM A182 F304 / F316 — 부식성 또는 극저온 환경용 오스테나이트계 스테인리스강.
• ASTM A182 F11 / F22 — 고온 증기 및 공정 배관용 크롬-몰리브덴 합금강.
• ASTM A350 LF2 — –46°C(–50°F) 정격의 저온 탄소강.

클래스 3000 및 6000 피팅은 라인 압력이 1500PSI를 초과하는 정유소, 화학 공장 및 발전소에서 가장 일반적입니다. 적절한 사양을 위해서는 피팅 클래스를 파이프 일정 및 서비스 압력과 일치시켜야 합니다. 예를 들어 Schedule 80 파이프의 클래스 3000 피팅은 해당 온도에서 해당 파이프의 작동 압력과 일치하는 압력 등급이 지정됩니다.

단조 철강 부품: 산업 및 구조적 역할

단조 강철 부품은 구조적 결함이 있을 수 없는 모든 곳에 나타납니다. 부품이 주기적인 하중, 충격 또는 사용 중 높은 응력 집중을 견뎌야 하는 경우 주조 또는 기계 가공보다 단조 공정이 선택됩니다. 다음은 주요 부문과 이들이 의존하는 구성 요소입니다.

자동차 및 대형 운송

크랭크샤프트, 커넥팅 로드, 스티어링 너클, 휠 허브, 액슬 샤프트 및 서스펜션 암은 거의 보편적으로 단조 강철입니다. 예를 들어 승용차의 크랭크샤프트는 다음을 견뎌야 합니다. 1억 회 이상의 피로 주기 서비스 수명 전반에 걸쳐 단조 부품의 입자 미세 구조를 통해서만 안정적으로 충족되는 성능 임계값입니다. 여기에는 미량 합금 단조강(바나듐 또는 티타늄 첨가)이 지배적으로 사용되어 별도의 열처리 단계 없이 단조 후 직접 공냉이 가능합니다.

석유, 가스, 석유화학

플랜지, 밸브, 웰헤드 구성 요소 및 크리스마스 트리 어셈블리는 ASME, API 및 MSS 표준에 따라 제작됩니다. 해저 및 다운홀 환경의 압력 등급은 15,000PSI를 초과할 수 있습니다. 이는 주조 다공성 또는 분리가 허용할 수 없는 위험을 나타내는 조건입니다. ASTM A105 및 A182 시리즈 이 분야의 탄소강 및 합금강 플랜지의 대부분을 다루고 있습니다.

항공우주 및 국방

랜딩 기어 구성품, 기체 구조 브래킷, 로터 헤드, 포신은 항공우주 사양(AMS, MIL-SPEC)에 맞게 제작되었습니다. 여기서는 중량 대비 강도 비율이 매우 중요하며, 300M, 4340 및 H-11 공구강과 같은 고합금 및 초고장력 강철을 사용하며 모두 엄격한 열역학적 제어를 통해 폐쇄 다이 단조를 통해 가공됩니다.

발전

터빈 로터, 발전기 샤프트 및 압력 용기 헤드는 생산되는 가장 큰 단조 부품 중 하나이며 일부는 200톤을 초과합니다. 이러한 잉곳 ​​단조 부품은 전체 단면에 걸쳐 주조 구조를 분해하기 위한 점진적인 단조 과정이 필요하며, 이어서 균일한 특성을 달성하기 위해 긴 열처리 주기가 필요합니다. 풍력 에너지는 대규모의 새로운 수요 부문을 추가했습니다. 나셀 메인 샤프트와 타워 플랜지는 이제 전 세계적으로 가장 큰 규모의 대형 단조품 중 하나입니다.