때때로 응용에 따른 재료의 적합성은 원하는 형태로 가공하는 용이성과 가공비로 판별될 수 있습니다. 금속의 가공 기술은 금속과 합금을 성형하거나 필요한 제품으로 제작하는 방법을 의미하며, 원하는 특성을 얻기 위해 적절한 정련(refining), 합금(alloying), 열처리(heat treatment) 등이 가공 전에 선행됩니다. 이러한 과정은 금속이 최종적으로 사용될 제품에 적합한 물리적, 화학적 특성을 갖추게 하기 위해 필수적입니다. 따라서 적절한 가공 방법의 선택은 다음 몇 가지 요소, 즉 금속의 성질, 완성체의 형태와 크기, 그리고 생산비 등에 의해 결정됩니다.
성형 작업의 정의와 종류
성형 작업(forming operation)은 소성변형(plastic deformation)을 통해 금속의 형태를 바꾸는 과정을 말합니다. 이 과정은 금속 내부의 구조를 변화시켜 원하는 모양으로 금속을 만드는 기술입니다. 예를 들어, 단조(forging), 압연(rolling), 압출(extrusion), 인발(drawing) 등이 일반적으로 많이 사용되는 성형 기술입니다. 물론 이러한 변형(deformation)은 외부의 힘이나 압력에 의해 일어나며, 그 크기는 금속의 항복 강도(yield strength)보다 커야 합니다. 대부분의 금속 재료는 적절한 연성(ductility)을 갖고 있으며, 어떠한 균열이나 파단(cracking or breaking) 없이 영구적으로 소성변형이 가능하여 이러한 성형법에 적합한 재료입니다.
열간 가공과 냉간 가공
금속의 변형이 재결정 온도(recrystallization temperature) 이상에서 행해질 때, 이러한 공정을 열간 가공(hot working)이라고 하며, 그렇지 않은 경우를 냉간 가공(cold working)이라고 합니다. 대부분의 성형 방법에서는 열간 가공과 냉간 가공 모두가 가능하며, 각 방식은 특정한 장단점을 가지고 있습니다.
열간 가공은 금속이 높은 온도에서 처리되기 때문에 많은 소성변형이 가능하고, 금속은 연하고 연성이 유지되므로 연속적으로 반복될 수 있습니다. 이는 금속 내부의 결정립이 재결정되어 더 균일한 구조를 가지게 되는 장점이 있습니다. 또한, 냉간 가공에 비해 소성에 필요한 에너지가 적게 소요됩니다. 그러나 열간 가공된 대부분의 금속은 표면 산화가 발생하여 표면에서 재료의 손실이 생기고, 불량한 표면을 유발할 수 있습니다.
반면에 냉간 가공은 금속의 변형 경화에 의해 강도의 증가와 연성의 감소를 가져옵니다. 냉간 가공의 장점으로는 우수한 표면 마감과 기계적 성질, 정밀한 크기 제어 등을 들 수 있습니다. 냉간 가공은 일반적으로 열간 가공보다 고품질의 완성체를 생산할 수 있으나, 금속이 경화되어 가공이 어려워질 수 있다는 단점도 존재합니다. 때때로 총변형은 대상물이 적은 양만큼 연속적으로 냉간 가공되고, 다시 어닐링(annealing, 금속의 내부 응력을 제거하고 연성을 회복시키는 열처리 공정)되는 일련의 공정 과정에 의해 이루어질 수 있지만, 이러한 방법은 가공비가 비싸고 불편한 방법입니다.
단조
단조(forging)는 일반적으로 가열된 금속 처리물을 기계적으로 가공하거나 소성하는 방법입니다. 단조는 연속적인 망치질이나 연속 압착(continuous pressing)에 의해 행해지며, 폐쇄형 혹은 개방형 다이로 분류됩니다. 폐쇄형 다이는 2개 혹은 그 이상의 다이 양편에 형성된 공간에서 압착에 의해 원하는 마무리 형상을 형성합니다. 폐쇄형 다이를 사용한 단조는 정밀한 형상을 얻기 위한 방법으로, 주로 작은 크기의 부품 제작에 사용됩니다. 반면, 개방형 다이는 단순한 형태로 사용되며, 주로 큰 대상물에 적용됩니다. 개방형 단조는 대형 부품이나 복잡하지 않은 형태의 금속 제품을 제작하는 데 사용됩니다.
다음 그림은 단조의 개략도입니다.
단조 처리물은 뛰어난 결정립 구조와 우수한 기계적 특성을 갖기 때문에 자동차 크랭크축 렌치와 봉을 연결하는 피스톤 등이 일반적으로 이 방법에 의해 제조됩니다. 단조는 금속의 내구성(durability)을 크게 향상시킬 수 있으며, 금속 내부의 불순물이나 공극(air pockets)을 제거하는 데도 효과적입니다.
압연
압연(rolling)은 가장 널리 사용되는 소성변형 기술로, 금속 처리물을 두 원통체(rollers)의 사이로 지나가게 하는 기술입니다. 압연에 의해 두께의 감소는 두 원통체에 의해 걸리는 압축 응력에 의해 이루어지며, 이 과정에서 금속은 연속적으로 압축되며 점차 원하는 두께로 줄어듭니다. 냉간 압연(cold rolling)은 우수한 표면 마감을 갖는 판재, 박판, 띠의 제조에 사용됩니다. 이 방법은 주로 고품질의 얇은 금속판을 생산하는 데 적합하며, 생산된 제품은 전자제품, 자동차, 건축 자재 등에 널리 사용됩니다.
다음 그림은 압연의 개략도입니다.
또한, 원형, 기차 레일, I-빔(I-beams) 등은 홈이 파인 원통체에 의해 만들어집니다. 이 방법은 금속의 형상을 변형시켜 다양한 단면을 가지는 제품을 생산할 수 있으며, 특히 대형 구조물이나 철도용 자재 제작에 유용합니다. 압연 기술은 금속의 표면 품질을 높이고, 생산 효율성을 향상시키며, 다양한 형태의 제품을 대량으로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
압출
압출(extrusion)은 금속봉을 피스톤에 가해지는 압축 응력에 의해 다이의 구멍을 통하여 밀어내는 방법입니다. 이 과정에서 금속은 다이의 모양에 따라 일정한 단면을 가지는 제품으로 형성됩니다. 압출물은 원하는 형태와 감소된 단면적을 갖게 되며, 압출제는 봉이나 복잡한 단면 형태를 통하여 관의 형태로 제조됩니다.
다음 그림은 압출의 개략도입니다.
특히 이음매 없는 관은 이러한 압출법에 의해 제조됩니다. 이는 고압 용기나 유체가 흐르는 파이프 등에서 매우 중요한 특성으로, 이음매가 없기 때문에 누출 위험이 적고, 더 높은 내구성을 제공합니다. 압출 기술은 또한 다양한 금속 재료에 적용될 수 있으며, 알루미늄, 구리, 스틸 등 여러 금속의 제품을 효율적으로 생산할 수 있는 방법입니다.
인발
인발(drawing)은 경사진 구멍을 갖는 다이(die)를 통해 출구 쪽에 가해지는 인장력에 의해 금속을 당기는 방법입니다. 인발에 의해 처리물의 단면적이 감소하고 길이가 증가합니다. 이 과정은 금속이 다이의 구멍을 통과하면서 점차 얇아지거나 길어지도록 하는 방식으로, 주로 선(wire), 봉(bar), 관(tube) 등의 제품을 제작하는 데 사용됩니다.
완전한 인발 작업은 몇 개의 다이를 통한 연속적인 작업에 의해 이루어집니다. 이 과정에서 금속은 여러 번 다이의 구멍을 통과하며 점차 원하는 형태와 크기로 가공됩니다. 이 방법은 주로 고품질의 얇은 선이나 관을 제작하는 데 사용되며, 특히 전기 전도성(electrical conductivity)을 유지하면서도 가늘고 긴 선을 만드는 데 적합합니다.
다음 그림은 인발의 개략도입니다.
인발 작업은 매우 정밀한 크기 제어가 가능하며, 제품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있습니다.
금속 가공 기술과 성형 방법은 현대 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 기술들은 금속을 다양한 형태로 가공하여 원하는 제품을 제작하는 데 필수적이며, 각 방법마다 고유한 장단점이 존재합니다. 열간 가공과 냉간 가공, 단조, 압연, 압출, 인발 등의 기술을 적절히 선택하고 활용함으로써, 최적의 재료 특성과 품질을 가진 제품을 효율적으로 생산할 수 있습니다. 이러한 금속 가공 기술의 이해와 적용은 고등학교 수준의 학생들에게도 매우 유익한 지식이며, 나아가 산업 공학, 재료 과학, 기계 공학 등 다양한 분야에서 중요한 기초가 될 수 있습니다.
