단조 금속에 대한 분말 단조의 영향과 결함

지난 세기 말, 새로운 금속 소성 성형 공정인 분말 단조가 해외에서 성공적으로 개발되었습니다. 이후 자동차 차동장치의 유성 기어와 커넥팅 로드 단조품을 차례로 단조하고, 최초의 분말 단조 생산 라인을 구축했습니다. 분말 야금 기술과 정밀 단조를 유기적으로 결합하여 개발한 경쟁력 있는 비절삭 금속 가공 방법입니다. 금속 분말을 원료로 사용하여 보호 분위기에서 예비 성형 및 압축하고, 가열·소결하여 단조용 예비 성형체를 만든 다음 프레스에서 한 번에 단조함으로써 플래시가 없는 정밀 금형 단조를 실현하고, 일반 금형 단조품과 동일한 밀도와 복잡한 형상을 지닌 정밀 단조품을 얻습니다.

분말 야금의 우수한 성형성이라는 장점뿐만 아니라, 금속 재료의 조직과 특성을 변화시키는 단조 변형의 역할도 하므로 분말 야금 생산 및 단조 기술에서 새로운 돌파구를 마련했습니다. 이는 특히 고강도·복잡 형상의 구조 부품을 대량 생산하는 데 적합한 경계 전문 분야입니다. 따라서 다양한 산업 분야에서推广할 가치가 매우 큽니다.

분말 단조 공정 흐름
일반적인 분말 단조 공정은 일반 소결 부품 제조와 같은 방식으로 적절한 배합과 혼합의 분말을 성형하여 저밀도 예비 성형체를 만들고, 이를 소결 후 열간 단조용 단조 소재로 사용하는 것입니다. 예비 성형체에 윤활제가 포함된 경우 소결 전에 윤활제 제거 공정을 추가해야 합니다. 소결 후 냉각된 경우에는 단조 전에 다시 가열해야 합니다. 일반적으로 단조 후 열처리 전에 어느 정도의 기계 가공이 필요합니다. 전체 공정에서 단시간의 단조를 제외한 모든 가열은 산화 방지 보호 분위기에서 수행됩니다.

금형 단조와 비교할 때 분말 단조의 장점은 다음과 같습니다:

01 재료 이용률이 90% 이상으로 높습니다. 금형 단조의 재료 이용률은 약 50%에 불과합니다.

02 기계적 특성이 우수합니다. 재료가 균일하고 비이방성이며, 강도·소성 및 충격 인성이 높습니다.

03 단조품의 정밀도가 높고 표면이 매끄러우며, 절삭 가공을 줄이거나 생략할 수 있습니다.

(I) 단조가 금속 조직과 성능에 미치는 영향
단조 생산에서는 요구되는 단조품의 형상과 치수를 보장하는 것 외에도 사용 중 부품의 성능 요구 사항을 충족해야 하며, 여기에는 강도 지수, 소성 지수, 충격 인성, 피로 강도, 파괴 개시 특성 및 응력 부식 저항 등이 포함됩니다. 고온에서 작동하는 부품의 경우에는 고온 순간 인장 특성, 내구 성능, 변형 저항 및 열피로 성능도 요구됩니다. 단조에 사용되는 원재료는 잉곳, 압연재, 압출재 및 단조 빌릿입니다. 압연재, 압출재 및 단조 빌릿은 잉곳을 압연·압출·단조하여 만든 반제품입니다. 단조 생산에서 합리적인 공정과 공정 매개변수를 사용하면 다음과 같은 측면에서 원재료의 조직과 성능을 개선할 수 있습니다.
1. 주상정을 파괴하고 거시적 편석을 개선하며, 주조 조직을 단조 조직으로 변화시키고, 적절한 온도와 응력 조건에서 내부 기공을 용접하여 재료의 치밀도를 향상시킵니다;

2. 잉곳을 단조하여 섬유 조직을 형성하고, 단조품을 추가로 압연·압출·금형 단조하여 합리적인 섬유 방향 분포를 얻습니다;
3. 결정립의 크기와 균일성을 제어합니다;
4. 제2상의 분포를 개선합니다(예: 레데부라이트강의 합금 탄화물);
5. 조직을 변형시키거나 강화합니다. 위와 같은 조직 개선으로 인해 단조품의 소성, 충격 인성, 피로 강도 및 내구성도 향상됩니다. 이후 부품의 최종 열처리를 통해 부품에 요구되는 경도·강도·소성의 우수한 종합 특성을 얻을 수 있습니다. 그러나 원재료의 품질이 낮거나 사용한 단조 공정이 불합리하면 단조 결함이 발생할 수 있으며, 여기에는 표면 결함, 내부 결함 또는 성능 미달이 포함됩니다.

(II) 원재료가 단조 품질에 미치는 영향 원재료의 우수한 품질은 단조품 품질을 보장하기 위한 전제 조건입니다. 원재료에 결함이 있으면 단조품의 성형 공정과 최종 품질에 영향을 미칩니다. 원재료의 화학 원소가 규정 범위를 초과하거나 불순물 원소의 함량이 지나치게 높으면 단조품의 성형과 품질에 큰 영향을 줍니다. 예를 들어 S, B, Cu, Sn과 같은 원소는 저융점상을 형성하기 쉬워 단조품에 열간 취성을 일으키기 쉽습니다. 고유 미세 결정립강을 얻으려면 강 중 잔류 알루미늄 함량을 일정 범위 내로 제어해야 하며, 예를 들어 Al의 질량 분율을 0.02%~0.04%로 유지해야 합니다. 함량이 너무 적으면 결정립 조대화 제어에 효과가 없고 단조품의 고유 결정립 크기가 규격을 충족하지 못하기 쉽습니다. 반대로 알루미늄 함량이 너무 많으면 압력 가공 중 섬유 조직이 형성되는 조건에서 목재 무늬 파괴, 찢김 형태의 파괴 등이 발생하기 쉽습니다. 예를 들어 오스테나이트계 스테인리스강은 n, Si, Al, Mo의 함량이 많을수록 페라이트상이 많아지고, 단조 중 밴드 균열이 형성되기 쉬우며 부품이 자성을 띠게 됩니다. 원재료에 수축 잔류물, 표면 아래 블리스터, 심한 탄화물 편석, 조대한 비금속 개재물(슬래그 개재물) 및 기타 결함이 있으면 단조 중 단조품에 균열이 발생하기 쉽습니다. 원재료의 수지상 결정, 심한 다공성, 비금속 개재물, 백점, 산화 피막, 편석대 및 이종 금속 혼입 등의 결함은 단조품의 성능 저하를 일으키기 쉽습니다. 원재료의 표면 균열, 겹침, 흠집, 조대 결정립 링 등은 단조품의 표면 균열을 일으키기 쉽습니다.

(III) 단조 공정이 단조품 품질에 미치는 영향 단조 공정은 일반적으로 절단, 가열, 성형, 단조 후 냉각, 산세 및 단조 후 열처리로 구성됩니다. 단조 공정 중 공정이 부적절하면 일련의 단조 결함이 발생할 수 있습니다. 가열 공정에는 장입 온도, 가열 온도, 가열 속도, 유지 시간, 노내 가스 조성 등이 포함됩니다. 가열이 부적절하여 가열 온도가 지나치게 높거나 가열 시간이 너무 길면 탈탄, 과열 및 소손과 같은 결함이 발생합니다. 단면이 크고 열전도성이 낮으며 소성이 좋지 않은 불량 재료는 가열 속도가 너무 빠르고 유지 시간이 너무 짧으면 온도 분포가 불균일해져 단조 빌릿에 열응력과 균열이 발생하기 쉽습니다. 단조 성형 공정에는 변형 방식, 변형량, 변형 온도, 변형 속도, 응력 상태, 공구 및 금형 조건, 윤활 조건이 포함됩니다. 성형 공정이 부적절하면 조대한 결정립, 불균일한 결정립, 각종 균열, 겹침, 관통 결함, 와류 및 잔류 주조 조직이 발생할 수 있습니다. 단조 후 냉각 과정이 부적절하면 냉각 균열, 백점, 망상 탄화물 등이 발생할 수 있습니다.

(IV) 단조 조직이 최종 열처리 후의 조직과 특성에 미치는 영향 오스테나이트계 및 페라이트계 내열 스테인리스강, 고온 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등 가열 및 냉각 중 동소 변태가 없는 재료와 일부 구리 합금 및 티타늄 합금 등은 단조 과정에서 발생한 조직 결함을 열처리로 개선할 수 없습니다. 구조용 강 및 마르텐사이트계 스테인리스강처럼 가열과 냉각 중 동소 변태가 일어나는 재료는 부적절한 단조 공정으로 인해 발생한 특정 조직 결함이나 원재료에 남아 있던 특정 결함이 열처리 후 단조품의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
1. 단조품의 일부 조직 결함은 단조 후 열처리 중 개선될 수 있으므로 단조품의 최종 열처리 후에도 만족스러운 조직과 성능을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 일반 과열 구조용 강 단조품의 조대한 결정립과 비드만스테텐 조직, 과공석강 및 베어링강의 부적절한 냉각으로 발생한 경미한 망상 탄화물 등이 있습니다.
2. 일부 단조품의 조직 결함은 일반 열처리로 제거하기 어려우며, 고온 정규화, 반복 정규화, 저온 분해 및 고온 확산 어닐링과 같은 방법으로만 개선할 수 있습니다. 3. 일부 단조품의 조직 결함은 일반적인 열처리 공정으로 제거할 수 없어 최종 열처리 후 단조품의 성능이 저하되거나 심지어 기능을 상실하게 됩니다. 예를 들어 심한 석상 파괴와 면상 파괴, 소손, 스테인리스강의 페라이트 밴드, 레데부라이트 고합금 공구강의 탄화물 망상 및 밴드 등이 있습니다.
4. 일부 단조품의 조직 결함은 최종 열처리 중 더욱 발전하여 균열을 일으키기도 합니다. 예를 들어 합금 구조용 강 단조품의 조대 결정립 조직이 단조 후 열처리에서 개선되지 않으면 탄소 및 질소의 공확산과 담금질 후 조대한 마르텐사이트와 성능 미달이 발생하는 경우가 많습니다. 고속도강의 조대한 밴드형 탄화물은 담금질 중 균열을 일으키기 쉽습니다. 성형 방법에 따라 응력 조건과 응력-변형 특성이 다르므로 발생할 수 있는 주요 결함도 다릅니다. 예를 들어 빌릿 업세팅의 주요 결함은 측면의 세로 균열 또는 45° 균열이며, 잉곳 업세팅에서는 상단과 하단에만 주조 조직이 남는 경우가 많습니다. 직사각형 단면 빌릿 연신의 주요 결함은 표면의 가로 균열과 모서리 균열, 내부의 대각선 균열과 가로 균열입니다. 오픈 다이 단조의 주요 결함은 미충전, 겹침 및 어긋남입니다. 재료의 종류에 따라 조성과 조직이 다르고 가열·단조·냉각 중 조직 변화와 기계적 거동도 다릅니다. 따라서 단조 공정이 적절하지 않으면 발생할 수 있는 결함에도 각 재료의 특성이 반영됩니다. 예를 들어 레데부라이트 고합금 공구강 단조품의 결함은 주로 조대한 탄화물 입자, 불균일한 분포 및 균열이며, 고온 합금 단조품의 결함은 주로 조대한 결정립과 균열입니다. 오스테나이트계 스테인리스강 단조품의 결함은 주로 입계 크롬 고갈, 입계 부식 저항 감소, 페라이트 밴드 조직 및 균열 등이며, 알루미늄 합금 단조품의 결함은 주로 조대한 결정립, 겹침, 와류 및 관통 결함 등입니다.