금속의 압연
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롤(roll)사이를 통과시키므로 소성변형을 유도하는 공정을 압연이라 부른다. 생산속도가 높고 칫수 정도의 제어가 용이하기 때문에 가장 널리 이용되는 소성가공공정의 하나이다.
그림 1. 압연기의 유형별 분류
P.219 그림 6-3 위성식 압연기의 롤 배열 압연은 casting → ingot → bloom → billet, slab → sheet, strip 의 순서로 행하고 ingot → bloom, bloom → billet, slab에는 hot working한다. |
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철강제품의 첫 번째 열간가공과정은 일차 조압연기(primary roughing mill)에 의해서 행하여진다. 1. scale을 없앰 열간압연에서는 edge를 보호하기 위해서 가끔 90°회전시켜 pass시키고(cross pass), edge roller를 사용한다. 온도는 반드시 재결정 온도 이상에서 행하여야 uniform equiaxed grain을 얻을 수 있다. |
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냉간 압연 제품의 표면은 열간압연의 그것에 비하여 훨씬 좋다. 또 냉간압연에 따른 강도의 증가도 이용할 수 있다. 냉간압연에서의 마지막 pass는 대개 작은 reduction으로 행하여 좋은 dimension, flatness, surface finish를 얻을 수 있다. skin pass-stretcher strain현상을 막기 위해 아주 작은 reduction으로 압연한다. |
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그림 3. 압연에서 작용하는 힘 그림은 압연에서 롤의 기하학적인 형상과 압연에 필요한 힘간의 관계를 도식한 것이다. 여기에서 폭의 증가가 없다고 가정하면 두께의 감소는 길이의 증가로 나타날 것이다. 압연전과 압연후의 부피가 같다고 생각하면 bh0v0 = bhfvf (b:박판의 폭, v:두께가 h일 때의 속도) 이다. 그리고 그림에서 N은 roll의 속도와 metal의 이동속도가 같은 점이고 중립점(neutral point)또는 미끄러지지 않는 점(no slip point)이라고 부른다. 이 점을 중심으로 왼쪽에서는 마찰력이 오른쪽으로(rool의 속도가 재료가 들어오는 속도보다 빠르다) 오른쪽에서는 마찰력이 왼쪽으로 작용한다.(roll의 속도가 재료가 나가려는 속도보다 느리다.) 접촉면에서는 두가지의 힘이 작용하는데 그 중 하나는 반경방향의 힘 Pr이고 다른 하나는 접선방향의 마찰력 F이다. 힘 Pr의 수직성분을 Prv라고 하면 비롤압력(specific rolling pressure)은 압연력을 접촉면적(판의 폭 b와 접촉호의 투영길이 Lp의 곱)으로 나누어준 값이다.
이다. 여기서 Lp는
이므로
이다. 재료가 roll에 들어올 때를 보면 roll은 재료를 밖으로 밀어내려는 힘 = Pr sinα 따라서 재료가 roll안쪽으로 들어오기 위해서는
그런데
이고 앞에서
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이므로 
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압연에서 피가공물이 소성변형하는 동안 롤과 압연기도 탄성변형을 한다. 그 상호작용에 따라소 압연기술상의 여러 가지 문제가 발생하고, 그에 따름 결함들이 발생한다. 압연하는 중에 롤의 간격은 완전히 평행이어야 한다. 그렇지 않은 경우에는 판의 양쪽의 두께가 서로 다르게 될 것이며, 체적불변의 법칙에 따라서 양측의 길이도 다르게 될 것이다.
그림 4. 롤의 휨에 기인하는 판가장자리가 길어지는 현상 그림a와 같은 롤의 결함에서는 판의 가장자리 부분이 중앙부분보다 더 많이 늘어나게 되어서 그림b와 같은 형태로 될 것이다. 그러나 판은 연속을 유지해야 하기 때문에 그림c와 같이 중앙부는 인장응력을 가장자리는 압축응력을 받게 된다. 따라서 가장자리 부분의 주름 현상이 발생하게 된다. 롤의 휨을 방지하는 하나의 방법으로서 롤의 양단보다 중앙부의 직경을 약간 크게 가공하여 롤이 휜 후에 평행이 맞게 하는 경우도 있다. 이것을 캠버(camber) 혹은 크라운(crown)이라 부르고, 열팽창에 의해서 형성되는 경우도 있다. 가장자리의 파단은 두께방향의 변현에 의해서도 발생한다. 압연의 비가 작은 경우 판재의 단면에는 다른 방햐의 힘이 작용하게 되고 파단이 일어난다. 그 후의 압연 패스에서 튀어나온 부분은 직접 압축되지 않고, 중심부의 변형에 의해서 강제로 늘어나게 된다. 외부 균열외에도 주괴생산 및 압연에 기인하는 결함들이 발생할 수 있다. 피셔(fissure)라고 부르는 내부의 금은 주괴에 존재하는 기공이 압연동안에 완전하게 용접되지 않아서 나타나는 결함이다. 비금속개재물 혹은 펄라이트(perrlite)가 길이방향으로 배열되어 있는 결함은 용해와 응고에서 기인하는 결함이다. |
