가공 경화란 어떤 현상일까? 가공 경화의 영향 및 예방 법

가공 경화란 어떤 현상일까? 가공 경화의 영향 및 예방 법

가공 경화는 금속에 힘을 가하면 굳어지는 현상입니다.

철사를 몇번이나 꺾으면 점점 무르게 되고

마침내는 끊어지는 현상이 이에 해당합니다.

또 모든 금속에 일어나는 현상이기 때문에 

금속 가공에 종사하는 분에겐 필수의 지식이고, 

현장에서는 가공 경화가 나타날 것을 상정한 대처가 필요합니다.

이번 포스팅에서는 가공 경화의 구조나 금속을 가공할 때의 영향,

재료별 가공 경화하기 쉬움에 대해서 알아보겠습니다.

 

가공 경화한 금속의 취급 방법도 설명하겠사오니 꼭 참고하세요.

 

가공 경화는 소성 변형에 따른 변형 저항이 커지는 현상

가공 경화는 금속에 응력을 가해 소성 변형

(영속적인 변형시켰을 때 금속이 굳어지는 현상)

변형의 정도인 "변형"이 증가하면서

저항이 커지는 만큼 변형 경화라고도 불립니다.

오래 전부터 알려진 현상으로, 

해머 등으로 재료를 두드리고 성형하는 가공법 등에서

금속을 굳게 하는 수단으로 이용되고 있었습니다.

 

다만 가공 경화가 진행되면 여지없이 되기 때문에

일정한 경도 이상이 되지 않도록 정기적으로 풀림을 실시합니다.

 

타격에 의한 가공 경화를 반복함으로써

성형하는 동시에 경도를 조정합니다.

또한 어닐링(annealing)은 금속을 사용하기 위한 열 처리로

가공 경화 등에 의한 내부의 폐단을 제거하게 합니다.

 

즉, 어닐링(annealing)을 실시함으로써,

가공의 소성 변형을 유지한 채 가공 경화한 금속 조직을 되돌리기가 가능합니다.

 

가공 경화의 구조

 

 

소성 변형에 의해서 생기는 가공 경화입니다만, 

그 구조를 이해하려면 금속의 변형에 대해서 알 필요가 있습니다.

원래 금속은 격자의 교점에 정연하게 

배치된 원자에 의해서 구성되어 있습니다.

 

그리고 이에 힘을 가하면 위 그림의 탄성 변형에서 보듯

어느 일정한 변형량 이하에서는 힘을 빼도 원래의 형상으로 돌아옵니다.

 

그러나 그 변형량을 넘으면 국소적인 원자 배열을 유지하면서도

원래의 형상으로 돌아오지 않는 소성 변형이 일어납니다

(위 그림의 소성 변형).

이때 다음과 같은 원자 배열의 해이(전위)와

격자의 교점이 하늘이 되는 격자 결함 등이 발생할 수 있고 

이들은 가공할 정도로 증대됩니다.

 

그리고 원자 배열의 난맥과 격자 결함이 서로 간섭하면서

탄성 변형이 발생하기 어려워지면 함께 원자를 재배열하는

소성 변형도 안 일어나게 됩니다.

 

이처럼 원자 배열이 변화할 여지가 없어짐과 동시에

다시 배열도 힘들어 지는 것에서 가공 경화가 생깁니다.

또한 아래의 "전위"이란 선 모양으로 

형성된 원자 배열의 교란을 일컫는 말입니다.

 

왼쪽의 칼날 모양 전위는 원자가 가운데 물 평면에서 

옆으로 미끄러지면서 발생하는 전위에서 

활동 면과 수직인 것이 특징입니다.

 

한편, 나선 전위는 원자가 가운데 수직면에 세로로 미끄러지면서

발생하는 전위에서 활동 면과 평행하다는 특징이 있습니다.

 

가공 경화의 장단점

가공 경화의 이점은 상술한 것처럼 재료의 경도가 커집니다.

 

그러나 그것은 재료가 약하면 동시에 끈기가 낮아지는 것도 

의미하기 때문에 균열이나 파열이 발생하기 쉬워지고 

내구성 저하의 원인이 됩니다.

또 가공 중 가공 경화가 일어나면 후 공정의 가공에서 소홀할 수 있습니다.

 

예를 들면, 스테인리스 강에서는 표면을 문지르며 

타입 절삭 가공으로 가공 경화가 일어나기 쉽고, 

후속 공정에서 사용 공구 수명에 악영향을 주는 일이 있습니다.

또한 이 가공 경화를 막기 위해서는 재료와 공구에 맞추어 

공구. 속도와 회전 속도 등을 조정하고 

최적의 윤활제 등을 준비하고 가공 경화가 생기기 

어려운 조건을 찾는 것이 필요합니다.

그 한편, 프레스 가공의 깊은 압축 성형과 확장형에서는 

가공 경화가 성형에 유리할 수가 있습니다.

 

이들 성형 방법으로는 아래 중의 상부처럼 

판재에 금형을 받아 넣으며 판재의 일부를 늘리는 것으로 만듭니다.

 

그래서 아래 중의 하부처럼 늘어나는 부분의 판 두께만이 엷어지고

성형품의 판 두께가 불균일하게 되는 것은 물론

파괴의 원인이 될 수 있습니다.

 

그러나 가공 경화가 일어나기 쉬운 재료가 변형하는 동시에

경화되어 성장 부분이 차례로 변하면서

변형이 한결같아져 파열이 일어나기 어렵게 됩니다.

재료의 종류와 가공 경화

가공 경화는 재료에 의해서 일어나기 쉬운 것과

일어나지 않는 것이 있습니다.

 

여기에서는 가공 경화하기 쉬움을 나타내는 지수를 설명하고 

대표적인 재료의 가공 경화하기 쉬움에 대해서 소개합니다.

가공 경화하기 쉬운 자재하기 어려운 재료

재료의 가공 경화하기 쉬움은 

가공 경화 지수(n치)이 기준이 됩니다.

n값이란 응력-변형 곡선(위 그림)의 

항복점(소성 변형이 시작되는 응력)이상의 

소성 역의 응력 σ과 변형 ε과의 관계를 "σ=Cε n"에서 

유사한 때의 지수 n입니다.

 

n치가 클수록 국부 수축 발생까지 걸리는

응력(최대 응력)이 커지면서 가공 경화하기 쉬운 것을 나타냅니다.

 

또한"C"는 소성 계수로 불리는 정수로,

항복점에 있어서의 소성 역 측의 기울기를 표합니다.

 

SUS304와 SUS301, 구리, 황동은 가공 경화하기 쉽고,

티탄은 가공 경화하기 어렵습니다.

 

또 같은 스테인리스라도 SUS430은

가공 경화하기 쉬운 것은 아닙니다.

또한"1/2자재"이나 "H24"의 표기가 있는 것은 

가공된 재료이며 이미 가공 경화가 일어나고 있는 것입니다.

 

한편"0"과 "0제"의 표기가 있는 것은

가공 경화가 일어나지 못한 것을 나타냅니다.

 

가공 경화한 금속을 연화하는 방법은?

가공 경화한 금속은 어널링 함으로써 완화시킬 수 있습니다.

상술한 것처럼, 가공 경화는 전위와 격자 결함 등이 증대함으로써 일어납니다.

그러나 이런 상태는 원자 배열이 주기적인 상태에 비해서 불안합니다.

 

그래서 원자가 움직이게 되는 온도(재결정 온도)까지 가열되면

전위와 격자 결함 등을 잃는 원자 배열은 주기성을 가진 상태로 이행합니다.

 

이 현상은 금속 내부의 폐단이 완화될 것을 

의미하기 때문에 가공 경화를 완화시킬 수 있습니다.

또한, 철강은 1시간 반가량 450℃~600℃을 유지하는 것으로

가공 경화를 연화할 수 있습니다.

 

 

 

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