열간가공과 냉간가공

왜 배우는가: 열간가공과 냉간가공의 구분은 제품의 성형성, 치수 정밀도, 재료의 기계적 성질을 좌우하므로 소성가공 전체의 출발점이다. 두 가공의 차이는 재결정온도와 가공경화의 관계로 설명되므로 같은 주제가 여러 교시에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제139회 2교시 3번, 제115회 1교시 5번, 제94회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열간가공은 재결정온도 이상에서, 냉간가공은 재결정온도 이하에서 재료를 소성변형시켜 형상을 만드는 가공법이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 이어서 두 가공을 가르는 기준이 가공온도임을 밝힌다. 두 가공은 같은 소성가공 원리를 쓰지만 온도 조건이 달라 제품의 성질과 설비 조건이 달라진다. 답안 본문에서 함께 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 소성변형: 탄성한계를 넘는 외력을 받아 힘을 제거한 뒤에도 남는 영구 변형이다.
• 재결정온도: 가공으로 변형된 결정이 새로운 결정으로 바뀌기 시작하는 온도이다.
• 재결정: 변형된 결정 속에 새 결정핵이 생기고 성장하여 변형이 없는 결정으로 치환되는 현상이다.
• 회복: 결정의 모양은 그대로 두고 내부 응력만 줄어드는 현상이다.
• 가공경화: 소성변형이 진행될수록 강도와 경도는 증가하고 연신율은 감소하는 현상이다.
• 변형저항: 재료가 소성변형에 맞서 나타내는 저항으로, 온도가 높을수록 작아지고 가공 속도가 빠를수록 커진다.
• 적열취성: 열간가공 중 불순물이 결정입계에 저융점 성분을 만들어 전연성이 떨어지고 파괴되기 쉬운 상태이다.

2. 개념 풀이

소성가공은 재료에 항복강도 이상의 응력을 가해 영구 변형을 일으키고, 그 변형으로 원하는 형상과 치수를 얻는 가공법이다. 소성가공은 가공온도에 따라 열간가공과 냉간가공으로 나뉘며, 구분 기준은 가공온도가 재결정온도 이상인가 재결정온도 이하인가이다. 따라서 상온에서 가공한다고 해서 모두 냉간가공이 되는 것은 아니며, 재결정온도가 상온보다 낮은 재료는 상온 가공도 열간가공으로 분류된다.

열간가공과 냉간가공의 차이는 가공 중 가공경화가 제거되는지 누적되는지에 있다.

원리는 다음과 같다. 금속은 결정 격자의 원자 배열이 어긋난 선결함인 전위가 움직이면서 변형한다. 소성변형이 진행되면 전위의 수가 늘어나고, 늘어난 전위끼리 얽혀 추가 변형을 방해한다. 이 현상이 가공경화이며, 가공경화된 금속은 같은 힘으로 더 변형시키기 어렵고 연성도 떨어진다.

재결정온도 이상에서 가공하면 가공 중에 회복과 재결정이 함께 진행된다. 회복으로 내부 응력이 줄고 재결정으로 새 결정이 생기면서 변형된 결정이 치환되므로 가공경화가 계속 해소된다. 그 결과 열간가공의 변형저항은 낮게 유지되고, 한 번에 큰 변형량을 부여하기 쉽다. 반면 재결정온도 이하에서는 이 연화 과정이 충분히 일어나지 않아 가공경화가 누적된다. 강도와 경도가 올라가고 연신율과 단면수축률이 줄어들며, 필요하면 풀림처리로 연성과 전성을 되살린다.

재결정온도는 고정된 값이 아니다. 가열시간이 길수록, 가공도가 클수록, 가공 전 결정입자가 미세할수록 재결정온도는 낮아진다. 따라서 같은 재료라도 가공 조건에 따라 열간가공과 냉간가공의 경계가 달라질 수 있으며, 답안에는 재료와 조건을 함께 밝혀 쓴다. 변형저항은 온도가 일정할 때 가공 속도가 증가하면 커지므로, 열간가공에서는 온도와 가공 속도를 함께 관리해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

주조 제품은 용융 금속이 응고하면서 내부 기공과 불균일한 조직이 생기기 쉽다. 소성가공은 이미 응고된 재료를 힘으로 변형시켜 형상을 만들므로 결정조직이 치밀해지고 강도가 높아진다. 성형치수가 주물보다 정확하고 재료 사용량을 경제적으로 쓸 수 있다는 점도 소성가공을 채택하는 이유가 된다. 이처럼 치밀한 조직과 대량생산이 가능하다는 점이 소성가공을 주조와 구분되는 기계 부품 생산의 핵심 공정으로 만들었다.

재료와 제품의 요구가 달랐기 때문에 가공온도에 따른 두 방식이 필요해졌다. 두께가 큰 강괴를 큰 모양으로 바꾸려면 변형저항이 낮고 큰 변형을 한 번에 줄 수 있는 열간가공이 유리하다. 반면 얇은 판재와 정밀 부품은 치수 오차와 표면 품질이 중요하므로 재결정온도 이하에서 가공하는 냉간가공이 필요하다. 두 방식은 역할을 나누어 함께 발전해 왔다.