소성변형과 소성가공

왜 배우는가: 소성가공은 절삭 없이 재료를 성형하는 대표 가공법이라 자동차 부품, 일반 기계 부품 생산 현장에서 가장 널리 쓰인다. 프레스·단조 설비의 협착 같은 위험요인도 소성변형의 원리에서 나오므로 기계안전 관점에서 반드시 이해해야 한다. 시험에서는 정의, 종류, 특징을 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제123회 1교시 9번, 제117회 3교시 4번, 제114회 1교시 2번, 제96회 3교시 3번, 제93회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

소성가공은 재료에 외력을 가해 영구 변형(소성변형)을 일으켜 원하는 형상으로 성형하는 비절삭 가공법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 소성: 힘을 받아 영구 변형을 일으키는 재료의 성질.
• 소성변형: 하중을 제거한 뒤에도 남는 잔류 변형.
• 연성: 인장을 받아 가늘고 길게 늘어나는 성질.
• 전성: 압축을 받아 얇게 펴지는 성질.
• 단조: 재료를 가열하거나 두드려 성형하는 가공.
• 압연: 회전하는 롤 사이로 통과시켜 판재·형재를 만드는 가공.
• 압출: 다이 구멍으로 밀어 내어 막대·관을 만드는 가공.
• 인발(신선): 다이에 통과시켜 잡아당겨 단면을 줄이는 가공.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 설명하면, 점토를 손으로 누르면 모양이 그대로 남는다. 금속도 큰 힘을 받으면 힘을 빼도 원래대로 돌아가지 않는 변형이 생긴다. 이 남는 변형이 소성변형이고, 이 성질을 이용해 재료를 깎지 않고 모양을 만드는 것이 소성가공이다.

정식으로 말하면, 재료에 힘을 가했을 때 힘을 제거하면 원래 모양으로 돌아가는 변형을 탄성변형이라 하고, 제거 후에도 남는 변형을 소성변형이라 한다. 탄성변형은 탄성한계 이하의 힘에서 일어나고, 소성변형은 탄성한계 이상의 힘이 가해져야 시작된다. 소성가공은 이 경계를 넘는 힘으로 재료를 원하는 형상으로 바꾸는 가공이다.

소성의 크기는 재료가 얼마나 늘어나고 얼마나 펴지는지로 나타낸다. 연성은 인장력을 받아 파괴 없이 가늘고 길게 늘어나는 성질이다. 연성이 큰 재료는 선으로 뽑을 수 있다. 전성은 압축력을 받아 파괴 없이 얇게 펴지는 성질이다. 전성이 큰 재료는 망치질이나 압연으로 판을 만들 수 있다.

연성과 전성은 항상 함께 나타나지 않는다. 금은 연성과 전성이 모두 크지만, 납은 전성은 크고 연성은 작다. 그래서 소성가공법을 고를 때는 재료가 어떤 힘을 잘 견디는지를 먼저 봐야 한다. 금속 중에서 연성이 큰 쪽은 금, 백금, 은, 철, 구리, 알루미늄 순이라고 알려져 있다.

3. 등장 배경과 필요성

금속 제품을 만드는 방법으로는 주조, 절삭, 소성가공이 주로 쓰인다. 주조는 녹인 금속을 틀에 부어 굳히므로 치수 정밀도가 떨어지고 내부에 기공이 생길 수 있다. 절삭가공은 치수가 정확하지만 칩이 많이 발생하고 재료 손실이 크다. 소성가공은 이 두 방법의 단점을 줄이기 위해 발전해 왔다.

소성가공이 필요한 가장 큰 이유는 금속의 조직을 바꿔 강도를 높일 수 있기 때문이다. 재료를 소성변형시키면 결정 조직이 개량되어 주조품이나 절삭품보다 강한 성질을 얻는다. 여기에 치수가 주물보다 정확하고, 같은 금형으로 균일한 제품을 대량 생산할 수 있다. 절삭처럼 칩이 생기지 않아 재료 사용률도 높다.