구리 합금 단조: 종합 가이드

구리에 아연, 주석, 납, 니켈, 망간, 실리콘, 알루미늄 등의 원소를 첨가하면 구리 합금이 형성됩니다. 아연을 주원소로 하는 구리 합금을 황동이라고 하고 주석이나 납, 실리콘 등을 주원소로 하는 구리 합금을 청동이라고 합니다. 이 외에도 백동(구리-니켈 합금)과 같은 다른 구리 합금이 있습니다.

I. 빌릿 준비

구리 합금 단조의 원료는 주로 주조 체인과 압출 봉을 포함합니다.

잉곳은 대형 단조품의 빌릿으로 사용되며 가소성을 향상시키기 위해 단조 전에 균질화 어닐링을 거쳐야 합니다. 잉곳 표면에 결함이 있는 경우 단조하기 전에 깨끗하게 연마하거나 껍질을 벗겨야 합니다.

잉곳을 다이 단조 블랭크로 사용하는 경우, 구리 합금의 가소성이 높고 미세 구조가 알루미늄 및 마그네슘 합금만큼 복잡하지 않기 때문에 알루미늄 및 마그네슘 합금처럼 반복적인 업셋 없이 적절한 빌릿 준비 후 직접 단조할 수 있습니다.

압출 봉은 중소형 다이 단조품 또는 자유 단조품에 적합합니다. 내부 잔류 응력을 제거하고 균열을 방지하려면 압출된 로드는 변형 후 즉시 어닐링해야 합니다.

구리 합금은 종종 고품질 구리 합금 블랭크의 경우 원형 톱으로 절단하여 선반에서 직접 가공할 수 있으며, 표면 결함을 제거하기 위해 끝면을 모따기 가공할 수 있습니다.

II. 단조 전 가열

구리 합금의 경우 전기 가열을 사용하는 것이 가장 좋지만 화염로를 사용할 수도 있습니다. 열전대를 사용하여 저항로에서 구리 합금을 가열하여 용광로 온도를 제어하는 것은 매우 정확하지만 화염로에서 가열하면 온도 측정 오류가 더 커집니다.

구리 합금의 가열 온도는 강철보다 낮으며 노즐 조정이 필요한 가스 및 중유 가열로를 사용하면 저온에서 안정적인 연소를 보장하기 어렵습니다. 따라서 저온 버너를 사용하는 것이 가장 좋습니다.

이에 비해 연료 매체 가열로는 몇 가지 장점이 있습니다. 고온 석탄 연소 가열로는 구리 합금을 가열해야 할 때 불안정한 연소 과정으로 인해 빠르게 식을 수 있는 석유 용광로와 달리 석탄과 공기의 양을 줄여 소위 '부드러운 불'을 유지할 수 있습니다.

가열로의 용광로 가스 조성은 중성인 것이 가장 좋지만 일반 화염로에서는 중성 분위기를 얻기가 어렵고 종종 약간 산화되거나 환원됩니다. 무산소 구리, 저아연 황동, 알루미늄 청동, 주석 청동 및 니켈은과 같이 고온에서 산화에 매우 취약한 모든 고 구리 합금의 경우 일반적으로 환원 분위기에서 가열해야 합니다.

고산소 구리 합금은 환원 분위기에서 가열하는 데 적합하지 않습니다. 환원 분위기에는 H2, CO, CH4와 같은 가스가 포함되어 있기 때문에 가열 온도가 700°C를 초과하면 이러한 가스가 금속으로 확산되어 구리에서 불용성 증기 또는 CO2를 형성합니다. 이 증기는 일정한 압력을 받아 금속 내부에서 빠져나가려고 하기 때문에 금속 내부에 작은 균열이 생겨 합금이 부서지기 쉬워지는데, 이를 "수소 취성"이라고 합니다.

순수 구리를 가열할 때는 "수소 취화"를 방지하고 산화물 스케일 형성을 줄일 수 있는 약산성 분위기를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 고아연 황동은 약하게 산화되는 분위기에서 가열하는 데 적합하므로 탈아연화 및 심각한 산화를 방지할 수 있습니다.

구리 합금의 우수한 열전도율로 인해 가장 높은 용광로 온도에서 직접 저온 전하를 적재하고 일정 기간 동안 유지할 수 있으며 용광로 온도는 초기보다 50-100°C 더 높습니다. 단조 온도 (화염로) 또는 30-50°C 이상(전기로)에서 가열합니다. 가열 시간은 단면 크기(직경 또는 측면 길이) 밀리미터당 0.4~0.7분으로 계산할 수 있습니다. 생산 경험을 바탕으로 일반적으로 사용되는 일부 구리 합금의 가열 시간은 표 1과 같습니다.

표 1 구리 및 구리 합금 가열 시간

참고:

1. 가열 시간은 합금이 초기 단조 온도까지 가열된 후 시작됩니다.

2. 표의 데이터는 첫 번째 가열에 필요한 시간이며, 이후 가열은 첫 번째 가열의 절반 시간입니다.

3. 용광로 온도는 합금의 초기 단조 온도보다 30~100°C 높아야 합니다.

III. 단조

1. 변형 온도

구리 합금의 초기 단조 온도는 강철보다 낮습니다. 또한 중간 온도 취성 영역이 존재하기 때문에 표 2에 표시된 것처럼 단조 온도 범위가 탄소강보다 훨씬 좁습니다. 구리 합금은 250~650°C 사이의 취성 영역이 있는데, 이는 합금에 납과 비스무트와 같은 불순물이 존재하기 때문입니다. 이들은 α-고체 용액에서 용해도가 매우 낮고 α-고체 용액의 입자 경계를 따라 네트워크 형태로 분포하는 Cu-Pb 및 Cu-Bi와 같은 구리와 저융점 유텍틱을 형성하여 입자 간 응집력을 약화시킵니다.

표 2 구리 합금 단조 온도 범위

500°C 이상으로 가열하면 납과 비스무트가 β 고용체에 용해되는 a→a+β 변환이 발생하여 가소성이 향상됩니다. 가열 온도가 α+β→β 변환을 초과하는 온도(~700°C)에서는 β 입자가 빠르게 성장하여 가소성이 감소합니다. 따라서 구리 합금 단조 변형은 주로 α+β 이중상의 온도 범위 내에서 발생합니다. 구리 합금 단조 시 재료의 과도한 열 손실을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다.

변형에 사용되는 공구와 금형은 더 높은 온도로 예열해야 합니다. 자유 단조 중에는 작업 도구를 200-250°C로 예열하고 작업 중에 빠르게 작동하며 빌릿에서 과도한 열 손실을 방지하기 위해 빌릿을 모루에서 자주 돌려서 한 번의 가열로 더 긴 작업 시간을 허용합니다. 단조 전에 단조 다이를 150-300°C로 예열하고 금형에서 구리 합금의 체류 시간을 최소화합니다. 그렇지 않으면 단조 중에 균열이 발생할 수 있습니다.

예를 들어 펀칭 시 펀치의 온도가 낮으면 구멍 주변의 온도가 떨어져 균열이 발생할 수 있으며, 취성 온도 영역에서 헤드를 절단하면 파단이 거칠게 나타나고 다이 단조 직후 트리밍을 하면 단조 부품의 몸체가 찢어지는 경우가 많습니다. 반대로 수냉 후 트리밍하면 이러한 현상이 발생하지 않습니다.

반면 최종 단조 온도가 너무 높으면 입자 성장이 발생하고 탄소강과 달리 구리 합금의 입자 성장은 열처리로 정제할 수 없으므로 표 2를 사용하여 단조 변형 온도를 선택할 때 변형 조건에 따라 다른 값을 선택해야 합니다.

예를 들어, QAl94 타이어 다이 단조는 백색 단조보다 더 빨리 냉각됩니다. 동일한 합금의 경우 변형 온도는 응력 상태, 변형 정도, 변형 속도 및 기타 변형 조건에 따라 달라집니다. 표 3은 다양한 변형 조건에서 동일한 구리 합금의 다양한 변형 온도를 소개합니다.

표 3 구리 합금 변형 온도

2. 변형 정도 및 변형 속도

거친 입자를 피하려면 구리 합금 단조의 각 변형이 임계 변형량, 즉 10% ~ 15%보다 커야 합니다.

대부분의 구리 합금은 변형 속도에 민감하지 않으며 프레스나 해머로 단조할 수 있지만 프레스로 단조하는 것이 바람직합니다. 납 함유 황동은 변형 속도에 매우 민감하여 정적 및 동적 인장 변형 시 가소성에 상당한 차이를 나타내므로 이러한 합금은 프레스로 단조해야 합니다.

주석 인청동과 망간 청동은 단조 과정에서 상당한 열 효과를 나타냅니다. 변형 속도가 너무 빠르면 과열이 발생하고 심지어 연소될 수 있습니다.

3. 단조, 금형 설계 및 공정 운영 특성

구리 합금 다이 단조 및 단조 다이의 설계 원리는 강철 단조와 동일합니다. 그러나 구리 합금과 강철 다이 사이의 마찰 계수가 낮기 때문에 구리 합금의 단조 구배 각도는 강철의 단조 구배 각도보다 작습니다. 단조 온도 범위가 좁고 열전도율이 좋기 때문에 일반적으로 다중 다이 멤브레인 단조는 사용되지 않으며 유동성이 좋기 때문에 사전 단조 다이는 거의 사용되지 않습니다.

복잡한 모양의 단조의 경우 블랭크로 자유 단조한 다음 다이 단조로 형상을 만들 수 있습니다. 다이 캐비티의 표면 거칠기는 일반적으로 Ra1.60 ~ Ra0.40μm입니다. 구리 합금은 압출 성형에 매우 적합합니다.

납 황동 다이 단조의 경우 변형 정도가 크고 변형 속도가 빠르면 열 효과가 커서 합금의 온도가 상승하고 합금의 저용융 불순물을 녹여 입계 결합을 파괴합니다. 따라서 단조를 설계하고 단조 공정 사양을 공식화할 때 변형 정도와 변형 온도는 특정 조건에 따라 합리적으로 결정되어야 합니다.

구리 합금은 탄소강보다 내부 응력에 더 민감하기 때문에 제거하지 않으면 사용 중에 자체적으로 균열이 발생하여 단조 과정에서 변형 온도와 변형량을 비교적 일정하게 유지해야 합니다. 따라서 단조 시 망치질은 가볍고 빠르게 이루어져야 하며 망치질 양이 너무 많지 않아야 합니다. 빌릿이 어느 정도 변형된 후에는 변형량을 적절히 늘릴 수 있습니다.

장축 단조품을 단조할 때는 한 번의 열로 각 단면의 변형 온도를 비슷하게 유지하기 위해 작업 중에 헤드를 자주 돌려야 합니다. 이를 통해 균일한 미세 구조와 보다 일관된 기계적 특성을 얻을 수 있습니다.

구리 합금은 상대적으로 부드럽기 때문에 빌렛을 늘릴 때 압출되는 스텝과 모서리는 강철을 늘릴 때보다 날카롭습니다. 눌리는 양이 너무 많으면 다음 해머 타격 시 스텝에 주름이 생기기 쉽습니다. 따라서 연신 중 누르는 피드의 비율은 강철을 연신할 때보다 약간 더 커야 합니다. 이러한 관점에서 구리 합금을 망치로 두드리는 작업도 가능한 한 가볍고 빠르며 밑면 모서리에 큰 둥근 모서리를 만들어야 합니다.

구리 합금은 단조 과정에서 접히기 쉽기 때문에 사전 단조 빌릿 공정에서 선회 지점의 둥근 모서리 반경은 강철보다 크게 만들어야 합니다. 또한 일단 접힘이 발생하면 나중에 제거해야하므로 더 많은 금속 소비가 발생하므로 강철 단조에 비해 가공 여유와 재료 계산을 적절하게 늘려야합니다.

4. 냉각 및 트리밍

구리 합금 단조 후 일반적으로 공기 중에서 냉각됩니다. 구리 합금 단조품은 일반적으로 실온에서 트리밍되며 다음과 같은 경우에만 열간 트리밍이 필요합니다:

(1) 실온에서 가소성이 매우 낮은 구리 합금 단조품, 예컨대 알루미늄 함량이 높은 알루미늄 청동과 같이 실온에서 가소성이 낮고 강도가 높은 QAI9, QAI10-4-4는 냉간 트리밍 중에 트리밍 영역에서 찢어집니다. 생산 실무에 따르면 작은 크기의 알루미늄 청동 단조품도 차가운 상태에서 트리밍해서는 안 됩니다.

(2) 대형 단조품. 핫 트리밍의 온도는 일반적으로 약 420°C입니다.

IV. 금형 단조 중 윤활

다이 윤활제는 일반적으로 콜로이드 흑연과 물 또는 오일의 혼합물을 사용합니다. 대두 레시틴 + 활석 분말 + 38번 실린더 오일 + 흑연 분말(미량), 총 손실 시스템 오일(95%) + 흑연 분말(5%)의 두 가지 유형의 구리 합금 압출용 윤활유가 있습니다. 냉간 압출 구리 합금용 윤활유에는 산업용 대두유, 식물성 기름, 피마자유, 스테아린산 아연 분말 등이 있습니다.

V. 세척 및 열처리

단조 후 구리 합금 단조의 주요 세척 방법은 산세이며, 작은 단조품은 때때로 샌드 블라스팅으로 세척합니다. 단조품의 산세 공정은 표 4에 나와 있습니다.

표 4 구리 및 구리 합금 단조 산세 공정

일반 구리 합금 단조품 절임에 적용 가능합니다.

구리 및 황동 단조품의 산세척에 적용 가능합니다.

실리콘 함량이 높은 구리 합금 단조품은 표면에 실리카 산화물 층을 형성할 수 있으며, 이는 불산으로만 제거할 수 있습니다.

니켈 함량이 높은 구리 합금 단조의 경우 표면 산화물 스케일 형성을 줄이기 위해 통제된 분위기에서 가열하는 것이 가장 좋습니다. 경미한 표면 산화물 스케일은 황동용 산세 용액으로 제거할 수 있습니다. 단조 표면의 산화물 스케일이 두꺼운 경우 니켈 산화물은 이러한 용액에서 용해도가 낮기 때문에 앞서 언급 한 산세 방법으로 제거하기가 어렵습니다.

황동 단조품의 열처리에는 저온 응력 제거 어닐링과 재결정화 어닐링의 두 가지 유형이 있습니다. 저온 응력 제거 어닐링은 주로 냉간 변형 제품에 사용됩니다. 그 목적은 공작물의 내부 응력을 제거하고, 가공 중 응력 부식 균열 및 변형을 방지하며, 특정 기계적 특성을 보장하는 것입니다.

저온 어닐링 방식은 260~300°C에서 1~2시간 동안 온도를 유지한 후 공랭하는 방식입니다. 재결정화 어닐링의 목적은 작업 경화를 제거하고 보다 균일한 구조를 만드는 것입니다. 황동의 재결정화 온도는 약 300-400°C이며, 일반적인 어닐링 온도는 600-700°C입니다. α- 황동의 경우 어닐링 중에 상 변화가 발생하지 않기 때문에 어닐링의 냉각 방법은 합금의 특성에 큰 영향을 미치지 않으며 공기 또는 물에서 냉각 할 수 있습니다.

(α+β) 황동의 경우 어닐링 가열 중에 α→β 상 변환이 일어나고 냉각 중에 β→α 상 변환이 일어나므로 냉각이 빠를수록 침전된 α 상이 미세해지고 합금의 경도가 증가합니다. 합금의 가공성 개선이 필요한 경우 더 빠른 냉각 속도를 사용해야 하며, 합금의 가소성 향상을 원할 경우 느린 냉각을 적용해야 합니다.

단조 청동의 열처리 방법도 어닐링입니다. 그러나 베릴륨 청동 및 실리콘 니켈 청동과 같이 열처리(담금질, 노화)로 강화할 수 있는 합금의 경우 일반적으로 어닐링을 수행하지 않습니다. 표 5와 6에는 여러 종류의 황동과 청동에 대한 어닐링 온도가 나와 있습니다.

표 5 여러 종류의 황동에 대한 어닐링 온도

표 6 여러 유형의 청동 어닐링 온도

VI. 두 번째 프로세스의 예

그림 1에 표시된 플랜지 부품은 모양이 비교적 단순하여 정밀도와 표면 거칠기가 낮아야 합니다. 원래는 측면 길이 47mm, 높이 20mm의 사각형 빌렛으로 밀링 가공했지만 생산 효율이 낮고 금속 손실(블랭크당 0.3kg)이 높았습니다. 이후 φ35mm×22.5mm의 원형 블랭크를 하부 금형에 넣고 1600kN 마찰 프레스에서 한 번의 열로 단조하는 다이 단조로 방식을 변경했습니다.

플랜지 단조의 모양과 주요 치수는 그림 2에 나와 있습니다. 36mm 직경의 부품 길이는 11.5mm로 부품의 해당 부분보다 5.5mm 더 길며, 선삭 시 가공 척 역할을 합니다. 이 가공 척은 나중에 절단되어 스루홀 부품이 됩니다. 단조는 탈형을 위해 상단 충전 메커니즘을 사용하기 때문에 단조 구배는 30인치에 불과합니다.

단조 다이에는 인서트 구조가 사용됩니다(그림 3 참조). 펀치 및 하부 다이 재료는 3Cr2W8V를 사용하며 열처리 경도는 43~48HRC입니다. 단조 다이 홈의 표면 거칠기는 Ra1.60μm입니다. 전체 단조 다이가 가이드 장치가있는 다이 홀더에 장착되고 최종 성형 단계에서 소량의 측면 버가 생성됩니다.

이 부품을 다이 단조로 전환한 후, 각 블랭크는 기존 공정에 비해 0.115kg의 무게를 줄였습니다. 블랭크는 730~630°C의 단조 온도 범위에서 박스형 전기로에서 가열됩니다. 다이 단조 후 냉간 트리밍이 수행되고 어닐링이 이어집니다.