냉간 압출에 사용되는 소재는 가소성이 우수하고 변형 저항성이 낮으며 가공 경화에 대한 민감도가 높아야 합니다. 냉간 압출용 소재의 선택은 압출 생산에서 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 이는 제품의 품질과 성능뿐만 아니라 금형의 수명에도 직접적인 영향을 미치므로 냉간 압출 공정의 복잡성에도 어느 정도 영향을 미칩니다.
현대 산업의 발전과 대용량 전문 압출 프레스 및 새로운 금형 재료의 등장으로 냉간 압출에 사용할 수 있는 재료의 범위가 넓어지고 재료의 종류도 점차 확대되었습니다.
이제 많은 저소성 및 고강도 소재가 어느 정도의 변형 범위 내에서 냉간 압출 가공이 가능합니다. 현재 국내외에서 냉간 압출에 사용되는 금속 소재는 표 2-3에 나와 있습니다.
표 2-3: 금속 냉간 압출에 사용
| 재료 이름 | 재료 등급 | ||
| 납, 주석, 은 및 그 합금 | |||
| 아연 및 아연-카드뮴 합금 | |||
| 알루미늄 및 알루미늄 합금 | 순수 알루미늄 | 1070A,1060,1050A,1035,1200 | |
| 녹 방지 알루미늄 합금 | 5A01,5A02,5A03,5A05,3A21 | ||
| 경질 알루미늄 합금 | 2A01,2A02, 2A04. 22A06,22B11, 2B12, 2A10, 2A11,22A12, 2A13 | ||
| 단조 알루미늄 합금 | 2A50,2A14 | ||
| 초경량 알루미늄 합금 | 7A09 | ||
| 구리 및 구리 합금 | 순수 구리 | T1,T2,T3,T4 | |
| 무산소 구리 | TU1,TU2 | ||
| 황동 | H62,H68,H70,H80,H85,H90,H96 | ||
| 주석 인광체 청동 | QSn6. 5-0. 15 | ||
| 마그네슘 합금 | Mg99.50, Mg99.00, AZ41M, AZ61M | ||
| 니켈 및 니켈 합금 | 순수 니켈 | N2,N3,N4.N5,N6 | |
| 니켈-구리 합금 | NiCu70-30 | ||
| 강철 | 전기 순수 철 | DT1,DT2 | |
| 일반 탄소강 | Q195,Q215,Q235,Q275 | ||
| 고품질 탄소 구조용 강철 | 08F,15F,08,10,15,20,25,30,35,40,45,50,15Mn,16Mn,20Mn | ||
| 딥 드로잉 스틸 | S10A, S15A, S20A | ||
| 합금 구조용 강철 | 20MnV, 20MnB, 15Cr, 20Cr, 30Cr, 40Cr, 45Cr, 15CrMo, 20CrMo,30CrMo, 35CrMo, 42CrMo, 12CrNi2,12CrNi3A, 12CrNiTi, 30Mn2,30CrMnSi, 35CrMnSi, 30CrMnSiA, 40CrMnMo, 40CrNiMo, 18CrMnTi, 20CrMo,35CrMnSi， 35CrMa,35CrMa,35CrCrNiMa | ||
| 스테인리스 스틸 | 페리틱 시스템 | 10Cr17 | |
| 마르텐사이트 시스템 | 06Cr13, 12Cr13, 20Crl3, 30Cr13, 14Cr17Ni2 | ||
| 오스테나이트 시스템 | 06Cr19Ni10,12Cr18Ni9 | ||
| 베어링 스틸 | GCr9, GCr15 | ||
| 탄소 공구강 | T8, T9 | ||
| 고속 강철 | W18Cr4V | ||
또한 티타늄 및 특정 티타늄 합금, 탄탈륨, 지르코늄은 물론 정밀 합금 및 경석 합금에도 냉간 압출을 수행할 수 있습니다.
냉간 압출에 일반적으로 사용되는 재료는 주로 비철 금속 및 그 합금, 탄소 질량 비율이 0.2% 미만인 저탄소강 및 저합금강입니다.
비철금속
냉간 압출은 비철금속에서 시작되었는데, 이러한 금속의 냉간 압출은 강철보다 덜 복잡하기 때문입니다. 압출력 도 더 작습니다. 그러나 합금 원소의 함량이 증가하면 냉간 압출 성능이 저하됩니다. 따라서 소재의 냉간 압출 가공성은 합금 원소의 다양한 함량에 따라 결정되어야 합니다.
1. 순수 알루미늄
1070A, 1060, 1050A, 1035, 1200, 8A06 등과 같은 산업용 순수 알루미늄은 알루미늄 함량(w(Al))이 99% 이상으로 높고 4×3=12 슬립 시스템을 갖춘 면 중심 입방정형 순수 금속으로 냉간 압출에 이상적인 소재입니다.
변형 저항성이 낮고 가소성이 좋을 뿐만 아니라 변형 중에도 거의 굳지 않아 금형의 수명이 연장됩니다. 냉간 압출 성능이 우수한 소재입니다. 냉간 압출에 일반적으로 사용되는 산업용 순수 알루미늄의 주요 화학 성분과 기계적 특성은 표 2-4에 나와 있습니다.
2. 변형된 알루미늄 합금
냉간 압출에 사용되는 변형 알루미늄 합금에는 주로 녹에 강한 알루미늄, 경질 알루미늄 및 단조 알루미늄이 포함됩니다.
표 2-4: 냉간 압출에 일반적으로 사용되는 산업용 순수 알루미늄의 주요 화학 성분 및 기계적 특성
| 주요 화학 성분 (질량 분수, %) | 기계적 특성 | ||||||
| AI | 불순물 | 조건 | 인장 강도 Rm/MPa | 항복 강도 RcL/MPa | 연신율 A (%) | 면적 감소율 Z(%) | 브리넬 경도 HBW |
| 99. 7 | 0. 3 | Annealed | 70~110 | 50 ~ 80 | 35 | 80 | 15~25 |
| 99. 6 | 0. 4 | ||||||
| 99. 5 | 0. 5 | ||||||
| 99. 3 | 0. 7 | 작업 강화 | 150 | 100 | 6 | 60 | 32 |
| 99 | 1. 0 | ||||||
| 98. 8 | 1. 2 | ||||||
(1) 녹슬지 않는 알루미늄
5A02, 5A05 및 3A21은 녹에 강한 알루미늄 합금인 Al-Mn 및 Al-Mg 계열에 속하며 강도가 낮고 가소성이 높으며 냉간 압출 성능이 우수하여 냉간 압출에 이상적인 소재입니다.
그러나 경화 경향이 높고 열처리를 할 수 없으며 주로 냉간 가공 경화에 의존하여 강도를 향상시킵니다. 냉간 압출에 일반적으로 사용되는 녹 방지 알루미늄 합금은 5A02와 3A21입니다. 이들의 화학적 조성 및 기계적 특성은 표 2-5에 나와 있습니다.
표 2-5: 5A02 및 3A21의 화학적 조성 및 기계적 특성
| 등급 | 기본 화학 컴 위치 (질량 분수, %) | 조건 | 기계적 특성 | ||||||
| Mg | Mn | Al | 인장 강도 Rm/MPa | 항복 강도 RcL/MPa | 연신율 A (%) | 면적 감소율 Z(%) | 브리넬 경도 HBW | ||
| 5A02 | 2~2.8 | 0.15~0.4 | 97.85~96.8 | Annealed | 190 | 80 | 23 | 64 | 45 |
| 하프 하드 | 250 | 210 | 6 | / | 60 | ||||
| 3A21 | 0.05 | 1~1.6 | 99~98.4 | Annealed | 130 | 50 | 23 | 70 | 30 |
| 강화 | 220 | 180 | 5 | 50 | 55 | ||||
(2) 경질 알루미늄
2A01~2A11 및 2A12와 같은 합금은 Al-Cu-Mg 계열의 경질 알루미늄에 속하며, 2A11은 표준 경질 알루미늄이고 2A12는 고강도 경질 알루미늄입니다. 이 두 가지 유형의 경질 알루미늄이 현재 가장 일반적으로 사용됩니다. 경질 알루미늄은 순수 알루미늄 및 저탄소강에 비해 가소성이 떨어지고 압출 강화 효과가 적으며 균열이 발생하기 쉽습니다.
따라서 연화 및 윤활 처리를 강화하고 인장 응력을 생성하지 않는 가장 합리적인 변형 조건과 공정 계획을 수립해야 합니다. 경질 알루미늄 2A12는 Cu와 Mg를 모두 함유하고 있어 많은 수의 취성 화합물 Al2CuMg(상)과 CuAl2(0상)를 형성합니다. 따라서 2A12는 3A21보다 냉간 압출이 더 어렵습니다.
2A11과 2A12의 화학적 구성과 기계적 특성은 표 2-6에 나와 있습니다.
표 2: 2A11 및 2A12의 화학적 구성 및 기계적 특성
| 등급 | 기본 화학 컴 위치 (질량 분수, %) | 조건 | 기계적 특성 | ||||||
| Cu | Mg | Mn | 총 불순물 | AI | 인장 강도 Rm/MPa | 연신율 A (%) | 브리넬 경도 HBW | ||
| 2A11 | 3.8~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~0.8 | 1.8 | 잔여 금액 | 어닐링 | <240 | 12 | 55 ~ 65 |
| 담금질 | 380 ~ 420 | 8 ~12 | 95 ~ 110 | ||||||
| 2A12 | 3.8~4.9 | 1.2~1.6 | 0.3~0.9 | 1.5 | 잔여 금액 | 어닐링 | <240 | 12 ~ 14 | 55 ~ 65 |
| 담금질 | 440 ~ 470 | 8 ~ 12 | 110 ~ 120 | ||||||
(3) 단조 알루미늄
2A14는 단조 알루미늄 합금의 Al-Cu-Mg-Si 계통에 속하며 고강도 알루미늄 합금입니다. 경질 알루미늄에 비해 실리콘 함량이 높으며, 질량 비율은 0.6%~1.2%입니다. 실리콘은 열처리된 상태에서 2A14 합금의 강도를 높일 수 있습니다. 담금질 및 인공 노화 후 강도는 2A11보다 50MPa 이상 높은 470MPa에 달할 수 있습니다.
그러나 가소성이 2A11만큼 좋지 않으며, 특히 차가운 상태에서는 균열이 발생하기 쉽습니다. 따라서 단조 알루미늄 합금을 가공할 때는 연화 효과와 공정 변형 조건에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 2A14의 화학적 조성 및 기계적 특성은 표 2-7에 나와 있습니다.
표 2-7: 2A14의 화학적 구성 및 기계적 특성
| 등급 | 기본 화학 컴 위치 (질량 분수, %) | 조건 | 기계적 특성 | |||||||
| Cu | Mg | Mn | Si | AI | 인장 강도 Rm/MPa | 연신율 A (%) | 섹션 수축률 Z (%) | 브리넬 경도 HBW | ||
| 2A14 | 3.9~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~1.0 | 0.6~1.2 | 잔여 금액 | 어닐링 | 190 ~ 215 | 10 ~15 | 43. 5 | 62 ~ 65 |
| 담금질 및 노화 | ≥460 | ≥10 | 25 | ≥130 | ||||||
3. 순수 구리 및 무산소 구리
순수 구리 및 무산소 구리는 순수 알루미늄과 유사한 면 중심의 입방 격자를 가진 순수 금속으로 냉간 압출 가공에 탁월한 소재입니다. 연화 상태의 강도는 약 210MPa에 불과합니다.
4. 구리 합금
산업용 순수 구리의 강도는 높지 않기 때문에 구조용 재료로 사용하는 데 한계가 있습니다. 구리에 일정한 강도, 인성, 내마모성, 전기 전도성, 열 전도성 및 내식성을 부여하기 위해 아연, 주석, 망간, 알루미늄 및 실리콘과 같은 다양한 합금 원소를 첨가합니다. 아연이 주원소인 구리 합금을 황동, 주석이 주원소인 구리 합금을 청동이라고 합니다.
(1) 황동
황동은 일반 황동과 특수 황동으로 나눌 수 있습니다.
일반 황동은 구리와 아연의 이원 합금입니다. 그림 2-4에서 볼 수 있듯이 Cu에 아연을 추가하면 Cu의 기계적 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 그림은 황동의 아연 함량 w(Zn)가 39% 미만인 경우 Zn이 Cu에 용해되어 매우 부드럽고 가소성이 높은 면 중심의 입방 격자 치환 고용체 α를 형성한다는 것을 보여줍니다.
황동에 첨가된 아연 함량 w(Zn)가 39%를 초과하면 화합물 CuZn을 기반으로 하는 몸체 중심의 입방 격자를 가진 단단하고 부서지기 쉬운 β상이 나타나 연신율 A는 급격히 떨어지지만 인장 강도 R은 여전히 증가합니다. 아연 함량 w(Zn)가 약 45%일 때 Rm은 최대값에 도달합니다.
아연 함량이 더 증가하면 황동에 더 단단하고 부서지기 쉬운 γ 상이 나타납니다. 이것은 Cu5Zn8 화합물을 기반으로 한 복잡한 입방 격자를 가진 고용체입니다. 이 시점에서 황동의 Rm이 급격히 떨어지므로 아연 함량 w(Zn)가 45%를 초과하는 구리-아연 합금은 실용적인 가치가 없습니다.
위의 분석에서 아연 함량 w(Zn)가 39%를 초과하지 않는 H62, H68, H70 등의 황동은 냉간 압출 가공에 적합한 것으로 알려져 있습니다. 냉간 압출에 사용되는 구리 및 그 합금의 화학적 조성 및 기계적 특성은 표 2-8에 나와 있습니다.
(2) 브론즈
청동에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 구리에 포함된 합금 원소의 종류에 따라 이름이 붙여집니다. 예를 들어 Al이 포함된 청동은 알루미늄 청동, Sn이 포함된 청동은 주석 청동이라고 합니다.
현재의 기술 조건에서 청동의 냉간 압출은 다소 어렵습니다. 하지만 주석-인 청동 QSn6.5-0.15는 냉간 압출 가공에 성공했습니다.
주석-인 청동에 함유된 인이 탈산 작용을 통해 매우 단단하고 부서지기 쉬운 화합물인 SnO의 유해한 영향을 제거할 수 있기 때문입니다.2를 첨가하여 이 주석-인 청동의 기계적 특성과 공정 성능을 개선하여 냉간 압출 가공에 적합합니다.
표 2-8: 냉간 압출용 구리 및 그 합금의 화학적 조성 및 기계적 특성
| 이름 | 등급 | 주요 화학 성분(질량 분율, %) | 조건 | 기계적 특성 | ||||
| Cu | Zn | 총 불순물 | 인장 강도 Rm/MPa | 단면 수축률 Z(%) | 브리넬 경도 HBW | |||
| 순수 구리 | T1 | 99.95 | Annealed | 210 ~ 230 | 47. 5 ~ 50 | 40 ~ 50 | ||
| 순수 구리 | T2 | 99. 9 | Annealed | 210 ~ 230 | 47.5 ~ 50 | 40 ~ 50 | ||
| 순수 구리 | T3 | 99.7 | Annealed | 210 ~ 230 | 47. 5 ~ 50 | 40 ~ 50 | ||
| 황동 | H62 | 60. 5 ~ 63. 5 | 39 ~ 36 | 0. 5 | Annealed | 300 ~ 350 | 30 ~ 40 | 50 ~ 60 |
| 황동 | H68 | 67 ~ 70 | 30 ~ 32 | 0.3 | Annealed | 300 ~ 320 | 30 ~ 45 | 45 ~ 55 |
5. 기타 비철금속
순수 니켈은 냉간 압출이 가능하지만 다이에 달라붙는 경향이 있습니다. 따라서 냉간 압출 전에 니켈 표면을 구리로 코팅하고 코팅 두께를 약 0.02mm로 하고 염소 처리된 파라핀을 윤활제로 사용하는 것이 가장 좋습니다. 다단계 냉간 압출의 경우 보호 가스가 있는 전기로에서 중간 어닐링을 수행해야 합니다. 각 어닐링 후에는 구리 도금을 다시 도포해야 합니다.
니켈-구리 합금 NiCu70-30은 냉간 압출도 가능합니다.
순수 티타늄은 냉간 압출이 가능하지만 필요한 단위 압출력이 높습니다. 냉간 압출 전에 블랭크는 불소-인산염 표면 처리를 거친 다음 흑연, 이황화 몰리브덴 또는 합성 수지로 윤활 처리해야 합니다.
카드뮴-아연 합금과 같은 아연 합금은 건전지 제조에 널리 사용됩니다. 그러나 실온에서 냉간 압출에는 적합하지 않습니다. 카드뮴-아연 합금을 약 100°C로 가열하고 압출하기 전에 30-60분 동안 유지하는 것이 더 적절합니다. 라놀린 또는 스테아린산 아연은 압출 시 윤활제로 자주 사용됩니다.
마그네슘과 그 합금은 실온에서 압출하기에 적합하지 않습니다. 블랭크는 압출하기 전에 230~370°C로 가열해야 합니다.
Steel
현재 냉간 압출 생산에 사용되는 강철의 종류는 크게 다음 세 가지로 나눌 수 있습니다:
(1) 성형 가능한 강철
이 유형의 강철에 대한 주요 요구 사항은 성형성이며 우수한 압출 강화 효과에 대한 요구는 없습니다. 이 범주는 주로 탄소 함량(w(C))이 0.1% 미만인 일반 탄소강을 의미합니다.
(2) 성형 공정을 통한 기계적 특성 향상이 필요한 강재
거의 모든 저탄소 및 중탄소 고품질 구조용 강재와 탄소 함량(w(C))이 0.2% 이상인 합금 구조용 강재는 가공 경화를 통해 이러한 목적을 달성할 수 있습니다.
(3) 열처리를 통한 기계적 특성 향상이 필요한 강재
제품 부품의 강도 요구 사항이 냉간 압출로 달성할 수 있는 강도를 초과하거나 전체 단면에 걸쳐 엄격한 강도 요구 사항이 적용되는 경우 열처리가 필요합니다.
예를 들어 자전거 변속축의 스플라인 슬리브나 오토바이 엔진과 같은 부품은 20Cr 및 40Cr과 같은 저합금 구조강을 사용하는 경우가 많지만 성능 요건을 충족하기 위해 압출 후 추가 열처리가 필요합니다. 이러한 소재의 경우 열처리 과정에서 경화성이 높아야 하지만 압출력을 줄이기 위해 적절히 연화할 수 있어야 합니다.
열간 단조할 수 있는 거의 모든 강재는 냉간 압출도 가능합니다. 그러나 금형 및 장비의 한계로 인해 냉간 압출에 사용할 수 있는 강종은 일반적으로 탄소 함량(w(C))이 0.5% 미만인 중탄소강 및 저탄소강과 탄소 함량(w(C))이 0.5% 미만인 저합금강으로 제한됩니다.
실제 생산에서는 탄소 함량(w(C))이 0.2% 미만인 저탄소강과 저합금강이 널리 사용됩니다. 표 2-9에는 현재 냉간 압출 가공에 사용할 수 있는 일부 강재의 등급, 화학적 조성 및 기계적 특성이 나와 있습니다.
| 이름 | 등급 | 주요 화학 성분(질량 분율, %) | 기계적 특성 | 참고 | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | 인장 강도 Rm/MPa | 연신율 A (%) | 면적 감소 Z(%) | 브리넬 경도 HBW | |||
| 고품질 탄소 구조용 강철 | 10 | 0.07~0.14 | 0.35~0.65 | 0.17~0.37 | ≤0.035 | ≤0.04 | / | 340~360 | 43~40 | 60 | 107~110 | 연화 상태 |
| 15 | 0.12~0.19 | 0.35~0.65 | 0.17~0.37 | ≤0.04 | ≤0.04 | / | 360~380 | 38~40 | 55~60 | 109~121 | ||
| 20 | 0.17~0.24 | 0.35~0.65 | 0.17~0.37 | ≤0.04 | ≤0.04 | / | 390~420 | 28~32 | 55 | 121~131 | ||
| 합금 구조용 강철 | 15Cr | 0.12~0.18 | 0.4~0.7 | 0.17~0.37 | / | / | 0.7~1.0 | 450 | 20 | 40 | 128 | |
| 20Cr | 0.17~0.24 | 0.5~0.8 | 0.17~0.37 | / | / | 0.7~1.0 | 850 | 10 | 40 | 133~138 | ||
| 40Cr | 0.37~0.44 | 0.5~0.8 | 0.17~0.37 | / | / | 0.8~1.1 | ≥1000 | ≥9 | ≥45 | 156 | ||
| 딥 드로잉 스틸 | S10A | 0.06~0.12 | 0.25~0.5 | ≤0.1 | ≤0.03 | ≤0.035 | / | 300~400 | 46~50 | 55 | 137 | |
| S15A | 0.12~0.18 | 0.25~0.5 | ≤0.1 | ≤0.03 | ≤0.035 | / | 340~450 | 44~48 | 55 | 143 | ||
| S20A | 0.16~0.22 | 0.25~0.5 | ≤0.1 | ≤0.03 | ≤0.035 | / | 380~500 | ≥26 | 55 | 156 | ||
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