KR20030023219A - 열간 자유단조 강괴 압하방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조공정에서 주조된 강괴 내부에 잔존하는 기공을 열간 자유단조공정에서 이를 압착할 때에 그 압착효율을 극대화시킬 수 있도록 한 강괴 압하방법에 관한 것이다.

본 발명은 주조공정에서 주조된 기공을 포함하는 강괴를 단조하는 열간 자유단조 강괴 압하방법에 있어서; 금형폭비를 0.7 ~ 0.8 범위로 유지하고, 설비능력과 크랙발생을 억제하는 최대 압하량 조건에서 단조횟수간 메니풀레이터로 소재 이동량인 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배로 유지시켜 단조토록 한 것이다.

본 발명에 따르면, 강괴 압하시 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배로 일정하게 유지함으로써 기공압착효율을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 기공의 크기가 최소화됨으로써 단조 제품의 품위를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

열간 자유단조 강괴 압하방법{INGOT REDUCTION METHOD IN HOT OPEN DIE FORGING}

본 발명은 열간 단조공정에서 강괴를 압하하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조공정에서 주조된 강괴 내부에 잔존하는 기공(VOID)을 열간 자유단조공정에서 이를 압착할 때에 그 압착효율을 극대화시킬 수 있도록 한 강괴 압하방법에 관한 것이다.

일반적으로 강괴 단조시에는 도 1의 도시와 같이, 가열로에서 추출된 강괴(1)를 그 압탕부(HEAD PART)(2) 쪽에서 중심부 쪽으로 또는 주탕부(TAIL PART)(3) 쪽에서 중심부 쪽으로 많은 패스를 거쳐 중간단계의 사각바를 제조하고, 다시 재가열하여 최종 제품인 라운드바나 와이드바를 제조하여 크랭크축 혹은 전단기의 나이프 재료로 활용하게 된다.

이때, 몰드내의 쇳물 응고시 내,외부의 응고속도 차이에 따라 강괴(1) 중심부에는 미소크랙성의 기공(4)이나 편석 등이 존재하여 내부 결함의 근본적인 원인을 제공하게 된다.

상기 기공(4)의 분포는 강괴(1)의 중심부에서 압탕부(2) 사이에 대부분 존재하게 되며, 이러한 내부 결함은 단조공정을 거치면서 단조방법에 따라 일부는 압착된 상태로 일부는 미압착된 상태로 존재하게 되어 단조품의 품질불량을 초래하는 원인이 되게 된다.

이와 같은 기공(4)을 압착하여 최소화시키기 위한 일 예로, 일본특허 소58-103931에는 도 2의 도시와 같이, 압탕부쪽에 발생하는 피쉬테일(FISHTAIL)량을 줄이면서 압탕부 근방에 잔존하는 기공이나 편석 등의 결함을 외측방향으로 이동시킬 수 있도록 강괴(1)의 중심부 쪽에서 압탕부 또는 주탕부 쪽으로 압하해 가는 강괴 단조방법이 공개되어 있다.

그러나, 이와 같은 단조방법은 기공이 주로 강괴 중심부에서 압탕부 사이에 존재하기 때문에 내부에 잔존하는 기공을 압착함에 있어 단조의 순서 변화만으로 내부에 잔존하는 기공의 압착효과를 기대할 수 없었다.

따라서, 주조공정에서 최소크기의 기공을 갖는 주조방법을 개선하고 단조공정에서 이를 효과적으로 압착할 수 있는 단조방법이 절실히 요구되었다.

본 발명은 상술한 바와 같이 기공의 압착효율을 극대화시킬 수 있는 새로운 단조방법의 요구에 부응하기 위해 창출한 것으로, 강괴의 주조공정 중에 발생한 내부결함인 기공을 단조공정 중에 특정조건을 갖고 최대한 압착하여 품질결함을 극소화시킬 수 있도록 한 열간 자유단조 강괴 압하방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 강괴 내부의 기공결함을 보인 모식도,

도 2는 종래 열간 자유단조시 강괴 압하과정을 보인 예시도,

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 금형폭비와 기공압착율의 관계를 보인 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 단조 공정시 강괴의 이송과정을 보인 예시도,

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 단조피치와 기공압착율간의 관계를 설명하기 위한 실험 및 해석결과를 보인 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 강괴 2 : 압탕부

3 : 주탕부 4 : 기공

5 : 금형 6 : 메니풀레이터

본 발명의 상기한 목적은 주조공정에서 주조된 기공을 포함하는 강괴를 단조하는 열간 자유단조 강괴 압하방법에 있어서; 금형폭비를 0.7 ~ 0.8 범위로 유지하고, 설비능력과 크랙발생을 억제하는 최대 압하량 조건에서 단조횟수간 메니풀레이터로 소재 이동량인 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배로 유지시켜 단조토록 한 것을 특징으로 하는 열간 자유단조 강괴 압하방법을 제공함에 의해 달성된다.

이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 강괴 압하방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 단조시 사용하는 금형과 기공압착율간의 일반적인 개요에 대해 설명하면 다음과 같다.

대형프레스설비를 가진 경우를 제외하고는 통상의 강괴로부터 사각바까지의 압하공정에서의 기공압착율은 5톤강괴 기준으로 30%이하이다.

따라서, 소재의 두께가 작은 사각바 단조에서 단조방법을 적절히 관리하면 기공압착효율(VOID CRUSHING EFFICIENCY)을 최대로 높일 수 있다.

단조공정중 기공압착율은 압하전, 후 기공의 체적비 또는 기공의 단면적비로 정의되며 금형폭비(=금형폭/입측두께)와 압하율에 따라 영향을 받는다.

이들의 관계는 하기 식 1의 꼴로 표현된다.

[식 1]

여기서, V_O는 압하전 기공의 체적, V는 압하후 기공의 체적, A_O는 압하전 기공의 단면적, A는 압하후 기공의 단면적, W_D는 금형폭, H는 사각바의 경우는 입측두께, 강괴의 경우는 직경, ㅿH는 압하량을 각각 나타낸다.

그리고, 기공압착율은 금형의 형상 즉, 평금형(FLAT DIE)이나 V형 금형에 따라 다르며 V형 금형의 경우 그 내각에 따라서도 영향을 받는다.

평금형을 사용하는 열간자유 단조방법에 있어서는 단조피치, 패스당 압하율, 금형폭비에 따라서도 압착효율이 달라진다.

패스당 압하율을 높이는 방법은 설비능력에 제약을 받으며 1회당 압하율이 너무 크면 단조공정시 크랙이 발생할 수 있는 또 다른 문제점을 내포하기 때문에 적정 압하조건에서 단조스케줄 관리가 필요하다.

금형폭비를 증가시키는 경우에는 금형폭이 증가하면 상대적으로 단조하중이 증가하므로 설비능력에 제약을 받게 된다. 따라서 설비능력내에서 적절한 압하관리와 금형폭의 관리가 필요하다.

본 발명은 주조공정에서 주조된 기공을 포함하는 대형 강괴 단조방법에 있어서 금형폭비를 0.7 ~ 0.8 범위로 유지하고, 설비능력과 크랙발생을 억제하는 최대 압하량 조건에서 단조횟수간 메니풀레이터(MANIPULATOR)로 소재 이동량인 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배로 관리하여 단조토록 한 것이다.

본 발명에서 금형폭비를 이와 같이 한정하는 이유는 도 3의 그래프를 통해 확인할 수 있다.

즉, 도 3은 금형폭 비에 따른 기공압착율의 관계를 유한요소해석(FINITE ELEMENT ANALYSIS)을 통해서 얻은 결과 그래프로서, 금형폭비가 0.7 ~ 0.8 범위까지는 기공의 체적이 급격히 감소하지만 그 이상이 되면 기공압착에는 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 즉, 효과적인 금형폭비는 0.7 ~ 0.8 범위임을 알 수 있다.

따라서, 적정 금형폭비는 0.7 ~ 0.8 범위이며 그 이상의 금형폭비는 기공압착에 의미가 없으며 금형폭 비를 증가하면 상대적으로 단조하중만 증가하게 됨을 알 수 있다.

이와 같은 사실들을 감안하여 본 발명의 강괴 압하방법에 대해 설명한다.

강괴(1)를 압탕부(2)에서 중심부로 압하해 가는 전방압하방법이나 강괴(1)를 중심부에서 압탕부(2)로 압하해 가는 후방압하방식중 어느 하나를 선택한 후 메니풀레이터(6)로 강괴(1)를 이동 및 회전시키면서 여러 패스에 의해 중간크기의 직각바 또는 사각바를 단조하게 된다.

1차 단조된 직각바 또는 사각바는 가열로에서 재가열되어 최종 마무리 치수의 와이드바 또는 라운드바로 제조된다.

이때, 강괴에서 중간단계의 직각바 또는 사각바 단조까지의 공정에서 금형 폭비를 0.7 ~ 0.8 범위로 유지하고, 설비능력과 크랙발생을 억제하는 최대 압하량 조건에서 단조횟수간 메니풀레이터(6)로 소재 이동량인 단조피치를 금형폭의 0.7~0.8 배로 관리하면서 단조하게 된다.

이렇게 함으로써, 메니풀레이터로(6) 소재를 이동시키는 양인 단조피치가 기존과 같이 조업자에 따라 일관성이 없이 적용되면서 단조시간의 증대와 내부 품질불량이 증가되었던 문제점이 상기와 같은 최적 단조피치를 적용함에 따라 개선된다.

따라서, 기공의 압착효율을 최대로 할 수 있는 효과적인 단조피치로의 단조작업이 가능하게 되어 고품위의 단조제품을 생산할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실험예에 대하여 설명한다.

[실험예]

열간 강괴와 유사한 물성을 갖는 프라스티신(PLASTICINE: 탄산칼슘과 그리스의 혼합)을 이용한 모사실험과 유한요소해석을 실시하여 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다.

이때의 조건중 모사실험 조건은 실물의 1/10로 하였으며; 소재는 두께 53mm, 폭 53mm, 기공크기 Φ5mm(관통)으로 하였고; 단조피치/금형폭을 0.5, 0.6, 0.7,0.8, 0.9, 1.0까지 변화시키면서 압하율 20%로 압하하였다.

또한, 유한요소해석에 있어서는 소재는 두께 530mm, 폭 530mm, 기공크기 Φ12mm(관통)으로 하였고; 단조피치/금형폭을 0.5, 0.75, 1.0까지 변화시키면서 압하율 20%로 압하한다는 조건으로 하였다.

도 5 및 도 6의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실험에 있어 통상의 단조피치(금형폭의 0.55배)와 비교해 볼 때 적정 단조피치(금형폭의 0.7 ~ 0.8배)로 단조를 실시하면 1회당 압하율 20%에서 약 3% 정도 압착효율을 더 높일 수 있으며, 통상적인 조업패스(한쪽방향을 기준으로 최소 5패스이상)를 고려하면 목표 소재조건까지 단조작업을 실시하였을 경우 약 15% 이상의 압착효율을 기대할 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에서는 유한요소해석 결과와 모사실험을 통해서 단조피치에 따른 기공압착율을 분석한 결과 최적의 단조피치는 금형폭의 0.7 ~ 0.8배에서 기공압착효율을 최대로 얻을 수 있음을 입증하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 강괴 압하시 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배로 유지함으로써 기공압착효율을 극대화시킬 수 있다.

둘째, 기공의 크기가 최소화됨으로써 단조 제품의 품위를 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

Claims (1)

1. 주조공정에서 주조된 기공(4)을 포함하는 강괴(1)를 단조하는 열간 자유단조 강괴 압하방법에 있어서;

   금형폭비를 0.7 ~ 0.8 범위로 유지하고,

   설비능력과 크랙발생을 억제하는 최대 압하량 조건에서 단조횟수간 메니풀레이터(6)로 소재 이동량인 단조피치를 금형폭의 0.7 ~ 0.8배 만큼씩 강괴(1)를 이동시켜 연속적으로 단조토록 한 것을 특징으로 하는 열간 자유단조 강괴 압하방법.