KR20200052919A - 이형 금속 구축 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이형 금속 구축 성형 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 먼저 예비 성형 블랭크를 제조한 후 예비 성형 블랭크를 모래시계형 모듈로 제조하고, 모래시계형 모듈을 가열한 다음 높이 방향을 따라 업세팅 변형과 단조간 단열 공정을 수행하여 예비 성형 블랭크를 블랭크로 단접한다. 본 발명은 업세팅 과정의 변형을 모래시계형 모듈 블랭크의 계면 위치에 집중시킬 수 있으며 표면 인장응력의 발생을 방지함으로써 블랭크가 비교적 큰 압축응력을 균일하게 받도록 만들기 때문에 블랭크 표면의 인장응력 상태를 현저하게 개선시킨다. 본 발명은 금속 구축 성형의 수율을 개선할 수 있으며, 동일한 규격의 프레스 기계를 사용하는 조건 하에서 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

이형 금속 구축 성형 방법
본 발명은 금속 재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이형 금속 구축 성형 방법에 관한 것이다.
대형 금속 재료 또는 복합 금속 재료를 제조할 때, 종래의 방법에서는 슬래브, 단조 블랭크, 압연 블랭크를 기본 원료로 사용하여 표면 처리 및 세정을 진행한 후, 복수의 기본 요소를 함께 패키징하고 계면 내부를 높은 진공 상태로 유지시킨 다음 업세팅 변형, 단조간 단열, 다방향 단조를 특징으로 하는 단조 및 용접 공정을 실시하여 최종적으로 대형 금속 소자를 제조하였다. 예를 들어, 중국 특허 출원 201511026272.X "균질 금속 구축 성형 방법", 201511027492.4 "금속 구축 성형 방법", 201511027686.4 "원기둥체 금속 구축 성형 방법"은 모두 일회성 구축 성형 방법을 채택해 금속 재료를 제조한다. 이러한 방법에 있어서, 예비 성형 블랭크의 형상은 직육면체 형상 또는 원기둥체 형상이며, 구축 과정에서 직육면체 형상 또는 원기둥체 형상의 블랭크는 최대 벌징(bulging) 위치(블랭크 측면 중심 위치)에서 용접 이음이 균열되기 쉽다. 이는 최대 벌징 위치(블랭크 측면 중심 위치)의 응력이 변형량에 따라 증가하고 압축응력이 계속 감소하여 결국 0이 되기 때문이다. 변형이 계속되면 상기 위치의 응력이 인장응력으로 전환된다. 표면의 응력 상태는 벌징 정도에 의해 제어된다. 벌징이 심할수록 표면 인장응력이 커진다. 표면 인장응력이 용접 이음 강도보다 크면 용접 이음에 균열이 일어날 수 있다.
또한 100톤급 이상의 금속은 한 번 구축 성형하는 난이도가 상당히 높기 때문에 설비에 대한 요건이 까다롭다. 구축 과정에서 용접을 실패하면 전체 블랭크가 폐기되므로 손실이 비교적 크다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 결함을 해결하기 위하여 이형 금속 구축 성형 방법을 제공함으로써 단조 과정에서 블랭크 표면의 인장응력 상태를 개선하고 금속 구축 성형의 수율을 향상시키는 데에 있다.
본 발명의 기술적 해결책으로 제공하는 이형 금속 구축 성형 방법은
예비 성형 블랭크를 제조하는 단계 (S1);
예비 성형 블랭크를 모래시계형 모듈로 제조하는 단계 (S2);
모래시계형 모듈을 가열한 후, 높이 방향을 따라 업세팅 변형 및 단조간 단열 공정을 수행하여 예비 성형 블랭크를 블랭크로 제조하는 단계 (S3); 및
블랭크를 부재 또는 부품으로 가공하는 단계 (S4)를 포함한다.
또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 단계 (S1)에서 상기 예비 성형 블랭크는 슬래브, 단조 블랭크, 압연 블랭크의 기본 요소를 구성, 밀봉, 단조하여 제조하거나, 또는 단조 블랭크를 기계적 가공 방식으로 곧바로 제조한다.
또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 단계 (S2)에서 상기 예비 성형 블랭크를 뿔대 형상 유닛으로 제조한 후, 2개의 뿔대 형상 유닛의 작은 면을 함께 적층시키고, 진공 전자빔 용접을 수행하여 모래시계형 모듈을 제조한다. 상기 뿔대 형상 유닛은 원뿔대 형상 또는 사각뿔대 형상일 수 있고, 2개의 뿔대 형상 유닛의 중간 계면 지점은 평활하게 넘어간다.
또한 상기 뿔대 형상 유닛의 종방향 사다리꼴 단면의 하단 에지와 허리 에지의 협각이 60 내지 85°이다.
*또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 상기 진공 전자빔 용접의 용접 깊이는 25 내지 40mm이다.
또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 단계 (S2)에서 상기 모래시계형 모듈의 종횡비가 1 내지 3이다.
또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 단계 (S3)에서 모래시계형 모듈에 대해 수행하는 업세팅 변형의 축소량이 블랭크 재료 총 높이의 30 내지 55%이다.
또한 상기 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서, 단계 (S3)에서 업세팅한 블랭크 재료에 대하여 고온 확산 접합 공정을 수행하며, 가열 온도는 1200℃ 이상이고 평균 온도에 도달 후 온도 유지 시간은 8시간 이상이다.
본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다. 즉, 본 발명에서 제공하는 이형 금속 구축 성형 방법은 예비 성형 블랭크를 모래시계형 모듈로 제조하고, 모래시계형의 구축 블랭크는 업세팅 과정의 변형을 계면 위치에 집중시킬 수 있으며, 표면 인장응력의 발생을 방지함으로써 블랭크가 비교적 큰 압축응력을 균일하게 받도록 만들기 때문에 블랭크 표면의 인장응력 상태를 현저하게 개선시킨다. 또한 모래시계형 블랭크의 최소 단면적이 비교적 작아 단조에 필요한 압력을 효과적으로 낮출 수 있다. 본 발명에서 제공하는 이형 금속 구축 성형 방법은 설비에 대한 요건이 낮고 용접 이음에 대한 탐상을 수행할 수 있어 용접 이음의 품질을 보장할 수 있고, 나아가 금속 구축 성형의 수율을 개선할 수 있으며, 동일한 규격의 프레스 기계를 사용하는 조건 하에서 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모래시계형 구축 블랭크의 종방향 사다리꼴 단면도이다.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 원뿔대 형상 유닛으로 제조된 모래시계형 구축 블랭크의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 사각뿔대 유닛의 구조도이다.
이하에서는 첨부도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 전체 공정으로부터 설명된 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 이형 금속 구축 성형 방법은 (1) 예비 성형 블랭크를 제조하는 단계; (2) 예비 성형 블랭크를 이형 모듈(모래시계형 모듈)로 제조하는 단계; 및 (3) 이형 모듈을 가열한 후 높이 방향을 따라 업세팅 변형과 단조간 단열 공정을 수행하여 예비 성형 블랭크를 블랭크로 단접하는 단계를 포함한다. 또한 블랭크를 부재 또는 부품으로 가공하는 단계 (4)를 더 포함할 수 있다.
단계 (1)에서 상기 예비 성형 블랭크는 슬래브, 단조 블랭크, 압연 블랭크의 기본 요소를 구성, 밀봉, 단조하여 제조하거나(구체적인 방법은 201511026272.X "균질 금속 구축 성형 방법"에서의 설명 참조 가능), 또는 단조 블랭크를 기계적 가공 방식으로 곧바로 제조할 수 있다.
종래 기술과 구분되는 본 발명의 요점은 다음과 같다. 즉, 단계 (2)에서 예비 성형 블랭크를 모래시계형 모듈로 제조하고 모래시계형의 구축 블랭크는 업세팅 과정의 변형을 계면 위치에 집중시킬 수 있으며, 표면 인장응력의 발생을 방지하여 블랭크가 비교적 큰 압축응력을 균일하게 받도록 만들기 때문에 블랭크 표면의 인장응력 상태가 현저하게 개선된다.
이를 위하여, 본 발명은 먼저 상기 예비 성형 블랭크를 뿔대 형상 유닛으로 제조하며, 뿔대 형상 유닛은 단조 및/또는 기계적 가공 방식에 의해 제조될 수 있다. 그 후 2개의 뿔대 형상 유닛의 작은 면을 함께 적층시키고, 진공 전자빔 용접을 수행하여 모래시계형 모듈을 제조한다. 구체적인 실시방식에 있어서, 상기 뿔대 형상 유닛은 원뿔대 형상 또는 사각뿔대 형상(육각뿔대, 팔각뿔대 등과 같은 다른 뿔대 형상을 채택할 수도 있음)일 수 있다. 도 3은 원뿔대 형상 유닛으로 제조한 모래시계형 구축 블랭크를 도시한 것이며, 도 4는 사각뿔대 형상 유닛을 도시한 것이다.
모래시계형 블랭크의 최소 단면적이 비교적 작기 때문에 단조에 필요한 압력을 효과적으로 낮출 수 있다. 그러나 중간 오목홈 지점이 비교적 좁을 경우 단조 과정에서 주름 결함이 생길 수 있고, 중간 오목홈 지점이 비교적 넓을 경우 단조 압력을 낮추는 효과가 약해질 수 있다. 따라서 모래시계형 블랭크를 설계할 때, 뿔대 형상 유닛의 종방향 사다리꼴 단면의 하단 에지와 허리 에지의 협각 크기가 비교적 이상적인 범위 내에 있도록 고려해야 한다. 본 발명의 설계에서 뿔대 형상 유닛의 사다리꼴 단면 하단 에지와 허리 에지의 협각은 도 2에서 도시하는 바와 같이 60 내지 85°(예를 들어 80°)이다. 또한 사다리꼴 블랭크가 중간 계면에서 절첩되는 것을 방지하기 위하여, 이를 매끄럽게 넘어가도록 함으로써 두 사다리꼴 계면 지점에 날카로운 모서리가 생기는 것을 방지해야 한다. 도 3에서 도시하는 바와 같이, 2개의 원뿔대형 유닛의 계면 지점이 아치(arch)면으로 서로 연결되도록 설계되어 평활한 전이면(A)을 형성하므로 계면 지점에 날카로운 모서리가 생기는 것을 방지한다. 또한 뿔대형 유닛의 바닥면과 측면이 서로 연결되는 위치가 기둥형 구조로 설계되어(도 3의 B에서 도시함) 바닥면에 날카로운 모서리가 생기는 것을 방지한다.
두 뿔대 형상 유닛의 결합은 진공 전자빔 용접 방식에 의해 구현되는데, 먼저 용접할 표면에 대하여 가공, 세정을 진행한 후 진공 챔버 내에서 용접할 블랭크 주위에 대하여 진공 전자빔 용접을 수행하며, 진공 전자빔 용접의 용접 깊이는 25 내지 40mm이다. 용접 후 형성된 모래시계형 모듈의 종횡비는 1 내지 3이다. 여기에서 상기 종횡비는 모래시계형 모듈의 총 높이와 원뿔대 바닥면 직경(또는 사각뿔대 바닥변 길이)의 비율을 말한다.
단계 (3)에서 먼저 1250°C 이상의 최고 가열 온도에서 블랭크를 가열한 다음, 모래시계형 블랭크에 대하여 높이 방향으로 업세팅 변형을 실시하고, 가열된 블랭크를 프레스 기계 작업대 상에 놓고 높이 방향을 따라 업세팅을 진행하며, 업세팅 변형의 축소량은 블랭크 총 높이의 30 내지 55%이다. 이어서, 업세팅된 블랭크에 대하여 고온 확산 접합을 수행하고, 업세팅된 블랭크를 가열로로 돌려보내 가열하며, 가열 온도는 1200℃ 이상이고 평균 온도에 도달 후 온도 유지 시간은 8시간 이상이다.
그 후 블랭크에 대하여 추가적인 단조 또는 가공을 진행하여, 단계 (4)의 블랭크를 부재 또는 부품으로 가공할 수 있다.
본 발명은 스테인리스강, 금형강, 탄소강, 합금강 등의 강재 또는 기타 금속 재료의 구축 성형에 적합하다.
실시예 1
제1단계: 예비 성형 블랭크는 직경 800mm의 탄소강 봉강을 사용하여 길이 2400mm의 원기둥형 블랭크로 절단하여 제조한다. 원기둥형 블랭크는 업세팅 단조를 거쳐 특정 크기로 기계적 가공을 진행하여 도 4에서 도시하는 사각뿔대 형상 유닛을 형성한다. 용접할 표면을 세정한 후, 2개의 사각뿔대 형상 유닛의 작은 면을 중첩시켜 폭 1086mm, 길이 1086mm, 두께 1450mm의 모래시계형 모듈 블랭크를 형성한다.
제2단계: 진공 챔버 내에서 용접할 블랭크 주위에 대하여 진공 전자빔 용접을 수행하며, 여기에서 용접 깊이는 25 내지 40mm이다.
제3단계: 가열로에서 용접한 블랭크를 가열하며, 최대 가열 온도는 1250°C 이상이다.
제4단계: 블랭크에 대하여 높이 방향에 따른 업세팅 변형과 단조간 단열 공정을 수행한다. 블랭크를 가열한 후 프레스 기계 작업대 상에 놓고 블랭크 높이 방향이 수직 방향을 따르도록 하여 업세팅 공정을 수행하며 축소량은 블랭크 총 높이의 30 내지 55%이다.
제5단계: 블랭크에 대하여 고온 확산 접합을 실시한다. 업세팅된 블랭크를 가열로로 돌려보내 가열하며, 가열 온도는 1200°C 이상이고 평균 온도에 도달 후 온도 유지 시간은 8시간 이상이다.
제6단계: 블랭크에 대하여 3개 방향으로 업세팅 단조를 실시하고, 에지 그라인딩(edge grinding), 연신, 롤링을 통해 모듈을 제조한다. 최종 제품은 직경이 1000mm인 원기둥형 막대 모듈이다.
실시예 2
제1단계: 연속 주조 슬래브를 1000mm×1000mm×200mm 규격의 7개 블랭크로 절단하고, 7개 블랭크를 중첩시킨 후 폭 1000mm, 길이 1000mm, 두께 1400mm의 모듈을 형성하며, 진공 챔버 내에서 7개 블랭크 주위에 대하여 진공 전자빔 밀봉 용접을 수행하고, 가열 단조를 거쳐 특정 크기로 기계적 가공을 진행하여 도 4에서 도시하는 사각뿔대 형상 유닛을 형성한다. 2개의 사각뿔대 형상 유닛의 작은 면을 중첩시켜 모래시계형 모듈 블랭크를 형성한다.
제2단계: 진공 챔버 내에서 용접할 블랭크 주위에 대하여 진공 전자빔 용접을 수행하며, 여기에서 용접 깊이는 25 내지 40mm이다.
제3단계: 가열로에서 용접한 블랭크를 가열하며, 최대 가열 온도는 1250°C 이상이다.
제4단계: 블랭크에 대하여 높이 방향에 따른 업세팅 변형과 단조간 단열 공정을 수행한다. 블랭크를 가열한 후 프레스 기계 작업대 상에 놓고 블랭크 높이 방향이 수직 방향을 따르도록 하여 업세팅 공정을 수행하며 축소량은 블랭크 총 높이의 30 내지 55%이다.
제5단계: 블랭크에 대하여 고온 확산 접합을 실시한다. 업세팅된 블랭크를 가열로로 돌려보내 가열하며, 가열 온도는 1200°C 이상이고 평균 온도에 도달 후 온도 유지 시간은 8시간 이상이다.
제6단계: 블랭크에 대하여 3개 방향으로 업세팅 단조를 실시하여 필요한 단조물 모듈을 형성한다.
물론, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 대한 다양한 수정 및 변형을 진행할 수 있다. 이러한 방식으로 본 발명에 대한 이러한 수정 및 변형이 본 발명의 청구범위 및 그의 동등한 기술의 범위 내에 속하는 경우, 본 발명은 이러한 수정 및 변형도 포함한다.

Claims (10)

  1. 이형 금속 구축 성형 방법에 있어서,
    예비 성형 블랭크를 제조하는 단계 (S1);
    예비 성형 블랭크를 모래시계형 모듈로 제조하는 단계 (S2); 및
    모래시계형 모듈을 가열한 후, 높이 방향을 따라 업세팅 변형 및 단조간 단열 공정을 수행하여 예비 성형 블랭크를 블랭크로 제조하는 단계 (S3)을 포함하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    블랭크를 부재 또는 부품으로 가공하는 단계 (S4)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 (S1)에서 상기 예비 성형 블랭크는 슬래브, 단조 블랭크, 압연 블랭크의 기본 요소를 구성, 밀봉, 단조하여 제조하거나, 또는 단조 블랭크를 기계적 가공 방식으로 곧바로 제조하는 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    단계 (S2)에서 상기 예비 성형 블랭크를 뿔대 형상 유닛으로 제조한 후, 2개의 뿔대 형상 유닛의 작은 면을 함께 적층시키고, 진공 전자빔 용접을 수행하여 모래시계형 모듈을 제조하는 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 뿔대 형상 유닛은 원뿔대 형상 또는 사각뿔대 형상이고, 2개의 뿔대 형상 유닛의 중간 계면 지점은 평활하게 넘어가는 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 뿔대 형상 유닛의 종방향 사다리꼴 단면의 하단 에지와 허리 에지의 협각이 60 내지 85°인 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 진공 전자빔 용접의 용접 깊이는 25 내지 40mm인 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단계 (S2)에서 상기 모래시계형 모듈의 종횡비가 1 내지 3인 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 (S3)에서 모래시계형 모듈에 대해 수행하는 업세팅 변형의 축소량이 블랭크 재료 총 높이의 30 내지 55%인 것을 특징으로 이형 금속 구축 성형 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단계 (S3)에서 업세팅한 블랭크 재료에 대하여 고온 확산 접합 공정을 수행하며, 가열 온도는 1200℃ 이상이고 평균 온도에 도달 후 온도 유지 시간은 8시간 이상인 것을 특징으로 하는 이형 금속 구축 성형 방법.
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