압출

압출이란 금속블럭을 고압하에서 작은 다이 공(hole)을 통하여 밀어냄으로서 단면을 수축시키는 공정이다. 이 공정은 주로 재료의 변형 저항이 작은 온도 조건, 즉 열간에서 행하여 지고,봉이나 관의 생산에 주로 이용되지만, 연한 재료에 대해서는 불규칙적인 단면을 가진 긴 제품의 생산에도 이용된다.

그림 1. 압출형태

압출에는 직접 압출법과 간접압출법이 있다. 직접압출법은 금속 빌릿을 컨테이너에 놓고 램(ram)에 의해서 다이 공사이로 밀어내는 방법이다. 간접압출에서는 컨테이너 벽과 소재사이에 운동이 없기 때문에 그 만큼 마찰력이 감소하므로 직접압출법에 비하여 낮은 압출력이 소요된다. 그러나 튜브형의 램으로는 지지할 수 있는 하중에 한계가 있기 때문에 간접압출에서는 한계가 있다. 치약튜브와 같은 짧은 형의 관을 생산하는데는 충격압출(impact extrusion)이 이용된다. 직접 혹은 간접으로 압출할 수 있고, 고속의 기계식 프레스를 사용한다.

● 압출장비

대부분의 압출은 유압프레스에서 행하여 진다. 유압식 압출기는 램이 움직이는 방향에 따라 수직형과 수평형으로 나누어 진다. 수직형은 300∼2,000톤 용량정도가 빠르고 면적을 작게 차지하는 점등의 장점이 있다. 그러나 긴 제품의 생산을 위해서는 장비가 높아지므로 바닥을 깊게 파야할 필요가 있다. 수직압출기에서는 컨테이너 속의 소재가 균일하게 냉각되므로 군일한 변형을 얻을 수가 있다. 그러나 수평식 압축기에서는 소재가 컨테이너 하부와 접촉하고 있는 부분은 상부에 비하여 빠르게 냉각하므로 컨테이너 내부를 가열하여 주지 않을 경우 불균일한 변형이 일어난다.

그림 2. 대표적인 압출다이(a), (b)

압출다이에는 두 가지 형이 있다. 평면형(flat faced)다이를 사용하면 컨테이너 속의 재료는 변형하지 않는 영역을 형성하여 스스로 적절한 다이각을 형성하게 된다. 다이 출구의 평형부는 다이를 보강하고 있으며, 다이 입구면을 재가공하더라도 다이 공의 크기가 변하지 않으므로 재사용이 가능하도록 고려된 것이다. 좋은 윤활상태를 유지하면서 콘형의 다이에서 다이 각을 작게 하면서 압출하게 되면 보다 균일한 변형을 얻을 수 있다. 그러나 다이 각이 어느 각 이하가 되면 마찰력이 너무 커지게 된다. 대부분의 압출작업에서 최적 다이 각은 45 ∼ 60°사이에 있다. 압출공장에서는 압출기 외에도 빌릿 가열장치, 가열된 빌릭을 컨테이너로 자동이송하는 장치등이 필요하다.

● 열간압출

압출력에 영향을 주는 중요한 인자는 (1)압출형식(직접 대 간접), (2)압출비, (3)작업온도, (4)변형속도, (5)다이와 컨테이너에서의 마찰조건등이다.

직접압출과 간접압출에 대하여 램의 행정거리에 따라 압출압력이 변한다. (압출압력은 압출력을 빌릿의 단면적으로 나눈 값이다.) 직접압출에서는 최대 압력 - 즉, 압출시작 압력 -에서 압출되기 시작한다. 압출이 진행되면서 빌릿의 길이가 줄어들어감에 따라 압출압력도 줄어든다. 간접압출에서는 빌릿간의 상대운도이 없기 때문에, 압출압력은 램의 행정에 대하여 거의 일정하게 유지된다.

압출비는 압출전후의 단면적의 비, R = A₀ / A_f 이다. 그 비는 강의 열간압출에서는 40:1 그리고 알루미늄의 경우에는 400:1이다. 압출압력은 압출비의 자연대수 값에 비례한다. 따라서 압출력은

여기서 κ는 압출상수로서 흐름응력, 마찰력, 불균일 변형등의 전체 영향을 대표하는 값이다. 대부분의 금속은 열간에서 압출된다. 열간에서는 재료의 흐름응력, 즉 변형에 대한 저항이 낮아지기 때문이다. 그러나 열간 작업에서는 여러가 지 문제가 발생할 수 있으므로 적절한 소성을 얻을 수 있는 최적 온도에서 작업하는 것이 중요하다.

적절한 압출속도와 온도는 주어진 재료와 빌릿의 크기에 대하여 시행착오법으로 결정되고 있다. 주어진 압출압력에 대하여 온도가 높아질수록 가용 입출비는 증가한다. 동일 온도 조건에서는 압출압력이 클수록 압출비는 증가한다. 빌릿의 최고 가열온도는 압출에서 용융 혹은적열취서이 일어나는 온도까지로 결정된다. 압출품의 압출에 의하 온도 상승은 압출속도와 변형량(압출비)에 따라 결정된다. 압출속도가 낮아질수록 열의 손실은 커지고, 주어진 예열온도데대하여 가용 압출비는 높아진다. 가용 압출 영역은 일정 압력 및 온도에 대한 곡선의 아랫부분이다.

● 압출에서의 변형, 윤활 및 결함

압출변형에서 빌릿과 컨테이너 사이의 마찰이 낮은 경우에는 균일한 변형이 나타난다. 빌릿의 변형은 다이 입구 부근까지 거의 균일하다. 컨테이너 벽의 마찰이 커지게 되면 다이의 코너(corner)에서 변형이 거의 일어나지 않는 영역(dead zone)이 형성되고 그 부분고 변형부 사이에서 그릿드의 찌그러짐이 크게 나타난다. 빌릿의 중심부는 순수 인장변형을 받지만, 표면부는 심한 전단 변형을 받는다.

효과적인 열간압출 윤활제는 낮은 전단강도를 가져야 하고 고온에서도 파단되지 않고 안정하여야 한다. 강과 니켈 합금의 고온 열간압출에는 용융유리가 윤활제로 사용된다. 윤활의 성패는 빌릿-다이 사이에 유리를 계속 공급하는 방법이다. 윤활제의 두께는 그것의 전단응력보다는 윤활제가 녹는 속도에 관계되어 있다. 램의 속도, 소재 온도, 최적 윤활제 사이에는 복합적인 상호작용이 존재한다. 속도가 너무 늦으면 윤활제의 두께가 두꺼워져서 압출압력을 낮게 한다. 그러나 윤활제가 빨리 없어지기 때문에 압축길이에 제한을 받는다. 만약 속도가 아주 빠르면, 윤활제의 두께가 아주 얇아지게 된다. 이 방법을 개선한 것이 빌릿의 표면에만 두꺼운 유리막을 만들어서 정수압 윤활을 생성하는 방법이다. 이 경우에는 윤활제의 점도가 압출압력에 큰 영향을 준다.

마찰이 큰 직접압출에서 빌릿 표면의 변형속도에 비하여 중심부의 변형속도가 빠르기 때문에 빌릿의 표피부분에 흐르지 않는 부분(dead metal zone)이 형성된다. 빌릿의 2/3정도가 압출된 후에는 빌릿의 외부표피가 중심부에 따라 들어가게 된다. 이때 표면부의 산화피막이 재료의 내부에 따라 들어가서 내부결함(internal pipe)을 유발하게 된다. 이것을 압출결함(extrusion defect)이라 부른다. 압출품의 단면에 링형태의 산화물이 나타나게 되고, 계면의 마찰이 클수록 이 결함은 조장된다. 컨테이너의 온도가 낮을수록 표면에 의하여 내부가 빠르게 압출되므로 이와 같은 형태의 결함이 증가하게 된다. 이 압출결함을 방지하는 하나의 방법이 표면 산화물이 재료의 중심부에 혼입되기 전에 압출을 중단하고 나머지를 버리는 방법이다.

● 압출 공정의 해석

마찰과 잉여변형을 고려하지 않은 이상압출압력을

으로 표현 할 수 있다. 단위 체적당의 실제 일에 대한 이상적인 경우의 그것의 비로 나타나는 효율 η를 정의하면, 실제 압출압력 P_e는

으로 표현 할 수 있다.

Dipierre에 의해서 압출력이 정밀하게 측정되었고, 그 결과 총압출력P_e는 다이 힘 P_d, 커테이너라이너와 비릿간의 마찰력P_fb 그리고 컨테이너라이너와 밑판(follower)사이의 마찰력P_ff의 합으로 나타남을 보여주었다. 열간 압출에 대한 다이압력을 계산하는 식을 아래와 같이 제안하였다.

여기서

압출에서의 재료의 흐름 상태는 비릿에 그릿드(grid)를 넣어서 측정하여 왔다. 이 기법을 소성가시화법이라 부른다. 이것을 이용하여 압출품내의 변형 및 변형률 속분포 그리고 온도 및 응력분포를 알 수 있다. 압출에서 변형률속도는 통상 재료가 빌릿 직경과 압출품 직경으로 정의되는 변형영역을 통과하는 속도로 정의된다. 다이반각이 45°인 경우

여기서 h = (D_b- D_e ) / 2 따라서

램속도 υ에 대한 단위 시간당 압출되는 체적은

변형 영역을 채우는 시간은

그리고

t = D_b / 6υ

시간 평균 변형률속도(time average mean rate)는

그리고 일반적인 다이 반각에 대하여

으로 나타내어 진다.

● 냉간 압출, 정수압 압출 및 튜브의 압출

냉간압출은 봉재로부터 스파크 프러그 몸체, 축, 핀등의 작은 기계부품 혹은 중공튜브를 만드는 냉간가공공정의 하나이다. 이 가공법의 장점은 높은 생산성, 칫수정도 및 양호한 표면상태등에 있다. 가공경화를 이용하므로서 비교적 값싼 재료를 이용하여 요구 강도를 얻을 수 있다는 점도 있다. 냉간가공한 저합금강 제품이 자동차 산어벵 널리 쓰이고 있다.

정수압 압출에서는 빌릿이 균일한 정수압하에 놓이게 되므로, 일반 압출에서 처럼 컨테이너 공간에 전체가 빌릿으로 채워질 필요가 없다. 이것은 빌릿의 직경에 대한 길이의 비가 커도 좋다는 것을 의미한다. 컨테이너- 빌릿 계면에 마찰이 존재하지 않기 때문에 낮은 다이반각(α≒20)을 사용할 수 있고, 따라서 잉여변형을 줄일 수 있다. 정수압압출은 열간 가공에는 이용할 수 없고, 현대 실용화되고 있는 유압의 한계는 약 250, 000psi이다.

튜브의 압출에서는 압출램 끝에 맨드렐이 부착되어 있고, 그것은 다이 입구까지 연장되어 있다. 따라서 다이 공과 맨드렐 사이의 간격에 따라 튜브 벽의 두께가 결정된다. 일반적으로 중공의 빌릿이 소재로 사용된다. 동심도를 유지하기 위해서는 램, 맨드렐, 컨테이너 및 다이 간의 축배열이 정확해야 한다. 기술의 발달과 함께 압출에서 만들어진 칫수정도가 냉간 드로잉 튜브의 그것만큼 높은 정도를 얻을 수 있게 되었다.