단조강: 등급, 부품, 샤프트 및 단조 선택 시기

무엇입니까? 단조강 ?

단조강은 금속이 일반적으로 1,100°C 및 1,250°C (2,000°F~2,300°F) 열간 단조용. 기계적 작업은 주조 수지상 결정 구조를 깨뜨리고 내부 다공성과 공극을 닫으며 완성된 부품의 윤곽을 따르도록 금속의 결정 결정 흐름의 방향을 바꿉니다. 그 결과 스톡 바를 주조하거나 기계 가공하여 생산된 동급 부품보다 강도, 인성 및 피로 저항이 훨씬 더 높은 부품이 탄생했습니다.

주강과의 구별은 기본입니다. 주조 시 용융 금속을 주형에 붓고 불규칙한 등축 결정 구조로 응고되며 내부 수축 결함이 발생할 가능성이 더 높습니다. 이와 대조적으로 단조는 압력을 가하여 고체 또는 반고체 금속을 가공합니다. 입자 크기를 미세화하고 다공성을 제거하며 입자 흐름을 정렬합니다. 완성된 부품의 주요 응력 방향을 사용합니다. 종종 에칭된 단면에서 부품 형상을 통한 연속적인 흐름 선으로 시각화되는 이러한 입자 흐름 정렬은 단조강 부품이 반복 하중, 충격 및 고응력 적용 분야에서 주조 부품보다 상당한 차이로 오래 지속되는 이유입니다.

단조 공정 개요

• 자유단조(자유단조) - 공작물은 측면 구속 없이 편평하거나 단순한 윤곽의 다이 사이에서 변형됩니다. 샤프트, 디스크, 링, 블록 등 크고 단순한 형상에 사용됩니다. 폐쇄 다이 툴링 및 최종 단조 전 예비 성형에 너무 큰 부품에 적합합니다.
• 폐쇄형(인상형) 단조 — 기계 가공된 공동이 있는 상부 및 하부 다이는 가공물을 가두어 금속이 다이 인상을 채우도록 합니다. 치수 공차가 더 엄격하고 가공 여유가 적은 순형에 가까운 부품을 생산합니다. 커넥팅 로드, 크랭크샤프트, 플랜지 및 기어 블랭크에 대한 표준입니다.
• 롤 단조 - 공작물은 단면을 점진적으로 줄이고 부품을 형성하는 윤곽이 있는 롤을 통과합니다. 테이퍼형 샤프트, 판 스프링 및 길쭉한 부품에 일반적입니다.
• 냉간 단조 - 실온 또는 실온 근처에서 수행됩니다. 가공 경화 효과와 함께 뛰어난 표면 조도와 치수 정밀도를 제공합니다. 연성 합금의 더 작고 단순한 형상으로 제한됩니다. 고합금강이나 대단면강에는 적합하지 않습니다.

단조강 등급: 분류 및 선택

모든 강철이 단조에 동일하게 반응하는 것은 아니며 합금 선택에 따라 완성된 구성 요소의 강도, 인성, 경화성 및 기계 가공성이 달성 가능한 조합이 결정됩니다. 산업 및 엔지니어링 분야에 사용되는 주요 단조강 등급은 4가지 제품군으로 분류됩니다.

탄소강 단조품

일반 탄소강은 가장 경제적인 단조 재료이며 탄소 함량에 따라 넓은 강도 범위를 커버합니다. 저탄소 등급(AISI 1020–1040) 쉽게 단조하고, 예열 없이 용접하며, 농업 장비, 구조 부품, 일반 엔지니어링 부품 등 적당한 강도와 높은 연성이 요구되는 곳에 사용됩니다. 중탄소 등급(AISI 1045–1060) 가장 널리 사용되는 단조강입니다. 열처리에 잘 반응하고 인장 강도는 다음과 같습니다. 700~1,000MPa 담금질 및 템퍼링 후 샤프트, 기어 및 기계 부품에 사용됩니다. 고탄소 등급(AISI 1070–1095) 더 단단하고 내마모성이 높지만 덜 견고합니다. 응용 분야에는 수공구, 스프링 및 마모 부품이 포함됩니다.

합금강 단조품

합금 첨가물(크롬, 몰리브덴, 니켈, 바나듐, 망간)은 경화성(대형 부품의 전체 단면을 통해 경도를 달성하는 능력)을 극적으로 향상시키고 탄소 함량만으로 달성할 수 있는 것보다 기계적 특성을 향상시킵니다. 가장 일반적인 합금 단조 등급은 다음과 같습니다.

• AISI 4140(Cr-Mo강) - 합금강 단조품의 주력 제품. 강도(Q&T 조건에서 인장 900~1,100MPa), 인성 및 기계 가공성의 탁월한 조합입니다. 샤프트, 스핀들, 툴링 및 압력 용기에 대한 표준으로 중간 크기의 섹션까지 제공됩니다.
• AISI 4340(Ni-Cr-Mo 강) — 4140에 대한 탁월한 경화성으로 150mm를 초과하는 단면에서 일관된 전체 경도를 달성합니다. 인장강도 1,000~1,400MPa 달성 가능합니다. 4140을 사용한 단면 크기로 인해 적절한 경화가 불가능한 대형 샤프트, 항공기 랜딩 기어 부품 및 대형 기어에 사용됩니다.
• AISI 8620(Ni-Cr-Mo, 표면 경화 등급) — 침탄에 의한 표면 경화를 위해 합금 함량이 높은 저탄소 코어. 단단하고 내마모성이 있는 표면과 질기고 연성 코어가 모두 필요한 곳에 사용됩니다(기어, 캠샤프트, 스플라인 샤프트).
• AISI 4150 / 4150H — 경도 잠재력이 향상된 4140의 고탄소 변형으로, 4140이 달성하는 것 이상의 표면 경도가 필요한 다이, 대형 샤프트 및 부품에 사용됩니다.

스테인레스 스틸 단조품

스테인레스 등급 — 주로 AISI 304, 316, 410 및 17-4PH — 구조적 성능과 함께 내식성이 요구되는 용도로 제작되었습니다. 오스테나이트 등급(304, 316)은 비자성이며 용접이 쉽고 산성 및 염화물 환경에 잘 견딥니다. 밸브, 펌프 본체, 식품 가공 장비에 사용됩니다. 마르텐사이트 등급(410, 420)은 경화될 수 있으며 식기류, 패스너 및 터빈 부품에 사용됩니다. 석출 경화 등급(17-4PH)은 내식성과 위의 인장 강도를 결합합니다. 1,100MPa 항공우주 및 의료 기기 응용 분야에서 선호됩니다.

미세합금 및 공구강 단조품

미세 합금강(0.05~0.15% 수준의 바나듐, 니오븀 또는 티타늄 첨가물을 포함하는 HSLA 등급)은 단조 열에서 직접 담금질 및 템퍼링된 합금강에 필적하는 기계적 특성을 달성하므로 별도의 열처리 작업이 필요하지 않습니다. 이는 공정 비용 절감이 우선시되는 커넥팅 로드, 크랭크샤프트, 서스펜션 부품 등 대량 자동차 단조품에 매력적입니다. 공구강(H13, D2, M2)은 고온에서의 경도와 내마모성이 가장 중요한 금형, 절삭 공구 및 고온 서비스 부품용으로 단조됩니다.

단조 강철 부품: 산업 및 일반 부품

단조강 부품은 동적 하중 하에서 구조적 신뢰성이 타협할 수 없는 모든 산업에 나타납니다. 주조, 용접 또는 막대 가공이 단조가 제공하는 피로 수명과 내충격성을 일관되게 달성할 수 없기 때문에 제조 방법이 선택되고 더 높은 단가가 정당화됩니다.

이러한 모든 애플리케이션의 공통 스레드는 순환 또는 충격 로딩입니다. 단조 크랭크샤프트는 엔진의 수명 동안 수억 번의 스트레스 사이클을 경험합니다. 단조 랜딩 기어 구성 요소는 균열 발생 없이 항공기 착륙 중량의 몇 배에 해당하는 충격 하중을 흡수해야 합니다. 다른 상업적 제조 공정은 다음을 제공하지 않습니다. 중단 없는 입자 흐름, 낮은 개재물 함량 및 정제된 입자 크기 단조강 부품이 이러한 요구 사항을 안정적으로 충족할 수 있도록 해줍니다.

단조강 Shafts : 설계, 등급, 제조

샤프트는 가장 널리 생산되고 까다로운 단조강 부품 중 하나입니다. 샤프트는 종종 키홈, 숄더 및 스플라인에 응력 집중이 발생하는 굽힘, 비틀림 및 축 하중이 결합된 상태를 견디면서 때로는 수년 동안 지속적으로 고속으로 토크를 전달해야 합니다. 이러한 응력 상승 요인의 피로 파손은 사용 중 샤프트 파손의 주요 모드입니다. 샤프트 단면을 통한 입자 흐름 연속성은 피로 수명과 직접적으로 연결됩니다. 가공된 스톡 바가 복제할 수 없는 방식으로.

개방형 대 폐쇄형 샤프트 단조

수백 톤에 달하는 터빈 발전기 샤프트, 해양 선박용 프로펠러 샤프트, 압연기 롤과 같은 대형 샤프트는 유압 프레스 또는 해머 단조에서 개방형 단조를 통해 생산됩니다. 빌렛을 반복적으로 돌리고 압축하여 전체 단면을 작업하고 직경 전체에 걸쳐 일관된 입자 미세화를 달성합니다. 대형 단조품의 경우 균열을 방지하고 표면에서 코어까지 균일한 미세 구조를 달성하려면 여러 축소 단계, 중간 재가열 및 제어된 냉각 프로토콜이 필요합니다.

더 작고 더 큰 볼륨의 샤프트(자동차 변속기 샤프트, 펌프 샤프트 및 공작 기계 스핀들)는 다이 형상이 거의 순 모양을 제공하는 폐쇄형 다이 또는 롤 단조를 통해 보다 경제적으로 생산되어 마무리를 위해 남겨진 가공 재고를 줄입니다. 폐쇄형 샤프트 단조품은 일반적으로 가공 스톡 15~30% 감소 오픈 다이 제품보다 재료 소비와 사이클 시간이 직접적으로 줄어듭니다.

단조강 샤프트의 등급 선택

샤프트 단조용 강종 선택은 열처리 후 필요한 기계적 특성, 단면 크기(경화성 요구사항 결정) 및 작동 환경의 세 가지 매개변수에 따라 선택됩니다.

• AISI 1045 - 보급형 샤프트 등급. 관통 경화가 필요하지 않은 작은 직경(최대 ~75mm)의 낮거나 중간 정도의 토크 응용 분야에 적합합니다. 정규화된 상태에서 인장 강도는 570-700MPa입니다.
• AISI 4140 - 가장 명시된 합금 샤프트 등급. 최대 약 100mm 직경의 전체 단면으로 경화 가능; Q&T 조건에서 900-1,050 MPa 인장력을 달성합니다. 대부분의 산업용 펌프 샤프트, 컨베이어 드라이브 및 일반 기계 샤프트를 포괄합니다.
• AISI 4340 — 4140이 일관된 관통 경도를 달성할 수 없는 대구경 샤프트(100-300mm 이상)의 경우. 니켈 함량이 높을수록 경화성이 크게 향상됩니다. 발전 로터 샤프트, 해양 프로펠러 샤프트 및 중장비 구동 샤프트가 일반적인 응용 분야입니다. 인장강도 1,000~1,200MPa 큰 부분에서 달성 가능합니다.
• EN 36 / 9310(Ni-Cr 표면 경화 등급) - 견고한 코어와 결합된 단단하고 내마모성 표면이 필요한 샤프트에 사용됩니다: 기어박스 레이샤프트, 스플라인 샤프트 및 스플라인 또는 저널의 접촉 피로가 주요 고장 모드인 캠샤프트.
• 듀플렉스 및 슈퍼듀플렉스 스테인리스(2205, 2507) - 염화물 부식 피로가 설계 제약이 되는 해양, 화학 처리 및 담수화 환경의 샤프트용. 비용은 더 높지만 기존 합금강의 피로 균열 성장을 가속화하는 표면 부식 시작 지점을 제거합니다.

단조 후 처리 및 마무리

단조 강철 샤프트는 단조된 상태에서는 거의 사용되지 않습니다. 단조 후의 표준 생산 순서에는 단조 응력을 완화하고 미세 구조를 균질화하기 위한 정규화 또는 어닐링이 포함되며, 이어서 황삭 가공을 통해 스케일을 제거하고 데이텀 표면을 확립한 다음, 담금질 및 템퍼 열처리 지정된 기계적 특성을 달성하고 최종적으로 필요에 따라 가공, 연삭 및 표면 처리를 마무리합니다. 샤프트 피로 성능을 향상시키는 표면 처리에는 베어링 저널 및 필렛의 유도 경화, 치수 변화 없이 높은 표면 경도를 위한 질화 처리, 피로 균열 시작을 지연시키는 압축 잔류 응력을 도입하는 쇼트 피닝 등이 있습니다.

직진성은 완성된 샤프트의 중요한 품질 매개변수입니다. 샤프트 보우로 인한 회전 불균형은 작동 속도의 제곱에 비례하는 원심력을 생성합니다. 정밀 샤프트의 진직도 공차는 일반적으로 다음과 같이 지정됩니다. 길이 미터당 총 표시기 런아웃 0.1~0.3mm 이는 열처리 후 제어된 냉각이 필요하며, 많은 경우 최종 가공 전에 열간 또는 냉간 교정 작업이 필요합니다.

단조강과 주강: 각각을 선택하는 시기

단조강과 주강 사이의 결정은 궁극적으로 엔지니어링과 경제적 균형을 이루는 것입니다. 단조는 보편적으로 우수하지 않습니다. 특정 조건에 대한 올바른 선택이며 이러한 조건을 이해하면 성능 저하를 방지하는 만큼 과도한 사양도 방지할 수 있습니다.

다음과 같은 경우에 단조강을 선택하십시오:

• 부품은 주기적, 피로 또는 충격 하중을 받습니다. 단조품은 20~30% 더 높은 피로 강도 동급의 주물보다.
• 항공우주, 압력 장비 및 구조 응용 분야의 안전에 중요한 구성 요소인 높은 신뢰성이 요구되며 오류 결과는 심각합니다.
• 형상은 상대적으로 간단하며 샤프트, 플랜지, 링, 디스크, 커넥팅 로드 및 유사한 형태의 다이를 사용하여 생산할 수 있습니다.
• 생산량은 툴링 비용을 정당화합니다. 폐쇄형 단조 툴링은 초기 비용이 많이 들지만 대량 생산 시 단위당 비용이 낮습니다.

다음과 같은 경우에 주강을 선택하십시오:

• 형상은 펌프 케이싱, 내부 통로가 있는 밸브 본체, 복잡한 하우징 형상 등 단조 다이가 형성할 수 없는 내부 공동, 언더컷 또는 얇은 벽으로 복잡합니다.
• 생산량이 적고 툴링 투자를 상각할 수 없습니다. 모래 주조 툴링 비용은 단조 금형의 일부에 불과합니다.
• 하중은 주기적이 아닌 주로 정적 및 압축적입니다. 주조는 내부 결함으로 인한 피로 시작이 지배적인 실패 모드가 아닌 압축이 지배적인 응용 분야에서 적절하게 수행됩니다.
• 중량 부분은 매우 크고 균일합니다. 일부 대형 구조 구성 요소는 단조보다 더 경제적으로 주조된 다음 사양에 따라 용접 수리됩니다.

단조강 부품의 품질 표준 및 테스트

중요한 용도에 사용되는 단조강 부품에는 엄격한 검사 및 문서화 요구 사항이 적용됩니다. 적용 가능한 표준은 산업 및 최종 용도에 따라 다르지만 가장 널리 참조되는 프레임워크는 다음과 같습니다.

• ASTM A668 - 클래스 지정에 따라 정의된 인장, 항복 및 충격 요구사항이 있는 탄소강 및 합금강 클래스를 포함하는 일반 산업용 단조강에 대한 표준 사양입니다.
• ASTM A388 - 구역 및 단면 두께별로 내부 반사체(개재물, 다공성 및 분리)에 대한 허용 기준을 지정하는 무거운 강철 단조품의 초음파 검사.
• EN 10250 — 재료 등급 및 기계적 특성 요구 사항을 다루는 일반 엔지니어링 목적의 개방형 강철 단조품에 대한 유럽 표준입니다.
• API 6A / 6D — 석유 및 가스 유정 및 파이프라인 밸브 단조품의 경우 추가 압력 등급 요구 사항과 함께 재료, 추적성, 기계적 테스트 및 NDE 요구 사항을 지정합니다.
• AS9100 / NADCAP — 항공우주 단조 공급업체에 적용되는 항공우주 품질 관리 및 특수 공정 인증 요구사항.

단조 강철 부품의 정기 검사에는 치수 검증, 경도 테스트, 열처리된 쿠폰(또는 중요 부품의 경우 단조 자체 희생 부분)의 인장 및 샤르피 충격 테스트, 표면 파괴 결함에 대한 자분 입자 검사(MPI), 표면 아래 무결성에 대한 초음파 테스트(UT)가 포함됩니다. 발전 및 압력 용기 응용 분야의 대형 단조품의 경우, 100% 체적 UT 스캐닝 적용 가능한 ASME 또는 EN 표준에 의해 정의되고 알려진 인공 반사경을 사용하여 보정된 참조 블록으로 검증된 허용 영역이 있는 표준 관행입니다.