본문내용
1. 기계공작법
1.1. 주조
주조는 금속재료의 용해성을 이용하여 기계부품을 제작하는 것으로, 가열하여 용해된 용융금속을 형 속에 주입하여 냉각시키면 응고하게 되는 공정이다. 주조 공정은 크게 주조방안 결정, 목형제작, 주형제작, 용융금속 주입, 응고와 냉각, 주물제품의 단계로 이루어진다.
주조는 복잡한 형상의 제품을 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 동일한 모형을 사용하기 때문에 제품의 형상 치수가 동일하며, 대량생산 시 제품 생산비를 절감할 수 있다. 그러나 주조 과정에서 발생하는 기공, 편석 등의 영향으로 재질이 불균일하고, 응고 시 수축량의 차이로 인해 정확한 치수를 얻기 힘들다는 단점이 있다.
주조 방법에는 다이캐스팅, 원심주조법, 쉘몰드법, 인베스트먼트 주조, 칠드 주조법 등 다양한 기술이 있다. 다이캐스팅은 용해된 금속을 고압으로 금형에 주입하여 표면이 깨끗하고 정밀도가 높은 제품을 만들 수 있다. 원심주조법은 원통형 주형을 고속으로 회전시켜 원심력으로 중공 주물을 제작한다. 쉘몰드법은 규사와 열경화성 수지를 금형에 뿌려 경화시켜 주형을 만드는 방식이다. 인베스트먼트 주조는 소형 주물을 생산하기 위해 사용되며, 파라핀 또는 왁스로 모형을 제작하여 표면이 매우 깨끗하고 치수가 정확한 제품을 얻을 수 있다. 칠드 주조법은 금형과 사형, 급냉으로 주형을 제작하여 외부는 경도와 내구성이 높고 내부는 인성이 높은 특성을 갖는 제품을 만든다.
주조 기술의 발전에 힘입어 현대 산업에서는 다양한 금속 제품을 주조 공정을 통해 생산하고 있다. 특히 자동차, 항공기, 가전제품 등 다양한 산업 분야에서 주조 기술이 널리 활용되고 있다. 이처럼 주조 기술은 복잡한 형상의 금속 제품을 효과적으로 생산할 수 있는 핵심 기술로 자리매김하고 있다.
1.2. 가공경화
가공경화란 재료에 외력을 가하여 변형을 일으키면 재료 내부의 저항력이 증가하여 강도와 경도가 높아지는 현상이다.
재료에 외력이 가해지면 재료 내부의 결정구조가 변형되어 전위(dislocation)가 증가하게 된다. 이렇게 증가한 전위가 서로 엉키면서 재료의 내부 저항력이 높아지게 되어 재료가 단단해지는 것이다. 이러한 현상을 가공경화 또는 가공경화경화라고 한다.
가공경화가 일어나면 재료의 인장강도와 경도가 증가하지만 연성은 감소하게 된다. 즉, 가공 전에 비해 재료가 부서지기 쉬워지는 것이다. 따라서 가공경화된 재료를 사용할 경우 취성파괴에 대한 주의가 필요하다.
재료의 가공경화 정도는 가공량에 따라 달라진다. 초기에는 가공량이 증가할수록 경화가 빠르게 일어나다가 어느 한계점 이후에는 경화 속도가 감소한다. 이 한계점을 포화점 또는 채널링점이라고 한다.
가공경화를 이용하면 재료의 성질을 의도적으로 변화시킬 수 있다. 예를 들어 자동차 차체 부품이나 기계부품 등에 가공경화를 활용하여 내구성을 높일 수 있다. 또한 가공경화를 통해 얻어진 고강도 재료는 무게 감소를 위해 항공기나 우주선 부품 등에 사용되기도 한다.
가공경화 현상은 소성가공 공정에서 필연적으로 발생하며, 이를 적절히 활용하여 제품의 성능을 향상시키는 것이 중요하다.
1.3. 연성/전성
연성(延性)은 물체가 외력에 의해 탄성한계를 넘어서 소성변형을 일으키는 성질을 말한다. 즉, 물체에 충분한 힘이 가해지면 영구적으로 변형될 수 있는 성질이다. 연성을 가진 재료는 소성가공이 쉽고 파괴에 대한 저항성이 크다. 대표적인 연성 재료로는 순금속, 구리, 알루미늄 등이 있다. 이들은 외력을 가하면 쉽게 늘어나거나 펴지는 성질을 가지고 있다.
전성(展性)은 물체가 외부의 힘을 가하면 그 형상을 유지하면서 두께가 얇아지는 성질을 말한다. 즉, 물체가 압축력 등의 외력을 받아도 파괴되지 않고 얇게 펼쳐지는 성질이다. 전성을 가진 재료는 압연, 압출, 인발 등의 소성가공이 잘 된다. 대표적인 전성 재료로는 금, 은, 구리 등이 있다. 이들은 망치로 두들리거나 롤러를 통과시켜 쉽게 얇은 판이나 선으로 가공할 수 있다.
연성과 전성은 물체의 소성가공 측면에서 매우 중요한 특성이다. 연성과 전성이 큰 재료는 변형이 용이하여 다양한 형상의 제품 제작이 가능하다. 예를 들어 금속 자동차 부품이나 절삭공구, 귀금속 제품 등을 제작할 때 연성과 전성이 큰 재료를 사용한다. 또한 전선이나 박판, 호일 등의 제작에도 연성과 전성이 있는 재료가 사용된다.
한편, 연성과 전성이 낮은 재료, 즉 취성 재료는 변형이 어렵고 취약하여 깨지기 쉽다. 대표적인 취성 재료로는 세라믹, 유리, 주철 등이 있다. 이러한 취성 재료는 정밀한 기계가공이 어렵지만 내마모성, 내열성, 내식성 등이 뛰어나 특수 목적에 사용된다.
결과적으로 연성과 전성은 재료의 가공성과 밀접한 관련이 있으며, 이를 고려하여 재료를 선택하고 적절한 가공 방법을 적용하는 것이 중요하다.
1.4. 소성가공/냉간가공/열간가공
소성가공은 재료에 외력을 가해 탄성한계를 초과하는 영구변형을 유도하는 가공방법이다. 재료의 소성특성을 이용하여 원하는 형상으로 성형하는 것이 목적이다. 소성가공에는 냉간가공과 열간가공이 있다.
냉간가공은 상온(室溫)에서 실시하는 소성가공으로, 주로 연성이 좋은 금속재료에 적용한다. 냉간가공의 장점은 기계적 성질의 향상, 치수 정밀도 향상, 표면 품질 향상 등이다. 그러나 소성변형이 클수록 가공경화로 인해 재료가 딱딱해지고 취성이 증가하므로 일정 한계를 넘어서면 균열이나 파단이 발생할 수 있다. 따라서 냉간가공 후에는 열처리를 통해 내부응력을 제거하고 연성을 회복시켜야 한다. 주요 냉간가공 공정에는 단조, 압연, 압출, 인발 등이 있다.
열간가공은 재결정온도 이상의 온도에서 실시하는 소성가공으로, 주로 고강도 금속재료에 적용한다. 열간가공의 장점은 작은 가공력으로 큰 변형을 실현할 수 있다는 것이다. 그러나 표면 산화, 결정립 조대화 등의 단점이 있다. 열간가공 공정에는 단조, 압연, 압출 등이 있다.
소성가공은 재료의 특성을 이용하여 제품의 정밀도와 기계적 성질을 향상시킬 수 있다는 점에서 중요한 가공기술이다. 냉간가공과 열간가공은 각각 장단점이 있으므로, 가공 목적과 재료 특성을 고려하여 적절한 공정을 선택해야 한다. 또한 소성 가공 중 발생할 수 있는 문제점들을 충분히 고려하여 효과적인 가공 조건을 선정해야 한다.
1.5. 단조/압연/압출/인발
단조(鍛造)는 금속을 가열하여 금속의 소성변형을 이용해 원하는 형상으로 만드는 가공법이다. 금속에 반복적인 타격이나 압축력을 가하여 소성변형을 일으켜 원하는 형상으로 만드는 것이다. 단조는 금속의 기계적 성질과 조직을 개선시킬 수 있고, 복잡한 형상의 제품을 제작할 수 있어 널리 사용되는 가공법이다.
압연(壓延)은 두 개의 연속적으로 회전하는 롤러(roll) 사이에 금속 재료를 통과시켜 두께를 감소시키고 폭을 늘리는 가공법이다. 압연을 통해 금속판, 금속봉, 금속선 등 다양한 형태의 제품을 제작할 수 있다. 압연 공정에서는 금속재료의 입자구조가 미세해지고 결정립이 작아져 기계적 성질이 향상된다.
압출(押出)은 금속재료를 강제로 일정한 형상의 틀을 통과시켜 단면적을 감소시키고 길이를 늘리는 가공법이다. 가열된 금속덩어리를 강압에 의해 다이(die)를 통과시켜 원하는 단면형상을 얻는다. 압출 제품은 균일한 단면과 우수한 기계적 성질을 가진다. 주로 알루미늄, 구리, 납 등의 연성이 좋은 금속에 적용된다.
인발(引拔)은 금속 재료를 당기면서 단면적을 감소시키고 길이를 늘리는 가공법이다. 금속 재료를 강제로 인발다이를 통과시켜 단면적을 감소시켜 선재, 봉재, 관재 등을 제작한다. 인발 공정에서는 소성변형에 의해 금속재료의 결정립 크기가 미세해지고 기계적 성질이 향상된다. 단, 표면에 흠집이 발생할 수 있는 단점이 있다.
이와 같이 단조, 압연, 압출, 인발은 모두 소성변형을 이용하여 금속재료의 형상을 변화시키는 가공법이다. 각각의 공정은 특징과 장단점이 있어 제품의 용도와 요구 성능에 따라 적절한 가공법이 선택된다.
1.6. 아크용접
아크용접은 전극과 모재 사이에서 발생하는 전기 아크를 이용하여 금속을 용융시켜 접합하는 용접 방법이다. 모재와 전극 사이에 아크를 발생시키고 이 열에 의해 모재와 용가재(전극)이 용융, 응고되어 용접이 이루어지는 것이다.
아크용접에서는 전기가 통하는 전극을 사용하여 모재와의 사이에서 전기 아크를 발생시킨다. 이 아크에 의해 발생되는 고온의 열로 인해 모재와 용가재가 녹아 용융되어 접합되는 것이다. 아크용접은 구조물이나 기계부품 등 다양한 분야에 널리 이용되는 대표적인 용접 기술이다.
아크용접의 주요 특징은 다음과 같다. 첫째, 아크 열원에 의해 모재와 용가재가 녹아 접합되므로 다른 용접법에 비해 열 입력이 크다. 둘째, 전극과 모재 사이에 발생하는 전기 아크에 의해 고온의 열이 발생하기 때문에 용접 속도가 빠르다. 셋째, 용접 환경에 따라 다양한 종류의 전극을 사용할 수 있어 폭넓은 적용이 가능하다. 넷째, 아크의 안정성과 집중도가 우수하여 양질의 용접이 가능하다.
아크용접에서는 ...
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