1. 압출법압출이란 재료를 금형속에서 압축하여 금형의 구멍을 통하여 재료가 빠져나오게 하여 원래보다 단면적을 작게하고 원하는 형태를 만드는 가공법이다.이 가공법은 주로 비철금속의 열간 가공에 사용되고 변형속도가 굉장히 빠른 경우도 있으며 상당량의 강재가 냉간 또는 열간에서 압출되고 있다. 압출 빌렛은 컨테이너와 다이내에서 큰 압축응력을 받기 때문에 재료가 파괴될 가능성은 줄어든다. 이 때문에 가공하기 어려운 금속 예를들면 스테인레스강 니켈기합금 기타 고온재료를 가공할 때 압출이 점차 많이 사용되고 있다.압출에는 두가지 기본형태 즉 직접압출과 간접압출이 있다. 아래 그림 (a)에 직접압출법을 나타내었는 데 금속빌렛을 컨테이너 속에 넣고 램으로 밀어 다이를 빠져나오게 한다.그림 (b)에 간접압출법을 나타내었다. 여기서는 중공램으로 다이를 밀고 컨테이너 반대편이 막혀있다. 간접 압출의 경우 다이를 지지하는 램은 정지시켜놓고 빌렛을 가진 컨테이너를 움직이는 수가 종종있다.간접압출에서는 컨테이너벽과 빌렛사이에 상대적인 운동이 없기 때문에 마찰력이 직접압출보다 더 작고 압출에 필요한 동력이 직접압출의 경우보다 작다.그러나 중공램으로 하중을 가하는 데는 한 개가 있기 때문에 간접압출의 이용에는 적용한계가 있다.※ 압출의 형태 (a) 직접압출(b) 간접압출관을 압출하여 만들 수 도 있다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 램의 끝에 맨드릴을 부착하여 압출한다. 심봉과 다이벽 사이의 간격이 관의 벽두께를 결정한다. 사용되는 빌렛이 중공빌렛일 수도 있고 고체빌렛을 처음 천공한 다음 압출할 수도 있다.치약튜브 처럼 비교적 길이가 짧은 중공관을 만들기 위하여 충격압출법을 사용한다. 이것이 직접압출일 수도 있고 간접압출일 수도 있다. 충격압출은 고속 기계프레스로 행하는 것이 보통이다. 이 방법은 냉간에서 시행하는 것이 보통이지만 고속변형 때문에 열이 상당히 발생한다. 이 방법은 납, 주석, 알루미늄, 구리 같은 연한 금속에만 국한해서 사용되고 있다. 전기 케이블에 납을 피복하는데 압출법이 점차 작아지므로 마찰의 영향이 감소하기 때문이다. 그러므로 어느 순간에 램에 가하여야 하는 압력은 재료을 변형시키는데 필요한 압력에다 컨테이너 및 다이 사이의 마찰을 극복하는데 필요한 압력을 합하여야 한다. 마찰의 효과는 컨테이너 속의 빌렛의 길이가 0에 접근하면 없어질 것이기 때문에 길이가 0에 접근함에 따라 진압출력에 접근하게 될 것이다. 분명히 최대압력보다 별로 크지 않을 것이다. 컨테이너 속의 재료의 길이가 비교적 짧아졌을 때 출구 바로 뒤로부터 출구쪽으로 재료가 빨리 흘러 들어가게 되어 빌렛 밑바닥 가운데에 나팔모양의 구멍이 형성되는 경향이 있다. 그러면 펀치는 재료의 밑바닥 가운데를 밀지 못하게 되어 갑자기 압력이 떨어졌다가 나머지 재료가 가운데로 흘러 들어가기가 매우 어렵게 되면 갑자기 증가한다.간접압출의 경우에는 재료의 변형의 다이 입구 근처에 국한되어 있고 재료와 컨테이너 사이에 상대운동이 없으므로 마찰효과가 없다. 따라서 그림에서 보는 봐와 같이 직접압출시의 최소압력이 초기부터 얻어진다.압출에 필요한 단면감소율이 증가함에 따라 증가하는데 90%까지는 서서히 증가하다가 그 이상에서는 보다 급격히 증가한다.※ 단면감소율과 압출압력과의 관계여기서의 단면감소율이란 보통 때와 같이 정의한 것이다. 즉,[재료의 압출전 단면적(=금형의 단면적) A0 - 압출 후 단면적 (=금형 출구의 단면적) Af] ÷ 압출 전 단면적 A0 × 100 = 단면감소율 (%)압출에서는 감소율의 측정으로 압출비 ( R=A0/Af )를 더 흔히 사용한다. 위의 그림에 나타낸 결과를 압출압력 대 압출비의 대수로 나타내면 직선관계를 얻게 된다. 즉, 다음과 같은 실험식이 얻어진다.P/σ0 = a + b ln R ---------- (1)여기서 P는 압출압력, σ0 는 변형저항(평균 항복응력), a와 b는 압출속도, 온도, 다이모양 등에 좌우되는 상수이다. 식 (1)의 관계는 비철금속을 여러 가지 조건에서 압출할 경우에 잘 적용되고, 강의 냉간압출에도 비교적 잘 적용된다.아래 그온도를 변화시켰을 때의 압출응력의 변화를 나타내었다. 이 실험결과는 다음과 같은 실험식으로 나타낼 수 있다.P = A exp(-λT) ---------------- (3)여기서 A와 λ는 재료와 시험조건에 따른 상수이다. 비슷한 표현이 재료의 항복응력과 온도간에도 적용된다. 그러므로 식 (3)은 항복응력에 미치는 온도의 영향을 반영한다.※ 압출온도와 압력과의 관계4. 압출에서의 유동모양 및 윤활Pearson은 직접압출에서의 소성유동모양을 세 가지로 분류하였다. A형은 재료와 컨테이너사이의 마찰계수가 매우 작고 재료 내부에 온도차이가 별로 없을 때 얻어지는 모양이다. 아래 그림은 (a)에 100℃에서 주석을 압출했을 때의 그물무늬를 나타내었는데, 이것이 A형이다. 압출이 되지 않은 부분은 구멍 가까이를 빼고는 그물무늬가 거의 찌그러지지 않았다. 구멍을 빠져나갈 때 중심부가 가장자리보다 빨리 이동한다. 중심부는 단순한 연신을 한 반면 가장자리쪽은 상당한 전단변형을 일으켰다.B형은 재료와 컨테이너 간에 상당한 마찰이 있으나, 재료의 온도가 비교적 균일한 경우에 생긴다. 그림 (b)에 B형을 나타내었다. 대체로 A형과 비슷하다. 다만 재료와 컨테이너 간의 마찰로 컨테이너쪽의 유동이 어렵게 되어 컨테이너 내부에도 상당히 비틀린 모양을 하고 있다.(a) 주석 빌렛을 윤활상탱에서 압출했을 때의 유동모양 (A형)(b) 주석 빌렛을 윤활하지 않고 압출했을 때의 유동모양 (B형)(c) 황동 빌렛의 압출시 유동모양 (C형)C형은 마찰도 크고 재료의 표면쪽이 내부보다 온도가 훨씬 낮을 때 얻어진다. 그림 (c)에서 보는 바와 같이 중앙부의 변위로 형성된 전단영역이 경계면 안쪽에 있으며, B형보다 넓게 퍼져 있고 부동영역(데드 존)의 크기도 훨씬 크다.불균일 변형이 생기는 것은 금형의 각이 크고 따라서 부동영역이 생기는 것과 관련이 있음은 아래 그림에서 볼 수 있다.※ 다이각이 유동모양에 미치는 모양 : 주석 빌렛금형각이 작을수록 변형이 보다 균질이 되고 부동영역도 점차 없어진다. 압출을 하는데, 슬러그가 대기에 노출되므로 표면에 산화막이 형성된다. 이 위에 용융납응 붓게 되면 표면을 용융시켜 불순물 제거하지만 완전히 제거시킬 수는 없다. 이것이 압출시 아래 그림에서 보는 바와 같이 여러 겹의 산화물층으로 나타난다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 압출이 끝난 후 슬러그를 제거하든지 비산화 분위기에서 재장입하든지 할 수 있지만 상당히 오염된 부분은 제거해 버리기도 한다.※ 연관 제조용 프레스에서 뽑아낸 잔류부분의 반쪽 세로 단면연속 장입계면에서의 산화물 층으로부터 산화물이 내부에까지 뻗쳐 있다보통 압출결함 또는 파이핑으로 알려진 산화막의 진입으로 생기는 결함이 있다. 이것은 동합금에서 특히 잘 생기는데 다른 재료에서도 생기는 수가 있다. 이 결함은 보통 C형의 유동과 관련이 있으며, 빌렛의 산화된 표피가 램을 앞질러 모여서 급속히 유동하는 금속의 자리를 차지하기 위하여 빌렛의 중심으로 향하여 집입할 때 생긴다.(a) 압출된 봉의 뒤끝에서 들어오는 압출결함(b) 압출결함 때문에 생긴 심부산화피막은 빌렛의 두 모퉁이에서부터 안으로 좁아져서 나팔모양으로 되고, 다이 안으로 계속되어 관모양의 결함이 형성된다. 때로는 중심봉이 그 바깥 것과 완전히 분리된다. 이러한 결함의 설명으로서 빌렛-컨테이너 계면의 마찰조건이나 뜨거운 빌렛을 찬 컨테이너에 넣을 때 빌렛에 생긴 온도경사에 기인한 빌렛의 소송의 변화를 들고 있다. 이러한 압출결함이 보통 α/β 황동에서만 일어나고 동이나 α황동에서는 일어나지 않는다는 사실은 형성된 산화물의 윤활성이 다르기 때문이라고 설명하고 있다. 즉, 동산화물은 산화에서 효과적이 윤활제이며, 빌렛이 컨테이너를 통해 쉽게 유동하지만 황동빌렛은 산화피막이 주로 아연산화물로 되어 있는데 이것은 효과적인 못되어 비윤활형 유동을 하기 때문이다. 후자의 경우에는 빌렛의 표면이 컨테이너에 집착하는 경향이 있어서 C형의 유동이 되고, 압출제품의 후단더 민감하다. Sandin 은 이러한 설명을 의심하고 오히려 온도경사로부터 생기는 재료의 것을 알아야 한다. 온도의 효과가 열간압출품의 주변균열에서 가장 중요하지만, 압출품이 다이를 통과할 때 그 표면에 세로 인장응력이 생기지 않으면 균열이 생기지 않을 것이다. 이러한 인장응력은 다이의 중심에서의 물질과 가장자리에서의 저지된 물질 사이의 유동속도의 차이 때문에 생긴다. 그러므로 가장자리에서의 유동을 좋게 하면 압출상태가 향상된다. 이러한 관점에서 열간 취성합금은 소성금속으로 싸서 압출하면 훨씬 숩게 압출되는 수도 있다.2차 인장응력은 냉간급성에서 더 심각하다. 냉간 취성에서도 같은 가로균열이 생기지만 온도가 너무 낮아 열간취성의 문제는 일어날 수 없다. 이 경우는 압출품이 다이 랜드에 잠시 부착하여 뒤따라오는 금속이 그 부착부를 통해 빠져나오려고 할 때 압력이 증가하여 결국 전단균열이 생기면서 다이를 빠져나오게 된다. 재료의 균열로 응력이 풀릴 때 압력이 감소한다. 그러나 다음 부분이 다이 랜드에 부착하면 다시 압력이 증가한다.이러한 결함발생을 지배하는 중요한 인자 중 하나는 다이면에서의 마찰조건이며, 원뿔모양 다이가 평면 다이보다 같은 압출비에서는 다이 표면적이 크기 때문에 원뿔형 다이를 사용하면 결함이 더 쉽게 발생한다.중심파면(또는 V자균열)은 압출비가 작을 때 일어날 수 있다. 이 결함은 압출 다이에서의 변형영역에 미치는 마찰조건도 관계가 있다. 이 경우에는 공구-빌렛계면의 마찰이 크면 좋은 제품이 나오는 반면 마찰이 작으면 중심파열이 생긴다. 단면감소율이 작을 경우 소성영역에서 등방향 인장응력이 발생하기 때문이다.※ 압출된 강봉에 생긴 중심파열6.압출압력의 계산_ _P= {σ}_{0 } ln { A0} over {Af } = { σ}_{0 } ln R------- (4)_여기서 σ는 평균 항복응력, A0는 빌렛의 단면적, Af는 압출품의 단면적, R은 압출비이다.실제 압출에서 마찰계수를 매우 작은 값으로 감소시킬 수 있지만, 금속의 유동에는 항상 어던 제약이 가하여지므로 변형은 균질일 수 없다. 식 (4)를 실험적으로 수정한 식 즉, 식(다.
