압연 Rolling

압연의 정의

압연 (Rolling)은 금속 재료를 두 개 이상의 회전하는 롤 사이로 통과시켜 원하는 형상과 치수로 가공하는 소성 가공 공정입니다. 이 과정에서 금속은 압축력을 받아 변형되며, 주로 두께를 감소시키고 길이를 증가시키는 데 사용됩니다. 

출처 : 위키피디아

압연의 원리

• 소성 변형 : 금속 재료가 롤 사이를 통과할 때 압축력에 의해 소성 변형이 일어납니다. 이 과정에서 재료의 두께가 감소하고 길이가 증가합니다. 
• 마찰력 : 롤과 재료 사이의 마찰력이 재료를 롤 사이로 끌어당기는 역할을 합니다. 이 마찰력은 압연 공정의 핵심 요소입니다. 
• 중립점 : 압연 과정에서 롤의 표면 속도와 재료의 속도가 같아지는 지점을 중립점이라고 합니다. 이 지점을 기준으로 재료의 변형 양상이 달라집니다. 
• 압하력 : 롤이 재료에 가하는 수직 방향의 힘을 압하력이라고 합니다. 이 힘에 의해 재료의 두께가 감소합니다. 
• 압연력 : 압연 과정에서 롤에 작용하는 전체 힘을 압연력이라고 합니다. 이는 압하력과 마찰력의 합력입니다. 

압연 과정의 주요 현상 

• 폭 확장 : 재료의 두께가 감소함에 따라 폭이 약간 증가하는 현상입니다. 이를 스프레드(Spread)라고도 합니다. 
• 전방 슬립과 후방 슬립 : 중립점을 기준으로 재료의 속도가 롤의 표면 속도보다 빠르거나(전방 슬립) 느린 (후방 슬립) 현상이 발생합니다. 
• 내부 구조 변화 : 압연 과정에서 금속의 결정 구조가 변형되어 기계적 특성이 변화합니다. 이는 재료의 강도와 경도 향상에 기여합니다. 

압연의 주요 변수

• 압하율 : 압연 전후의 두께 변화 비율을 나타냅니다. 압하율이 높을수록 변형량이 큽니다. 
• 롤 속도 : 롤의 회전 속도로, 생산성과 직접적인 관련이 있습니다. 
• 롤 직경 : 롤의 크기는 압연력과 변형 정도에 영향을 미칩니다. 
• 윤활 조건 : 롤과 재료 사이의 마찰 상태를 조절하여 압연 품질에 영향을 줍니다. 

압연의 종류

• 열간 압연
  • 재결정 온도 이상에서 수행됩니다 (보통 1100 ~ 1300 ºC)
  • 주로 분괴압연에 사용되며, 압하율을 30 ~ 50%로 크게 할 수 있습니다. 
  • 특징 
    • 소비동력이 적습니다. 
    • 변형량을 크게 할 수 있습니다. 
    • 가공시간이 짧고 대량 생산에 유리합니다. 
    • 표면에 검은 산화 피막이 형성되어 내산화성이 높습니다. 
• 냉간 압연
  • 재결정 온도 이하, 주로 상온에서 수행됩니다. 
  • 주로 박판 제작에 사용되며, 압하율은 10 ~ 30% 정도입니다. 
  • 특징
    • 기계적 강도가 증가합니다. 
    • 결함이 적고 표면이 깨끗합니다. 
    • 판두께의 정밀도가 높습니다. 
    • 초박강판(0.1mm 이하) 제조가 가능합니다. 

제품에 따른 분류

• 분괴 압연 (Blooming)
  • 강괴(잉솟)를 가열하여 중간재를 만드는 과정입니다. 
  • 제품 : 블룸(Bloom), 빌릿(Billet), 슬래브(Slab), 시트바(Sheet Bar), 로드(Rod)
  • 특징
    • 입자가 미세화되고 재질이 균일해집니다. 
    • 주조 시의 기포 등을 제거할 수 있습니다. 
• 판재 압연 (Plate Rolling)
  • 슬래브 또는 시트바를 압연하여 강판을 제조합니다. 
  • 두께에 따라 분류
    • 박판 : 3mm 이하
    • 후판 : 3mm 이상
• 형재 압연
  • 봉재, 평재, 형재 등을 제작하는 공정입니다. 
  • 블룸 또는 빌릿을 여러 차례 홈롤로 압연합니다.
  • 특징
    • 형재 압연용 롤의 표면에는 홈이 파여 있습니다. 
    • 열간 압연을 통해 소재를 순차적으로 통과시켜 단면적을 감소시키며 성형합니다. 
    • 판재 압연과 달리 폭 증가가 억제되고 주로 길이 방향으로 늘어납니다. 
• 그 외 특수 압연
  • Hunter 법 : 알루미늄 용탕을 직접 판상의 주괴로 만드는 방법으로, 알루미늄 합금판 생산에 사용됩니다. 
  • Properzi 법 : 알루미늄 용탕을 작은 단면의 주괴로 주조한 후 연속 압연하는 방법으로, 전선용 알루미늄 봉의 제조에 이용됩니다. 
  • 분말 연속 압연법 : 고융점 금속 (텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등)의 분말을 이용해 판재를 제작하는 방법입니다. 

압연의 장점

• 높은 생산성
  • 연속적인 공정으로 대량 생산이 가능합니다. 
  • 자동화된 공정으로 생산 속도가 빠릅니다. 
• 정밀한 치수 제어 
  • 특히 냉간 압연의 경우 0.025mm까지의 정밀한 공차를 달성할 수 있습니다. 
  • 균일한 두께와 치수를 가진 제품을 생산할 수 있습니다. 
• 재료의 기계적 특성 향상
  • 압연 과정에서 금속의 결정 구조가 변형되어 강도와 경도가 향상됩니다. 
  • 특히 냉간 압연은 재료의 기계적 강도를 크게 증가시킵니다. 
• 다양한 형상 제작 가능
  • 복잡한 단면 형상의 제품을 생산할 수 있습니다. 
  • 길이에 제한 없이 긴 제품을 생산할 수 있습니다. 
• 비용 효율성
  • 대량 생산 시 단위 비용이 감소합니다. 
  • 재료 낭비가 적어 경제적입니다. 
• 표면 품질 
  • 특히 냉간 압연의 경우 우수한 표면 마감을 얻을 수 있습니다. 

압연의 단점

• 초기 설비 투자 비용
  • 압연 설비의 초기 투자 비용이 높습니다. 
  • 특히 맞춤형 롤 제작에 많은 비용이 소요됩니다. 
• 에너지 소비
  • 특히 열간 압연의 경우 높은 온도 유지를 위해 많은 에너지가 필요합니다. 
  • 냉간 압연도 높은 압력을 위해 상당한 에너지를 소비합니다. 
• 제품 복잡성의 한계
  • 매우 복잡하거나 불규칙한 형상의 제작에는 한계가 있습니다. 
• 재료의 제한 
  • 모든 재료가 압연에 적합한 것은 아닙니다. 특히 매우 경한 재료나 취성이 큰 재료는 압연이 어렵습니다. 
• 잔류 응력 
  • 압연 과정에서 재료 내부에 잔류 응력이 발생할 수 있습니다. 
• 표면 결함
  • 열간 압연의 경우 산화 스케일로 인해 표면 품질이 저하될 수 있습니다. 

압연의 한계

• 최소 반경 제한
  • 재료의 특성과 두께에 따라 달성할 수 있는 최소 곡률 반경에 제한이 있습니다. 
• 두께 제한 
  • 매우 얇거나 매우 두꺼운 재료의 압연에는 어려움이 있습니다. 
• 정밀도의 한계
  • 특정 재료나 매우 정밀한 응용 분야에서는 요구되는 정밀도를 달성하기 어려울 수 있습니다. 
• 소량 생산의 비효율성
  • 소량 생산이나 프로토타입 제작에는 비용 효율성이 떨어집니다. 
• 후가공 작업의 복잡성
  • 일부 형상은 압연 후 추가적인 가공 작업이 필요할 수 있어 전체 공정이 복잡해질 수 있습니다.