가공경화
Work Hardening
정의
금속을 냉간 소성가공하면 전위 밀도가 늘어 강도·경도가 올라가고 연성이 줄어드는 현상. 강화 수단이자 가공 트러블의 원인이라는 양면성을 갖는다.
자세한 설명
금속이 소성변형하면 내부의 전위(원자 배열 결함)가 증식하고 서로 얽혀 이후의 변형을 방해한다. 그 결과 변형이 진행될수록 재료는 단단해지고(강도 상승), 남은 연성은 소모된다. 냉간압연 강판의 조질(H) 등급, 인발 선재(피아노선), 냉간압조 볼트의 강도가 모두 가공경화를 강화 수단으로 쓴 결과다. 열처리로 강해지지 않는 오스테나이트계 스테인리스·5000계 알루미늄에서는 사실상 유일한 강화 수단이다.
반면 가공 공정에서는 트러블의 근원이다. 다단 프레스 성형에서 앞 공정이 소모한 연성 때문에 뒷 공정에서 크랙이 나고, SUS304 절삭에서는 앞 날이 지나간 경화층을 다음 날이 깎으면서 공구 마모가 가속된다. 드릴이 미끄러지며 비빈 자리, 펀칭 전단면도 국부 경화되어 후속 가공·탭핑을 어렵게 만든다.
경화를 풀어 연성을 되살리는 수단이 소둔(어닐링)이다. 재결정 온도 이상으로 가열하면 조직이 새 결정립으로 재편되어 연질 상태로 돌아오므로, 다단 드로잉 사이에 중간 소둔을 넣는 공정 설계가 성형 한계를 넘는 표준 수법이다.
실무 예시
다단 드로잉으로 SUS304 컵 형상을 성형하는 업체가 3단째에서 반복되는 플랜지 크랙을, 2단과 3단 사이에 광휘소둔 공정을 넣어 해결한 사례가 전형적이다. 소둔 추가로 공정비는 올랐지만 불량률이 두 자릿수에서 1% 미만으로 떨어져 총원가는 내려갔다.
실무 포인트
- 성형 크랙의 단골 원인이다 — 누적 변형량을 계산해 한계 전에 중간 소둔을 배치한다.
- SUS304·인코넬 절삭은 경화층을 다시 깎지 않도록 충분한 절입·이송을 주고, 날을 비비는 조건(저이송·재절삭)을 피한다.
- 조질 등급(H14·H32 등)은 가공경화 정도의 표기다 — 성형성 요구와 강도 요구 사이에서 조질을 선정한다.
- 펀칭·전단 단면은 경화되어 있다 — 그 자리에 탭·리밍이 오는 공정 배치를 피하거나 여유를 둔다.
- 가공경화로 올린 강도는 가열(용접·소둔)로 사라진다. 용접부 인근의 강도 저하를 설계에 반영한다.