대형강괴(steel ingot)를 자유 단조(Open die forging)하여 건전한 단조 제품을 만들기 위해서는 강괴의 중심부를 따라서 응고시에 발생하는 내부 결함을 열간가공으로 압착시켜야 한다. 조괴 작업으로 인해 강괴 내부에 잔존하는 ...
대형강괴(steel ingot)를 자유 단조(Open die forging)하여 건전한 단조 제품을 만들기 위해서는 강괴의 중심부를 따라서 응고시에 발생하는 내부 결함을 열간가공으로 압착시켜야 한다. 조괴 작업으로 인해 강괴 내부에 잔존하는 공극을 압착 시키기 위해서 가해지는 소성공정은 코깅 공정(Cogging process)과 업세팅 공정(Upsetting process)으로 나누어진다. 코깅은 대형의 자유단조에서 초기 및 최종단계에서 일반적으로 행해지고 있으며, 강괴 내부에서 균질한 구조의 재질을 얻고 공극 닫힘(Cavity closing)의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 코깅으로는 충분한 단조비를 얻을 수 없거나 또는 소재의 지름이 큰 제품을 생산하고자 할 때, 우수한 재질의 제품을 요구할 때 업셋팅 공정이 필요하게 된다. 업셋팅 작업을 행하므로서 재료 성질의 방향성을 감소시키고 재료의 건전성(Soundness)을 증가시키는 효과를 얻을 수가 있다. 본 연구에 사용된 소재는 실험을 위해 특별히 제작된 SCM440(AISI 4140) 합금강이며, 잉곳트 내에 존재하는 공극이 열간 자유단조 공정 동안에 압착 거동을 분석하였다. 또한 유한요소해석을 통해서 공극 압착에 대한 정량적인 값을 구하기 위하여 유효변형율(Effective strain)과 정수압 응력(Hydrostatic stress)에 대한 특성을 분석하였다. 우선 소재의 물성치를 정량화 시키기 위해서 주조 잉곳트의 조직을 분석하였으며, 분석 결과 3가지 종류의 주조 조직이 관찰되었다. 또한 해석 시 열간 변형 거동을 예측함과 동시에 정확한 공극 압착 거동을 분석하기 위해서 열간 압축 실험을 온도, 변형율 속도, 압하량에 따라 수행하였다. 수행 결과 정량화된 유동응력(Flow stress)을 얻을 수 있었으며, 소성변형으로 인해 주조 조직이 미세화 되는것을 확인 할 수 있었다. 측정된 데이터는 유한요소해석 시 적용시켰다.. X선 회절분석기를 이용하여 초기 잉곳트 및 단조 후 잉곳트내에 존재하는 기공을 분석하였으며, 분석된 데이터를 이용하여 유한요소해석에 필요한 모델을 실제 잉곳트와 동일하게 모델화 하였다. 해석에 사용된 공극수는 각 부위별로 6개의 공극을 사용하였으며, 해석 프로그램은 상용유한요소 해석 프로그램인 DEFROMTM-3D를 사용하였다. 최종 제품에서 해석과 실험에서의 외부 형상과 공극 압착을 비교 분석한 결과 동일한 양상을 나타내고 있었으며, 해석에 대한 신뢰성을 입증할 수 있었다. 업셋팅 공정 동안에 기공 압착 예측 및 폐쇄율에 대한 정량적인 분석을 위해서 기공이 압착되는 부위와 기공이 미 압착되는 부위에서 정수압 응력과 유효 변형율에 대한 특성을 비교 분석을 하였다. 분석 결과 SCM440소재에서 공극이 압착되는 부위는 유효 변형율이 0.6이상, 공극이 미 압착부위는 0.6이하로 나타났으며, 정수압 응력은 공극이 압착되는 부위에서는 초기 인장응력(+)이 공극이 압착이 되면서 급격히 응력이 하강하여 압축응력(-)이 발생하면서 공극이 페쇄 되면서 서서히 인장응력(+)이 나타나는 특성을 관찰 하였으며, 공극이 미압착 부위는 이러한 특성이 나타나지 않았다. 따라서 본 연구를 통해서 SCM440소재는 공극 부위에서 유효 변형율이 단조 후 0.6이상의 소성변형이 일어나야지만 공극 부위가 폐쇄되었음을 예측할 수 있다. 본 연구를 통해 확인한 공극 압착 예측을 위한 정수압 응력의 변화 특성과 함께 유효 변형율을 기준으로 예측 할 수 있는 기초를 마련하였다. 이상과 같은 결론 외에 실제적인 공정설계 시 많은 변수들에 대한 정량적인 데이터를 얻기 위해서는 지속적인 연구와 노력이 필요 할 것이다.
대형강괴(steel ingot)를 자유 단조(Open die forging)하여 건전한 단조 제품을 만들기 위해서는 강괴의 중심부를 따라서 응고시에 발생하는 내부 결함을 열간가공으로 압착시켜야 한다. 조괴 작업으로 인해 강괴 내부에 잔존하는 공극을 압착 시키기 위해서 가해지는 소성공정은 코깅 공정(Cogging process)과 업세팅 공정(Upsetting process)으로 나누어진다. 코깅은 대형의 자유단조에서 초기 및 최종단계에서 일반적으로 행해지고 있으며, 강괴 내부에서 균질한 구조의 재질을 얻고 공극 닫힘(Cavity closing)의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 코깅으로는 충분한 단조비를 얻을 수 없거나 또는 소재의 지름이 큰 제품을 생산하고자 할 때, 우수한 재질의 제품을 요구할 때 업셋팅 공정이 필요하게 된다. 업셋팅 작업을 행하므로서 재료 성질의 방향성을 감소시키고 재료의 건전성(Soundness)을 증가시키는 효과를 얻을 수가 있다. 본 연구에 사용된 소재는 실험을 위해 특별히 제작된 SCM440(AISI 4140) 합금강이며, 잉곳트 내에 존재하는 공극이 열간 자유단조 공정 동안에 압착 거동을 분석하였다. 또한 유한요소해석을 통해서 공극 압착에 대한 정량적인 값을 구하기 위하여 유효변형율(Effective strain)과 정수압 응력(Hydrostatic stress)에 대한 특성을 분석하였다. 우선 소재의 물성치를 정량화 시키기 위해서 주조 잉곳트의 조직을 분석하였으며, 분석 결과 3가지 종류의 주조 조직이 관찰되었다. 또한 해석 시 열간 변형 거동을 예측함과 동시에 정확한 공극 압착 거동을 분석하기 위해서 열간 압축 실험을 온도, 변형율 속도, 압하량에 따라 수행하였다. 수행 결과 정량화된 유동응력(Flow stress)을 얻을 수 있었으며, 소성변형으로 인해 주조 조직이 미세화 되는것을 확인 할 수 있었다. 측정된 데이터는 유한요소해석 시 적용시켰다.. X선 회절분석기를 이용하여 초기 잉곳트 및 단조 후 잉곳트내에 존재하는 기공을 분석하였으며, 분석된 데이터를 이용하여 유한요소해석에 필요한 모델을 실제 잉곳트와 동일하게 모델화 하였다. 해석에 사용된 공극수는 각 부위별로 6개의 공극을 사용하였으며, 해석 프로그램은 상용유한요소 해석 프로그램인 DEFROMTM-3D를 사용하였다. 최종 제품에서 해석과 실험에서의 외부 형상과 공극 압착을 비교 분석한 결과 동일한 양상을 나타내고 있었으며, 해석에 대한 신뢰성을 입증할 수 있었다. 업셋팅 공정 동안에 기공 압착 예측 및 폐쇄율에 대한 정량적인 분석을 위해서 기공이 압착되는 부위와 기공이 미 압착되는 부위에서 정수압 응력과 유효 변형율에 대한 특성을 비교 분석을 하였다. 분석 결과 SCM440소재에서 공극이 압착되는 부위는 유효 변형율이 0.6이상, 공극이 미 압착부위는 0.6이하로 나타났으며, 정수압 응력은 공극이 압착되는 부위에서는 초기 인장응력(+)이 공극이 압착이 되면서 급격히 응력이 하강하여 압축응력(-)이 발생하면서 공극이 페쇄 되면서 서서히 인장응력(+)이 나타나는 특성을 관찰 하였으며, 공극이 미압착 부위는 이러한 특성이 나타나지 않았다. 따라서 본 연구를 통해서 SCM440소재는 공극 부위에서 유효 변형율이 단조 후 0.6이상의 소성변형이 일어나야지만 공극 부위가 폐쇄되었음을 예측할 수 있다. 본 연구를 통해 확인한 공극 압착 예측을 위한 정수압 응력의 변화 특성과 함께 유효 변형율을 기준으로 예측 할 수 있는 기초를 마련하였다. 이상과 같은 결론 외에 실제적인 공정설계 시 많은 변수들에 대한 정량적인 데이터를 얻기 위해서는 지속적인 연구와 노력이 필요 할 것이다.
In the steel industry, there is a need to produce large forged parts for the eco-energy industries, the shipbuilding and aerospace industries. In the steel-industry application, a cogging technique for cast ingots is required, because the major parts are needed as one large body in order to obtain h...
In the steel industry, there is a need to produce large forged parts for the eco-energy industries, the shipbuilding and aerospace industries. In the steel-industry application, a cogging technique for cast ingots is required, because the major parts are needed as one large body in order to obtain higher quality. Cogging process is the primary step in manufacturing of practically large open-die forging. In the cogging process, internal cavities have to be eliminated as defects. The present work is concerned with the elimination of the internal cavities in large ingots so as to obtain sound products. In this study, hot compression tests were carried out to obtain the flow stress of cast microstructure at different temperature and strain rates. The FEM analysis is performed to investigate the overlap defect of cast ingots during cogging stage. The measure flow stress data were used to simulate the cogging process of cast ingot using the practical material properties. Also the analysis of cavity closure is performed by using the DEFORMTM-3D. The calculated results of cavityclosure behavior are compared with the measured results before and after cogging, which are scanned by the X-ray scanner. From this result, the criteria for deformation amounts effect on the cavity closure can be investigated by the comparison of practical experiment and numerical analysis.
In the steel industry, there is a need to produce large forged parts for the eco-energy industries, the shipbuilding and aerospace industries. In the steel-industry application, a cogging technique for cast ingots is required, because the major parts are needed as one large body in order to obtain higher quality. Cogging process is the primary step in manufacturing of practically large open-die forging. In the cogging process, internal cavities have to be eliminated as defects. The present work is concerned with the elimination of the internal cavities in large ingots so as to obtain sound products. In this study, hot compression tests were carried out to obtain the flow stress of cast microstructure at different temperature and strain rates. The FEM analysis is performed to investigate the overlap defect of cast ingots during cogging stage. The measure flow stress data were used to simulate the cogging process of cast ingot using the practical material properties. Also the analysis of cavity closure is performed by using the DEFORMTM-3D. The calculated results of cavityclosure behavior are compared with the measured results before and after cogging, which are scanned by the X-ray scanner. From this result, the criteria for deformation amounts effect on the cavity closure can be investigated by the comparison of practical experiment and numerical analysis.
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