금속 소재 선택 원칙 및 방법

기본 원칙

재료와 제조 공정을 선택할 때는 적합성, 실현 가능성, 비용 효율성이라는 세 가지 중요한 관점을 바탕으로 종합적인 평가를 수행해야 합니다. 이러한 다각적인 접근 방식을 통해 최종 제품의 최적의 성능, 제조 가능성 및 경제성을 보장할 수 있습니다.

적합성 평가에는 재료의 특성 및 성능 특성이 의도된 작업 조건 및 기능 요구사항에 부합하는지 분석하는 작업이 포함됩니다. 여기에는 기계적 특성(강도, 연성, 내피로성 등), 열 거동, 내식성 및 응용 분야에 중요한 특정 속성을 평가하는 것이 포함됩니다.

타당성 분석은 선택한 제조 공정이 선택한 재료와 호환되는지 여부를 결정하는 데 중점을 둡니다. 여기에는 성형성, 기계 가공성, 용접성, 사용 가능한 장비 및 기술을 사용하여 재료를 처리하는 것과 관련된 모든 제한 사항이나 과제와 같은 고려 사항이 포함됩니다. 고급 시뮬레이션 도구와 파일럿 실행을 통해 공정 타당성을 검증하고 본격적인 생산 전에 잠재적인 문제를 파악할 수 있습니다.

비용 효율성 평가는 재료 선택과 제조 공정의 경제적 측면을 모두 검토합니다. 여기에는 원자재 비용, 가공 비용, 에너지 소비, 툴링 요구 사항 및 잠재적 수율을 분석하는 것이 포함됩니다. 또한 유지보수, 재활용 가능성 및 폐기를 포함한 수명 주기 비용도 전반적인 비용 효율성 평가에 고려해야 합니다.

적용 원칙

적합성 원칙은 재료 선택의 기본으로, 선택한 재료가 작동 조건을 견디고 성능 요건을 충족해야 한다는 것을 요구합니다. 재료 선택의 이 중요한 단계는 구성 요소의 최적의 기능과 수명을 보장합니다.

소재 적합성은 다음과 같은 포괄적인 내부 품질 사양에 따라 결정됩니다:

1. 화학 성분
2. 마이크로 구조
3. 기계적 특성(예: 강도, 연성, 인성)
4. 물리적 특성(예: 열전도율, 전기 저항률)
5. 화학적 특성(예: 내식성, 반응성)

자료를 선택할 때 엔지니어는 세 가지 주요 요소를 고려해야 합니다:

1. 하중 조건: 여기에는 적용된 응력(정적, 동적, 주기적)의 크기와 특성 및 부품 내 분포가 모두 포함됩니다. 애플리케이션에 따라 피로, 크리프, 내충격성 등의 요인이 중요할 수 있습니다.

2. 서비스 환경: 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 매체(예: 공기, 물, 화학 물질)
• 작동 온도 범위
• 압력 조건
• 마찰 및 마모 고려 사항
• 방사선 또는 전자기장 노출

3. 성능 요구 사항:

• 예상 서비스 수명
• 허용 응력 및 변형
• 특정 기능 요구 사항(예: 열 또는 전기 전도성)
• 유지 관리 고려 사항
• 비용 효율성 및 가용성

선택한 소재가 성능 요건을 충족할 뿐만 아니라 이를 뛰어넘을 수 있도록 하려면 이러한 요소에 대한 전체적인 평가가 필수적입니다. 이러한 접근 방식은 조기 고장 위험을 최소화하고 부품 수명을 최적화하며 비용 효율적인 재료 활용을 보장합니다.

또한 재료 선택에 있어 새롭게 고려해야 할 사항으로는 지속가능성, 재활용 가능성 및 환경 영향이 있으며, 이는 현대 엔지니어링 관행에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

기술 원리

소재가 선택되면 일반적으로 가공 기술을 결정할 수 있습니다. 그러나 가공 과정에서 재료의 특성이 변경될 수 있다는 점을 염두에 두어야 합니다. 또한 부품의 모양, 구조, 배치 크기 및 생산 조건과 같은 요소도 재료 가공 기술을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

실현 가능성의 원칙은 재료를 선택할 때 재료의 가공성을 고려해야 하며, 제조 난이도와 비용을 최소화하기 위해 가공성이 좋은 재료를 선호해야 합니다. 각 제조 공정에는 고유한 특성, 장단점이 있습니다.

동일한 재료로 만든 부품을 다른 공정을 사용하여 제조하는 경우 필요한 재료 가공 성능과 마찬가지로 난이도와 비용도 달라질 수 있습니다. 예를 들어 다음과 같은 부품의 경우 단조가 불가능할 수 있습니다. 복잡한 모양 및 대형 사이즈. 이러한 경우 주조 또는 용접을 사용할 수 있지만 재료의 주조 또는 용접 성능이 우수해야 하며 구조가 주조 또는 용접 요구 사항을 충족해야 합니다.

또 다른 예로, 콜드 드로잉을 통해 키와 핀을 제조할 때는 재료의 연신율과 변형 강화가 기계적 특성에 미치는 영향을 고려해야 합니다.

경제 원리

재료 사용 및 가공 요건을 충족하는 것 외에도 금속 제조 및 제조 공정에서 재료의 비용 효율성을 고려하는 것이 중요합니다.

비용 효율성의 원칙은 성능과 가격 사이에서 최적의 균형을 제공하는 소재를 선택하는 것입니다. 성능은 일반적으로 사용 수명, 기계적 강도, 내식성 및 안전 계수로 대표되는 소재의 기능적 특성을 포함합니다. 재료의 가격은 생산 비용과 장기 운영 비용을 포함한 초기 비용과 수명 주기 비용에 의해 결정됩니다.

재료비는 여러 요인에 의해 영향을 받습니다:

1. 원자재 비용: 글로벌 원자재 시장의 변동은 가격에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 재료 사용률: 효율적인 네스팅 및 스크랩 감소 기술을 통해 비용 효율성을 개선할 수 있습니다.
3. 성형 비용: 주조, 단조 또는 압출과 같은 공정과 관련된 비용입니다.
4. 처리 비용: 가공, 열처리 및 표면 마감 비용.
5. 설치 및 커미셔닝 비용: 현장 조립 및 시스템 통합과 관련된 비용.
6. 유지 관리 비용: 부식 방지 및 내마모성을 포함한 장기적인 유지 관리 비용.
7. 관리 비용: 재고 관리 및 공급망 관리를 위한 간접비입니다.
8. 에너지 비용: 재료 가공 및 제작과 관련된 비용입니다.
9. 환경 규정 준수 비용: 규제 요건 충족 및 지속 가능한 관행과 관련된 비용입니다.

비용 효율성을 최적화하려면 제조업체는 다음 사항을 고려해야 합니다:

• 장기적인 경제성을 평가하기 위한 수명 주기 비용 분석(LCCA)
• 비용 절감으로 기능을 유지하는 대체 재료 또는 프로세스를 식별하는 가치 공학
• 린 제조 원칙을 구현하여 낭비 최소화 및 효율성 향상
• 적층 제조와 같은 첨단 제조 기술을 도입하여 재료 낭비와 공정 단계를 줄입니다.
• 공급업체와의 협업을 통해 비용 효율적인 재료 솔루션을 개발하고 규모의 경제를 활용합니다.

재료 및 성형 공정 선택의 단계, 방법 및 기준

재료 및 제조 공정을 선택하는 단계는 다음과 같습니다:

• 사용 조건과 요구 사항에 따라 자료를 선택하세요.
• 선택한 재료를 기반으로 재료의 비용, 재료의 가공 특성, 부품의 복잡성, 부품의 배치 크기, 기존 생산 조건 및 기술 요구 사항 등의 요소를 고려하여 적절한 제조 공정을 선택합니다.

1. 재료 및 성형 공정을 선택하는 단계와 방법

부품의 서비스 조건을 평가하려면 사용 중에 부품이 겪게 될 특정 하중, 응력 상태, 온도, 부식 및 마모 상태를 결정해야 합니다.

상온 조건에서 사용되는 부품의 경우 주요 요구 사항은 재료가 적절한 기계적 특성을 가져야 한다는 것입니다. 그러나 다른 조건에서 사용되는 부품의 경우 재료는 특정 물리적 및 화학적 특성을 가져야 합니다.

부품이 고온에서 사용되는 경우 재료는 고온 강도와 산화 저항성이 있어야 합니다. 화학 장비에 사용되는 부품은 부식에 대한 저항성이 높아야 합니다. 일부 기기 부품에는 전자기 특성을 가진 소재가 필요합니다. 극도로 추운 지역에서 사용되는 용접 구조물의 경우 저온 인성에 대한 요구 사항을 고려해야 합니다.

습한 지역에서 사용하는 경우 대기 내식성에 대한 요구 사항이 포함되어야 합니다. 다음은 재료 선택에 대한 일반적인 단계입니다:

• 분석 또는 테스트를 통해 유사 재료의 고장 분석 결과와 함께 허용 강도, 허용 변형률, 허용 변형, 사용 시간 등 다양한 일반화된 허용 응력 지표를 결정합니다.
• 주요 및 보조 일반화 허용 스트레스 지표를 식별하고 가장 중요한 지표를 재료 선택의 주요 기준으로 사용합니다.
• 주요 성과 지표를 기준으로 요구 사항을 충족하는 여러 자료를 선택합니다.
• 재료의 성형 공정, 부품의 복잡성, 부품의 생산 배치, 기존 생산 조건 및 기술 조건에 따라 재료와 성형 공정을 선택합니다.
• 재료비 등의 요소를 고려하세요, 성형 기술최적화 방법을 사용하여 가장 적합한 소재를 선택하기 위해 소재 성능, 사용 안정성 등을 고려합니다.
• 필요한 경우 자료를 테스트하고 검증 또는 조정을 위해 생산에 투입합니다.

이는 자료 선택에 대한 일반적인 가이드라인일 뿐이며 그 과정은 시간이 많이 걸리고 복잡할 수 있다는 점에 유의하세요.

중요한 부품 및 신소재를 선택하는 과정에서 재료의 안전성을 보장하기 위해 상당한 수의 기본 테스트와 시험 생산 프로세스가 필요합니다. 덜 중요하고 소량 배치 부품일반적으로 동일한 작업 조건에서 유사한 소재의 사용 경험을 바탕으로 소재를 선정하고, 소재의 브랜드와 사양을 결정한 후 성형 공정을 배치합니다.

부품이 정상적으로 손상된 경우 원래의 재료와 성형 공정을 사용할 수 있습니다. 비정상적인 초기 손상으로 인한 손상인 경우, 고장 원인을 파악하고 적절한 조치를 취해야 합니다. 재료 또는 생산 공정의 결과인 경우 새로운 재료 또는 새로운 성형 공정을 고려할 수 있습니다.

2. 재료 선택 기준

(1) 부하 조건

엔지니어링 소재는 작동 중에 인장 응력, 압축 응력, 전단 응력, 절삭 응력, 토크, 충격력 등 다양한 힘에 노출됩니다.

재료의 기계적 특성과 고장 모드는 재료가 받는 하중 조건과 밀접하게 연관되어 있습니다.

엔지니어링 분야에서는 기계와 구조물이 안전하고 안정적으로 작동하는 동시에 이동 요구 사항을 충족하는 것이 중요합니다.

예를 들어 공작 기계의 스핀들은 스트레스를 받아도 부러지거나 과도하게 변형되지 않고 정상적으로 작동할 수 있어야 합니다. 또 다른 예로, 잭이 하중을 들어 올릴 때 나사가 갑자기 구부러지지 않고 똑바로 균형을 유지해야 합니다.

엔지니어링 구성 요소의 안전하고 안정적인 작동은 강도, 강성, 안정성 요건을 충족하는지에 달려 있습니다.

재료 역학에는 응력 조건을 분석하거나 재료를 선택할 때 고려해야 하는 재료의 이러한 각 측면에 대한 특정 조건이 있습니다.

응력 조건에 따라 재료를 선택할 때는 재료의 기계적 특성뿐만 아니라 재료 역학에 대한 관련 지식도 고려하여 과학적으로 근거 있는 선택을 하는 것이 중요합니다.

표 1 몇 가지 일반적인 부품의 응력, 고장 형태 및 필요한 기계적 특성

(2) 재료의 사용 온도

대부분의 재료는 일반적으로 상온에서 사용되지만 고온 또는 저온에서 사용되는 재료도 있습니다.

이렇게 다양한 서비스 온도 때문에 필요한 재료의 특성도 매우 다양합니다.

온도가 낮아지면 강재의 인성과 가소성은 지속적으로 감소합니다. 특정 지점에서 연성-취성 전이 온도라고 하는 인성 및 가소성이 현저히 감소합니다.

연성-취성 전이 온도 이하에서 사용하면 재료가 낮은 응력에서 취성 파단되기 쉬우며 이로 인해 해를 입힐 수 있습니다. 따라서 저온 사용용 강재를 선택할 때는 연성-취성 전이 온도가 작업 조건보다 낮은 소재를 선택해야 합니다.

다양한 저온 강철의 합금은 다음을 줄이는 것을 목표로합니다. 탄소 함량 저온 인성을 개선합니다.

온도가 상승함에 따라 강철 재료의 특성은 다음과 같은 몇 가지 변화를 겪습니다. 강도 및 경도가소성과 인성이 증가했다가 감소하고 고온에서 산화 또는 부식될 수 있습니다.

이러한 변화는 재료의 성능에 영향을 미쳐 사용할 수 없게 될 수 있습니다. 예를 들어 탄소강 및 주철의 사용 온도는 480℃를 초과해서는 안 되며, 다음과 같은 재료의 사용 온도는 다음과 같습니다. 합금강 는 1150℃를 넘지 않아야 합니다.

(3) 부식

업계에서는 일반적으로 부식률을 표현할 때 재료의 내식성.

부식률은 특정 시간 동안 단위 면적당 금속 재료의 손실 또는 시간에 따른 금속 재료의 부식 깊이로 측정됩니다.

업계에서는 일반적으로 표 2와 같이 완전한 내식성을 가진 클래스 I부터 내식성이 없는 클래스 VI까지 6개 범주, 10개 등급의 내식성 등급 시스템을 사용합니다.

표 2 내식성에 대한 분류 및 등급 기준 금속 재료

대부분의 엔지니어링 소재는 대기 환경에서 작동하며 대기 부식은 일반적인 문제입니다.

대기의 습도, 온도, 햇빛, 빗물, 부식성 가스의 함량은 이러한 재료의 부식에 큰 영향을 미칩니다.

일반적인 합금의 경우 탄소강은 산업 대기에서 부식 속도가 10^-605m/d이지만 다른 보호층으로 도장하거나 처리한 후 사용할 수 있습니다.

구리, 인, 니켈, 크롬 등의 원소를 함유한 저합금강은 대기 중 내식성이 크게 향상되어 도장하지 않고도 사용할 수 있습니다.

알루미늄, 구리, 납, 아연과 같은 소재는 대기 중 내식성이 우수합니다.

(4) 내마모성

다음은 소재의 내마모성에 영향을 미치는 요소입니다:

① 머티리얼 속성경도, 인성, 가공 경화 능력, 열전도도, 화학적 안정성, 표면 상태 등을 포함합니다.

마찰 조건: 마찰 시 연마재의 특성, 압력, 온도, 마찰 속도, 윤활유의 특성, 부식 조건의 존재 여부 등을 포함합니다.

일반적으로 경도가 높은 소재는 물체를 연마할 때 침투나 마모에 덜 민감하고 피로 한계가 높아 내마모성이 높습니다. 또한 인성이 높으면 재료가 관통되거나 마모되더라도 부서지지 않아 내마모성이 더욱 향상됩니다.

따라서 경도는 내마모성의 주요 측면입니다. 재료의 경도는 사용 중에 변할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 작업 경화를 거치는 금속은 마찰 중에 더 단단해지는 반면, 열에 의해 부드러워질 수 있는 금속은 마찰 중에 부드러워질 수 있습니다.

3. 재료 성형 공정 선택의 기준

일반적으로 제품의 소재가 결정되면 성형 공정의 유형을 파악하는 것이 일반적입니다.

예를 들어, 제품이 주철로 만들어진 경우 주물을 사용해야 하며, 다음으로 만들어진 경우 주물을 사용해야 합니다. 판금스탬핑을 선택해야 하고, ABS 플라스틱으로 제작된 경우 사출 성형이 적합하며, 세라믹 부품인 경우 적절한 세라믹 성형 공정을 선택해야 합니다.

그러나 성형 공정도 소재의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 성형 공정을 선택할 때 소재의 최종 성능 요구 사항을 고려해야 합니다.

제품 소재의 성능

재료의 기계적 특성 ① 재료의 기계적 특성

예를 들어 스틸 기어 부품은 기계적 특성이 중요하지 않은 경우 주조할 수 있지만, 높은 기계적 특성이 필요한 경우에는 압력 가공을 사용해야 합니다.

자료의 서비스 성능

예를 들어, 자동차 및 자동차 엔진용 플라이휠 부품을 제조할 때 강철은 다이 단조 를 오픈 다이 단조 대신 사용해야 합니다. 이는 자동차의 고속 주행과 부드러운 주행이 요구되기 때문에 플라이휠 단조품의 섬유가 노출되면 부식이 발생하고 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 폐쇄 다이 단조는 플래시를 제거하고 단조의 섬유 구조가 절단되어 노출되는 것을 방지하기 때문에 개방 다이 단조보다 선호됩니다.

재료의 기술적 특성 ③ 재료의 기술적 특성

기술적 특성에는 주조 특성, 단조 특성, 용접 특성, 열처리 특성 및 절단 특성이 포함됩니다. 예를 들어 용접성이 좋지 않은 비철금속 소재는 다음을 사용하여 연결해야 합니다. 아르곤 아크 용접 수동 아크 용접 대신 유동성이 떨어지는 열가소성 소재인 PTFE는 사출 성형에 적합하지 않으며 압착 및 소결을 통해서만 성형해야 합니다.

머티리얼의 특수 속성

특수 특성에는 내마모성, 내식성, 내열성, 전도성 또는 단열성 등이 있습니다. 예를 들어 내산성 펌프의 임펠러와 쉘은 스테인리스 스틸과 주조로 만들어야 합니다. 플라스틱을 사용하는 경우 사출 성형이 옵션입니다. 내열성과 내식성이 모두 필요한 경우 세라믹을 사용하고 그라우팅 공정을 통해 성형해야 합니다.

(2) 부품 생산 배치

제품의 대량 생산을 위해서는 정확성과 효율성을 보장하기 위해 높은 정밀도와 생산성을 갖춘 성형 공정을 선택해야 합니다. 이러한 성형 공정에 필요한 장비는 상대적으로 제조 비용이 높을 수 있지만, 제품당 재료 소비량 감소로 이러한 투자를 상쇄할 수 있습니다.

단조품 대량 생산의 경우 권장 성형 프로세스 금형 단조, 냉간 압연, 냉간 인발 및 냉간 압출이 포함됩니다.

비철 합금 주조, 금속 금형 주조, 다이 주조 및 저온 주조의 대량 생산용 압력 주조 는 권장 성형 프로세스입니다.

MC 나일론 부품의 대량 생산에는 사출 성형 공정이 선호됩니다.

소량 생산의 경우 수동 성형, 자유 단조, 수동 용접 및 절단이 수반되는 공정과 같이 정밀도와 생산성이 낮은 성형 공정을 선택할 수 있습니다.

(3) 부품의 형상 복잡성 및 정확도 요구 사항

복잡한 모양의 금속 부품, 특히 복잡한 내부 공동이 있는 부품의 경우 캐스팅 프로세스 박스, 펌프 본체, 실린더 블록, 밸브 본체, 쉘 및 베드 구성 요소와 같이 자주 선택됩니다.

복잡한 형상의 엔지니어링 플라스틱 부품은 일반적으로 사출 성형 공정을 사용하여 생산됩니다.

복잡한 모양의 세라믹 부품은 사출 성형 또는 주조 공정을 사용하여 생산할 수 있습니다.

형상이 단순한 금속 부품의 경우 압력 가공 또는 용접 성형 공정을 사용할 수 있습니다.

단순한 형상의 엔지니어링 플라스틱 부품은 블로우 성형, 압출 성형 또는 성형 공정을 사용하여 생산할 수 있습니다.

단순한 모양의 세라믹 부품은 일반적으로 성형됩니다.

제품이 주물이고 치수 정확도가 높은 요구 사항이 아닌 경우 일반 모래 주조를 사용할 수 있습니다. 높은 치수 정확도를 위해 주조 재료와 배치 크기에 따라 인베스트먼트 주조, 증발 패턴 주조, 압력 주조 또는 저압 주조를 선택할 수 있습니다.

단조에서 낮은 치수 정확도 요구 사항의 경우 일반적으로 자유 단조가 사용됩니다. 고정밀 요구 사항의 경우 다이 단조 또는 압출 성형이 선택됩니다.

제품이 플라스틱이고 낮은 정밀도가 필요한 경우 중공 블로우 성형이 선호됩니다. 높은 정밀도가 요구되는 경우 사출 성형이 선택됩니다.

(4) 기존 생산 조건

기존 생산 여건은 현재 장비 용량, 인력의 기술 전문성, 제품 아웃소싱 가능성 등을 의미합니다.

예를 들어 중장비 제품을 생산할 때 현장에 대용량 제강로나 중장비 리프팅 및 운송 장비가 없는 경우 주조와 용접을 결합하는 공정을 사용하는 경우가 많습니다. 여기에는 큰 부품을 작은 조각으로 나누어 주조한 다음 서로 용접하여 큰 부품을 만드는 과정이 포함됩니다.

또 다른 예로, 선반용 오일 팬 부품은 일반적으로 프레스로 얇은 강판을 스탬핑하여 생산합니다. 현장 조건이 이 공정에 적합하지 않은 경우 다른 방법을 사용해야 합니다.

예를 들어 현장에 얇은 판이나 대형 프레스가 없는 경우 주조 공정을 사용해야 할 수 있습니다. 얇은 판을 사용할 수 있지만 대형 프레스가 없는 경우 스탬핑 성형 대신 경제적이고 실현 가능한 회전 성형 공정을 사용할 수 있습니다.

(5) 새로운 프로세스, 기술 및 재료에 대한 고려

산업 시장의 수요가 증가함에 따라 사용자들은 제품의 다양성과 품질 업그레이드에 대한 요구가 점점 더 높아져 대량 생산에서 다품종 소량 생산으로 전환하고 있습니다. 이에 따라 새로운 프로세스, 기술 및 재료의 적용 범위가 확대되고 있습니다.

생산 주기를 단축하고 제품 유형과 품질을 업그레이드하려면 정밀 주조, 정밀 단조, 정밀 블랭킹, 냉간 압출, 액체 다이 단조, 초소성 성형, 사출 성형, 분말 야금, 세라믹 및 기타 정압 성형, 복합 재료 성형 및 급속 성형과 같은 새로운 공정, 기술 및 재료의 사용을 고려해야 합니다. 이를 통해 거의 그물 모양의 부품을 제작할 수 있으며 제품 품질과 경제적 이점을 크게 개선할 수 있습니다.

또한 성형 공정을 합리적으로 선택하기 위해서는 다양한 성형 공정의 특성과 적용 범위, 성형 공정이 재료 특성에 미치는 영향 등을 명확히 이해하는 것이 중요합니다.

금속 소재의 다양한 블랭크 성형 공정의 특성은 표 3에 나와 있습니다.

표 3 다양한 블랭크 성형 공정의 특성