6.3 間接押出法

알루미늄합금의 압출방법으로는 직접압출법과 간접압출법이 있으며 양자 모두 오랜역사 속에서 기술적인 개선이 행해져 왔고 널리 실용되어 왔다.금속의 압출가공은 18세기말에 영국에서 개발되었으며 최초는 연관이나 연선이 제조되고 이어서 동합금의 압출이 개시되어 오늘날 알루미늄합금의 직접압출로 연결되고 있다. 한편 간접압출법도 1800년대 후반에 압출력 절감방식으로 수형 연관압출용이 개발되었다. 간접압출법의 유리성에 관해서는 지금까지 수많은 사람들에 의해 제창되어 왔는데 직접압출법의 발전과 비교하면 대량생산용 압출방법으로서의 그 채용실적은 적다. 그러나 최근 에너지 절약이나 치수고정도 등의 장점을 다시 보게되어 압출공구나 설비적 개선과 맞춰 간접압출법의 채용이 증가하는 경향이다. 특히 고력알루미늄합금계 등에 간접압출법을 선택하고 소롯트의 연질 알루미늄합금의 압출에는 직접압출법을 채용함으로써 각각의 특징을 살려 공용하는 추세이다. 또 본절에서는 내용상 전절 직접압출법과 중복되는 것이 많으므로 양자를 비교해서 설명하도록 하겠다.

6.3.1 간접압출법의 원리

직접압출법의 경우는 컨테이너내에 삽입된 빌렛은 크로스헤드측에서 가압스템에 의해 고정되어 있는 압출다이측에 압출된다. 이러한 이유로 압출의 진행에 따라 빌렛의 컨테이너를 이동할 때 빌렛과 컨테이너 내벽 간에 큰마찰력이 발생한다. 전체 에너지의 30∼40%가 마찰손실로 소비된다는 시산도 있으며 직접압출법에 있어서 이는 최대의 결점이라 할 수 있다.
한편 간접압출법의 경우는 빌렛은 컨테이너 내를 이동하지 않고 컨테이너와 빌렛이 동시에 압출다이측으로 이동해서 압출이 이루어진다. 때문에 직접압출법과 같이 빌렛과 컨테이너 내벽간의 마찰은 발생하지 않고 주요부분의 유효압출로 작용한다. 간접압출의 방식으로 고정한 압출다이쪽으로 빌렛과 컨테이너를 함께 이동시키는 방법과 컨테이너와 빌렛을 고정시키고 압출다이
만 이동시키는 방법이 실용화되고 있는데 이 두방식 모두 빌렛과 컨테이너 내벽에 마찰력을 발생시키지 않는다는 점에서 공통된다.

6.3.2 간접압출법의 장점

6.3.2.1 압출력

압출력의 산출에는 지금까지 각종 계산식이 제안되어 왔는데 대표적인 것으로는 siebel식이 사용되고 있다.

F=Aκln(A/a)+μκπDL ············(1)

이 때 F : 압출에 필요한 전에너지량
A : 컨테이너 단면적
a : 압출재단면적
D : 컨테이너 내벽
L : 압출빌렛길이
κ: 재료의 변형저항
μ: 컨테이너와 빌렛간의 마찰계수

본식에서 제1항은 압출에 필요한 에너지이며, 제2항은 컨테이너와 빌렛간에 발생하는 마찰에 저항하는데 필요한 힘이다. 간접압출법의 경우는 빌렛과 컨테이너간의 마찰이 발생하지 않기 때문에 이론적으로는 제2항이 생략되고 압출계산식은,

F`= Aκln(A/a)···············(2)

이 된다.
실제로는 압출조건이나 재질에 따라 다르지만 간접압출법의 경우 소요에너지량은 직접압출법경우의 50∼70%정도로 완료된다. 특히 고력알루미늄 압출에 있어서 간접압출법은 압출력면에서 유리한다. 직접압출법의 경우 압출초기압력이 높아지지만 압출중기에서 종료부로 가면서 압출력은 감소한다. 이에반해 간접압출법의 경우는 압출개시부터 종료까지 거의 균일한 압력이다. 반면에 간접압출법에서 압출종료부근에 이르렀을 때 압출력이 상승하는 것은 압출중 가공에 의한 발열이 적고 컨테이너의 온도가 끝에서 약간 낮아져 재료의 변형저항값이 높아지기 때문이다.

6.3.2.2 빌렛길이

전술한 바와 같이 간접압출법에 있어서는 컨테이너 내벽과 빌렛간에 마찰이 없기 때문에 이론적으로는 빌렛길이의 제한은 없다. 빌렛길이와 빌렛지름의비(L/D)와 직접압출법에 대한 간접압출법의 압출에 요하는 전에너지량비(F`/F)를 이론적으로 구하는것이다. 간접압출법의 경우, 긴빌렛을 낮은 압출력으로 압출할 수 있음이 밝혀졌다. 그러나 실제로는 다이스템의 길이에 의한 버클링(buckling-)강도의 한계나 후면테이블의 길이의 제한에서 L/D=5∼6정도의 빌렛이 사용되고 있다. 통상의 직접압출에서는 컨테이너 내벽과 빌렛과의 마찰손실면에서 빌렛의 L/D비는 3∼4정도로 억제되고 동일압출프레스력량으로 동일제품을 압출할 경우는 간접압출법에서는 1.3∼2배 길이의 빌렛을 사용할 수 있게 된다. 따라서 직접압출법과 비교해서 높은 압출수율을 달성할 수 있다.

6.3.2.3 압출속도

간접압출법은 압출력량을 모두 압출에 사용하기 때문에 직접압출보다 낮은온도에서 압출할 수 있다. 이에따라 고온가공일수록 잘 발생하는 픽업, 다이마크, 열간취성균열 등의 결함 발생 없이 압출속도를 향상시킬 수 있다.

6.3.2.4 압출온도

직접압출법에서는 가공에 수반되는 발열에 의해 압출 중반에 걸쳐 상당히 큰 온도상승을 확인할 수 있다. 한편 간접압출법에서는 압출1사이클 내에 있어서의 온도변화는 적으며 거의 일정한 제품온도가 되고 있다. 이에 따라 후술하는 높은 수치정도나 조직제어가 가능하게 되었다.

6.3.2.5 메탈플로

직접압출에서는 빌렛이 컨테이너 내를 이동해서 압출되므로 빌렛 전체에 큰 변형이 발행한다. 직접압출법에서는 다이 부근에 데드메탈존(dead metal zone)이 뚜렷하게 존재한다. 한편 간접압출법에서는 다이부근의 변형영역에 만 변형이 발생하지 않는다. 즉 간접압출법에서는 압출 초기부터 종료까지 메탈플로가 균일하며 내부변형열도 일정하기 때문에 직접압출에서 인지 할 수 있는 압출길이방향으로 조직차는 잘 발생하지 않는다.

6.3.2.6 금속조직

직접압출법에서는 특히 열처리계 합금의 압출을 했을 경우 메탈플로에 수반되는 가공발열에 의해 압출제품의 조직의 조대화가 일어날 수 있다. 이에 대해 간접압출법에서는 메탈플로가 균일하며 결정립의 조대화가 잘 발생하지 않는다. 직접압출법에서는 가공발열이 큰 압출말기의 표층부에 결정립의 조대화현상이 발견된 데 반해 간접압출법에서는 압출 초기부터 말기의 전장(全長)에 걸쳐 미세하게 균일한 매크로조직이 되고 있다. 압출제품의 기계적 성질은 조직의 영향을 받을 수 있으며 그러한 점에서 간접압출법이 기계적 성질의 불규칙성이 적은 압출제품을 만들 수 있다. 결정립의 조대화는 기계적 성질이나 인성을 저하시킬 뿐 아니라 알루마이트등의 표면처리시 색얼룩을 지게 하거나 굽힘 등의 후가공을 한 경우 오렌질필과 같은 외관부 조화의 원인이 된다. 또 단조소재로 사용될경우 균열발생 한계나 단조소재로 사용될경우 악영향을 미치는 경우가 있으며 그 점에서도 간접압출법은 낮은 압출력과 맞춰 고력알루미늄합금 단조소재의 제조에 적합한 압출방법이라 할 수 있다.

6.3.2.7 치수정도

간접압출법은 직접압출법과 비교해 다음의 이유에 따라 압출재의 단면치수의 불규칙성이 감소한다.
①압출압력이 압출의 전과정에 있어서 거의 일정하기 때문에 다 이의 굽힘도일정하다.
②압출중 변형가공발열이 거의 일정하기 때문에 압출재의 수축도 거의 일정하다.
③메탈플로가 압출길이방향으로 균일하다.
직접압출법에서는 압출 초기와 말기 메탈플로의 차가 크고 가공발열에 따른 압출압력변화에 의해 압출된 제품의 치수는 길이방향으로 크게 변화한다. 특히 두께차가 큰 부분이나 외접원이 큰 형재에서의 치수변화가 현저하게 되는 경향을 알 수 있다. 이에 반해 간접압출재에서는 형재, 관, 봉 모두 치수변화가 작아 정도(精度)면에서 그 우위성이 확실하다. 최근 장래 기계가공비용을 절감하거나 교정공정을 생략할 목적으로 높은 단면치수정도가 요구되는 경우가 많으며 그러한 점에서 간접압출법은 우수한 압출법이라 할 수 있다. 특히 엄격한 치수정도가 요구되는 항공기 부품재용 고력알루미늄합금의 얇은 형재 등에서의 간접압출법의 우위성이 확인되었다. 또 관재는 복사기 부품 등 높은 회전정도가 요구되는 부품으로 사용되는 경우도 많은데 이러한 경우 동일단면 내에서의 두께 불규칙성이 적은 것을 얻을 수 있다. 메탈플로가 일정해 간접압출법은 두께 불규칙성도 적기 때문에 고정도관(高精度管)의 제조 방법에도 간접압출법의 가치가 재평가 되고 있다.

(남선알미늄 알루미늄 기술편람 발췌)