연성과 가단성은 재료의 소성 변형 거동을 나타냅니다. CNC 가공 과정에서는 이 두 가지 특성이 절삭날 형상, 버(burr) 관리, 균열 발생 위험 및 최종 표면 품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 오늘은 연성과 가단성의 의미, 주요 차이점 및 CNC 가공에 미치는 영향을 설명하기 위해 이 글을 작성합니다.
연성(ductility)이란 무엇인가?
연성은 인장하중 하에서 재료가 완전성을 유지한 채로 소성 변형을 겪을 수 있는 기계적 성질입니다. 이 성질은 재료가 늘어나거나 구부러질 때 파단되기까지 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지를 결정합니다.
일반적으로 연성이 높은 재료를 연성재료라고 하며, 연성이 낮은 재료를 취성재료라고 합니다.
연성의 측정 방법
연성은 두 가지 방법으로 측정할 수 있습니다:
인장 시험
인장시험에서는 신율과 단면수축률이 재료의 연성을 평가하는 지표로 사용됩니다.
연신율
신율은 재료가 파단된 후 길이가 얼마나 늘어나는지를 확인하는 지표입니다.
계산 방법은 다음과 같습니다:
신장률(%)=[(Lf – L0)/L0]*100%
연성 정도를 평가하는 구체적인 기준
연성재료의 일반적인 연성 범위: (연성이 낮은지 높은지를 판단하기 위한 기준)
| 연성 수준 | 신장률 범위 | 단면 감소율 범위 | 예시 재료 |
| 고연성 | > 30% | > 50% | 순구리(45–60%), 어닐링 처리된 오스테나이트형 스테인리스강(40–60%), 순알루미늄(50–55%) |
| 중간 연성 | 15%–30% | 30%–50% | 연강(20–30%), 6061 알루미늄 합금(12–18%) |
| 저연성 | 5%–15% | 10%–30% | 담금질 및 열처리된 4140 합금강, Ti-6Al-4V 티타늄 합금(10–14%) |
| 취약한 재료 | < 5% | < 10% | 회색주철(0–2%), 경화된 고탄소강, 세라믹 |
이 표는 재료의 연성 여부를 판단하는 데 있어 엔지니어링 참고 자료로 활용될 수 있습니다.
단면 감소율
단면수축률은 파단면이 얼마나 얇아지는지를 관찰하는 지표입니다. 계산 공식은 다음과 같습니다:
단면 감소율(%)= [(Af – A0)/A0]*100%
단면수축률 값이 높을 경우, 이는 재료가 파단에 앞서 상당한 소성 변형을 겪었음을 의미합니다. 다음 표는 참고용 범위를 제공합니다:
| 단면 감소율 | 연성 |
| < 10% | 취약성 경향 |
| 10–30% | 중간 정도 |
| > 30% | 좋은 연성 |
| > 50% | 매우 연성 |
제조 공정에서 연성이 중요한 이유
제조 과정에서 재료의 연성은 성형 단계에서 발생할 수 있는 균열에 대한 저항력을 결정합니다. 연성이 높은 재료는 어닐링 공정 없이도 깊은 드로잉, 파이프 굽힘 및 나사 롤링 등을 가능하게 합니다. 또한 CNC 가공에서는 연성이 칩의 연속성에 영향을 미칠 수 있습니다:
연성 재료는 길고 연속적인 선반 가공 칩을 생성할 수 있습니다.
취성 재료는 분말상 또는 파편 형태의 칩을 쉽게 생성하며, 비록 제거하기는 쉽지만 진동 하중에 의해 갑작스러운 파손이 발생하기 쉽습니다.
전성(展性)이란 무엇인가
전성은 압축하중 하에서 균열 없이 소성 변형을 겪을 수 있는 재료의 능력입니다. 이 특성은 단조, 압연, 프레스 성형 등의 공정을 통해 판재, 외함 또는 3차원 복잡한 형상의 금속 가공과 직접적으로 관련됩니다.
전성(malleability)의 평가 방법
전성은 압축력 하에서 균열 없이 소성 변형을 겪을 수 있는 재료의 능력을 평가하여 결정됩니다. 일반적으로 압축 및 성형 공정을 통해 평가됩니다.
금속 성형에서 전성이 중요한 이유
전성은 압축 공정을 통해 재료를 원하는 형상으로 제조할 수 있는지를 직접적으로 좌우합니다. 전성이 높은 재료는 큰 변형 하에서도 냉간 단조나 냉간 압연이 가능하므로 열처리 공정을 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 반면, 전성이 낮은 재료는 소성 유동성을 향상시키기 위해 열성형 공정을 거쳐야만 압축 변형 특성을 개선할 수 있습니다.
연성과 전성: 차이는 무엇인가?
연성과 전성의 핵심적인 차이는 각각의 응력 유형과 변형 방식에 있습니다. 연성은 인장응력 하에서 소성 변형을 겪을 수 있는 재료의 능력을 의미하며, 전성은 압축응력 하에서 균열 없이 소성 변형을 할 수 있는 능력을 나타냅니다.
연성과 가단성: 서로 다른 제조 공정
연성과 가단성은 재료 가공에 사용되는 제조 방법에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 재료의 연성과 가단성을 이해하면 제조 공정 선택을 효율적으로 결정할 수 있습니다.
다양한 제조 응용 분야
고연성 재료는 케이블, 스프링, 패스너 및 구조 부품 제작에 적합합니다. 반면, 고가단성 재료는 압력용기의 두껑, 자동차 차체 패널, 동전 및 단조나 프레스 성형 공정을 통해 제작되는 모든 부품에 선호됩니다.
CNC 가공에서는 축방향 부품은 토크로 인한 전단 응력을 견딜 수 있는 연성이 필요하며, 반면 껍데기 형태의 부품은 2차 리벳 또는 프레스 리벳 작업을 용이하게 하는 가단성이 요구됩니다.
높은 연성과 가단성을 갖는 금속들
일부 재료는 높은 연성뿐만 아니라 우수한 가단성까지 제공합니다. 이를 여러분께 소개해 드리겠습니다.
구리
구리는 높은 연성과 가단성을 모두 지니고 있어, 가장 성형성이 뛰어난 금속 중 하나입니다. 소둔 상태의 순동은 신장률이 45%에서 60%에 이르며, 단면 감소율은 80%를 넘습니다. 이러한 높은 연성 덕분에 매우 가는 금속 와이어로 늘여낼 수 있어, 전선 및 케이블 제작에 널리 사용됩니다. 또한, 높은 가단성을 지닌 구리는 압연을 통해 얇은 판재나 관 등 다양한 부품으로 가공될 수 있습니다., which makes it one of the most formable metals. The elongation of pure copper in the annealed state can reach 45% to 60%, with a reduction of area exceeding 80%. Its high ductility allows it to be drawn into extremely fine metal wires, that is why copper is widely used for electric wire and cables. Meanwhile, copper with high malleability can be manufactured to be thin sheets, tube or other components by rolling.
그러나 구리는 연성과 경도가 낮아 CNC 가공 시 긴 칩과 버가 쉽게 발생합니다.,
금
금은 연성과 가단성이 가장 높은 금속 중 하나입니다. 순금의 신장률은 약 45%에 달합니다. 비용 문제로 인해 일반적인 CNC 가공에는 거의 사용되지 않지만, 전자기기, 항공우주 및 고성능 제품 분야에서는 여전히 필수적인 재료로 활용됩니다.
알루미늄
순알루미늄의 신장률은 약 25%에서 45% 정도입니다. 순알루미늄과 소둔 알루미늄은 높은 연성과 우수한 가단성을 보입니다. 이러한 특성으로 인해 알루미늄은 압연, 압출, 굽힘 및 판금 가공에 적합합니다.
CNC 가공에서 알루미늄의 높은 연성은 연속적인 칩 발생을 유발하기 쉬우며, 이 칩들이 절삭공구의 전단부에 잘 달라붙어 칩 종양을 형성할 수 있습니다. 이는 높은 절삭 속도를 적용하고 절삭공구 표면을 폴리싱함으로써 어느 정도 통제할 수 있습니다.
연강
연강은 중간에서 높은 수준의 연성을 가지고 있습니다, 그리고 중간 정도의 가단성도 갖추고 있습니다. 연성 덕분에 연강은 인장하중 하에서 급작스러운 파괴를 피할 수 있으며, 가단성으로 인해 압축력 하에서도 성형이 가능합니다.
취약한 재료들과 비교했을 때, 연강은 파괴되기 전에 상당한 소성변형을 보여주므로 굽힘, 용접, 압연 및 구조물 성형 등에 적합합니다.
연강은 안정적인 절삭 칩 파손 특성 때문에 CNC 가공에서 가장 예측 가능한 재료 중 하나입니다.
연성이 낮거나 가단성이 낮은 재료들
연성이 낮거나 단조성이 낮은 재료들은 일반적으로 체심입방 또는 밀집육방 결정구조를 가지거나, 경하고 취약한 이차상 입자를 포함하고 있습니다. 이러한 특성들은 전위의 이동을 제한하여 조기 파괴를 유발합니다.
주철
주철은 일반적으로 취약한 재료로, 연신율이 1% 미만이기 때문에 거의 소성변형이 발생하지 않습니다.
고탄소강
고탄소강(탄소 함량 0.6% 초과)은 처리되지 않은 상태에서는 일반적으로 연신율이 10% 미만이며, 담금질 처리 후에는 2% 이하로 떨어질 수 있습니다.
세라믹스
세라믹 재료는 대표적인 취약재료로, 소성변형이 전혀 발생하지 않습니다. 최대인장강도 한계에 도달하면 파괴적 파괴가 일어나며, 가단성 또한 존재하지 않습니다. 따라서 CNC 가공 시 세라믹은 전통적인 절삭 공법이 아닌 연삭이나 레이저 가공을 통해 성형해야 합니다.
CNC 가공에서 연성과 가단성이 중요한 이유
연성과 가단성은 CNC 가공 과정에서 절삭날의 형상, 스케일( Burr ) 생성 및 표면 품질에 영향을 미칩니다.
칩 형성에 미치는 영향
연성 재료는 전단영역에서 상당한 소성변형을 겪은 후에도 연속성을 유지하며, 길게 늘어나거나 나선형의 절삭 칩을 형성합니다. 이러한 칩들은 공작물이나 공구 주위에 감겨 자동 공구 교환 장애나 표면 스크래치를 유발할 수 있습니다.
반면, 연성이 낮은 재료는 절삭 칩 배출은 용이하지만 절삭력의 변동이 크기 때문에 진동이 쉽게 발생할 수 있습니다.
해결 방안:
- 칩 브레이커 형상을 사용
- 높은 이송 속도를 사용
- 고압 냉각유를 사용
버(burr) 형성에 미치는 영향
연성 재료는 파단되기 전에 상당한 소성 굽힘을 견딜 수 있기 때문에 큰 버가 발생하기 쉽습니다. 또한 가단성은 진입 버의 형성에 영향을 미칩니다.
해결 방안:
- 공구의 음각 모서리를 증가시킨다
- 클림브 클림 밀링 전략을 사용한다
- Burr 제거를 위한 사전 절삭 홈을 적용한다
표면 마감에 미치는 영향
연성 재료는 가공 중에 빌드업 엣지를 형성하기 쉬우며, 이로 인해 가공된 표면에 미세한 웅덩이와 스크래치가 남아 표면 거칠기 Ra 값이 증가할 수 있습니다.
실제 생산 과정에서는 절삭 속도를 높여 절삭 온도를 상승시킨 후 재료의 항복강도를 낮추는 방식으로 해결책을 마련합니다. 이러한 방법을 적용하면 빌드업 엣지의 형성을 억제하고 표면 마감 품질을 개선할 수 있습니다.
일반 금속의 연성과 가단성 비교
각종 금속 재료 간의 연성 및 가단성 차이는 내부 원자 구조와 소성 변형 능력의 차이에서 비롯됩니다. 다음은 공학적 응용 관점에서 이루어진 쌍으로 비교한 내용입니다.
구리 대 알루미늄
순동의 연신율은 순알루미늄보다 높습니다. 그러나 가단성에서는 알루미늄이 동보다 우위에 있습니다. 알루미늄의 항복강도는 동의 약 1/3 정도입니다.
CNC 가공 시 동은 칩의 접착성이 더 강하여 빌드업 엣지를 형성하기 쉽습니다. 반면 알루미늄은 연속적인 칩을 생성하며, 고압 냉각유를 사용하면 칩을 보다 쉽게 파쇄할 수 있습니다.
스테인리스강과 탄소강 비교
스테인리스강, 특히 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소강보다 훨씬 높은 연성을 보입니다. 그러나 가단성은 탄소강이 오스테나이트계 스테인리스강보다 우수합니다.
CNC 가공 관점에서 보면, 스테인리스강의 절삭력은 탄소강의 약 1.5배이며, 칩의 파괴 경향도 적습니다.
연성과 가단성을 기반으로 한 재료 선택 방법
기계 설계 단계에서는 부품의 제조 공정과 사용 조건을 바탕으로 재료를 선정해야 하며, 연성과 성형성을 균형 있게 고려하면서 강도, 비용, 가공성 등을 종합적으로 판단해야 합니다.
CNC 가공 부품용
재료 제거 방식으로 가공되는 CNC 부품의 경우, 중간 정도의 연성을 지닌 재료를 우선적으로 선택하며, 연신율은 15%에서 25% 사이로 조절합니다. 이 범위는 칩이 자연스럽게 C자형이나 짧은 나선형으로 분리되도록 돕는 동시에, 과도한 취성으로 인한 절삭날의 플래시 현상을 방지합니다.
실제로는 6061 알루미늄, 1215 강재 및 C3600 황동이 이상적인 선택입니다.
순구리나 소둔된 오스테나이트계 스테인리스강과 같이 연신율이 40%를 초과하는 재료는 고압 냉각 시스템과 특수한 칩 제거 공구를 사용하는 경우를 제외하고는 피해야 합니다.
얇은 벽 두께의 부품이나 미세한 형상이 많은 가공물의 경우, 더 높은 연성(ductility)을 갖는 재료를 선택하십시오. 이러한 재료는 진동 에너지를 보다 잘 흡수하여 절삭력 변동으로 인한 벽 관통 현상을 방지하는 데 도움을 줍니다.
판금 부품용
판금 성형 부품의 경우, 특히 굽힘, 엠보싱 및 깊은 드로잉 공정에서는 단조성이 주요 선정 기준이 되어야 합니다. 재료의 최대 굽힘 반경과 판 두께의 비율은 규정된 제조 요구 사항보다 작아야 하며, 이 비율은 단조성의 품질을 직접적으로 나타냅니다.
두께가 3mm를 초과하는 판재의 경우, 구상화 소둔 처리를 거친 중·저탄소강 또는 5052 알루미늄 합금과 같은 높은 단조성을 갖는 재료를 우선적으로 선택하십시오.
이러한 응용에서는 연성이 2차적 기준으로 작용하며, 주로 플랜지 가장자리의 인장 한계에 영향을 미칩니다. 부품에 인장 구멍이나 팽창 형상이 있고 그 지름이 판 두께의 5배 미만인 경우에는 균열을 방지하기 위해 재료의 연신율이 20%를 넘어야 합니다.
단조 부품용
단조 부품에는 열간 및 냉간 상태에서 모두 우수한 단조성을 갖는 재료가 필요하며, 이를 통해 금속이 접힘 없이 금형 내부를 완전히 채울 수 있어야 합니다.
- 열간 단조 공정에서는 4140 및 4340과 같은 합금강이 섭씨 1000~1200도의 온도에서 우수한 단조성을 발휘하며, 연신율이 일시적으로 50%를 초과하기도 합니다.
- 냉간 단조 공정에서는 순알루미늄, 저탄소강 및 황동이 선호되는 재료로, 상온에서도 높은 압축 변형을 견디면서 균열 없이 가공할 수 있습니다.
단조 공정에서는 연성이 2차적 기준으로 작용하며, 주로 스크랩 제거 작업에 영향을 미칩니다. 연성이 높은 재료는 스크랩 제거 후에도 가장자리의 균열 없는 품질을 유지할 가능성이 큽니다.
결론
연성과 연변성은 모두 재료의 소성 변형 능력을 의미하지만, 각각의 응력 상태와 가공 방법에서 차이가 있습니다. 연성은 인장 응력 하에서 재료가 변형될 수 있는 능력을 나타내며, 연변성은 압축 응력 하에서 재료가 성형될 수 있는 능력을 의미합니다. 이러한 차이는 CNC 가공, 판금 성형, 압연 및 단조와 같은 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.
실제 제조 현장에서는 판금 부품의 경우 단조성을 우선시하고, CNC 가공에서는 연성과 칩 제어 간의 균형을 중시합니다. 이 두 가지 측면의 차이점을 이해하면 재료 선택, 가공 공정 및 최종 부품의 성능을 최적화하는 데 큰 도움이 됩니다.
FAQ
연성과 전성은 같은 것인가?
연신율은 인장 파괴에 대한 재료의 저항력을 나타내며, 연신률 또는 단면 감소율로 정량화됩니다. 가단성은 압축 파괴에 대한 재료의 저항력을 의미하며, 압축 변형 정도를 통해 평가됩니다.
어떤 금속들이 가장 연성이 높은가?
순금, 순은, 순동은 모든 금속 중에서 가장 연성이 높은 세 가지 재료입니다. 연신률은 금이 약 45%, 은이 50%에서 55%, 동이 45%에서 60% 정도입니다. 또한 소둔 처리된 저탄소강과 오스테나이트계 스테인리스강도 연신률이 30%에서 60%에 이르는 고연성 재료에 속합니다.