압출 공정 완벽 해설: 원리, 장단점, 종류(직접/간접, 열간/냉간) 총정리
The Mechanical Post입니다. 오늘은 압출(Extrusion)이 무엇인지, 그 공정과 장점, 한계까지 종합적으로 알아보겠습니다.
압출의 정의
압출이란 용기에 담긴 금속 블록(빌렛)을 다이를 통해 강제로 밀어내어, 다이 개구부의 형상과 치수를 가진 긴 형재로 성형하는 제조 공정입니다.
압출 관련 핵심 용어
빌렛 (Billet)
압출할 소재의 균일한 블록(예: 알루미늄 압출용 빌렛). 크기는 압출기 사양에 따라 다양합니다.
다이 (Die)
원하는 단면 형상을 가진 하나 이상의 구멍이 뚫린 원형 강판. H-13 다이스틸로 제작 후 열처리하여 고온·고압을 견디게 합니다.
램 익스트루더 (Ram Extruder)
빌렛을 다이 쪽으로 밀어내는 피스톤/플런저 역할의 무거운 램. 의사의 주사기처럼 램에 힘을 가해 소재를 다이 밖으로 밀어냅니다.
압출 공정 순서
- 빌렛을 가열하여 연성·가단성 확보 (재결정 온도 이상으로 열간 압출 시)
- 빌렛을 컨테이너에 적재
- 램이 빌렛을 다이 개구부로 강제 압출 → 소재는 소성 변형하며 단면 축소 및 신장 발생
- 제품 단면 형상은 다이 개구부 형상에 따름
이 과정은 폐쇄형 단조와 유사하나, 단조는 본체 부위가 제품이고 플래시(플랜지)는 버리는 반면, 압출은 다이 밖으로 나온 부분이 제품이고 다이 내 잔류물(버트 엔드)은 폐기됩니다.
압출은 비철금속(알루미늄 합금, 구리, 황동, 청동 등)의 중실/중공 형재 제작에 가장 널리 쓰이나, 용융 유리 윤활제 개발로 강철 및 철계 합금도 성공적으로 가공 가능해졌습니다.
압출 제품 치수 범위 (참고)
- 봉재: 직경 3~25mm
- 파이프: 직경 20~400mm, 벽두께 1mm 이상
- 기타 기계 가공으로 불가능한 복잡 형상도 압출로 생산 가능
- 금속뿐 아니라 플라스틱 압출도 광범위하게 적용됨
압출의 종류
1. 직접 압출 (Direct Extrusion / Forward Extrusion)
가열된 빌렛을 컨테이너에 넣고 램이 다이 쪽으로 밀어냅니다. 소재는 컨테이너 벽면을 따라 미끄러지며 다이 구멍으로 유출됩니다. 압출 완료 시 컨테이너에 소량의 잔재(버트 엔드 스크랩)가 남습니다.
중공 형재 제작 시에는 맨드렐(심봉)을 중심으로 중공 빌렛을 사용하거나, 솔리드 빌렛에 맨드렐로 구멍을 뚫거나 드릴로 예비 구멍을 낸 후 압출합니다. 맨드렐이 램에 고정되어 램 이동과 함께 관형 제품이 성형됩니다.
2. 간접 압출 (Indirect Extrusion / Backward Extrusion)
램 이동 방향과 반대 방향으로 소재가 압출됩니다. 중공 램 끝에 다이가 장착되고, 컨테이너 반대편은 막혀 있습니다. 램이 전진하며 다이가 빌렛을 압축, 변형된 소재가 다이 구멍을 통해 중공 램 내부로 빠져 나옵니다. 마찰이 적어 압출 하중이 낮고 균일한 품질 확보에 유리합니다.
3. 열간 압출 (Hot Extrusion)
빌렛을 재결정 온도 이상으로 가열하여 압출합니다. 가공 경화를 방지하고 유동 응력을 낮춰 압출 하중 감소 및 성형성 향상에 유리합니다.
- 장비: 수평 유압 프레스, 230~11,000톤급
- 압력: 30~700 MPa (4,400~101,500 psi)
- 윤활제: 저온용 오일/그라파이트, 고온용 유리 분말
4. 냉간 압출 (Cold Extrusion)
상온에서 압출하는 공정. 장점: 산화 없음, 가공 경화로 고강도 확보, 치수 정밀도 우수, 표면 조도 양호, 고속 압출 가능.
냉간 압출 주요 소재
- 연, 주석, 알루미늄, 구리, 지르코늄, 티타늄, 몰리브덴, 베릴륨, 바나듐, 니오븀, 강철 등
냉간 압출 제품 예시
- 튜브형 용기(치약 등), 소화기 몸체, 쇼크 업소버 실린더, 기어 블랭크 등
압출의 장점
- 압연으로 불가능한 재진입 단면 등 복잡 단면 형상 생산 가능
- 다이 교체만으로 형상 변경 용이, 전환 시간 단축
- 압연품 대비 치수 정밀도 우수
- 단일 패스로 성형되어 자동화에 유리
- 주조품보다 경량, 치밀, 고강도
- 주조 대비 정밀도 높고 후가공 공정 감소
압출 공정의 한계
- 재료 손실률이 압연(1~3%)보다 높음
- 고가 합금강 다이로 인한 툴링 비용 높음
- 연속 압연 대비 생산성 열세
- 타 공정 대비 단가 높음
- 고접촉 응력과 슬립으로 툴 수명 단축
- 일정 단면 형상만 생산 가능 (단면 변화 제품 불가)
요약: 압출은 일정 단면의 장척 형재를 고정밀·고강도로 양산하는 데 최적화된 공정입니다. 열간/냉간, 직접/간접 방식 선택은 소재, 형상, 요구 물성, 경제성에 따라 결정됩니다.