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제조된 금속 부품의 구조적 무결성, 수명 주기 성능 및 현장 신뢰성은 엔지니어링 단계에서 선택한 성형 공정에서 시작됩니다. 잘못된 단조 방법을 지정하면 생산 라인이 실패하게 됩니다. 결정 구조가 응력 경로와 정렬되지 않기 때문에 과도한 2차 가공 요구 사항, 조기 다이 마모 또는 하중을 받는 경우 치명적인 부품 파손이 발생합니다. 해결 열간 단조와 냉간 단조 논쟁에는 엄격한 기술 평가가 필요합니다. 재결정 온도와 관련된 재료 거동을 살펴봐야 합니다. 부품의 기하학적 복잡성, 어셈블리에 필요한 치수 공차, 도달하려는 생산량 임계값을 평가해야 합니다. 우리는 엔지니어들이 야금을 응용 분야에 맞추는 대신 익숙한 방법을 기본으로 사용하는 것을 봅니다. 이 가이드에서는 열 상태가 기계적 특성을 결정하는 방식을 정확하게 분석하여 현실 세계에서 살아남는 부품을 엔지니어링할 수 있습니다.
열간 단조는 금속의 재결정 온도(변형 경화 방지) 이상에서 발생하는 반면, 냉간 단조는 실온 또는 실온 근처에서 발생합니다.
냉간 단조는 본질적으로 가공 경화를 통해 항복 강도와 강성을 증가시키는 반면, 열간 단조는 연성이 높은 균질화된 입자 구조를 생성합니다.
냉간 단조는 뛰어난 표면 조도와 더 엄격한 치수 공차를 제공하므로 종종 광범위한 2차 가공이 필요하지 않습니다.
열간 단조는 일반적으로 복잡하고 무거운 부품이나 중소 규모의 부품에 더 비용 효율적인 반면, 냉간 단조는 대량 생산에 따른 높은 초기 툴링 투자가 필요합니다.
목차
특정 하중 지지 기준을 충족하려면 금속의 분자 구조가 변형 응력에 어떻게 반응하는지 파악해야 합니다. 단조 방법의 주요 차이점은 빌렛이나 와이어 스톡이 다이에 들어가기 전의 열 상태입니다. 이 열 상태는 고체 금속을 이동하는 데 필요한 물리적 힘과 최종 부품의 내부 미세 구조를 결정합니다. 작업 현장에서 이는 완전히 다른 기계, 공구 재료 및 안전 프로토콜로 해석됩니다.
열간 단조에는 변형이 발생하기 전에 특정 재결정점 이상으로 금속을 가열하는 작업이 포함됩니다. 표준 탄소강의 경우 작업자는 대규모 유도 코일이나 가스 연소 회전식 난로를 사용하여 재료를 1,100°C ~ 1,250°C 범위의 온도로 가열합니다. 이 극한의 열 임계값에서 금속은 고도의 소성 상태가 됩니다. 기계식 또는 유압식 프레스의 압력을 받으면 거의 두꺼운 점토처럼 흐릅니다.
이 공정의 야금학적 결과는 변형 중 연속 어닐링입니다. 단조 프레스로 금속을 압축하고 성형할 때 온도가 높아지면 변형 경화가 방지됩니다. 변형되지 않은 새로운 입자가 지속적으로 형성되어 변형된 입자를 대체합니다. 이러한 지속적인 재결정화를 통해 부품이 파손되거나 전단되지 않고 극단적인 형태 변화와 대량의 재료 변위가 가능해집니다. 정사각형 빌렛을 몇 번의 타격만으로 복잡한 커넥팅 로드에 부술 수 있습니다.
냉간 단조는 고압 금형을 사용하여 실온 또는 실온 근처에서 금속을 압축하거나 성형합니다. 열간 단조와 달리 재료는 전체 성형 사이클 동안 재결정 온도보다 훨씬 낮은 수준으로 유지됩니다. 제조업체는 일반적으로 원시 와이어의 대형 코일을 다중 스테이션 콜드 헤더에 공급합니다. 기계는 와이어를 특정 길이로 자른 다음 일련의 다이를 통해 와이어를 밀어 넣습니다.
재결정점 이하의 변형은 결정 격자 내의 전위 밀도를 증가시켜 결정 구조를 근본적으로 변경합니다. 이는 심각한 가공 경화를 유발합니다. 이 공정은 금속의 원래 입자 흐름 선을 보존하여 새로운 모양의 윤곽을 따라 단단히 포장합니다. 재료의 자연적인 유동 응력을 극복하려면 막대한 프레스 톤수가 필요하지만, 다이에서 바로 탁월한 구조적 강성을 갖춘 구성 요소를 생성합니다.
온간 단조는 금속을 실온보다 높지만 재결정점보다 엄격하게 낮은 온도로 가열합니다. 강철 합금의 경우 일반적으로 이 온도는 650°C~850°C 사이입니다. 제조 이점의 정확한 균형이 필요할 때 온간 단조를 활용합니다. 온도를 높이면 재료의 항복 강도가 일시적으로 감소하여 순수 냉간 단조에 필요한 극압 프레스 톤수가 낮아집니다.
동시에 온도를 재결정점 아래로 유지하면 열간 단조와 관련된 심한 산화, 스케일링 및 심각한 열 수축을 방지할 수 있습니다. 온간 단조는 냉간 압조에 너무 취약하지만 열간 단조가 제공할 수 있는 것보다 더 엄격한 공차가 필요한 중탄소강에 자주 적용됩니다. 이는 재료가 다이와 접촉할 때 너무 빨리 냉각되는 것을 방지하기 위해 정밀한 온도 제어가 필요한 특수 공정입니다.
단조 중 열 상태가 부품의 최종 기계적 특성을 어떻게 결정하는지 평가하는 것은 구조 엔지니어링에 매우 중요합니다. 금속의 물리적 특성은 변형된 온도에 따라 영구적으로 변합니다. 열간 단조 부품과 냉간 단조 부품이 완전히 동일한 합금으로 만들어졌다고 하더라도 동일하게 취급할 수는 없습니다.
두 단조 공정 모두 금속의 내부 입자 흐름을 완성된 부품의 윤곽에 맞춰 정렬합니다. 나무 조각의 결처럼 생각하십시오. 이러한 깨지지 않는 입자 흐름은 단조 부품을 주조 또는 가공 부품보다 훨씬 우수하게 만듭니다. 여기서 입자 라인은 무작위로 지정되거나 절단 도구에 의해 물리적으로 절단됩니다. 그러나 입자 흐름의 특성은 두 가지 방법 간에 크게 다릅니다.
열간 단조는 균질화되고 연성이 높은 입자 구조를 생성합니다. 지속적인 재결정을 통해 균일한 등축 결정립이 생성되어 내충격성과 인성이 뛰어납니다. 냉간 단조로 인해 압축률이 높고 보존되며 길쭉한 입자 구조가 생성됩니다. 그레인 라인은 촘촘하게 채워져 있고 심하게 변형되어 주기적인 하중 하에서 피로에 저항하는 고도로 방향성 있는 강도 프로파일을 생성합니다. 수백만 번의 진동 주기를 견디기 위해 부품이 필요한 경우 압축 냉간 단조 입자 구조가 바로 여러분이 원하는 것입니다.
냉간 단조를 통해 다이에서 직접 더 단단하고 인장 강도가 높은 부품을 얻을 수 있습니다. 금속이 실온에서 다이 캐비티 안으로 강제로 들어가면서 결정 격자가 왜곡됩니다. 이러한 왜곡은 특히 굽힘 영역, 돌출 지점 및 뒤집힌 헤드에서 국부적인 작업 경화를 유발합니다. 냉간 단조 저탄소강 부품의 항복 강도는 기계적 작업이 가해지기 때문에 더 무겁고 고탄소 합금의 항복 강도와 맞먹을 수 있습니다.
반대로, 열간 단조 부품은 상대적으로 부드럽고 어닐링된 상태로 다이에서 나옵니다. 금속은 성형 중에 재결정화되었기 때문에 변형으로 인해 얻은 기계적 강도를 상실했습니다. 비슷한 항복 강도와 경도 수준을 달성하기 위해 열간 단조 부품은 거의 항상 담금질 및 템퍼링과 같은 단조 후 열처리가 필요합니다. 이로 인해 제조 주기에 시간, 처리 및 열 처리 비용이 추가됩니다.
원료 금속 스톡, 특히 대형 주조 잉곳 또는 연속 주조 빌렛에는 종종 미세한 내부 공극 또는 중심선 다공성이 포함되어 있습니다. 열간 단조는 이러한 내부 미세 공극을 효과적으로 밀봉합니다. 가열된 금속의 높은 전성과 단조 프레스의 압축력이 결합되어 고체 확산을 통해 이러한 미세한 틈을 물리적으로 용접합니다. 열과 압력은 말 그대로 금속을 치유합니다.
냉간 단조에는 이러한 기능이 부족합니다. 금속은 소성 상태로 가열되지 않기 때문에 냉간 단조로는 기존의 내부 재료 결함을 복구할 수 없습니다. 내부 공극이 있는 재료를 냉간 단조하려고 하면 공극이 바깥쪽으로 밀려나면서 내부 전단 균열이나 표면 쪼개짐이 발생하는 경우가 많습니다. 결과적으로 냉간 단조에는 훨씬 더 높은 품질의 결함 없는 원시 와이어 또는 스톡 바가 필요하며 헤더에 도달하기 전에 와전류 테스트가 필요한 경우가 많습니다.
부품의 물리적 설계 요구 사항을 단조 방법의 기능과 일치시키면 제조 가능성이 보장됩니다. 고체 금속 이동의 물리적 한계로 인해 가능한 모양이 결정됩니다. 툴링을 손상시키지 않고는 차가운 강철을 복잡하고 깊은 골이 있는 구멍에 밀어넣을 수 없습니다.
열간 단조는 매우 복잡하거나 비대칭이거나 대규모 부품에 이상적입니다. 엔진 크랭크샤프트, 대형 항공우주 격벽, 무거운 건설 장비 연결 장치 및 대형 맞춤형 패스너는 열간 단조에 의존합니다. 높은 열은 금속의 유동 응력을 대폭 낮춰 복잡한 다이 캐비티, 깊은 리브 및 날카로운 모서리를 균열 없이 채울 수 있습니다. 또한 열간 단조에서는 드래프트 각도(보통 3~5도)를 활용하여 부품이 금형에서 분리될 수 있습니다.
냉간 단조는 일반적으로 더 단순하고 대칭적인 형상으로 제한됩니다. 표준 패스너, 직선 샤프트, 단순 기어 및 원통형 핀이 전형적인 냉간 단조 부품입니다. 가열되지 않은 금속을 움직이는 데 필요한 엄청난 힘은 모양의 복잡성을 제한합니다. 차가운 금속을 깊고 비대칭인 다이 캐비티에 밀어 넣으면 툴링 오류가 발생하거나 다이 충진이 불완전해지는 결과를 낳는 경우가 많습니다. 그러나 냉간 단조는 드래프트가 없는 부품을 생산할 수 있는 경우가 많으며 이는 조립 부품에 큰 이점이 됩니다.
열간 단조에 필요한 높은 온도로 인해 금속 표면이 대기 중의 산소와 반응하여 두꺼운 스케일 층이 생성됩니다. 부품이 1,200°C에서 실온으로 냉각될 때 발생하는 열 수축과 결합된 이러한 산화는 엄격한 치수 공차를 유지하는 것을 불가능하게 만듭니다. 열간 단조 부품은 최종 사양을 충족하기 위해 일반적으로 2차 표면 마감, 쇼트 블라스팅 및 광범위한 CNC 가공이 필요합니다.
냉간 단조는 거의 순 모양 또는 실제 순 모양 기능을 제공합니다. 열팽창이나 스케일링이 없기 때문에 냉간 단조 부품은 다이에서 직접 엄격한 치수 공차와 매끄러운 표면 마감을 제공합니다. 추가 작업 없이 Ra 0.8 이상의 표면 거칠기를 달성할 수 있는 경우가 많습니다. 이는 종종 보조 CNC 터닝 또는 밀링의 필요성을 제거하여 단위당 사이클 시간과 재료 낭비를 대폭 줄입니다.
선택한 단조 공정을 기반으로 올바른 기본 합금을 선택하면 생산 중 재료 파손을 방지할 수 있습니다. 모든 금속이 열적 또는 기계적 응력에 동일하게 반응하는 것은 아닙니다. 합금의 자연적인 연성과 성형 방법을 일치시켜야 합니다.
표: 재료 단조 호환성 가이드
재료 등급 |
열간 단조 적합성 |
냉간 단조 적합성 |
일반적인 응용 |
|---|---|---|---|
1018/1022 탄소강 |
좋지만 종종 불필요함 |
우수(고연성) |
표준 패스너, 리벳, 핀 |
4140 합금강 |
훌륭한 |
나쁨 (강한 어닐링 필요) |
고강도 샤프트, 기어, 링키지 |
알루미늄 6061 |
좋은 |
훌륭한 |
자동차 서스펜션 부품, 항공우주 부품 |
인코넬 718 |
우수(특수 프레스 필요) |
권장되지 않음(툴링이 손상됨) |
제트 엔진 터빈 블레이드, 고온 밸브 |
티타늄 Ti-6Al-4V |
훌륭한 |
권장되지 않음 |
항공우주 격벽, 의료용 임플란트 |
열간 단조는 가단성이 되기 위해 높은 열이 필요한 재료에 사용됩니다. 고탄소강, 공구강, 고합금 재료는 높은 자연유동응력과 항복강도를 가지고 있습니다. 실온에서 변형하려고 하면 툴링이나 빌렛이 부서질 수 있습니다. 티타늄 합금, 인코넬과 같은 니켈 기반 초합금 및 내화 금속은 열간 단조에 크게 의존합니다. 이러한 항공우주 등급 재료는 고온에서도 강도를 유지하므로 의미 있는 소성 변형을 달성하려면 특수 고온 단조 프레스가 필요합니다.
냉간 단조에는 깨지지 않고 고압 변형을 견딜 수 있는 재료가 필요합니다. 저탄소강, 알루미늄 합금, 황동, 구리가 주요 후보입니다. 이러한 금속은 어닐링된 상태에서 높은 자연 연성과 낮은 항복 강도를 나타냅니다. 광범위한 중간 어닐링 공정 없이 고합금 또는 고탄소 금속을 냉간 단조하려는 시도는 엄격히 피해야 합니다. 부서지기 쉬운 고탄소 합금을 냉간 압출 다이를 통해 강제로 가공하면 심각한 취성 파괴가 발생하여 잠재적으로 텅스텐 카바이드 툴링이 파손되고 생산 현장에서 심각한 안전 위험이 발생할 수 있습니다.
선행 자본 지출과 단위당 생산 비용 간의 균형은 제조 실행의 재정적 생존 가능성을 결정합니다. 다이 비용과 생산 속도 및 주문량의 균형을 맞춰야 합니다.
냉간 단조에서는 가열되지 않은 금속을 움직이기 위해 극심한 압력이 필요합니다. 이를 위해서는 견고하고 고도로 설계되었으며 매우 값비싼 툴링이 필요합니다. 냉간 단조 금형은 프리미엄 텅스텐 카바이드 또는 고급 고속 공구강으로 가공되는 경우가 많습니다. 그런 다음 이러한 인서트를 거대한 강철 케이싱에 수축 끼워 넣어 단조 사이클의 내부 압력으로 인해 터지는 것을 방지합니다. 5스테이션 냉간압조 다이 세트의 엔지니어링 및 가공 시간은 상당합니다.
열간 단조에는 더 낮은 프레스 톤수가 필요하므로 다이 케이싱의 견고성이 떨어집니다. 열간 단조 금형은 일반적으로 H13 공구강으로 절단됩니다. 그러나 이러한 다이는 심각한 열충격, 고온 마모 및 열 점검을 견뎌야 합니다. 열간 단조 금형은 열 피로로 인해 더 빨리 마모되고 빈번한 용접과 재절단이 필요하지만 초기 가공 및 재료 비용은 일반적으로 냉간 압조에 필요한 특수 초경 공구보다 낮습니다.
열간 단조는 연속로 작동과 관련하여 막대한 에너지 비용을 발생시킵니다. 무거운 강철 빌렛을 단조 온도까지 올리려면 유도 가열기 또는 가스 연소로를 지속적으로 가동해야 합니다. 이는 부품 가격에 포함되어야 하는 상당한 간접비를 나타냅니다. 게다가 뜨겁게 빛나는 강철을 처리하려면 자동 이송 시스템이나 수동 집게가 필요하므로 사이클 시간이 느려집니다.
냉간 단조는 이러한 열 에너지 요구 사항을 제거합니다. 기계는 표준 산업용 전기로 작동하여 주 구동 모터에 전력을 공급합니다. 또한 냉간압조 기계는 빠른 사이클 시간에 작동합니다. 멀티 스테이션 콜드 헤더는 분당 수백 개의 패스너 또는 소형 부품을 생산할 수 있습니다. 이러한 높은 처리량은 규모에 따른 초기 툴링 비용을 신속하게 상쇄하여 연속 고속 생산을 위한 냉간 단조를 매우 효율적으로 만듭니다.
기준 볼륨 권장 사항을 설정하는 것은 조달에 매우 중요합니다. 냉간 단조에는 가파른 초기 툴링 및 설정 비용을 상각하기 위해 높은 생산량(종종 25,000~50,000개를 초과)이 필요합니다. 다중 스테이션 콜드 헤더를 설정하면 운영자가 타이밍과 진행 상황을 조정하는 데 전체 8시간 교대가 소요될 수 있습니다. 이 설정 시간으로 인해 콜드 헤더에서 소규모 배치를 실행하는 것은 재정적으로 불가능합니다.
열간 단조는 훨씬 적은 양으로도 경제적으로 실행 가능합니다. 맞춤형 대형 부품, 중공업 기계 부품 또는 특수 항공우주 부품의 경우 초기 금형 비용이 낮고 설정 시간이 유연하기 때문에 열간 단조가 실용적인 선택입니다. 특히 부품이 거대하고 단단한 블록에서 경제적으로 가공할 수 없는 경우 수백 또는 심지어 수십 개의 장치를 실행하기 위해 열간 단조 프레스 설정을 정당화할 수 있습니다.
각 프로세스의 고유한 결함을 예측하고 엔지니어링하면 비용이 많이 드는 생산 지연과 폐기율을 방지할 수 있습니다. 성공적인 부품을 설계하는 과정에서 실패하는 과정을 알아야 합니다.
열간 단조의 주요 위험은 표면 탈탄과 열 수축으로 인한 치수 변화입니다. 빛나는 빌렛에 스케일이 형성되면 표면 탄소가 고갈되어 부품의 외부 층이 약화될 가능성이 있습니다. 완화에는 엄격한 프로세스 제어가 필요합니다. 산소가 가열된 빌렛에 도달하는 것을 방지하기 위해 질소가 풍부한 용광로와 같이 제어된 대기 가열을 활용합니다.
다이 설계에는 정확한 수축 허용치를 포함해야 하며, 특정 합금이 1,200°C에서 주변 온도까지 냉각될 때 수축되는 정도를 정확히 계산해야 합니다. 빌렛이 다이 캐비티에 들어가기 전에 스케일을 제거하기 위해 프레스 바로 앞에 자동화된 고압 물 스케일 제거 시스템이 설치됩니다. 이렇게 하면 딱딱한 스케일이 부품 표면에 단조되어 표면 마감이 손상되고 후속 가공 도구가 파손되는 것을 방지할 수 있습니다.
냉간 단조는 극한의 압력 하에서 공작물이 다이 표면에 냉간 용접되는 극심한 톤수 및 재료 마손으로 인한 툴링 실패의 위험을 수반합니다. 또한 단일 스테이션에서 변형이 너무 심할 경우 과도한 변형 경화로 인해 부품에 균열이 발생할 위험이 있습니다. 완화는 고급 마찰공학 및 금속공학에 의존합니다.
다이는 고급 PVD(물리 기상 증착) 코팅을 적용하여 마찰을 줄입니다. 반응성 스테아린산염 비누와 결합된 인산아연 코팅과 같은 고성능 윤활 시스템을 원시 와이어 스톡에 적용하여 금속과 다이 사이에 화학적 장벽을 만듭니다. 심한 변형이 필요한 부품의 경우 중간 어닐링 단계를 구현합니다. 부품을 부분적으로 성형하고 어닐링로를 통과시켜 내부 응력을 완화하고 입자 구조를 재설정한 다음 냉간 단조 공정을 완료합니다.
표: 장점과 단점 요약
프로세스 |
장점 |
단점 |
|---|---|---|
열간 단조 |
|
|
냉간 단조 |
|
|
열간 단조와 냉간 단조 사이의 선택은 객관적으로 어느 쪽이 더 낫다는 것이 아닙니다. 이는 공정의 야금학적 현실을 부품의 운영 환경, 기하학적 복잡성 및 생산 규모에 맞춰 조정하는 것입니다. 냉간 단조를 지정하는 것은 2차 열처리 없이 높은 항복 강도가 요구되는 패스너 및 샤프트와 같은 고용량, 엄격한 공차, 대칭 부품에 적합합니다. 반대로, 복잡하고 견고한 부품, 소량 생산 또는 고합금, 저가단성 금속을 사용하는 경우에는 열간 단조를 지정하십시오.
현재 부품 설계를 감사하여 재료 낭비를 제거하기 위해 거의 그물 모양의 냉간 단조로 변환할 수 있는 스톡 바에서 현재 가공되고 있는 부품을 식별하십시오.
귀하의 중장비 부품의 연간 생산량을 평가하십시오. 물량이 25,000개를 초과하는 경우 온간 단조 또는 냉간 단조를 위한 재설계로 2차 마감 비용을 없앨 수 있는지 평가합니다.
공식적인 제조 가능성 검토 및 RFQ를 위해 CAD 모델, 특정 합금 요구 사항 및 하중 지지 사양을 제조 파트너에게 제출하세요.
엔지니어링 도면을 단조 공장에 공개하기 전에 정확한 입자 흐름 요구 사항과 허용 가능한 구배 각도를 지정하십시오.
맞춤형 금속 부품을 찾는 제조업체의 경우, Hangzhou Emax Industrial Co., Ltd는 1993년부터 단조, CNC 가공, 스탬핑, 판금 제조 및 관련 제조 공정을 다루는 역량을 바탕으로 하드웨어 제조 업계에 서비스를 제공해 왔습니다. 농업 기계, 자동차 부품, 건축 하드웨어 및 전력 유틸리티 하드웨어와 같은 응용 분야에 서비스를 제공한 경험을 바탕으로 Emax는 고객이 응용 분야별 구성 요소 요구 사항에 적합한 재료 및 제조 공정을 선택할 수 있도록 지원할 수 있습니다.
A: 주요 차이점은 변형 중 재결정화 지점에 대한 금속의 온도입니다. 열간 단조는 이 열 임계값 이상에서 발생하므로 변형 경화 없이 금속이 연속적으로 어닐링되고 쉽게 유동할 수 있습니다. 냉간 단조는 재결정점보다 훨씬 낮은 실온 또는 그 근처에서 발생하므로 금속을 형성하는 데 엄청난 압력이 필요하고 상당한 가공 경화가 발생합니다.
A: 네, 일반적으로요. 냉간 단조는 심한 가공 경화를 유발합니다. 금속이 실온에서 변형됨에 따라 결정 격자가 왜곡되어 항복 강도와 강성이 크게 증가합니다. 열간 단조로 인해 금속은 부드럽고 어닐링된 상태가 됩니다. 유사한 강도 수준을 달성하려면 열간 단조 부품에 담금질 및 템퍼링과 같은 후속 열처리를 적용해야 합니다.
A: 재결정 온도 이상으로 금속을 가열하면 전성이 크게 증가하고 유동 응력이 크게 감소합니다. 이러한 고도의 소성 상태 덕분에 고체 금속은 전단이나 균열 없이 깊은 리브, 날카로운 모서리 및 복잡한 다이 캐비티 안으로 쉽게 흘러들어갈 수 있습니다. 열간 단조는 거대하거나 고도로 비대칭인 부품에 이상적입니다.
답: 거의 없습니다. 냉간 단조는 종종 거의 순 모양 또는 실제 순 모양 부품을 생성합니다. 공정 중에 열팽창, 수축 또는 스케일링이 없기 때문에 부품은 매우 엄격한 치수 공차와 뛰어난 표면 마감으로 다이에서 나옵니다. 이는 보조 CNC 가공 작업의 필요성을 최소화하거나 완전히 제거합니다.
A: 취성 금속, 고탄소강, 공구강 및 특정 고합금 항공우주 재료는 효과적으로 냉간 단조할 수 없습니다. 이러한 재료는 실온에서 필요한 연성이 부족합니다. 냉간 단조를 시도하면 재료가 부서지거나 심각한 전단 균열이 발생하거나 텅스텐 카바이드 단조 다이의 치명적인 파손이 발생합니다.