공구강이란: 특성과 응용

공구강은 뛰어난 경도, 탁월한 내마모성, 그리고 고온에서도 강도와 절삭성을 유지하는 중요한 능력으로 알려진 특수 강철입니다. 이러한 독특한 특성들은 다른 재료의 성형, 가공, 절삭에 필수적인 재료로 만들어, 수많은 산업 분야에서 다양한 제품 제조에 핵심적인 역할을 합니다.

본질적으로, 공구강은 공구 제작을 위해 특별히 설계된 고품질 합금강입니다. 일반 강철과 달리, 공구강은 산업 작업 중 발생하는 극한의 기계적 응력, 고온, 마모 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 그들의 우수한 성능은 신중하게 제어된 화학 조성과 정밀한 열처리 공정에서 비롯되며, 이들이 함께 까다로운 공구 응용에 필요한 특성을 부여합니다.

"공구강"이라는 용어는 금속의 고속 절삭에서부터 플라스틱의 정밀 성형이나 부품의 중하중 단조에 이르기까지, 다양한 환경에서 우수한 성능을 발휘하도록 조정된 광범위한 합금군을 포함합니다. 가혹한 조건에서도 구조적 완전성과 성능을 유지하는 능력이 이들을 특별하게 만들고 현대 제조업에 필수적인 요소로 만듭니다.

공구강을 정의하는 주요 특성

공구강의 뛰어난 성능은 다양한 산업 응용에서의 효과에 기여하는 독특한 특성의 조합에서 비롯됩니다.

높은 경도

공구강은 매우 높은 경도를 가지도록 설계되었습니다. 이 특성은 다른 재료의 절삭, 성형, 가공에 관련된 엄청난 힘에 대해 압입, 긁힘, 소성 변형에 저항할 수 있게 하므로 매우 중요합니다. 이러한 높은 경도는 탄소 함량의 정밀한 균형과 다양한 합금 원소의 첨가, 그리고 담금질과 뜨임과 같은 특정 열처리 공정을 통해 달성됩니다. 하중 하에서 날카로운 절삭날을 유지하고 변형에 저항하는 능력은 공구로서의 기본적인 기능입니다.

탁월한 내마모성

단순한 경도를 넘어서, 공구강은 우수한 내마모성을 보여줍니다. 이 특성은 다른 표면이나 재료와 접촉할 때 마찰, 마모, 침식으로 인한 재료 손실에 저항하는 능력을 의미합니다. 드릴 비트, 금형, 몰드와 같이 장기간 반복적으로 사용되는 공구의 경우, 내마모성은 치수 정밀도, 표면 품질, 작업 효율성을 유지하고 공구 수명을 연장하며 다운타임을 줄이는 데 매우 중요합니다.

우수한 내열성 (적열경도)

많은 공구강 응용, 특히 고속 절삭이나 열간 가공 공정에서 내열성(일반적으로 "적열경도"라고 함)은 중요한 특성입니다. 이는 강철이 고온(적열될 수 있는)에서도 경도, 강도, 절삭 능력을 유지할 수 있다는 것을 의미합니다. 이 특성이 없다면, 공구는 빠르게 연화되어 효과를 잃고 조기 실패로 이어질 것입니다. 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐과 같은 합금 원소들은 이 중요한 특성을 부여하는 데 특히 효과적입니다.

인성 (충격 저항성)

경도와 내마모성이 중요하지만, 공구는 또한 충격이나 갑작스러운 응력 하에서 취성 파괴를 방지하기 위해 충분한 인성을 가져야 합니다. 인성은 재료가 파괴되기 전에 에너지를 흡수하고 소성 변형할 수 있는 능력입니다. 끌이나 펀치와 같이 충격이나 간헐적인 힘이 관련된 응용에서는 칩핑이나 재앙적 실패를 방지하기 위해 경도와 인성의 균형이 필수적입니다.

가공성 (해당되는 경우)

최종 응용에서의 성능 특성은 아니지만, 가공성은 공구 자체의 제조 과정에서 중요한 특성입니다. 일부 공구강은 열처리 후 최종 특성에 영향을 주지 않고도 더 쉽게 복잡한 형상으로 기계 가공하거나 연삭할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 공구의 비용 효율적인 생산을 보장합니다.

조성: 공구강 성능의 배경이 되는 합금 원소

공구강은 복잡한 합금으로, 주로 철로 구성되어 있지만, 그들의 뛰어난 특성은 주로 다양한 합금 원소의 신중한 포함에 기인합니다. 각 원소는 고유한 이점을 제공합니다:

* 탄소(C): 가장 기본적인 합금 원소로, 열처리를 통한 높은 경도(탄화물 형성) 달성에 필수적입니다. 더 높은 탄소 함량은 일반적으로 더 높은 경도로 이어지지만, 적절히 균형을 이루지 않으면 인성을 감소시킬 수 있습니다.

* 크롬(Cr): 경화능, 내마모성, 인성을 향상시킵니다. 또한 일부 등급에서 내식성에 기여하고 안정적인 탄화물을 형성하여 내마모성을 더욱 향상시킵니다.

* 몰리브덴(Mo): 경화능, 고온 강도, 적열경도를 크게 향상시킵니다. 몰리브덴은 강력한 탄화물을 형성하여 내마모성에 기여하고 뜨임 취성을 방지합니다.

* 바나듐(V): 매우 경한 안정적인 탄화물을 형성하여 고온에서의 내마모성과 결정립 성장에 대한 높은 저항성을 가집니다. 바나듐은 또한 결정립 구조를 미세화하여 인성을 향상시킵니다.

* 텅스텐(W): 강력한 탄화물 형성제로, 특히 고속도강에서 적열경도, 고온 강도, 내마모성을 크게 향상시킵니다.

* 망간(Mn): 경화능을 향상시키고 탈산제로 작용합니다. 또한 강도와 내마모성 향상에 기여합니다.

* 규소(Si): 강도와 탄성을 향상시키고 탈산제로 작용합니다. 또한 뜨임 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

* 코발트(Co): 적열경도와 고온 강도를 향상시키며, 특히 고속도강에서 경도의 큰 손실 없이 더 높은 뜨임 온도를 가능하게 합니다.

이러한 원소들의 정확한 조합과 비율이 각 공구강 등급의 구체적인 분류와 성능 특성을 결정합니다.

공구강의 분류

공구강은 주요 합금 원소, 열처리 반응, 그리고 의도된 용도에 따라 체계적으로 분류됩니다. 이 분류는 엔지니어가 특정 공구 요구사항에 가장 적합한 재료를 선택하는 데 도움을 줍니다.

고속도강 (HSS)

* T형과 M형: 이 강철들은 뛰어난 "적열경도"로 알려져 있으며, 이는 고속 절삭 중 발생하는 매우 높은 온도에서도 절삭날과 경도를 유지할 수 있다는 것을 의미합니다.

* M형 HSS (몰리브덴 고속도강): 상당량의 몰리브덴을 포함하며, 종종 텅스텐, 크롬, 바나듐, 코발트도 포함됩니다. 일반적으로 더 경제적이며 많은 응용에서 T형 HSS를 대체했습니다.

* T형 HSS (텅스텐 고속도강): 높은 텅스텐 함량이 특징이며, 종종 크롬과 바나듐을 포함합니다. 적열경도는 우수하지만 일반적으로 M형보다 비쌉니다.

* 일반적인 용도: 드릴 비트, 밀링 커터, 리머, 탭, 브로치, 그리고 기타 고생산성 가공 작업에 사용되는 절삭 공구.

냉간 공구강

이 강철들은 공구의 작업 온도가 상대적으로 낮은(400°C/750°F 이하) 응용을 위해 설계되었습니다. 우수한 내마모성과 인성을 제공합니다.

* D형 (고탄소-고크롬): 매우 높은 내마모성과 열처리 후의 치수 안정성으로 알려져 있습니다. 공냉 경화성이며 장수명 금형에 자주 사용됩니다.

* 예: D2, D3, D7.

* A형 (중합금 공냉 경화): 공냉 경화로 인해 열처리 중 변형이 최소화되며 내마모성과 인성의 좋은 균형을 제공합니다.

* 예: A2, A6, A8.

* O형 (유냉): 경화를 위해 유냉이 필요하며, 공냉 경화강보다 더 많은 변형이 발생할 수 있지만 일반적인 냉간 작업용으로 좋은 내마모성과 인성을 제공합니다.

* 예: O1, O2, O6.

* 일반적인 용도: 블랭킹 및 성형 금형, 펀치, 전단 날, 코이닝 금형, 마스터 허브, 게이지.

열간 공구강 (H형)

이 강철들은 연화나 변형 없이 고온과 열 사이클을 견딜 수 있도록 특별히 배합되었습니다. 우수한 적열경도, 인성, 열균열 저항성을 가지고 있습니다.

* 예: H13, H11, H21.

* 일반적인 용도: 다이캐스팅 금형, 단조 금형, 압출 공구, 열간 전단 날, 열간 펀치.

충격 저항 강 (S형)

높은 충격 저항성과 인성이 필요한 응용을 위해 설계되었으며, 종종 일부 내마모성을 희생하여 설계됩니다. 파괴 없이 상당한 충격 하중을 흡수할 수 있습니다.

* 예: S1, S2, S5, S7.

* 일반적인 용도: 끌, 펀치, 리벳팅 공구, 해머, 전단 날.

플라스틱 금형강 (P형)

이 강철들은 플라스틱 사출 성형의 특정 요구사항을 위해 설계되었으며, 연마성, 내식성, 그리고 종종 가공의 용이성을 강조합니다.

* 예: P20, P21, 420 (금형에 자주 사용되는 스테인리스강).

* 일반적인 용도: 플라스틱 사출, 압축, 트랜스퍼 성형용 금형.

수냉 공구강 (W형)

이것들은 물에서 급속 냉각 시 높은 경도를 달성하는 일반 탄소 공구강입니다. 일반적으로 가장 저렴한 공구강이지만 담금질 중 변형과 균열이 발생하기 쉽습니다.

* 예: W1, W2.

* 일반적인 용도: 수공구, 목재 절삭 공구, 비용이 주요 고려사항인 저생산성 금형.

특수 용도강

이 카테고리는 주요 분류에 깔끔하게 맞지 않는 고도로 전문화된 응용을 위해 개발된 다양한 다른 공구강을 포함하며, 특정 저합금강이나 고탄소 저합금강 등이 있습니다.

공구강의 일반적인 용도

공구강의 다용도성과 우수한 특성은 수많은 산업에서 필수불가결하게 만듭니다.

절삭 공구

가장 직관적인 응용으로, 공구강은 거의 모든 절삭 작업의 근간입니다. 날카로운 절삭날을 유지하고 고온을 견딜 수 있는 능력은 다음과 같은 용도에 이상적입니다:

* 드릴 비트: 다양한 재료에 구멍을 만들기 위해.

* 톱날: 목재, 금속, 기타 물질을 절단하기 위해.

* 밀링 커터: 밀링 기계에서 재료를 제거하고 공작물을 성형하기 위해.

* 리머, 탭, 다이스: 각각 구멍 마무리, 내부 나사, 외부 나사 절삭용.

* 브로치: 정밀한 내부 형상을 만들기 위해.

성형 금형과 펀치

금속 가공 산업에서, 공구강은 재료를 제거하지 않고 금속을 성형하는 데 중요합니다. 이는 다음을 포함합니다:

* 블랭킹 및 스탬핑 금형: 금속 시트에서 특정 형상을 절단하기 위해.

* 성형 금형: 금속 시트를 구부리고, 드로잉하고, 원하는 형상으로 성형하기 위해.

* 단조 금형: 열간 또는 냉간 단조 공정에서 엄청난 압력 하에 금속 공작물을 성형하기 위해.

* 코이닝 금형: 정교한 세부 사항이 있는 동전이나 메달을 생산하기 위해.

플라스틱 금형

자동차 부품에서 소비재에 이르기까지 거의 모든 플라스틱 제품의 생산은 공구강 금형에 의존합니다. 이러한 금형은 고도로 연마되고, 내구성이 있으며, 반복적인 가열과 냉각 사이클을 견딜 수 있어야 합니다.

* 사출 금형: 용융 플라스틱을 캐비티에 주입하여 복잡한 플라스틱 부품을 만들기 위해.

* 압축 금형: 열경화성 플라스틱과 복합 재료용.

열간 가공 공구

고온에서 금속을 변형시키는 공정의 경우, 우수한 적열경도와 열피로 저항성을 가진 공구강이 필수적입니다.

* 다이캐스팅 금형: 알루미늄, 마그네슘, 아연과 같은 비철금속 주조용.

* 압출 공구: 긴 균일한 단면을 만들기 위해 금속을 다이를 통해 밀어내기 위해.

* 열간 전단 날: 뜨거운 금속을 절단하기 위해.

충격 저항 공구

갑작스럽고 무거운 충격을 받는 공구는 충격 저항 공구강의 인성에 의존합니다.

* 끌: 단단한 재료를 절단하거나 조각하기 위해.

* 펀치: 충격을 통해 구멍이나 압흔을 만들기 위해.

* 리벳팅 공구: 재료를 접합하기 위해 리벳을 변형시키기 위해.

기타 전문 용도

공구강은 다음에서도 발견됩니다:

* 게이지: 정밀 측정 및 검사용.

* 나이프와 블레이드: 산업용 절단 응용.

* 내마모 부품: 높은 마찰이나 마모를 경험하는 부품.

공구강의 제조와 열처리

원료 합금에서 기능적인 공구강 부품까지의 여정에는 열처리가 가장 중요한 단계인 정교한 제조 공정이 포함됩니다.

용해와 합금화

공구강은 일반적으로 화학 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 전기 아크로나 유도로에서 생산됩니다. 불순물을 최소화하고 균질성을 개선하기 위해 고순도 등급에는 진공 용해나 전기슬래그 재용해(ESR) 공정이 사용될 수 있습니다.

단조와 압연

주조 후, 잉곳은 일반적으로 결정립 구조를 미세화하고, 기공률을 제거하고, 기계적 특성을 개선하기 위해 단조나 압연됩니다.

어닐링

이 초기 열처리 공정은 강을 연화시켜 가공을 쉽게 하고 내부 응력을 해소합니다. 특정 온도로 가열하고, 유지하고, 그 다음 천천히 냉각하는 것을 포함합니다.

경화 (담금질)

이것은 원하는 경도를 달성하기 위한 가장 중요한 단계입니다. 강을 높은 오스테나이트화 온도(결정 구조가 변태하는 곳)로 가열한 다음 오일, 공기, 또는 물과 같은 매체에서 급속히 냉각(담금질)합니다. 이 급속 냉각은 철 격자 내에 탄소 원자를 가두어 마르텐사이트라고 하는 매우 경하지만 취성이 있는 구조를 형성합니다.

뜨임

경화 후, 강은 일반적으로 실제 사용하기에는 너무 취성이 있습니다. 뜨임은 경화된(담금질된) 강을 더 낮은 온도(오스테나이트화 온도 이하)로 재가열하고 특정 시간 동안 유지한 다음 냉각하는 것을 포함합니다. 이 공정은 취성을 감소시키고, 인성을 증가시키고, 내부 응력을 해소하면서도 상당한 경도를 유지합니다. 특정 뜨임 온도와 시간은 의도된 용도에 필요한 경도와 인성의 균형을 달성하는 데 중요합니다.

표면 처리

질화, 침탄, 또는 다양한 코팅(예: PVD, CVD)과 같은 추가 표면 처리를 적용하여 공구강의 벌크 특성에 영향을 주지 않고 표면 경도, 내마모성, 또는 윤활성을 향상시킬 수 있습니다.

왜 공구강을 선택해야 하나요?

제조 요구사항에 공구강을 선택하는 것은 효율성, 비용 효율성, 제품 품질에 직접적인 영향을 미치는 중요한 이점을 제공합니다:

* 연장된 공구 수명: 우수한 경도와 내마모성은 공구가 더 오래 지속됨을 의미하며, 교체 빈도와 관련 다운타임을 줄입니다.

* 고성능: 극한 조건을 견딜 수 있어 더 빠른 가공 속도, 더 깊은 절삭, 더 적극적인 성형 작업이 가능합니다.

* 치수 안정성: 많은 등급이 열처리와 서비스 중에 우수한 치수 안정성을 제공하여 정밀하고 일관된 부품 생산을 보장합니다.

* 다용도성: 광범위한 분류와 특성으로, 정밀한 플라스틱 금형에서 중하중 단조 금형에 이르기까지 거의 모든 까다로운 응용에 적합한 공구강이 있습니다.

* 향상된 제품 품질: 형상과 날카로움을 유지하는 공구는 더 나은 표면 마무리와 더 엄격한 공차를 가진 부품을 생산합니다.

* 장기적인 비용 효율성: 초기 비용이 일반 강철보다 높을 수 있지만, 연장된 수명, 감소된 다운타임, 향상된 제품 품질은 종종 장기적으로 상당한 절감으로 이어집니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1: 공구강과 스테인리스강의 주요 차이점은 무엇인가요?

A1: 주요 차이점은 그들의 의도된 목적과 핵심 특성에 있습니다. 공구강은 경도, 내마모성, 고온에서 특성을 유지하는 능력에 최적화되어 절삭, 성형, 가공에 이상적입니다. 반면에 스테인리스강은 주로 내식성으로 특징지어지며, 이는 최소 10.5%의 크롬 함량으로 달성됩니다. 일부 공구강(420 스테인리스와 같은)이 내식성을 제공할 수 있지만, 이는 스테인리스강에서처럼 정의적인 특징이 아닙니다.

Q2: 공구강은 용접할 수 있나요?

A2: 네, 공구강은 용접할 수 있지만, 높은 탄소 함량과 합금 원소의 존재로 인해 용접 중 균열이 발생하기 쉽기 때문에 특별한 절차가 필요합니다. 적절한 예열, 패스간 온도 제어, 용접 후 열처리(천천히 냉각이나 뜨임과 같은)는 용접의 완전성을 보장하고 공구강의 원하는 특성을 유지하는 데 중요합니다. 구체적인 용접 절차는 공구강의 유형에 크게 의존합니다.

Q3: 공구강은 어떻 에서 플라스틱의 정밀 성형, 부품의 중하중 단조에 이르기까지 다양한 환경에 맞춰 조정된 광범위한 합금군을 포함합니다. 가혹한 조건에서도 구조적 무결성과 성능을 유지하는 능력이 이들을 특별하게 만들며, 현대 제조업의 핵심 요소로 만듭니다.

공구강의 핵심 특성 정의

공구강의 뛰어난 성능은 각각이 특정 응용 분야에서 중요한 역할을 하는 독특한 특성의 조합에 기인합니다:

1. 경도

경도는 공구강의 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 이는 재료가 변형이나 압입에 저항하는 능력을 나타냅니다. 공구강은 일반적으로 HRC 58-68의 높은 경도를 달성할 수 있으며, 이는 절삭 도구와 금형에 필수적입니다.

2. 내마모성

내마모성은 재료가 마찰, 마모, 침식에 저항하는 능력입니다. 공구강의 높은 내마모성은 도구의 수명을 연장하고 유지보수 요구사항을 줄입니다.

3. 인성

인성은 재료가 파괴되기 전에 변형을 흡수할 수 있는 능력입니다. 적절한 인성은 갑작스러운 충격이나 응력을 견디는 데 중요합니다.

4. 내열성

내열성은 고온에서 강도와 경도를 유지하는 능력입니다. 이는 고속 절삭 및 열간 작업 응용에서 특히 중요합니다.

5. 치수 안정성

치수 안정성은 열처리 및 사용 중 치수 변화에 대한 저항을 나타냅니다. 이는 정밀 공구 및 금형 제작에 필수적입니다.

공구강의 일반적인 실패 모드

공구강 부품의 수명을 최적화하기 위해서는 잠재적인 실패 모드를 이해하는 것이 중요합니다:

* 파괴: 과도한 응력이나 충격으로 인한 취성 또는 연성 파괴

* 소성 변형: 재료의 항복 강도를 초과하는 응력으로 인한 영구적인 형상 변화

* 피로: 균열의 시작과 전파로 이어지는 반복적인 주기 하중으로 인한 실패

* 열균열/열피로: 열간 작업 응용에서 일반적인 반복적인 가열 및 냉각 주기로 인한 균열

* 부식: 환경과의 화학적 또는 전기화학적 반응으로 인한 열화. 부식성 물질에 특별히 노출되지 않는 한 대부분의 공구강 응용에서는 덜 일반적

공구강의 주요 응용 분야

공구강의 다양한 특성은 광범위한 산업 응용을 가능하게 합니다:

1. 절삭 공구

* 드릴

* 엔드밀

* 리머

* 탭

* 브로치

2. 금형 및 다이스

* 사출 성형 금형

* 단조 다이스

* 압출 다이스

* 드로잉 다이스

* 스탬핑 다이스

3. 측정 및 검사 도구

* 게이지

* 캘리퍼스

* 마이크로미터

4. 기타 산업용 부품

* 롤러

* 베어링

* 밸브 부품

* 펀치

* 전단 날

결론

공구강은 현대 제조업에서 필수불가결한 재료입니다. 그들의 독특한 특성 조합은 다양한 산업 응용에서 뛰어난 성능을 제공합니다. 그러나 최적의 결과를 얻기 위해서는 특정 응용에 적합한 공구강 등급을 선택하고 적절한 열처리를 수행하는 것이 중요합니다. 공구강의 특성과 실패 모드를 이해함으로써, 엔지니어와 제조업체는 더 효과적인 공구와 부품을 설계하고 생산할 수 있습니다.