공구강의 열처리 · 템퍼 : 금속 열처리의 기초 지식 5

업데이트 날짜 : 2016 년 4 월 22 일 (처음 게시)
저자 :仁平기술사 사무소 소장仁平宣弘

기계의 볼트와 샤프트, 기어 등에 사용되는 기계 구조용 강재의 '담금질'과 '안정된'에 대해 설명했다. 이번에는 공구강의 열처리 및 템퍼를 다룹니다.

공구강 금형과 절삭 공구에 사용되며, 표면 경도 및 내마모성 등의 특성이 공통적으로 요구됩니다. 그 외에도, 냉간 단조 금형은 내 충격성이 무게 절삭 공구 및 다이 캐스팅 금형에는 내열성이 요구됩니다. 이렇게 공구강은 용도에 따라 요구되는 특성이 다르기 때문에 JIS에서는 많은 강종을 규정하고 있습니다 ( 표 1 ). 또한 각 강재 업체는 수많은 브랜드 스틸을 제조 · 판매하고 있습니다.

표 1 : JIS에 의한 공구강의 분류

종류	분류	주요 기호	JIS	비고
탄소 공구강		SK70, SK85, SK105	G 4401 (2009)	11 가지
합금 공구강	절삭 공구 강용	SKS11, SKS21, SKS51	G 4404 (2010)	8 종류
	내충격 공구강 용	SKS4, SKS41, SKS43		4 종류
	냉간 금형용	SKS3, SKD11, SKD12		10 가지
	열간 금형용	SKD4, SKD61, SKT4		10 가지
고속도 공구강	텅스텐 계	SKH2, SKH4, SKH10	G 4403 (2006)	4 종류
	몰리브덴 계	SKH51, SKH57, SKH59		10 가지
	분말 하이스	SKH40		1 종류

1. 탄소 공구강 (SK 재료) 저 합금 공구강 (SKS 재) 담금질 · 템퍼링

표준 탄소 공구강 (SK 재료)는 탄소 이외의 합금 원소가 첨가되어 있지 않고, 담금질 성이 나쁘기 때문에 대형 제품에는 적합하지 않습니다. 저 합금 공구강 (SKS 재) 크롬 Cr을 주로 텅스텐 W, 몰리브덴 Mo 등을 소량 첨가 한 것으로, SK 재료보다 담금질 성 및 내마모성이 우수합니다.

SK 재료와 SKS 재료의 표준 열처리 온도는 800 ~ 850 ℃에서 정상적인 담금질 조직은 마르텐 사이트와 미 고용 탄화물 (구형 시멘타이트 Fe ₃ C). 열처리 온도가 너무 낮 으면 탄화물이 충분히 고용되지 않고 페라이트를 일으 킵니다. 반대로 너무 높으면 탄화물이 고용 과다하게 마르텐 사이트가 조 대화하고 연질의 잔류 오스테 나이트 (γR)를 다량으로 발생합니다 ( 그림 1 ).

그림 1 : 각 온도에서 열처리 한 SKS3의 금속 조직 (SEM 이미지)

SK 재료와 SKS 재료를 고온에서 소결 취소 및 경도가 저하되어 버리기 때문에, 150 ~ 200 ℃에서 구운 되 돌리는 것이 일반적입니다. 이 온도에서 구운 되 돌리면 "ε 탄화물"이 석출 직물 조직은 焼戻 마르텐 사이트로 변화합니다. 이는 열처리시 경도를 거의 유지 한 채로, 충격 값을 크게 향상시킬 수 있습니다.

2. 다이스 강 (SKD 재) 담금질 · 템퍼링

냉간 성형 금형용 다이 철강은 1 % 이상의 탄소 C와 크롬 Cr을 비롯해 텅스텐 W, 몰리브덴 Mo, 바나듐 V 등의 합금 원소를 다량으로 함유하고 있습니다. 대표적인 강종은 SKD11입니다. 약 12 %의 크롬 Cr과 소량의 몰리브덴 Mo 및 바나듐 V를 함유하고 대형 프레스 금형에 자주 이용됩니다. SKD11에 함유 된 주요 탄화물은 크롬 Cr 계 (Cr, Fe) ₇ C ₃ 에서 재료의鍛伸방향으로 불규칙하게 줄 지어 있습니다.

열처리에 따른 조직 변화는 열처리 (표준 열처리 온도 : 1,000 ~ 1,050 ℃)에 의해 탄화물이 고용하고 템퍼에서 미세 탄화물이 석출합니다. 그리고 궁극적으로는 템퍼 마르텐 사이트 원단과 탄화물 (미 고용 탄화물 + 석출 탄화물)의 혼합 조직입니다 ( 그림 2 ).

그림 2 : 담금질 · 템퍼링 한 SKD11의 현미경 조직 (템퍼 마르텐 사이트 + 탄화물)

열처리 온도의 상승에 따라 열처리 경도가 높아집니다. 그러나 최고 담금질 경도를 얻을 수있는 온도를 초과하면 경도는 저하됩니다. 이 경도 저하의 원인은 연질의 잔류 오스테 나이트 (γR)의 증가에 있습니다. 따라서 "서브 제로 (SZ) 처리"를 실시합니다. 서브 제로 처리는 열처리 후 강재를 0 ℃ 이하로 냉각하는 것입니다. 이렇게하면 잔류 오스테 나이트 (γR)가 마르텐 사이트로 변태하여 경도를 회복 할 수 있습니다 ( 그림 3 ). 또한 내마모성의 향상에도 기여합니다.

그림 3 : SKD11 열처리 온도가 열처리 경도에 미치는 영향