열처리에 대한 기본적인 문서

1.냉간 금형 공구강
냉간공구강은 주로 상온 부근에서 사용되는 금형공구강으로서 SKD계통과 고속도 공구강 SKH계통이 제일 보편화되어 있다.

(1)SKD-11계

SKD-11(KS STD-11)은 고합금금형강으로 C 1.5 – Cr 12 – Mo 1.0 – V 0.4 합금으로 내마모성과 인성을 갖추어 제일 많이 사용되는 공구강이다. 대형물도 공냉으로 쉽게 경화되어 소입성이 좋고 열처리 변형이 적으므로 정밀 금형에 적합하다. 통상 내 마모성만을 생각해 저온(180℃)Tempering만 고집 하지만 내 충격성(인성)이 요구되는 타발금형에는 2차경화가 일어나는 고온(500℃)Tempering을 추천한다.
또한 고합금 공구강에서 잔류AUSTENITE가 많은 것은 시효변형 등의 결함이 올 수 있으므로, 정밀 금형에는 심냉처리(SUB-ZERO. -80℃ ~ -160℃)를 해 주면 좋다. 대표적인 HEAT-CYCLE은 아래와같다.

(2)SKH계 고속도 공구강

대표적인 냉간 고속도 공구강인 SKH-51(구 SKH-9)는 내 마모성 뿐아니라 인성이 풍부하여 냉간 PRESS금형 부품,냉간단조공구, 압출 및 DRAWING공구 등 절삭 공구에 사용되고 있다.
냉각능을 위해 Salt Bath로 처리하여 Salt Quenhing이나 유냉이 좋으나 공해문제로 인해 최근에는 냉각 압력을 조절 할 수 있는 진공로에서도 많이 처리하고 있다.
이 강종 역시 고합금 공구강으로 2차 경화가 일어나며 Tempering은 무조건 고온(550℃~580℃)에서 처리하되 용도에 따라 소입온도를 조정 할 수 있다.(인성을 요구할 경우 1100℃~1150℃의 Under Hardening)
필히 예열을 3단계이상으로 해 주어야 한다.

SKD와 마찬가지로 잔류 AUSTENITE를 최소화 하기 위해 SUB-ZERO처리를 해 주면 좋고 Tempering은 반드시 3회~5회 실시한다.

※분말 고속도 공구강
최근에는 제조 공법을 미세한 분말(powder)로 만든 분말 하이스가 선진국에서 수입되어 많이 사용되고 있다. 현재분말하이스를 수입하여 진공열처리하는 강종으로 ASP23&30, HAP-40, CPM-10V, VANADIS-4&10, STAVAX, HPM38 등이 수입되고 있다.
이러한 분말공법의 고속도 공구강은 입자가 균일 분포 되어 가공성이 우수하고 인성과 내 마모성, 열처리 후 칫수 변화 등이 적다.

2. 열간 금형 공구강
열간 금형 공구강의 대표적인 것으로 SKD61(STD-61)이 가장 많이 사용되나 고온에서 사용되므로 최근 합금원소의 첨가로 열간 공구강의 종류가 다양해지고 있다.
전반적으로 열강 공구강이 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.
1>고온 강도가 우수할것
2>인성이 클것
3>내 HEAT-CHECK(가열, 냉각이 반복되는 STRESS성 미세균열)성이 우수할 것
4>높은 내 연화 저항성과 내 마모성을 가질 것 등이다.

(1)SKD-61(STD-61)

주로 열간 압출(알루미늄, 동합금) 및 다이케스팅 금형, 열간 단조 용도로 쓰이고 있으나 냉간에 비해 고온 작업이므로 공구금형의 소모가 많고 수명에도 한계가 있다. 이 강종 역시 열처리에 따라 수명이 많이 좌우 된다.
2차 경화도 앞서 SKD-11,SKH-9와 마찬가지로 일어나며 열간에서 사용되는 공구강이므로 당연히 고온 Tempering이 되어야 연화가 덜 발생한다. 잔류, AUSTENITE도 문제가 되고 특히, DIE CASTING,열간 단조 용도에서는 소입시 냉각속도가 문제가 되므로 유냉하면 좋지만 금형이므로 변형등을 감안하여 대부분 공냉한다.
공냉이라도 강제 공냉 방식의 급냉일수록 잔류 AUSTENITE도 줄고 열간 강도, 내 마모성이 좋다. 특히 Tempering도 중요하며 충분한 시간, 충분한 회수 일수록 수명이 향상 됨은 물론이다. 공구사용온도가 Tempering온도 이상인 동 합금의 압출, 단조 등에는 특히 연화 현상이 심하다. 연화저항을 높이기 위해선 w(텅스텐)계를 사용하면 효과가 있다. ( SKD61

(2)내열공구강

inconell, A286 등 (초)내열강 중 강제공냉으로도 강도가 보장되는 석출(시효)경화형 강들도 가혹한 조건의 열간 공구강으로도 많이 사용되고 있다( 동 압출 공구, 금형, 원자력, 항공기 부품 등)

3. 스테인레스계 공구 금형강
열처리에 의해 경화가 가능한 것으로 Martensite계와 석출 경화계 Stainless Steel이 많이 쓰이고 있다.
특수용도로 내 식성을 겸비한 공구 금형재료로 사용되고 Knife, 원자력부품, 항공기, 합성 수지용 등으로 사용되고 있다.

4.기타 진공로 열처리
1)Be-Cu(베릴륨 동 합금) : 정밀 도전 용수철 재료, 금형 등
2)Ferro-Tic : 티타늄 카바이드(Tic)와 Steel의 복합재료(소결품)
3)각종 분말합금(냉간 및 열간 금형강)
4)각종 Brazing
5)각종 초 내열강
6)표면 청정도를 요하는 비철금속 재료의 소둔(Connector재료 등)

4. 잔류 AUSTENITE 최소화를 위한 열처리

1.잔류 AUSTENITE(Retained Austenite)
강을 소입하면 Austenite가 Martensite로 변태하게 되는데 Martensite로 변태되지 못하고 남은 Austenite강을줄이거나 없애는게 고합금 공구강 열처리의 중요한 기술이다.
잔류 Austenite가 많으면 미처 변태 되지 못한 조직이 상온에서 아주 서서히 사용중 Martensite로 변태되어 체적팽창의 원인이 되어 칫수변화, CRACK 등이 생기고 내마모성,인성, 등을 저하시킨다.
특히 반도체 같은 정밀 금형,Gage 강 등은 열처리 후 미크론 칫수로 정밀가공 완료 한 후 시간이 경과 할수록 변태되어 칫수 변화가 생기므로 주의를 요한다.

*이러한 잔류 Austenite를 줄이는 방법은
1)소입냉각속도가 빠를 것( 공냉<유냉<수냉 )
2)Tempering 온도가 높을수록
3)Tempering 회수가 많을수록 감소한다.

통상 진공열처리 강종은 일종의 공냉강이므로 잔류 Austenite가 소입시 약 20% 내외 준재한다. 이것을 인공적으로 제거하는 가장 바람직한 방법이 심냉(SUB-zero)처리이다.

2.SUB-ZERO(심냉처리)

진공로에서 냉각된 후 제품을 인공적으로 다시 극저온(-80℃~-160℃)에 넣어 냉각속도 부족을 인공적으로 보완케 해 주는 처리이다.
통상 드라이아이스나 액체질소 등에 넣어 처리하나 지나친 급냉으로 인한 Stress가 간혹 CRACK의 위험이 있으므로 당사에서는 전용 SUB-ZERO장비를 도입 예냉(-30℃~-50℃)을 거쳐 -160℃까지 처리 할 수 있는설비가 있어 특히 반도체 금형 등 정밀금형이나 성능향상을 위한 용도에 적용하고 있다.
SUB-ZERO처리를 하면 경도가 약 HRC 1도 정도 상승효과도 있다.