공구강: 분류, 특성 및 용도

공구강이란 무엇이며, 무엇이 아닌가

공구강은 하나의 화학적 조성식이나 보편적인 품질 서열상의 위치가 아니라, 사용 중 수행해야 하는 기능에 따라 정의된다. ASM International은 공구강을 “제조된 부품을 절삭, 성형 또는 형상화하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강”으로 설명한다(ASM International, 2024). 이 정의에는 절삭 공구, 펀치, 금형, 몰드, 성형 공구, 지그 및 고정구, 게이지, 그 밖의 여러 공구류가 포함된다. 이러한 공구류의 작업 표면은 접촉, 압력, 마찰, 충격 또는 열에 노출되는 동안 제어된 형상을 유지해야 한다.

따라서 공구라는 말은 기능을 설명한다. 어떤 강이 까다로운 공구 용도에 사용되는 맥락에서는 공구강이 되며, 일부 강종은 화학적 또는 야금학적으로 다른 용도에 사용되는 강과 겹칠 수 있다. 일반적으로 W, L, S, O, A, D, H, M, T로 식별되는 AISI 계열은 각각 수경성강, 저합금강, 내충격강, 유경성강, 공랭경화강, 고탄소 고크롬강, 열간 가공용강, 몰리브덴계 고속도강, 텅스텐계 고속도강을 포괄한다. ASM International은 2020년 공구강 관련 자료에서 이 아홉 가지 계열을 제시한다. 이 문자들은 성능 순위에서 연속적으로 배열된 등급을 의미하지 않는다. 일반적으로 이 문자들은 담금질 방법, 주요 적용 분야 또는 지배적인 합금 원소 체계를 나타낸다.

어떤 공구강 계열도 모든 용도에서 자동으로 우수한 것은 아니다. Strong evidence

예를 들어 AISI O1, AISI A2, AISI D2, AISI H13을 비교할 때 이러한 구분은 중요하다. O1은 유경화 냉간 가공용 강이고, A2는 공랭경화 냉간 가공용 강이다. D2는 크롬과 탄소를 상당히 많이 함유하여 내마모성이 높은 탄화물 풍부 조직을 형성한다. H13은 열간 가공용강으로, 열 사이클 중에도 유용한 경도와 인성을 유지하도록 설계된다. 어느 강종도 자동으로 우수한 것은 아니다. 충격을 받아 치핑이 발생하는 펀치는 연마성 판재를 절단하다가 마모되는 블랭킹 금형과는 다른 균형이 필요할 수 있으며, 두 공구 모두 냉간 가공용 공구로 불리더라도 마찬가지이다.

ASM의 기능적 정의

범용 기계 구조용 강은 일반적으로 구조적 강도, 연성, 용접성, 내식성, 피로 성능 또는 제작 비용을 기준으로 선정된다. 구조용 강 부품은 항복하지 않고 하중을 지지해야 할 수 있다. 반면 공구는 이러한 하중을 지지하면서 날카로운 모서리, 캐비티, 절삭 간극, 윤곽 또는 보정된 치수를 유지해야 하는 경우가 많다. 공구는 연마 마모, 응착 마모, 소성 변형, 전체 파괴, 날 치핑, 열 피로, 부식 또는 치수 정확도 상실로 파손될 수 있다.

이러한 파손 형태는 서로 상충하는 요구 조건을 만든다. 경도를 높이면 압입과 연마 마모에 대한 저항성이 향상되는 경우가 많지만, 경도가 지나치게 높으면 충격이나 균열 전파에 대한 저항성이 감소할 수 있다. 크롬 탄화물, 바나듐 탄화물, 몰리브덴 탄화물, 텅스텐 탄화물과 같은 탄화물은 내마모성을 높일 수 있지만, 크기가 크거나 군집을 이루거나 분포가 불량한 탄화물은 균열 발생 지점으로 작용할 수 있다. 합금 원소는 경화능, 상변태, 뜨임 응답, 고온 경도 및 열처리 중 치수 변화도 변화시킨다. 탄소는 마르텐사이트 경도와 탄화물 형성을 뒷받침하고, 크롬·몰리브덴·텅스텐·바나듐은 탄화물 분포와 고온 거동을 변화시키며, 니켈과 망간은 경화능과 인성에 영향을 줄 수 있다.

재료 등급재료 등급 공구 수명을 좌우하는 모든 미세조직 또는 가공 특성을 규정하지 않는, 관리된 조성과 제품 범주.

제조 공정도 또 하나의 변수가 된다. 단조, 압연, 분말 야금, 재용해 공정 및 이후의 기계 가공은 편석, 탄화물 크기, 탄화물 배열, 기공, 개재물 및 잔류 응력에 영향을 준다. 따라서 동일한 지정 기호를 가진 두 제품이라도 청정도, 미세조직, 제품 크기 또는 가공 이력이 다르면 서로 다르게 반응할 수 있다. 지정 기호는 관리되는 재료 등급을 식별할 뿐, 공구 수명을 좌우하는 모든 특성을 나타내지는 않는다.

이후 열처리는 그러한 잠재력이 실제 성능으로 얼마나 발휘될지를 결정한다. 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 냉각 속도, 규정된 경우의 극저온 처리, 뜨임 온도 및 뜨임 사이클 횟수는 잔류 오스테나이트, 마르텐사이트, 탄화물 석출, 경도, 인성 및 치수 안정성에 영향을 준다. Coatings에 보고된 2020년 연구는 조사한 피복 시스템에서 공구 코어 성능을 지배하는 주요 요인으로 열처리 매개변수를 확인했다. 그렇다고 모든 설계에서 조성이나 제조가 부차적이라는 뜻은 아니다. 조성과 제조는 열처리가 관리해야 하는 미세조직의 가능한 범위와 결함 집단을 결정한다.

실무적 의미는 분명하다. 강종 선정은 지배적인 파손 형태에서 시작한다. 수동 절삭 공구는 날 유지성과 합리적인 인성을 우선할 수 있다. 냉간 압조용 공구는 압축 변형과 치핑에 대한 저항성이 필요할 수 있다. 탭이나 리머에는 경도, 절삭 날 안정성, 가공성 및 치수 제어가 함께 요구된다. 엠보싱 공구, 금형, 펀치, 식기류, 성형 공구 및 고온용 공구는 각각 하중, 미끄럼, 충격 및 온도가 서로 다른 조합으로 작용한다. NBS Monograph 88은 이러한 구분의 역사적 용어와 기초 야금에 관한 유용한 연방 기술 참고자료로 여전히 활용될 수 있다.

공구강과 범용 기계 구조용 강의 차이

공구강은 단순히 “더 강한 강”이 아니며, 경도만으로 정의되지도 않는다. 범용 합금강은 축, 기어 또는 체결부품에 충분한 강도를 제공할 수 있지만, 절삭 날이나 금형 표면으로 사용하면 빠르게 파손될 수 있다. 반대로 내마모성이 매우 높은 공구강은 내충격강이나 인성이 더 높은 기계 구조용 강이라면 견딜 수 있는 상황에서 파괴될 수 있다. 제조 가능성도 계산에 포함되어야 한다. 톱 절단, 연삭, 기계 가공, 와이어 절단, 용접 또는 열처리가 어려운 재료는 사용 단계에 도달하기 전부터 파손 위험과 공정 부담을 초래할 수 있다.

Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 통해 강종의 거동을 다룬다. 이러한 체계가 AISI 문자를 단순한 순위로 취급하는 것보다 정확하다. Uddeholm의 2024년 냉간 가공용 지침은 용도 원리에 대해, 해당 작업에 맞는 강을 선택하면서 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다고 설명한다. 여기서 이는 수명주기 성능을 의미한다. 관련 지표에는 초기 재료 사양뿐 아니라 공구 교체, 재연마, 가동 중단, 불량 부품 및 조기 파괴도 포함된다.

ASTM A681에 따른 압연·단조 제품 형태의 역할

ASTM A681은 가공된 합금 공구강 제품에 대한 표준 체계를 제공한다. ASTM International은 2024년 적용 범위에서 “ASTM A681은 가공된 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구 사항을 다룬다”고 명시한다. 적용 대상 형태에는 일반적으로 공구, 금형 또는 지그로 제작되는 봉, 판, 박판, 스트립, 봉강, 선재 및 단조품이 포함된다.

이 적용 범위는 중요하지만 제한적이다. ASTM A681은 공급되는 가공 제품에 대한 요구 사항을 정하지만, 그 자체로 AISI D2와 AISI A2 중 어느 강종을 선택할지 결정하거나, 펀치 설계를 규정하거나, 마모·치핑·열 균열 또는 변형 중 어느 것이 지배적인 파손 형태인지 식별하지는 않는다. 사용자는 여전히 사용 조건에 적합한 강종, 제품 형태, 크기, 상태, 열처리, 표면 마감 및 검사·수용 요구 사항을 지정해야 한다.

봉, 판 또는 단조품의 지정 기호가 방향성 미세조직이나 단면 크기의 영향을 없애 주는 것도 아니다. 탄화물의 방향, 편석, 개재물 및 냉각 속도는 연삭 응답, 인성 및 균열 성장에 영향을 줄 수 있다. 완성된 공구는 의도한 형상을 유지하기 위해 응력 제거, 경화 전 황삭 가공, 제어된 열처리 및 최종 연삭이 필요할 수 있다. ASTM A681은 재료의 체계를 정의하며, 공학적 판단은 그 체계를 공구의 실제 작업 조건과 연결한다.

AISI 공구강 지정 체계의 구성

공구강 지정은 열등한 등급에서 우수한 등급으로 이어지는 서열이 아니라 분류 표지이다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭하거나 성형 또는 가공하는 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 정의한다. 이러한 광범위한 용도 안에서 AISI 체계는 각 강의 거동을 처음으로 구별했던 특징, 즉 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금 체계에 따라 강을 분류한다. ASM의 공구강은 W, L, S, O, A, D, H, M, T라는 9개의 주요 계열을 제시한다(ASM International, 2020).

따라서 문자는 판단의 출발점이 되는 가설을 제공할 뿐이다. 문자만으로 사용 수명을 예측할 수는 없다. 탄소 함량, 합금 탄화물, 청정도, 편석, 분말 제조 또는 잉곳 제조 경로, 단조, 열처리, 표면 상태, 그리고 공구의 실제 파손 양상이 모두 결과에 영향을 미친다. 충격으로 파괴되는 펀치는 냉간가공 공구라는 점이 같더라도 마모로 수명이 끝나는 금형과는 다른 균형이 필요하다. ASTM A681은 단조 합금 공구강 제품에 대한 표준 체계를 제공하며, 일반적으로 공구·금형·치구로 제작되는 봉, 후판, 박판, 스트립, 봉재, 와이어 및 단조품의 화학적·기계적·물리적 요구사항을 다룬다(ASTM International, 2024).

W, L, S 계열

W 계열은 수경성 공구강을 의미한다. 이 지정은 전통적인 담금질 매체를 반영하는 것이며, 모든 현대적 열처리 절차에서 모든 W 등급을 반드시 물에 담금질해야 한다는 의미는 아니다. 이 강들은 일반적으로 탄소 공구강이며, 이후에 개발된 여러 공구강 계열에 비해 합금 첨가량이 제한적이다. 대표적인 지정은 W1이다. 비교적 단순한 화학 조성은 적절한 처리 후 경질 마르텐사이트 작업 표면을 형성할 수 있지만, 동일한 낮은 경화능으로 인해 대형 단면에서는 경화 깊이와 경화 균일성이 제한된다.

이러한 상충 관계 때문에 W강은 단면이 작아 빠르게 냉각될 수 있는 수동 절삭 공구, 단순 펀치, 끌, 칼 및 유사 공구에 역사적으로 사용되었다. 또한 수냉은 상당한 열응력과 변형 위험을 초래한다. 계열 명칭은 의도된 경화 방법을 설명할 뿐이며, 단면 크기와 제조 공정을 고려하지 않고 인성, 치수 안정성 또는 내마모성을 보장하지 않는다.

L 계열은 저합금 공구강을 의미한다. 이 계열의 등급은 크롬, 니켈, 몰리브덴 또는 바나듐과 같은 원소를 적당량 첨가하여 고합금 냉간가공강이나 고속도강의 조성 영역으로 넘어가지 않으면서 경화능, 강도, 마모 거동 또는 치수 안정성을 향상시킨다. L6는 널리 알려진 지정이다. 니켈을 함유한 조성은 인성을 중시하는 설계와 관련되지만, 그렇다고 모든 L 등급이 충격 사용에 적합하거나 저합금강이 사용되는 모든 용도에 적합한 것은 아니다.

S 계열은 내충격 공구강을 의미한다. 이 계열에서 규정하는 핵심 사용 요건은 달성 가능한 최대 내마모성이 아니라 반복 충격, 급격한 하중 및 치핑에 대한 저항성이다. S7은 대표적인 등급이며, S1과 S5도 같은 넓은 계열에 속하지만 조성이나 열처리 반응이 동일하지는 않다. 내충격성은 탄소 수준, 합금 균형, 결정립 크기, 잔류 오스테나이트, 뜨임 및 결함 분포에 좌우된다. 따라서 내충격 지정은 경도와 인성 사이에서 의도한 절충점을 보여 주는 단서일 뿐, 파손을 방지한다는 보장은 아니다.

O, A, D 계열

O 계열은 유냉 경화 공구강을 의미한다. 이 등급들은 일반 탄소 W강보다 완만하게 경화될 수 있을 만큼 합금 원소를 함유하므로, 전통적인 분류에서 물 대신 기름을 사용할 수 있다. O1이 일반적으로 언급되는 예이다. 유냉은 수냉에 비해 변형과 담금질 균열을 줄일 수 있지만, 정밀 금형, 펀치, 탭, 리머 및 소형 성형 공구에서는 치수 변화가 여전히 중대한 문제이다. O라는 표지는 해당 등급이 역사적으로 어떤 방식으로 경화될 것으로 예상되었는지를 나타낼 뿐이며, A 또는 D 등급보다 내마모성이 높다는 의미는 아니다.

A 계열은 공랭 경화 공구강을 의미한다. 합금 함량이 경화능을 충분히 높이므로 공구가 공기 중에서 또는 제어된 가스 냉각으로 경화될 수 있으며, 물이나 기름에 의한 심한 열충격을 줄일 수 있다. A2는 널리 알려진 공랭 경화 냉간가공 등급이다. 이러한 강은 금형, 펀치, 엠보싱 공구 또는 성형 공구에서 내마모성, 인성 및 치수 안정성의 조합이 필요할 때 선택된다. 낮은 냉각 강도는 변형을 줄일 수 있지만, 잔류 오스테나이트, 탄화물 분포, 연삭 손상 및 뜨임 조건이 완성 공구를 여전히 좌우한다.

D 계열은 고탄소·고크롬 공구강을 의미한다. D2가 대표적인 지정이다. 탄소와 크롬 함량은 경질의 크롬이 풍부한 탄화물을 상당량 형성하게 하며, 이 때문에 이 계열은 내마모성과 냉간가공 용도와 관련된다. 이러한 탄화물은 인성, 기계가공성, 연삭 거동 및 균열 민감성에도 영향을 미친다. 크기가 크거나 분포가 불균일한 탄화물은 균열 발생 지점이 될 수 있으며, D라는 지정만으로는 제조 경로에 의해 형성된 탄화물의 크기나 방향성을 알 수 없다.

따라서 D강은 금형, 펀치, 전단날 및 성형 공구와 같은 장기간의 냉간가공 작업에 사용되지만, 올바른 선택은 마모, 날 치핑, 대규모 파괴, 소착 또는 치수 변화 중 무엇이 먼저 공구 수명을 끝내는지에 따라 달라진다. 높은 탄소와 높은 크롬은 조성상의 사실일 뿐, 저합금 O 또는 A 계열보다 보편적으로 우수하다는 순위를 의미하지 않는다.

H, M, T 계열

H 계열은 열간가공 공구강을 의미한다. 이 등급들은 다이캐스팅, 열간단조, 압출 및 열간성형과 같이 작업 중 높은 온도에 노출되는 공구를 대상으로 한다. 이 계열은 지배적인 합금 체계에 따라 크롬 열간가공강, 텅스텐 열간가공강 및 몰리브덴 열간가공강 등으로 세분된다. H13은 자주 기준점으로 사용되는 크롬 열간가공강 지정이다. H 계열 등급은 반복적인 가열과 냉각 중에도 강도를 유지하고, 열피로에 견디며, 연화를 억제해야 한다. 이러한 요구사항은 냉간가공에서의 내마모성과 다르므로, 상온에서 더 단단한 공구가 자동으로 더 우수한 열간가공 공구가 되는 것은 아니다.

M 계열은 몰리브덴계 고속도 공구강을 의미한다. M2가 대표적인 등급이다. 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 크롬 및 탄소가 고합금 체계를 형성하여 가공 중 발생하는 온도에서도 절삭 경도를 유지할 수 있다. 이 분류는 고속도강 계열의 합금 설계 기반을 반영하지만, 최종 절삭 거동은 오스테나이트화, 담금질, 다단 뜨임, 탄화물 분포, 날 준비 상태 및 적용 가능한 코팅에 따라 달라진다.

T 계열은 텅스텐계 고속도 공구강을 의미한다. T1이 고전적인 대표 지정이다. 텅스텐이 풍부한 고속도강 조성은 열이 발생하는 상황에서도 경도를 유지해야 하는 절삭 공구를 위해 역사적으로 개발되었다. T 등급에 포함된 탄화물은 고온 경도, 내마모성, 연삭성 및 인성에 영향을 미친다. M과 T는 서로 대립하는 품질 등급이 아니다. 이들은 고속도 공구강 내에서 서로 다른 합금 설계 경로이며, 적절한 경로는 절삭 온도, 단속 절삭, 날 하중, 형상 및 열처리에 따라 결정된다.

이러한 공정과의 연계가 결정적이다. Coatings에 게재된 2020년 연구는 열처리 매개변수가 공구 코어 성능을 좌우하는 일차적 요인이라고 밝혔다. 한편 조성과 제조 경로는 형성 가능한 탄화물 구조와 결함 분포를 결정한다. Routledge의 공구강: 특성과 성능 역시 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 통해 성능을 다룬다(Mesquita, 2021). NBS Monograph 88은 강의 야금과 역사적 용어에 관한 이전의 연방 참고 자료를 제공한다.

따라서 선정은 먼저 파손 양상과 사용 조건에서 시작한 다음, AISI 문자를 후보 조성을 탐색하는 지도로 활용해야 한다. Uddeholm은 냉간가공 공구 설계의 목표를 명확히 제시한다. 즉, 공구강을 적용 분야에 맞추고 생산 부품당 비용을 최소화하는 것이다. 실무적으로는 문자 자체보다 수명주기 성능이 더 중요하다. AISI 분류는 선택지를 체계화할 뿐이며, 공학적 결정을 대신하지 않는다.

공구강 성능을 좌우하는 야금학적 변수

공구강은 경도만이 아니라 사용 조건에 의해 정의된다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭하거나 성형 또는 가공하는 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 설명한다. 이 정의에는 매우 다양한 요구사항이 포함된다. 펀치는 충격과 날의 붕괴에 견뎌야 할 수 있는 반면, 절삭 공구는 마찰과 열이 발생하는 조건에서 날카로운 날을 유지해야 한다. 단조 합금 공구강 제품에 적용되는 관련 표준 체계인 ASTM A681은 일반적으로 공구·금형·치구로 제작되는 봉, 후판, 박판, 스트립, 봉재, 와이어 및 단조품의 화학적·기계적·물리적 요구사항을 다룬다. 지정만으로 성능을 예측할 수는 없다.

W, L, S, O, A, D, H, M, T와 같은 AISI 계열은 광범위한 합금 및 공정 개념을 나타낸다. Maricopa Community Colleges의 야금학 교재가 설명하듯, 이 문자는 일반적으로 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금 체계를 나타낸다. W1은 수경화, O1은 유냉 경화, A2는 공랭 경화, D2는 고탄소·고크롬 조성, H13은 열간가공 용도, M2는 몰리브덴계 고속도강, T1은 텅스텐계 고속도강과 관련된다. 이러한 표지는 출발점을 설정한다. 실제 작업 조직은 용해 방식, 단조 또는 분말 공정, 오스테나이트화, 담금질, 뜨임, 표면 상태 및 구체적인 파손 양상에 따라 달라진다.

탄소, 합금 원소 및 경화능

탄소는 철을 강화하는 격자간 원자를 제공하며, 담금질 과정에서 오스테나이트가 경질 마르텐사이트로 변태하도록 한다. 일반적으로 탄소 함량이 높아지면 마르텐사이트의 탄소 함량이 증가하고 담금질 직후의 경도가 높아지지만, 동일한 첨가는 탄화물 형성을 증가시키고 연성을 감소시키며 모서리나 코너가 충격을 견디는 능력을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 탄소는 합금 탄화물이 형성된 후 기지에 잔류하는 탄소의 양도 변화시킨다. 따라서 명목 탄소 함량만으로는 최종 마르텐사이트의 탄소 함량을 나타낼 수 없다.

경화능은 경도와 다르다. 경화능은 특정 냉각 조건에서 강이 어느 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는지를 나타낸다. 크롬, 몰리브덴, 망가니즈, 규소는 펄라이트와 베이나이트 같은 확산 변태를 지연시켜, 담금질 표면에서 더 먼 부위까지 경화될 수 있도록 한다. 니켈은 경화능과 인성을 향상시키는 데 기여할 수 있지만, 일반적인 공구강에서는 강력한 탄화물 형성과의 관련성이 상대적으로 낮다. 몰리브덴은 특정 형태의 뜨임 취성을 억제하고 2차 경화에도 기여한다. 그 결과는 단면 크기, 오스테나이트 결정립 크기, 담금질 강도, 그리고 강의 초기 상태에 따라 달라진다.

크롬은 여러 역할을 한다. 적정량에서는 경화능과 산화 저항성을 향상시키며, 함량이 높아지면 탄소와 결합하여 크롬이 풍부한 탄화물을 생성한다. 특히 D2와 같은 고탄소 고크롬 등급에서 이러한 현상이 두드러진다. 몰리브덴과 텅스텐은 경질 합금 탄화물을 형성하며, 뜨임 중 미세 석출물이 생성될 때 2차 경화를 촉진한다. 열간 경도에 미치는 이들의 영향은 고속도강과 열간 가공용 강종에서 특히 중요하다. 바나듐은 매우 경질인 바나듐 탄화물을 형성하며, 대개 VC 또는 바나듐이 풍부한 MC 탄화물의 형태를 취한다. 이 탄화물은 연마 마모에 저항하고, 입자가 미세하고 균일하게 분포되어 있을 때 오스테나이트 결정립 성장을 억제한다.

기타 첨가 원소는 가공 조건 범위를 변화시킨다. 규소는 페라이트를 강화하고 뜨임 반응에 영향을 줄 수 있다. 망가니즈는 경화능을 향상시키지만, 조성과 열처리가 제대로 제어되지 않으면 잔류 오스테나이트와 편석에 대한 민감성을 높일 수 있다. 코발트는 일반적인 고속도강의 의미에서 주요 탄화물 집단을 형성하지 않는다. 대신 기지가 연화되는 온도를 높이고 고온에서의 절삭 성능을 뒷받침한다. 질소, 황, 납은 피삭성이나 석출에 영향을 줄 수 있지만, 그 유용성은 강종과 청정도 요구 조건에 크게 좌우된다.

경화능이 높은 강이 자동으로 더 인성이 높거나 내마모성이 우수한 것은 아니다. 이러한 강은 대형 금형 단면 전체를 관통하여 경화될 수 있지만, 조대한 탄화물, 편석 또는 과도한 잔류 오스테나이트를 포함할 수 있다. 2020년 MDPI의 Coatings에 발표된 열처리 연구는 열처리 매개변수가 공구 핵심부의 성능을 좌우하는 주요 요인임을 확인했다. 조성은 형성될 수 있는 조직을 결정하고, 열처리는 그중 실제로 잔류하는 조직을 결정한다.

탄화물과 내마모성-인성의 균형

탄화물탄화물 탄소가 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 또는 바나듐과 같은 철이나 합금 원소와 결합할 때 형성되는 단단한 화합물.

탄화물은 상대적으로 인성이 높은 금속 기지 안에 존재하는 경질 입자이므로 공구강의 거동에서 핵심적인 역할을 한다. 탄화물의 존재 여부만큼이나 화학 조성, 체적 분율, 크기, 형상, 간격, 방향성이 중요하다. 철이 풍부한 시멘타이트, 크롬이 풍부한 M₇C₃, 몰리브덴과 텅스텐이 풍부한 M₆C, 바나듐이 풍부한 MC 탄화물은 연마 마모, 열적 연화 또는 균열에 대해 동일한 저항성을 제공하지 않는다.

미세하고 분산된 탄화물 집단은 큰 균열 발생원을 만들지 않으면서 내마모성을 향상시킬 수 있다. 조대한 초정 탄화물은 특정 마모 메커니즘에 효과적으로 저항할 수 있지만, 동시에 기지를 단절시키고 응력을 집중시킨다. 날카로운 탄화물 모서리, 편석으로 형성된 탄화물 밴드, 압연이나 단조에 의해 한 방향으로 정렬된 탄화물 군집은 균열이 시작되기 쉬운 경로가 될 수 있다. 연마된 현미경 사진에서는 두 강종이 동일한 명목 탄화물 유형을 보일 수 있지만, 실제 분포는 크게 다를 수 있으며 그에 따라 사용 수명도 크게 달라질 수 있다.

내마모성과 인성의 균형은 단순히 “탄화물이 많을수록 좋고 적을수록 나쁘다”는 식의 교환 관계가 아니다. 연마 마모에는 대개 경질 입자의 높은 분율이 유리하지만, 입자 사이의 기지가 지나치게 약하거나 탄화물 간격이 균열을 무디게 하기에 너무 작으면 모서리 깨짐이 가속될 수 있다. 접착 마모, 충격 마모, 소성 변형, 열피로는 서로 다른 요구 조건을 부과한다. 정렬이 어긋난 소재를 타격하는 펀치는 측정 경도가 여전히 높더라도 하나의 불안정한 치핑으로 파괴될 수 있다. 반면 전단 블레이드는 점진적인 연마 마모에 따른 모서리 둔화로 성능을 잃을 수 있다.

제조 공정은 이러한 조직을 변화시킨다. 일반적인 잉곳 야금에서는 화학적 편석과 길게 늘어난 탄화물 밴드가 형성될 수 있으며, 이후 단조로 이를 줄일 수는 있지만 항상 제거할 수 있는 것은 아니다. 분말 야금은 보다 균일한 탄화물 분포를 만들 수 있지만, 최종 특성은 여전히 치밀화, 단조, 열처리, 표면 결함에 좌우된다. 중요한 점은 어느 한 공정이 항상 성공한다는 것이 아니다. 제조 공정으로 형성된 결함 집단이나 탄화물 구조는 명목 화학 조성만으로 설명할 수 없다는 점이다.

뜨임은 여기에 또 다른 층위를 더한다. 뜨임 중에는 합금 원소가 과포화 마르텐사이트에서 빠져나와 미세한 2차 탄화물을 형성할 수 있다. M2 및 이와 관련된 고속도강에서는 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐이 석출에 관여하여 초기 연화 단계 이후 경도를 높인다. 이러한 2차 경화는 열간 경도도 향상시키지만, 과도한 열처리는 잔류 응력이나 잔류 오스테나이트를 과도하게 남길 수 있다. 탄화물의 양만이 아니라 미세화 정도가 추가된 합금 원소가 유용한 절삭 수명을 만들어 내는지, 아니면 취성 모서리 거동을 유발하는지를 결정하는 경우가 많다.

기지 조직과 잔류 오스테나이트

탄화물을 둘러싼 기지는 공구의 인성 대부분을 담당하고 하중이 가해질 때 탄화물을 지지한다. 담금질된 마르텐사이트는 탄소와 합금 원자가 철 격자를 왜곡하고 전위의 이동을 방해하기 때문에 높은 강도를 제공한다. 그러나 뜨임되지 않은 마르텐사이트는 높은 잔류 응력을 포함하며 급격한 파괴에 대한 저항성이 낮다. 뜨임은 이러한 응력을 줄이고 제어된 탄화물 석출을 가능하게 하며, 경도와 인성 사이의 균형을 조정한다.

오스테나이트화 처리는 기지의 화학 조성과 탄화물의 용해를 모두 제어한다. 온도가 너무 낮으면 탄소와 합금 원소가 충분히 오스테나이트에 들어가지 못하여 경화능과 최종 경도가 제한된다. 반대로 온도가 너무 높거나 유지 시간이 지나치게 길면 탄화물이 과도하게 용해되어 기지가 농축되고 오스테나이트 결정립이 커지며, 담금질 후 잔류 오스테나이트가 증가할 수 있다. 조대한 구오스테나이트 결정립은 전파하는 균열이 이용할 수 있는 장벽의 수를 감소시킨다.

잔류 오스테나이트는 담금질 중 마르텐사이트로 변태하지 않은 오스테나이트 부분이다. 이는 경화 직후 겉보기 인성을 향상시킬 수 있지만, 사용 중 응력, 연삭 열 또는 이후의 뜨임에 의해 치수적으로 불안정하다. 새로 형성된 뜨임되지 않은 마르텐사이트로 변태하면 변형, 균열 또는 절삭 형상의 변화가 발생할 수 있다. 극저온 처리, 반복 뜨임 또는 신중하게 선정된 오스테나이트화 조건으로 이 문제를 줄일 수 있지만, 어느 방법도 보편적인 해결책은 아니다.

최종 기지는 뜨임 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 2차 탄화물, 그리고 때로는 불충분한 냉각으로 인해 발생한 베이나이트 또는 펄라이트 영역을 포함할 수 있다. 이들의 비율과 계면은 피로, 치핑, 변형, 열적 연화를 좌우한다. 표면 연삭은 또 다른 변수를 추가한다. 인장 잔류 응력, 연삭 번, 미세 균열은 올바르게 처리된 핵심부의 성능도 무력화할 수 있다.

Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)는 강종명만으로 성능을 판단하지 않고 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화, 코팅을 통해 성능을 다룬다. 이러한 접근법은 NBS Monograph 88에 기록된 오래된 야금학적 기반 및 내마모성, 인성, 열간 경도, 탄화물, 열처리의 복합적인 영향을 강조하는 ASM International의 관점과 일치한다. Uddeholm의 냉간 가공용 강 지침은 이러한 원칙의 실질적 결과를 제시한다. 즉, 선정은 적용 분야에 맞추어야 하며 생산 부품당 수명주기 비용을 줄여야 한다. 중요한 질문은 어떤 강종 명칭이 가장 높은 순위를 차지하는가가 아니라, 실제 하중, 온도, 접촉 조건 및 파괴 양식을 견딜 수 있는 기지-탄화물 조직이 무엇인가이다.

제조 경로: 동일한 강종이 하나의 미세조직을 의미하지 않는 이유

공구강 지정은 하나의 내부 구조가 아니라 조성 범위와 의도된 강종 계열을 나타낸다. 따라서 AISI O1, AISI D2, AISI M2 및 기타 강종은 용해, 주조, 변형, 열처리 이력이 서로 다를 경우 인성, 내마모성, 치수 안정성, 기계가공성에서 서로 다른 조합을 보일 수 있다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하는 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 설명한다. 유용한 질문은 지정에 어떤 문자가 들어 있는지가 아니라, 그 결과로 형성된 미세조직이 공구의 파손 양상에 어떻게 반응하는가이다.

ASTM A681 (2024)은 봉, 판, 박판, 스트립, 봉재, 선재 및 일반적으로 공구, 금형 또는 지그로 제작되는 단조품을 포함하여 “단조 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항”을 다룬다. 이 표준 체계는 제품 요구사항을 규정하지만, 강종의 모든 형태가 야금학적으로 동일하다고 보장하지는 않는다. 제품 크기, 압하율, 냉각 이력, 그리고 단면을 채취한 위치는 모두 공구 제조에 공급되는 구조에 영향을 줄 수 있다.

잉곳 야금과 편석

일반적인 단조 공구강은 주조 잉곳 또는 연속 주조 스트랜드에서 시작한다. 응고 중에 합금 원소는 완벽하게 균일한 상태로 분포하지 않는다. 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 및 기타 용질 원소는 액상과 고상 사이에서 분배된다. 마지막에 응고하는 액상은 탄화물을 형성하는 원소가 농축될 수 있으며, 그 결과 수지상 결정 중심부와 수지상 결정 사이 영역 사이에 화학적 편석이 발생한다. AISI D2와 같은 고탄소·고크롬 강종에서는 이러한 이력이 크롬이 풍부한 탄화물의 크기, 양 및 분포에 영향을 줄 수 있다. AISI M2에서도 텅스텐, 몰리브덴 및 바나듐을 함유한 탄화물의 분포는 조성과 응고 과정 모두를 반영한다.

편석이 모든 단면에서 눈에 보이는 결함과 동일한 것은 아니지만, 변태 거동과 탄화물 형성에 국부적인 변화를 일으킨다. 원소가 농축된 영역은 오스테나이트화 중에 서로 다르게 반응할 수 있으며, 조대한 탄화물 집합체는 응력 집중원으로 작용할 수 있다. 충격 또는 굽힘 하중을 받을 때 균열은 뜨임 마르텐사이트 기지를 관통하기보다 스트링거 또는 집합체를 따라 연결될 수 있다. 미끄럼 또는 연마 마모 환경에서는 단단한 탄화물이 재료 제거에 대한 저항성을 향상시킬 수 있지만, 크고 지지 상태가 불량한 탄화물은 파괴되거나 빠져나오면서 작업 날을 손상시킬 수 있다.

비금속 개재물은 또 다른 변수를 추가한다. 산화물, 황화물 및 규산염 개재물은 용해, 정련, 주조 또는 이후의 가공 과정에서 발생할 수 있다. 개재물의 화학 조성, 크기, 형상 및 배열은 피로 균열 발생과 파괴 거동에 영향을 준다. 이러한 영향은 펀치, 전단 날, 탭 및 반복 하중에 노출되는 기타 공구에서 특히 중요하다. 이 경우 작은 내부 불연속부가 전체 경도의 작은 차이보다 더 큰 영향을 미칠 수 있다.

단조와 압연은 주조 조직을 분쇄하고 내부 공극을 닫으며 편석된 재료를 재분포시키지만, 원래의 이력을 완전히 제거하지는 않는다. 최종 결과는 온도, 변형, 압하량 및 냉각에 따라 달라진다. 대형 잉곳을 크게 압하하여 봉재로 만든 경우, 동일한 공칭 강종으로 가공된 더 작은 초기 단면과는 탄화물 간격 및 편석 양상이 다를 수 있다.

단조, 압연 및 방향성 조직

열간 가공은 주조 수지상 결정을 분쇄하고 개재물과 탄화물이 풍부한 영역을 변형 방향으로 길게 늘인다. 그 결과 결정립 유동이 형성되며, 많은 단조 공구강에서는 밴딩 또는 탄화물 배열이라고도 하는 방향성 탄화물 배열이 나타난다. 열처리 후 기지는 비교적 균일해질 수 있지만, 연마 및 에칭한 단면에서는 늘어난 탄화물 스트링이 여전히 관찰될 수 있다.

이방성이방성 탄화물 열 또는 결정립 흐름을 따라 하중을 가하는지 가로질러 가하는지와 같이, 방향에 의해 발생하는 재료 응답의 차이.

방향이 중요한 이유는 기계적 특성이 가공 방향을 따라 또는 그 방향을 가로질러 서로 달라질 수 있기 때문이다. 배열된 탄화물 스트링과 평행하게 하중을 받는 공구는 탄화물 스트링에 수직으로 하중을 받는 공구와 동일한 균열 경로를 경험하지 않는다. 따라서 경도와 화학 분석 결과가 유사하더라도 종방향 인성, 횡방향 인성, 굽힘 강도, 피로 저항성 및 날 안정성은 서로 다를 수 있다. 이를 이방성이라고 하며, 이는 재료의 반응이 방향에 따라 달라진다는 뜻이다.

이러한 결과는 공구 설계에도 영향을 미친다. 봉재에서 절단한 단조 금형, 펀치 또는 블랭킹 부품을 방향성이 없는 소재로 취급해서는 안 된다. 공구 형상의 방향, 지배적인 사용 하중 및 예상 균열 경로를 함께 고려해야 한다. 봉, 판, 박판, 스트립, 봉재, 선재 또는 단조품이라는 제품 형태에 따라서도 기계가공 및 성형에 관한 판단이 달라진다. 두꺼운 판재는 표면층 제거 또는 두께 방향의 변동에 대한 고려가 필요할 수 있으며, 스트립은 최종 방향이 압연 방향을 따르는 소형 성형 부품에 선택될 수 있다. 선재와 봉재는 표면 상태와 축 방향 결함이 중요해지는 냉간 성형 또는 헤딩 공정에 공급될 수 있다.

결정립 유동은 적용 하중을 지지할 때 유리하지만, 쪼개짐이나 날 파손이 쉽게 발생하는 경로를 제공할 때는 해로울 수 있다. 밴딩은 열처리 중 불균일한 반응을 일으킬 수도 있으며, 특히 국부적인 조성 변화가 경화능 또는 잔류 오스테나이트를 변화시키는 경우에 그러하다. 따라서 서로 다른 제품 형태로 제조된 공칭상 동일한 AISI O1 공구라도 기계가공 변형에 대해 서로 다른 여유를 필요로 할 수 있으며, 치핑, 굽힘 또는 균열 중 어느 형태로, 또 어떤 원인에 의해 파손되는지도 달라질 수 있다.

ASM International의 2020년 자료는 공구강 성능이 내마모성, 인성, 고온 경도, 탄화물 및 열처리의 조합에 좌우된다고 설명한다. Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)도 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 서로 연결된 변수로 다루면서 동일한 광범위한 관점을 제시한다. 제조 경로는 초기 상태를 결정하지만 열처리를 대신하지는 않는다. MDPI의 Coatings에 발표된 2020년 연구는 열처리 매개변수가 공구 심부 성능을 제어하는 주요 요인이라고 밝혔으며, 조성과 이전 가공 이력은 재료의 잠재력과 결함 집단을 결정한다.

분말 야금과 탄화물 미세화

분말야금 공구강은 기존 생산을 더 작은 규모로 반복하는 것이 아니라 응고 문제 자체를 변화시킨다. 용융 합금은 미세한 입자로 분무화되며, 각 입자는 빠르게 응고하고 비교적 작은 편석 영역을 갖는다. 그런 다음 분말을 성형하고 통상 열간 등방압 가압으로 치밀화한 뒤, 열기계적 가공과 열처리를 실시한다.

입자의 빠른 응고는 대형 탄화물 네트워크의 성장을 제한한다. 치밀화 후 탄화물 입자는 일반적으로 동일한 공칭 조성의 일반 주조·단조 재료보다 더 미세하고 균일하게 분포한다. 조대한 탄화물 집합체가 감소하면 탄화물 파괴, 날 치핑 및 균열 전파에 대한 저항성이 향상될 수 있으며, 더 균일한 구조는 단면과 방향에 따른 특성 편차를 줄인다. 그러나 이는 구조적 경향일 뿐 자동적인 보장은 아니다. 치밀화 결함, 부적절한 열처리, 과도한 탄화물 함량 및 불량한 표면 준비가 여전히 파손을 지배할 수 있다.

이러한 차이는 상당한 탄화물 형성 원소를 함유한 고합금 강종에서 가장 뚜렷하다. 일반적인 AISI D2는 가공 과정에서 형성된 배열을 물려받은 상당한 양의 크롬 풍부 탄화물을 포함할 수 있다. 분말 제조 경로는 크롬 탄화물을 더 미세하게 분포시킬 수 있지만, 정확한 상과 크기는 분무화, 치밀화, 단조 또는 압연, 그리고 열처리에 따라 달라진다. AISI M2와 같은 고속도강의 분말 제품도 마찬가지로 탄화물 간격을 제어하고 편석과 관련된 이방성을 줄이는 것을 목표로 한다. 지정은 여전히 합금 계열을 나타낼 뿐이다. 하나의 탄화물 크기나 하나의 인성 수준을 규정하는 것은 아니다.

이러한 구분은 봉, 판, 스트립, 봉재, 선재 또는 단조품으로 공구를 제작할 때 중요하다. 기계가공은 재료를 제거하지만, 남아 있는 공구 전체에서 방향성 조직을 제거하지는 않는다. 연삭은 탄화물이 풍부한 영역을 노출시킬 수 있으며, 표면에 인장 잔류응력이나 국부적인 열 손상을 유발할 수 있다. 따라서 심부에 미세하고 균질한 구조를 제공하는 공정 경로는 두 재료가 동일한 공칭 경도 처리를 받더라도 일반적인 단조 경로보다 치핑에 대한 더 큰 여유를 제공할 수 있다.

Uddeholm의 2024년 냉간 가공 지침은 실무적인 공학 원칙을 제시한다. 즉, 공구강의 선택은 적용 분야에 부합해야 하며 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다. 이는 AISI 문자를 낮은 등급에서 높은 등급으로 순위를 매기는 것이 아니라, 지배적인 파손 양상인 마모, 충격 파괴, 소성 변형, 열균열, 피로 또는 날 치핑에 제조 경로와 제품 형태를 맞추는 것을 의미한다. 동일한 강종명이라도 실질적으로 서로 다른 초기 구조를 나타낼 수 있으며, 이러한 구조는 강이 기계가공된 후에도 오랫동안 공구의 일부로 남는다.

열처리가 성능을 결정하는 공정이다

공구강 강종은 지정만으로 암시되는 특성을 갖춘 상태로 사용되는 것이 아니다. 예를 들어 AISI D2는 고탄소·고크롬 냉간 가공강 계열을 나타내지만, 특정한 경도, 인성, 치수 안정성 또는 마모 수명의 조합을 보장하지는 않는다. 이러한 특성은 강의 화학 조성과 단면 크기에 적합한 조건에서 가열, 유지, 냉각 및 뜨임을 실시한 후에 형성된다.

검토된 피복 시스템에서는 열처리 매개변수가 공구 코어 성능을 좌우하는 주요 요인이었다. Limited evidence

이는 MDPI가 발행한 2020년 Coatings 연구(제10권, 제3호, 논문 265)의 핵심 기술적 요점이다. 이 연구는 코팅 시스템에서 공구 코어의 성능을 좌우하는 주요 요인으로 열처리 매개변수를 제시한다. 조성과 제조 공정은 이용 가능한 미세조직적 잠재력과 개재물, 편석, 기공 및 탄화물의 분포를 결정한다. 열처리는 그 잠재력 중 어느 정도가 실제로 구현되는지를 결정한다. 과열되었거나, 충분히 경화되지 않았거나, 담금질 중 균열이 발생했거나, 과도한 잔류 오스테나이트가 남은 코어는 코팅으로 보완할 수 없다.

이 공정은 일반적으로 예열, 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임을 통해 제어되지만, 그 순서가 모든 경우에 적용되는 보편적인 처방은 아니다. AISI W, L, S, O, A, D, H, M 및 T 강은 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 망가니즈 및 규소의 함량이 변태 온도, 탄화물 안정성, 경화능 및 뜨임 반응을 변화시키므로 서로 다르게 반응한다. 단조 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항을 다루는 ASTM A681은 표준 체계를 제공하지만, 강종별 열처리 일정을 대신하지는 않는다.

오스테나이트화 및 용해 제어

예열은 노와 소재 사이의 열 구배를 줄인다. 이는 특히 대형 단면, 복잡한 형상의 펀치, 날카로운 모서리 및 상당한 양의 탄화물을 포함하는 강에서 중요하다. 강종이나 형상으로 인해 열응력 위험이 높을 경우 단계별 예열을 사용할 수 있다. 목적은 단순히 노의 가열 시간을 줄이는 데 있지 않다. 오스테나이트화가 시작되기 전에 표면과 코어 사이의 온도 차이를 줄이는 것이다.

이후 오스테나이트화에서는 강을 충분한 페라이트 또는 펄라이트가 오스테나이트로 변태하고, 선택된 탄화물이 용해되는 온도 범위까지 가열한다. 오스테나이트에 용해되는 탄소와 합금 원소는 경화능 및 뜨임 중의 반응을 좌우한다. 용해량은 제어되어야 한다. 용해가 부족하면 용해되지 않은 탄화물이 과도하게 남고 오스테나이트 기지가 요구 수준까지 경화되지 않을 수 있다. 반대로 용해가 과도하면 오스테나이트 결정립이 조대화되고, 고용 상태의 합금 원소 함량이 지나치게 높아지며, 잔류 오스테나이트가 증가하고 인성이 저하될 수 있다.

이러한 구분은 AISI D2와 같은 고탄소·고크롬 강종에서 중요하다. 크롬이 풍부한 탄화물은 내마모성을 제공하지만, 이러한 탄화물을 완전히 용해시키는 것이 목적은 아니다. 열처리 담당자는 경질의 마르텐사이트 기지와 유용하고 안정적인 탄화물 조직 사이의 균형을 제어한다. AISI M 및 T 고속도강은 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 및 크롬이 고온 경도와 2차 경화를 뒷받침하는 합금 탄화물을 형성하므로 더욱 다른 제어가 필요하다. 이들의 오스테나이트화 온도는 높으며, 허용되는 공정 범위가 좁을 수 있다.

저온 가열은 인성을 보존하는 처리로 오인되는 경우가 많다. 오스테나이트화 온도 또는 유지 시간이 충분하지 않으면 기지에 용해되는 탄소와 합금 원소가 부족해져 담금질 후 경도가 낮고 내마모성이 떨어질 수 있다. 과열은 전혀 다른 문제를 일으킨다. 결정립 조대화, 잔류 오스테나이트 증가, 변형 증가 및 담금질 균열 위험 증가가 그것이다. 장시간 유지하면 표면의 탈탄이나 산화도 심해질 수 있다.

가열 중에는 표면 상태를 제어해야 한다. 탈탄은 외부 층에서 탄소를 제거하여 연질 표면층을 남긴다. 이 경우 내부 경도가 정확하더라도 조기 모서리 라운딩, 소착 또는 소성 변형으로 인해 조기에 파손될 수 있다. 보호 분위기, 진공 처리, 염욕, 적절한 노 운전 및 후처리 연삭 등이 가능한 제어 방법이지만, 적합성은 강종과 형상에 따라 달라진다. 탈탄층 아래에서 측정한 경도값은 결함을 가릴 수 있다.

단면 크기에 따라 필요한 가열 및 유지 방식이 달라진다. 얇은 펀치는 빠르게 온도에 도달하지만, 대형 다이는 표면과 코어 사이에 상당한 온도 지연이 발생할 수 있다. 소형 부품용 일정을 두꺼운 단면에 적용하면 코어가 충분히 오스테나이트화되지 않을 수 있다. 반대로 얇은 단면을 대형 블록에 필요한 시간만큼 유지하면 결정립 성장과 표면 손상이 촉진된다. 따라서 열처리 지침은 일반적으로 노 적재량과 단면 두께에 대한 가정과 함께 온도와 시간을 모두 명시한다.

담금질, 경화 및 뜨임

담금질은 펄라이트 또는 베이나이트가 과도하게 형성되지 않을 만큼 빠르게 냉각될 때 오스테나이트화된 조직을 마르텐사이트로 변환한다. 필요한 냉각 강도는 경화능에 따라 달라진다. 수경성 AISI W 강은 빠른 냉각이 필요하므로 변형과 균열 위험이 더 크다. 유경성 AISI O 강은 보다 완만한 냉각을 허용한다. 공기경화성 AISI A, D, H 및 다수의 고속도강은 담금질 응력을 낮추면서 더 큰 단면까지 경화될 수 있다. 그러나 “공기경화”라고 해서 모든 형상이 균일하게 냉각되거나 중심부에서 동일한 경도에 도달한다는 뜻은 아니다.

담금질은 야금학적 사건인 동시에 역학적 사건이다. 표면이 수축하는 동안 내부는 뜨거운 상태로 남아 있다가, 이후 냉각되면서 코어가 수축한다. 날카로운 모서리, 단면의 급격한 변화, 구멍, 키홈 및 지지가 불충분한 부품은 응력을 집중시킨다. 특히 냉각 매체가 지나치게 가혹하거나, 강이 과열되었거나, 가공 흔적이 남아 있거나, 설계에 응력 집중부가 있는 경우 담금질 균열이 발생할 수 있다. 눈에 보이는 균열 없이도 변형이 발생할 수 있다. 다이가 휘거나, 펀치의 동심도가 저하되거나, 절삭날이 틈새와 정렬에 영향을 줄 정도로 이동할 수 있다.

중단 담금질, 단계 냉각, 마템퍼링 또는 프레스 담금질은 응력을 줄일 수 있지만, 각각의 방법은 해당 강종과 부품에 대해 검증되어야 한다. 목표는 가능한 한 빠른 냉각이 아니다. 목표는 응력과 치수 변화를 제어하면서 충분한 변태를 달성하는 것이다.

갓 담금질된 마르텐사이트는 단단하지만 취성이 크고 내부 응력이 높다. 불필요하게 지연하지 말고 담금질 후 뜨임을 실시해야 한다. 뜨임은 오스테나이트 변태 범위 이하에서 강을 재가열하여, 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 빠져나와 전이 탄화물 또는 시멘타이트를 형성하도록 하는 동시에 잔류 응력을 줄인다. 뜨임이 불충분하면 경도 시험에서 지정된 공칭값이 나오더라도 사용 중 공구가 균열에 취약할 수 있다. 잔류 오스테나이트가 상당한 강종에서는 한 번의 뜨임만으로 조직을 충분히 안정화하지 못할 수 있으므로, 이러한 강에는 2회 또는 3회의 뜨임이 흔히 지정된다.

일부 합금계에서는 2차 경화가 나타난다. AISI M 및 T 고속도강과 일부 고합금 열간·냉간 공구강에서는 뜨임 중 몰리브덴이 풍부한 탄화물, 텅스텐이 풍부한 탄화물 또는 바나듐이 풍부한 탄화물과 같은 미세 합금 탄화물이 석출될 수 있다. 적절한 고온 뜨임을 실시하면 경도가 단순히 감소하지 않고 오히려 상승할 수 있다. 이러한 반응은 오스테나이트화 처리, 용해된 합금 원소의 양, 냉각 경로 및 뜨임 일정에 따라 달라진다. 모든 공구강에 이러한 반응이 나타난다고 가정할 수 없으며, 더 높은 경도값이 자동으로 더 우수한 사용 성능을 의미하는 것도 아니다.

공칭 경도는 여러 측정값 중 하나일 뿐이다. 탄화물 네트워크가 조대하거나, 모서리에 탈탄층이 있거나, 인성이 부족하거나, 사용 중 잔류 오스테나이트가 변태하는 경우에는 Rockwell 경도가 더 높은 공구가 약간 더 연한 공구보다 먼저 파손될 수 있다. 사용 성능은 마모 메커니즘, 충격 하중, 온도, 윤활, 접촉 압력 및 작업 표면의 품질에도 좌우된다. 따라서 ASM International의 2020년 공구강 분석은 성능을 경도 하나만으로 설명하지 않고 내마모성, 인성, 고온 경도, 탄화물 및 열처리의 조합과 연계한다.

치수 변화, 잔류 오스테나이트 및 극저온 처리

치수 변화는 가열 중 시작되어 담금질, 뜨임 및 사용 과정에서도 계속된다. 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태에는 체적 변화가 수반되며, 탄화물 석출과 잔류 오스테나이트의 변태는 이후 치수를 변화시킬 수 있다. 변화의 방향과 크기는 강종, 형상, 사전 냉간가공, 방향성 및 제조 공정에 따라 달라진다. 정밀 리머, 블랭킹 다이 또는 성형 인서트는 열처리 후 가공 여유, 응력 제거, 극저온 안정화 또는 마무리 연삭이 필요할 수 있다.

잔류 오스테나이트는 담금질 중 변태하지 않은 오스테나이트의 일부이다. 높은 탄소 및 합금 원소 함량, 과도한 오스테나이트화 온도 및 불충분한 담금질 강도는 잔류 오스테나이트의 양을 증가시킬 수 있다. 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트보다 연하며, 이후 뜨임, 냉각, 연삭 또는 사용 중 응력에 의해 변태할 수 있다. 이러한 지연 변태는 치수 변동, 균열 또는 절삭날 형상의 변화를 일으킬 수 있다. 다이에서는 작은 치수 변화가 틈새를 바꿀 수 있으며, 리머에서는 완성된 구멍의 치수가 변할 수 있다.

극저온 처리는 일반적으로 담금질 후, 그리고 뜨임 작업 전 또는 뜨임 작업 사이에 실시하며, 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 추가 변태하도록 촉진할 수 있다. 그러나 이는 올바른 오스테나이트화, 담금질 또는 뜨임을 대신하는 방법이 아니다. 과도하거나 시기가 부적절한 냉각은 응력을 증가시킬 수 있으며, 그 결과 생성된 신생 마르텐사이트에는 여전히 뜨임이 필요하다. 따라서 극저온 처리는 관행적인 단계로 추가할 것이 아니라, 해당 강종, 형상 및 고장 양상에 대해 그 유용성이 입증되어야 한다.

열처리는 공구의 실제 사용 요구사항을 기준으로 평가해야 한다. Uddeholm의 2024년 냉간가공용 지침은 공학적 목표를 강재를 적용 분야에 맞추고 생산 부품당 비용을 최소화하는 것으로 제시한다. 금속공학적으로 말하면, 이는 문자 표기나 경도만으로 강종을 선택하는 것이 아니라 공구의 전체 수명주기를 관리한다는 의미이다. 공정 순서, 분위기, 열적 균일성, 담금질 방법, 뜨임 반응, 표면 상태 및 치수 공차는 모두 사양에 포함된다. 화학 조성은 가능한 성능 범위를 결정한다. 열처리는 완성된 공구가 그 범위 내에서 어느 수준의 성능으로 작동할지를 결정한다.

주요 성능 특성과 상충관계

공구강의 성능은 경도 수치나 강종 기호만으로 판단할 수 없다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 가공하는 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 정의하지만, 실제 사용 성능은 기지 경도, 탄화물 분포, 인성, 열처리, 표면 상태, 제조 결함 및 지배적인 파손 형태 사이의 상호작용에 좌우된다. ASTM A681:2024는 바, 판, 시트, 스트립, 봉, 선재 및 단조품을 포함하여 일반적으로 공구, 금형 또는 치구로 제작되는 “단조 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항”을 규정한다. 그러나 이 요구사항은 재료를 기술할 뿐이며, W, L, S, O, A, D, H, M 및 T 강종에 대한 보편적인 순위를 정하는 것은 아니다.

따라서 유용한 비교를 위해서는 다음과 같이 더 정확한 질문을 해야 한다. 공구는 연마 마모, 응착 마모, 소성 변형, 피로 균열, 충격 파괴, 열 균열 또는 치수 정확도 상실 중 어떤 방식으로 파손되는가?

경도와 연마 마모 또는 응착 마모

경도는 국부적인 소성 변형에 대한 저항으로, 일반적으로 Rockwell C, Vickers 또는 이와 유사한 시험으로 측정된다. 경도는 내마모성과 동일한 개념이 아니다. 일반적으로 표면 경도가 높을수록 소성 홈 형성 및 압흔에 더 효과적으로 저항하지만, 연마 마모는 탄화물의 경도, 크기, 간격 및 연속성에도 좌우된다. AISI D2와 같은 고탄소 고크롬 강종은 경질 크롬 탄화물에 의해 연마 작용에 저항할 수 있는 반면, AISI S7과 같은 저합금 충격 저항 강종은 충격과 응력 집중을 견디기 위해 일부 내마모성을 희생할 수 있다.

연마 마모는 단단한 입자나 돌출부가 공구 표면을 절삭하거나, 쟁기질하거나, 미세하게 긁을 때 발생한다. 응착 마모는 공구와 가공물 사이에 국부적인 접합부가 형성된 후, 미끄럼 과정에서 재료가 뜯겨 나갈 때 발생한다. 응착 손상은 단순히 벌크 경도만이 아니라 표면 조도, 윤활, 접촉 압력, 온도 및 화학적 친화성의 영향을 받는다. 연마 흔적이 날카롭게 남아 있거나 잔류 인장 응력 또는 열영향층을 포함하는 연삭 표면은 연마된 성형 표면과 다르게 거동할 수 있다.

탄화물의 형태는 핵심적인 요소다. 미세하고 균일하게 분포된 탄화물은 조대하고 집적된 탄화물만큼 많은 균열 발생 지점을 만들지 않으면서 내마모성을 높일 수 있다. 압연으로 정렬된 큰 탄화물 열은 방향에 따른 거동을 유발할 수 있다. 즉, 탄화물 열의 방향을 가로질러서는 마모가 허용 가능한 수준일 수 있지만, 균열이 길게 늘어난 탄화물 분포를 따라 진행할 경우 파괴 저항성이 낮아질 수 있다. 분말야금 공정은 일반적인 잉곳 야금보다 더 균일한 탄화물 분포를 만들 수 있지만, 최종적인 거동은 여전히 조성과 열처리에 좌우된다.

경도는 탄화물 주변의 기지도 변화시킨다. 과도한 오스테나이트화 온도는 더 많은 탄소와 합금 원소를 용해하여 경화능 또는 2차 경화 가능성을 높일 수 있지만, 동시에 결정립 조대화와 잔류 오스테나이트를 촉진할 수 있다. 온도가 충분하지 않으면 미용해 탄화물이 남고, 기지가 목표 경도에 도달하지 못할 수 있다. 이후 뜨임은 경도, 잔류 응력, 인성 및 뜨임 저항성 사이의 균형을 조절한다. 62 HRC라는 측정값만으로는 펀치의 탄화물 망상조직이 조대하거나 모서리에 연삭 균열이 있을 때 반복 충격을 견딜 수 있는지 거의 알 수 없다.

압축 강도는 별개의 특성이다. 공구강은 경화된 마르텐사이트 기지가 소성 유동에 저항하기 때문에 높은 압축 응력을 견디는 경우가 많으며, 이는 금형, 펀치 및 냉간 헤딩용 공구에서 중요하다. 그러나 압축 강도가 노치, 모서리, 개재물 또는 손상된 모서리에서 발생하는 인장 균열을 방지하지는 못한다. 접촉 형상에 따라 명목상의 압축 하중이 국부적인 전단 및 인장 응력으로 전환될 수 있다. 따라서 올바른 비교는 경도뿐 아니라 마모 메커니즘과 응력 상태까지 함께 고려해야 한다.

인성, 피로 및 파괴 저항성

인성은 균열이나 파괴가 발생하기 전에 에너지를 흡수하는 능력이다. 일반적으로 Charpy 시험으로 평가하는 충격 인성은 펀치, 전단날, 간헐 하중을 받는 금형 및 수동 절삭 공구에서 특히 중요하다. 높은 경도값은 낮은 충격 인성과 동시에 나타날 수 있다. 압입 저항성을 높이는 동일한 탄소 함량, 마르텐사이트 조직, 탄화물 집적 및 잔류 응력이 균열을 진행시키는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있기 때문이다.

파괴 저항성은 충격 인성보다 더 구체적인 개념이다. 이는 특정 형상과 하중 조건에서 균열 성장에 저항하는 능력을 의미하며, 흔히 응력확대계수 또는 파괴인성 측정값으로 나타낸다. 어느 특성도 강종에 고정적으로 부여된 속성은 아니다. 단면 크기는 담금질 중 냉각 속도를 변화시키고, 냉각 속도는 마르텐사이트 형성, 탄화물 석출, 잔류 오스테나이트 및 내부 응력을 변화시킨다. 작은 시험편은 목표 경도를 나타내더라도, 대형 금형의 중심부에는 더 연한 변태 생성물이나 담금질 관련 결함이 존재할 수 있다.

피로는 반복 하중을 추가로 고려하게 한다. 굽힘 피로는 반복 응력 범위, 평균 응력, 표면 조도, 잔류 응력 및 국부 형상에 의해 좌우된다. 동일한 명목 응력을 받더라도, 모서리는 국부 응력 집중을 높이므로 날카로운 모서리보다 연마된 곡률부가 훨씬 많은 반복 하중을 견딜 수 있다. 공구 자국, 탈탄, 연삭 번, 겹침, 시임 및 비금속 개재물은 균열 발생 지점으로 작용할 수 있다. 수천 또는 수백만 회의 반복 하중이 작은 균열을 점진적으로 성장시키기 때문에, 단일 하중 강도보다 낮은 하중에서도 파손이 발생할 수 있다.

이 때문에 펀칭 작업에서 내마모성을 기준으로 선택한 강종이 더 인성이 높은 강종보다 먼저 파손될 수 있다. 파손 원인은 연마에 의한 재료 손실이 전혀 아닐 수 있다. 충격에 의한 모서리 치핑, 필릿부의 피로 또는 탄화물 열을 관통하는 취성 파괴일 수 있다. 뜨임은 담금질 응력을 줄이고 파괴 저항성을 향상시킬 수 있지만, 부적절한 온도에서 뜨임을 실시하면 경도가 낮아지거나 뜨임 취성이 발생할 수 있다. 일부 고합금 강종에서는 잔류 오스테나이트를 변태시키고 치수를 안정화하기 위해 여러 차례 뜨임을 실시한다.

표면 상태는 공칭 화학 조성과 동일한 수준으로 중요하게 고려해야 한다. 날카로운 모서리는 절삭 작용을 향상시키지만 국부 응력을 높인다. 거친 표면은 마찰과 응착 손상을 증가시키며, 과도한 연삭이 이루어진 표면에는 인장 잔류 응력이 존재할 수 있다. 질화, 코팅 및 기타 표면 처리는 마찰을 줄이거나 표면 경도를 높일 수 있지만, 기재의 인성이 부족하면 경질층이 충분히 지지되지 않아 균열이 발생하거나 박리될 수 있다. Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 서로 독립적인 표지가 아니라 강종 거동을 구성하는 연계된 요소로 다룬다.

고온 경도, 열피로 및 치수 안정성

고온 경도고온 경도 고온에서 유용한 경도와 소성 변형에 대한 저항성을 유지하는 강의 능력.

고온 경도는 높은 온도에서 유용한 경도와 소성 변형에 대한 저항을 유지하는 능력이다. 이는 고속 절삭, 열간 단조, 압출 및 고온 소재와 반복적으로 접촉하는 금형에서 중요하다. 공구가 실온에서는 높은 경도를 유지하더라도 뜨임 저항성이 충분하지 않으면 사용 중 연화될 수 있다. M 계열의 몰리브덴 고속도강과 T 계열의 텅스텐 고속도강은 합금 탄화물 석출에 의한 2차 경화를 나타내며, 정확한 거동은 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임 조건에 좌우된다.

열균열열균열 특히 열간가공용 공구에서 반복적인 가열과 냉각으로 발생하는 표면 균열의 망상 구조.

열피로는 단순한 연화와 다르다. 반복적인 가열과 냉각은 주기적인 팽창과 수축을 일으킨다. 표면층이 먼저 가열되는 동안 중심부는 더 차가운 상태로 남아 열 구배와 교번 응력이 발생한다. 균열은 모서리, 가공 흔적, 탄화물 집적부 또는 기타 응력 집중부에서 시작되는 경우가 많으며, 이후 흔히 히트 체크라고 부르는 균열망을 형성한다. H 계열의 열간 작업용 강종은 이 문제를 고려하여 설계되지만, 어떤 강종 기호도 열피로를 완전히 제거하지는 못한다. 냉각 방식, 금형 형상, 접촉 시간, 윤활 및 온도 변화가 여전히 결정적인 요소다.

치수 안정성은 경화 및 사용 과정에서 형상과 치수를 유지하는 능력을 의미한다. 담금질 변형은 불균일한 열전달과 변태 변형의 차이에서 발생한다. 잔류 오스테나이트는 이후 변태하면서 팽창할 수 있으며, 탈탄은 내부가 규격을 충족하더라도 마모 또는 변형이 발생하는 연질 표면을 만들 수 있다. 대형 단면은 표면과 중심부가 서로 다른 열 이력을 겪기 때문에 특히 다루기 어렵다. 진공 처리, 제어 분위기, 적절한 고정, 단계적 담금질 및 올바른 뜨임은 이러한 영향을 줄일 수 있지만, 부적절한 단면 설계를 보완할 수는 없다.

2020년 MDPI Coatings 연구는 열처리 매개변수가 공구 중심부 성능을 좌우하는 1차 요인이라고 밝혔으며, 조성과 제조 공정은 확보 가능한 성능 잠재력과 결함 분포를 결정한다고 설명했다. 이 결과는 다음과 같은 실용적인 원칙을 뒷받침한다. 즉, 실제 사용 조건과 유사한 형상과 상태에서 시험한 열처리 재료를 비교해야 한다. AISI O1, A2, D2, S7, H13, M2 및 T1은 단순한 성능 사다리 위의 지점이 아니다. 이들의 가치는 공구에 모서리 유지력, 충격 생존성, 압축 하중 지지력, 열사이클 저항성 또는 치수 제어 중 무엇이 필요한지에 따라 달라진다.

Uddeholm의 2024년 냉간 작업용 강재 지침도 수명주기 성능을 통해 동일한 공학적 원칙을 제시한다. 즉, 용도에 맞는 강을 선택하고 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다. 의미 있는 측정 기준은 최대 경도가 아니다. 마모, 치핑, 피로, 파괴, 히트 체크 또는 변형으로 인해 조치가 필요해지기 전까지 결함 없이 생산할 수 있는 부품 수가 진정한 기준이다.

수경화, 저합금 및 내충격 공구강

W, L, S 기호는 열등한 강에서 우수한 강으로 이어지는 서열이 아니라 서로 다른 절충 특성을 나타낸다. AISI는 주요 공구강 계열에 W, L, S, O, A, D, H, M, T 기호를 사용하며, 이러한 기호는 일반적으로 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금 체계를 나타낸다. 이러한 분류는 유용하지만, 그 자체로 공구 수명을 예측하지는 못한다. 탄소 함량, 합금 탄화물, 단면 크기, 가공 흔적, 열처리 방식, 표면 상태 및 실제 파손 형태가 모두 결과에 영향을 미친다.

ASTM A681은 단조 합금 공구강 제품에 관한 표준 체계를 제시하며, 여기에는 일반적으로 공구, 금형 또는 지그로 제작되는 봉강, 후판, 박판, 띠강, 봉, 선재 및 단조품이 포함된다. 이 표준의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항은 특정 강종이 충족해야 할 조건을 규정하지만, 특정 형상과 하중에 맞는 강종을 선택해야 할 필요성을 없애지는 않는다.

W 계열과 수냉

AISI W 계열은 수경화강 그룹이다. 이 강들은 주로 탄소에 의존하여 마르텐사이트를 형성하며, 공기경화강이나 고속도강에 비해 합금 원소 첨가량이 비교적 적다. 대표적인 기호로는 W1과 W2가 있다. 이들의 조성은 오스테나이트화와 수냉 후 높은 표면 경도를 얻을 수 있게 하므로, 깊은 경화보다 단단한 작업 모서리가 더 중요한 수동 절삭 공구, 소형 펀치, 스크라이버, 나이프, 단순 금형 및 기타 공구에 적합하다.

그러나 바로 이 특성이 핵심적인 한계를 만든다. 순탄소강 또는 저합금강의 단면은 열을 빠르게 잃으며, 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태할 수 있을 만큼 빠르게 냉각되어야 한다. 특히 표면 부근에서는 물이 매우 강한 냉각을 제공한다. 두꺼운 공구의 내부는 더 느리게 냉각될 수 있어 경도 구배 또는 여러 변태 생성물의 혼합 조직이 남을 수 있다. 얇은 날은 효과적으로 경화될 수 있지만, 두꺼운 펀치는 그렇지 않을 수 있다.

수냉은 변형과 균열의 위험도 높인다. 코어가 아직 뜨거운 동안 표면이 수축하며, 그 결과 발생하는 열응력과 변태응력은 날카로운 모서리, 단면의 급격한 변화, 키홈, 구멍 및 연삭 손상에 민감하다. 공구가 요구되는 명목상 강종으로 가열로를 나왔다고 해도, 담금질 중 형상에 응력이 집중되어 파손될 수 있다. 예열, 제어된 오스테나이트화, 적절한 담금질 교반, 즉시 뜨임 및 충분한 필릿은 이러한 위험을 줄이지만, 수경화강을 깊은 경화능을 지닌 합금강처럼 거동하게 만들 수는 없다.

따라서 W 계열은 비교적 단순한 단면과, 작업자가 좁은 경화 영역을 감수할 수 있는 용도 또는 공구가 작아서 전체가 충분히 냉각될 수 있는 용도에 적합하다. 예를 들어 손끌은 단단한 절삭 단부가 필요하지만, 동시에 뜨임되어 취성이 낮은 몸체도 필요하다. 공구 전체의 과도한 경도는 모서리 마모에 대한 저항성을 향상시킬 수 있지만, 자루가 파괴되기 쉽게 만들 수 있다. 올바른 결과는 단순히 강종 기호가 아니라 열처리 상태로 결정된다.

탄소는 경도와 인성 사이의 균형도 좌우한다. 탄소 함량을 높이면 얻을 수 있는 경도가 증가할 수 있지만, 뜨임하지 않은 고탄소 마르텐사이트는 충격이나 인장응력을 견디는 여유가 거의 없다. 따라서 W 계열의 성능은 뜨임 온도, 유지 시간 및 단면 크기에 크게 좌우된다. 경화 후 연삭을 실시할 때도 또 다른 위험이 생긴다. 표면이 연삭으로 소손되거나 인장 잔류응력을 받으면, 전체 조직이 적절하더라도 균열이 시작될 수 있다.

L 계열과 저합금 경화

AISI L 계열은 저합금 공구강을 나타낸다. 고크롬 냉간 가공용강, 열간 가공용강 또는 고속도강에 비하면 합금 원소의 첨가량은 적지만, 소량의 니켈, 크롬, 몰리브덴, 망가니즈 또는 기타 원소만으로도 경화능과 인성이 크게 달라질 수 있다. L2와 L6은 잘 알려진 기호이지만, 서로 동일한 거동을 나타내지는 않는다. 예를 들어 L6은 니켈을 함유한 저합금 조성과 관련되며, 일반적인 순수 수경화강보다 더 높은 인성과 경화능이 필요한 경우에 선택된다.

저합금화는 강이 더 깊게 경화되도록 하며, 강종, 단면 및 규정된 열처리에 따라 물보다 완만한 담금질을 가능하게 할 수 있다. 이는 대형 펀치, 성형 공구 또는 지그에서 변형과 담금질 균열을 줄일 수 있다. 그러나 치수 안정성을 보장하는 것은 아니다. 길고 가느다란 공구는 여전히 휘어질 수 있고, 얇은 모서리는 여전히 변형될 수 있으며, 잔류 오스테나이트 또는 불균일한 가열로 조건은 여전히 치수 변화를 일으킬 수 있다.

L 계열 강에서는 용도에 따른 특성이 특히 중요하다. 냉간 성형용 공구는 단단한 작업 표면과 질긴 코어가 필요할 수 있지만, 게이지나 지그는 치수 안정성을 더 중시할 수 있다. 대형 절삭 또는 성형 부품은 물이 일으키는 심한 열충격 없이 전체 단면을 경화해야 할 수도 있다. 동일한 명목 경도라도 서로 다른 미세조직, 탄화물 분포 및 잔류응력을 포함할 수 있다. 따라서 열처리는 W 계열의 절차를 그대로 복사하는 것이 아니라 해당 L 계열 강종에 맞추어야 한다.

제조 공정도 중요하다. 단조, 압연, 풀림 및 가공은 경화 전에 결정립 흐름, 편석, 개재물 및 잔류응력을 형성한다. Routledge의 공구강: 특성과 성능은 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅이 결합하여 나타내는 영향을 통해 성능을 설명한다. 이는 “저합금”을 강도의 직접적인 척도로 간주하는 것보다 더 정확한 모델이다.[1][1] The effect of heat treatment on tool-core performance in a coated system. Authors not specified in the article. Coatings, 2020.

MDPI Coatings에 게재된 2020년 연구는 연구 대상 코팅 시스템에서 공구 코어의 성능을 좌우하는 주요 요인으로 열처리 매개변수를 지목했다. 이 결과는 더 넓은 실무적 의미를 갖는다. 코팅은 연하거나 취성이 크거나 과열되었거나 뜨임이 불충분한 기재를 교정할 수 없다. 표면 공학은 표면의 거동을 변화시키지만, 건전한 코어 야금학을 대체하지는 않는다.

S 계열과 충격 지배형 사용 조건

AISI S 계열은 내충격 공구강 계열이다. 이 강종들은 최대한의 내마모성보다 파괴 저항성이 더 중요한 반복 충격, 간헐 하중 또는 접촉응력의 급격한 변화에 사용된다. S1, S5 및 S7은 확립된 기호이며, 합금 원소와 열처리 반응의 차이로 인해 사용 중 서로 다르게 거동한다.

끌, 리벳 헤더, 간헐 작업을 받는 전단날, 공압 공구 또는 충격을 받는 펀치는 경도와 인성 사이에서 S 계열이 제공하는 균형을 필요로 할 수 있다. 일반적으로 요구되는 조직은 연마 마모를 주로 고려하여 탄화물이 다량 함유된 기지보다, 탄화물 함량이 제어된 뜨임 마르텐사이트이다. 탄화물이 많다고 해서 자동으로 더 우수한 것은 아니다. 조대하거나 불균일하게 분포된 탄화물은 공구가 충격을 받을 때 균열 발생 지점으로 작용할 수 있다.

S 계열 강도 의도적인 경도 선택이 필요하다. 지나치게 연하게 뜨임하면 펀치가 버섯 모양으로 퍼지거나, 끌의 날이 말리거나, 성형 모서리가 변형될 수 있다. 반대로 너무 높은 경도로 경화 및 뜨임하면 같은 공구가 치핑되거나 파손될 수 있다. 형상이 결과를 지배할 수도 있다. 날카로운 노치, 지지되지 않은 얇은 모서리 또는 급격한 어깨부는 국부응력을 높이는 반면, 충분한 반지름과 적절한 랜드는 충격을 분산한다. 인성이 우수한 강종이라도 설계상 취성 모서리에 인장응력이 집중되면 파손될 수 있다.

따라서 S 기호는 가혹한 사용에 대한 면역성이 아니라 사용 조건의 중점을 나타낸다. 충격 저항성은 청정도, 결정립 크기, 탄화물 분포, 오스테나이트화 제어, 담금질 강도, 뜨임 및 표면 마감에 좌우된다. NBS Monograph 88은 강 야금학의 역사적 용어를 이해하는 데 여전히 유용하며, ASM International은 공구강의 성능을 내마모성, 인성, 고온 경도, 탄화물 및 열처리와 연계하여 설명한다. Uddeholm은 이러한 공학적 원리를 수명주기 관점에서 표현한다. 즉, 냉간 가공용 공구는 생산 부품당 비용을 최소화할 수 있도록 용도에 맞추어야 한다. W, L, S 계열 강 모두에서 이는 계열을 선택하기 전에 파손이 마모, 소성 변형, 균열, 치핑 또는 치수 변화 중 무엇에서 비롯되는지 파악해야 한다는 뜻이다.

유냉 경화강, 공랭 경화강 및 고탄소 고크롬 강종

O, A, D 계열은 흔히 일반 공구강에서 고급 공구강으로 이어지는 단계로 제시된다. 그러나 이러한 해석은 잘못된 것이다. 각 문자는 서로 다른 금속학적 우선순위를 나타낸다. O는 유냉 경화를, A는 공랭 경화를, D는 고탄소 고크롬강을 의미한다. 어느 계열도 보편적인 우열 순위를 나타내지 않는다. 반복 충격을 견디는 펀치라도 내마모성에 초점을 둔 D 강종으로 제작하면 파손될 수 있으며, A 계열 다이는 변형에는 저항하더라도 모서리 치핑이 공구 수명을 좌우하는 경우에는 성능이 떨어질 수 있다.

ASTM A681:2024는 일반적으로 공구, 다이 또는 지그로 제작되는 단조 합금 공구강 제품의 표준 체계를 제공하며, 여기에는 봉강, 후판, 박판, 스트립, 봉재, 선재 및 단조품이 포함된다. AISI 계열은 단일 성능 척도가 아니라 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금계에 따라 분류된다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 정의한다. 따라서 담금질 거동은 단면을 통과하는 온도 변화, 형성되는 마르텐사이트, 발생하는 응력 및 처리 후 남는 치수 변화 등을 좌우하므로 분류의 일부가 된다.

O 계열과 유냉 경화 거동

AISI O1 및 O2와 같은 O 계열 강은 오스테나이트화 온도 범위에서 오일 속으로 담금질할 때 경화될 수 있을 만큼 충분한 탄소와 합금 원소를 함유한다. 망가니즈, 크로뮴 및 텅스텐은 일반 탄소강에 비해 경화능을 높이며, 탄소는 마르텐사이트 경도를 제공한다. 오일은 물보다 냉각 능력이 완만하므로 표면과 중심부 사이의 열적 및 변태적 불일치가 더 작다. 일반적으로 이는 담금질 균열과 변형을 줄이지만, 어느 위험도 완전히 제거하지는 않는다.

O1은 경화 전 가공성과 예측 가능한 유냉 반응이 중요한 소형 냉간 가공 다이, 절삭 공구, 게이지, 나이프, 펀치 및 성형 공구에 흔히 사용된다. O2도 유사한 역할을 하지만, 그 조성과 열처리 반응에 따라 경도, 인성 및 치수 변화의 균형이 달라진다. 강종 기호만으로 결과가 결정되는 것은 아니다. 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 노 분위기, 단면 두께, 오일 교반, 이송 지연 및 뜨임 조건은 모두 최종 조직을 변화시킨다.

유냉 경화는 수냉 속도와 공랭의 편의성 사이에서 이루어지는 절충이다. 과도한 연화가 발생하기 전에 펄라이트 및 베이나이트 변태 범위를 통과할 수 있을 만큼 냉각 속도가 빨라야 하지만, 열충격을 제한할 수 있을 만큼 느려야 한다. 얇은 펀치는 단면 전체가 빠르게 냉각되어 효과적으로 경화될 수 있지만, 대형 다이는 합금의 경화능이 충분하지 않으면 더 단단한 표면과 더 연한 중심부가 형성될 수 있다. 공칭 크기만큼이나 형상이 중요하다. 날카로운 모서리, 급격한 두께 변화, 구멍 및 얇은 돌출부는 담금질 중 응력을 집중시킨다.

잔류 오스테나이트도 문제가 될 수 있다. 강에 합금 원소가 많이 들어 있거나, 지나치게 높은 온도에서 담금질했거나, 냉각이 불충분하면 일부 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지 않고 남을 수 있다. 이러한 잔류 오스테나이트는 사용 중이나 뜨임 중에 나중에 변태하여 치수 이동을 일으킬 수 있다. 선택된 공정에서는 영하 처리로 잔류 오스테나이트를 줄일 수 있지만, 부적절한 오스테나이트화나 뜨임 관리를 보완할 수는 없다. 열처리 매개변수는 여전히 결정적이다. MDPI의 Coatings가 인용한 2020년 연구는 열처리 매개변수를 공구 중심부 성능을 좌우하는 주요 요인으로 규정했다.

O 강종에서 실무적으로 중요한 질문은 공구가 단순히 높은 경도에 도달할 수 있는지 여부가 아니다. 필요한 단면을 유냉으로 경화하면서도 허용할 수 없는 변형, 균열 또는 중심부 연화를 일으키지 않을 수 있는지가 중요하다. 따라서 O 강은 냉간 가공 다이, 엠보싱 공구, 탭, 리머 및 펀치에 적합하지만, 모든 크기나 하중 조건에 자동으로 적합한 것은 아니다.

A 계열과 공랭 경화 거동

A2, A6 및 A10을 포함한 A 계열 강은 정지 공기 또는 제어된 가스 냉각으로 냉각한 후 유용한 경도를 형성하도록 설계된다. 크로뮴, 망가니즈, 몰리브데넘 및 기타 합금 원소는 확산 변태를 지연시켜 경화능을 높이므로, 오일 담금질만큼 강한 냉각 없이도 더 두꺼운 단면 전체에서 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 따라서 공랭 경화는 복잡한 다이에서 균열과 형상 변형의 주요 원인인 담금질 충격을 줄인다.

그러나 이러한 이점에는 한계가 있다. 공랭이 변형이 전혀 없음을 보장하지는 않는다. 공구는 냉각되면서 수축하고, 마르텐사이트 변태 중 팽창 또는 수축이 발생하며, 잔류 오스테나이트가 변태할 때 추가적인 변화를 겪을 수 있다. 냉간 가공용 강종으로 널리 사용되는 A2는 합금 함량 및 열처리 주기와 관련된 치수 변화를 보일 수 있다. 냉각 매체가 완만하더라도 큰 단면, 비대칭 형상 및 불균일한 노출은 이러한 변화를 확대할 수 있다.

공랭 경화 강종은 경화능이 낮은 유냉 경화 강종에 비해 단면 크기 측면에서도 이점이 있다. 두꺼운 성형 다이나 엠보싱 인서트는 더 균일한 경화 영역을 형성할 수 있어, 유냉의 냉각 능력이 부족할 때 나타나는 중심부 연화 문제를 줄일 수 있다. 그러나 경화능이 무한한 것은 아니다. 매우 큰 단면, 탈탄된 표면, 불충분한 노 제어 또는 느리고 불균일한 냉각은 여전히 경도 불균일을 초래할 수 있다.

내마모성과 인성의 균형은 탄화물의 분포, 기지 내 탄소 및 뜨임에 따라 달라진다. A2는 일반적으로 저합금 충격 저항성 강보다 내마모성이 높지만, 탄화물 조직과 경도 때문에 심한 충격에는 덜 견딜 수 있다. A6는 더 낮은 경화 온도와 제어된 치수 거동이 유용한 경우 선택되는 경우가 많지만, 실제 형상에 대한 반응을 확인해야 한다. 동일한 강종이라도 진공 열처리, 염욕 담금질, 가스 냉각 또는 서로 다른 초기 소재를 사용했는지에 따라 다르게 거동할 수 있다.

이 때문에 A 강은 냉간 가공 다이, 펀치, 전단날, 블랭킹 공구, 성형 공구 및 엠보싱 장비에 흔히 사용된다. 그렇다고 A 강이 O 강보다 자동으로 우수한 것은 아니다. 충격 인성, 작업장에서의 단순한 열처리 또는 얇은 단면이 지배적인 경우에는 O 강종이 더 적절할 수 있다. 반대로 변형 제어와 상당한 크기의 다이 전체를 관통하는 경화가 중요하다면 A 강종이 더 적합한 출발점이 될 수 있다.

D 계열, 탄화물 및 내마모성

AISI D2, D3 및 D6과 같은 D 계열 강은 고탄소 고크롬 강종이다. 탄소와 크로뮴 함량은 마르텐사이트 기지 내에 경질의 크로뮴 풍부 탄화물이 다량 형성되도록 한다. 조성과 열 이력에 따라 탄화물에는 크로뮴이 풍부한 M7C3 및 M23C6 유형과 함께 합금화된 시멘타이트 또는 기타 복합 탄화물이 포함된다. 이러한 입자는 연삭 마모와 응착 마모에 저항하므로 D 강종은 블랭킹 다이, 펀치, 전단날, 나사 롤링 부품, 엠보싱 공구 및 성형 인서트에 사용된다.

마모에 저항하는 동일한 탄화물이 인성을 낮출 수도 있다. 크고 각진 탄화물 또는 연속적인 탄화물 네트워크는 특히 주조 편석이나 불충분한 단조 압하가 소재에 남아 있는 경우 균열의 시발점으로 작용한다. 반복 충격, 굽힘 또는 정렬 불량 하중을 받는 공구는 연삭 마모율이 낮더라도 치핑되거나 파괴될 수 있다. 따라서 D2는 모든 냉간 가공에 적용할 수 있는 만능 해법이 아니며, 반드시 고장 형태에 맞춰 선택해야 한다. 내마모성은 낮더라도 탄화물 분포가 더 균일하고 인성이 높은 강종이 마모가 아니라 파괴로 공구 수명이 끝나는 경우 더 긴 사용 수명을 제공할 수 있다.

D 강은 공랭 경화 강이므로 일반적으로 수냉 및 여러 유냉 처리에서 발생하는 심한 담금질 응력을 피할 수 있다. 이는 정밀 다이의 치수 제어에 도움이 되지만, “치수 안정성”이 치수가 전혀 변하지 않는다는 뜻은 아니다. 고탄소 고크롬 강은 담금질 후 상당량의 오스테나이트를 잔류시킬 수 있으며, 잔류 오스테나이트는 뜨임, 연삭 또는 사용 중에 변태할 수 있다. 여러 차례의 뜨임, 신중한 오스테나이트화 및 필요한 경우의 냉간 처리는 이러한 이동을 제어하는 데 도움이 된다. 담금질 후 연삭 화상과 뜨임되지 않은 표면층은 별도의 파손 경로를 만들 수 있다.

제조 공정도 중요하다. 분말 야금은 일반적인 잉곳 야금보다 더 미세하고 균일한 탄화물 분포를 만들 수 있으며, 이로써 큰 계열 분류 기호가 바뀌지 않더라도 내마모성과 인성 사이의 균형이 달라진다. 따라서 Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 서로 연관된 변수로 다룬다. Uddeholm의 냉간 가공 지침은 이와 관련된 경제적 측면도 제시한다. 즉, 선택은 적용 조건에 맞아야 하며 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다. 이는 높은 공칭 경도값이 아니라 수명 주기 성능을 기준으로 선택해야 한다는 의미다.

D 강종은 인성, 탄화물 조직, 치수 거동 및 표면 상태가 해당 공구에 적합한 경우에만 마모가 지배적인 냉간 가공 작업에 적합하다. 다른 다이에서는 A 계열이 변형을 더 효과적으로 관리할 수 있으며, 더 작은 공구에서는 O 계열이 더 단순한 유냉 경화 공정을 제공할 수 있다. 강종 기호는 금속학적 계열을 식별한다. 그 계열이 실제 사용 환경에서 살아남을 수 있는지는 사용 조건이 결정한다.

열간 작업용 및 고속도 공구강

H, M, T 계열은 모두 심한 열에 노출될 수 있기 때문에 종종 함께 분류되지만, 담당하는 용도는 서로 다르다. H 계열 강종은 주로 열간 작업용 공구강으로, 가열된 금속이나 반복적인 열 사이클에 노출되는 금형, 펀치, 인서트, 맨드릴 및 각종 공구에 사용된다. M 계열과 T 계열은 고속도강(HSS)으로, 절삭 가공 중 열을 발생시키는 절삭날을 위해 주로 개발되었다. 이 문자는 보편적인 성능 순위를 의미하지 않는다. ASM International의 설명에 따르면 공구강은 제조 부품을 절삭하거나 성형 또는 조형하는 공구를 만드는 데 사용되는 강이며, AISI 분류에는 W, L, S, O, A, D, H, M, T 계열이 포함된다(ASM International, 2020, 2024). 강종 기호는 경화 방법, 주요 적용 분야 또는 지배적인 합금 원소 체계를 나타낸다.

ASTM A681은 단조 합금 공구강 제품에 대한 표준 체계를 제시한다. 이 표준의 적용 범위에는 일반적으로 공구, 금형 또는 고정구로 제작되는 봉강, 후판, 박판, 스트립, 봉, 선재 및 단조품의 화학적, 기계적, 물리적 요구 사항이 포함된다(ASTM International, 2024). 따라서 강종 기호는 관리된 강종 유형을 식별할 뿐, 공구 날끝에서 보장되는 결과를 의미하지는 않는다. 탄화물 분포, 단조 또는 분말 공정 이력, 가공 손상, 오스테나이트화 조건, 담금질, 뜨임 및 표면 처리가 모두 사용 수명에 영향을 미친다.

고온용 공구를 위한 H 계열

H 계열은 사용 중 고온에서 강도가 저하되고 균열이 발생하는 문제를 주요 설계 과제로 삼기 때문에 열간 작업용 공구강으로 분류된다. 일반적인 강종에는 H10, H11, H12, H13, H19, H21 및 H26이 있다. 일반적으로 H10부터 H19까지를 포함하는 크롬계 열간 작업용 강종은 경화능, 뜨임 저항성 및 열피로 저항성을 확보하기 위해 크롬, 몰리브덴, 바나듐의 조합을 사용한다. H20부터 H26까지를 포함하는 텅스텐계 열간 작업용 강종은 고온 경도를 확보하기 위해 더 높은 텅스텐 함량을 사용하지만, 열피로 거동과 인성은 여전히 금형 환경에 맞게 선정해야 한다.

H13은 크롬-몰리브덴-바나듐 합금 체계가 인성, 내열성 및 히트 체킹 저항성 사이에서 유용한 균형을 제공하기 때문에 알루미늄 및 마그네슘 다이캐스팅 금형, 압출 공구 및 열간 성형 부품에 널리 사용된다. 그러나 모든 열간 작업에 자동으로 적합한 것은 아니다. 용융 알루미늄에 노출되는 금형, 해머로 타격되는 단조 금형, 압출 맨드릴은 온도, 충격, 침식 및 냉각 속도가 서로 다른 조합으로 작용한다.

열간 작업용 공구는 하나의 독립적인 메커니즘보다는 서로 연관된 일련의 과정으로 파손되는 경우가 많다. 공구 표면은 가공물과 접촉할 때 빠르게 가열되고, 분무 냉각을 받거나 공기에 노출될 때 냉각된 다음, 다음 사이클에서 다시 가열된다. 이러한 반복은 표면 부근에 인장 응력을 발생시킨다. 작은 균열이 발생하고 서로 연결되면서 히트 체킹 또는 열피로 균열로 알려진 망상 구조를 형성한다. 경도가 지나치게 높으면 균열이 발생하기 전에 공구가 견딜 수 있는 변형량이 줄어들 수 있으며, 경도가 부족하면 소성 변형, 세척 마모 및 조기 형상 손실이 발생한다.

공구 설계와 제조 공정은 공칭 강종만큼 중요하다. 크고 편석된 탄화물은 균열 발생 지점으로 작용할 수 있으며, 조대한 이전 오스테나이트 결정립은 인성을 저하시킨다. 단조 공정, 청정도, 그리고 해당되는 경우 전기슬래그 재용해 또는 분말 야금은 결함 분포와 탄화물 배열에 영향을 미친다. 연마되고 적절하게 질화된 표면은 균열 발생을 지연시킬 수 있지만, 표면층만으로 부적합한 심부 조직이나 잘못된 뜨임 사이클을 보완할 수는 없다.

열처리는 작업에 필요한 균형을 확립한다. 열간 작업용 강종은 일반적으로 오스테나이트화, 공기 또는 가압 가스 담금질, 그리고 여러 차례의 뜨임으로 경화한다. 목표는 단순히 실온에서의 최대 경도를 얻는 것이 아니다. 공구는 작업 열에 노출된 후에도 충분한 강도를 유지하는 동시에 충격과 열변형에 견딜 수 있을 만큼 충분한 인성을 보유해야 한다. 또한 대형 금형 내부의 온도 구배 때문에 치수 제어와 균일한 냉각이 중요하다.

절삭 성능을 위한 M 및 T 계열

M 계열은 몰리브덴계 고속도강을, T 계열은 텅스텐계 고속도강을 의미한다. 이러한 구분은 화학적·역사적 구분이지 단순한 성능 순위가 아니다. M2는 상당한 양의 텅스텐, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐을 함유하는 널리 사용되는 몰리브덴계 고속도강으로, 공칭 조성의 대략적인 균형은 흔히 텅스텐 약 6%, 몰리브덴 5%, 크롬 4%, 바나듐 2%, 탄소 약 0.8%로 설명된다. 반면 T1은 대표적인 텅스텐계 고속도강으로, 일반적으로 텅스텐 약 18%, 크롬 4% 및 바나듐 1%의 조성과 관련된다.

몰리브덴은 높은 경질 합금 탄화물의 양을 유지하면서 텅스텐계의 일부를 대체한다. M2에서 몰리브덴은 T1과 동일한 수준의 텅스텐을 필요로 하지 않으면서 2차 경화와 고온 경도에 기여한다. 그 결과 드릴, 밀링 커터, 브로치, 탭, 리머, 톱 및 범용 절삭 공구에 폭넓게 적용되는 절삭강 계열이 형성된다. T 계열 강종도 텅스텐이 풍부한 탄화물 체계와 내열성이 작업 조건에 적합한 경우 여전히 중요하다. 다만 선정 시에는 절삭 속도, 가공물 재료, 날끝 하중, 연삭 조건 및 공구 형상을 고려해야 한다.

대략적인 공칭 합금 함량(%)

M 계열에는 M35 및 M42와 같은 코발트 함유 강종도 포함된다. M35는 약 5%의 코발트를, M42는 약 8%의 코발트를 함유한다. 코발트는 경화된 조직이 유용한 강도를 유지하는 온도를 높이며 고속 절삭 성능을 향상시킬 수 있지만, 올바른 열처리의 필요성을 없애거나 치핑에 대한 완전한 내성을 제공하지는 않는다. 절삭날이 단속 절삭을 받거나 지지가 부족한 경우, 더 높은 경도와 더 높은 작업 온도를 갖는 강종이 오히려 더 빨리 파손될 수 있다.

고속도강의 적용 사례는 강종 기호만으로는 충분하지 않은 이유를 보여준다. 탭은 플랭크와 랜드에서 내마모성이 필요하고, 치아 파손을 방지할 수 있는 충분한 인성과 반복적인 맞물림 과정에서의 치수 정확도도 필요하다. 리머는 안정적이고 예리한 날끝과 작은 치수 변화를 필요로 한다. 과도한 치핑이나 치수 팽창은 완성된 구멍의 치수를 변화시키기 때문이다. 드릴, 브로치, 밀링 커터 또는 기어 절삭 공구는 동일한 강종에 서로 다른 요구 사항을 부과할 수 있다. 질화 티타늄 또는 질화 알루미늄 티타늄과 같은 코팅은 마찰을 줄이고 표면에서의 화학적 상호작용을 제한할 수 있지만, 절삭 하중은 여전히 모재가 부담한다. 이러한 이유로 Routledge의 공구강: 특성과 성능(2021)은 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 통해 강종의 성능을 다룬다.

고온 경도, 2차 경화 및 적열 경도

실온 경도는 여러 측정값 중 하나일 뿐이다. 절삭 공구는 담금질과 뜨임 후 매우 높은 경도를 나타낼 수 있지만, 절삭날의 온도가 수백 도에 이르면 하중을 지지하는 능력의 상당 부분을 잃을 수 있다. 고온 경도는 고온에서 경도와 강도를 유지하는 능력을 의미한다. 적열 경도는 이와 같은 실질적 요구 사항을 가리키는 오래된 현장 용어로, 절삭 중 날끝이 눈에 띄게 가열되더라도 유용한 성능을 유지해야 한다는 뜻이다.

고속도강은 합금 탄화물과 2차 경화를 통해 이러한 특성을 얻는다. 오스테나이트화 과정에서 탄소, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐의 일부가 오스테나이트에 용해된다. 담금질하면 일반적으로 잔류 오스테나이트를 포함하는 경질 마르텐사이트 조직이 형성된다. 적절한 온도에서 뜨임하면 미세한 합금 탄화물이 마르텐사이트에서 석출된다. 이러한 석출은 경도를 낮추기보다 오히려 높일 수 있으며, HSS의 특징인 2차 경화 피크를 형성한다. 반복 뜨임은 잔류 오스테나이트를 변태시키고 치수를 안정화한다.

탄화물의 종류가 중요하다. 바나듐이 풍부한 MC 탄화물은 특히 단단하고 연마 마모에 강하며, 텅스텐 및 몰리브덴이 풍부한 탄화물은 뜨임 저항성과 고온 경도를 뒷받침한다. 탄화물의 존재 자체만큼이나 크기, 간격, 방향성 및 연속성도 중요하다. 탄화물의 체적 분율이 높으면 내마모성이 향상될 수 있지만, 탄화물이 조대하거나 군집을 이루거나 단조 유동 방향을 따라 정렬되어 있으면 인성이 저하될 수 있다. 분말 야금 고속도강은 일반적인 잉곳 야금보다 더 균일한 탄화물 분포를 형성할 수 있지만, 적합한 경화 사이클은 여전히 필요하다.

열간 작업용 강도 뜨임 저항성에 의존하지만, 사용 조건은 HSS와 다르다. H13은 열 사이클과 고온 금속과의 기계적 접촉을 견뎌야 하며, M2 또는 M42는 마찰열이 절삭 영역 주변에 집중되는 동안 날카로운 날끝을 유지해야 한다. 전자는 히트 체킹이나 큰 폭의 변형으로 파손될 수 있고, 후자는 플랭크 마모, 크레이터 마모, 치핑 또는 날끝의 소성 둥글어짐으로 파손될 수 있다.

MDPI의 Coatings에 보고된 2020년 연구는 열처리 매개변수가 공구 심부 성능을 제어하는 주요 요인이라고 밝혔다. 이는 실용적인 원칙을 뒷받침한다. 조성은 잠재력을 확립하지만, 열처리는 그 잠재력 중 어느 정도가 실제로 사용 가능한 성능으로 발휘되는지를 결정한다. 강종 기호는 제어된 오스테나이트화, 담금질, 뜨임 및 검사를 대신할 수 없다.

따라서 선정은 파손 형태와 생산 조건에 따라 이루어져야 한다. Uddeholm의 2024년 냉간 작업용 지침은 강종을 적용 분야에 맞추고 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다는 관련 경제 원칙을 제시한다. 열간 작업용 공구와 고속도 공구의 경우, 같은 개념을 수명주기 성능으로 표현하는 편이 더 적절하다. 올바른 강종은 가장 인상적으로 들리는 문자를 가진 강종이 아니라, 실제 작업 사이클에서 탄화물 조직, 인성, 고온 경도, 열피로 저항성, 제조 경로 및 처리 조건이 요구되는 날끝 수명 또는 금형 수명을 제공하는 강종이다.

적용 분야: 파손 형태에 따른 강종 계열 선정

공구강 등급은 보편적인 서열에서의 위치를 의미하지 않는다. 문자는 특정 계열을 나타낼 뿐, 보장된 사용 성능을 의미하지 않는다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하는 공구 제작에 사용되는 강으로 정의하며, AISI 계열에는 W, L, S, O, A, D, H, M 및 T 계열이 포함된다. Maricopa Community Colleges의 Metallurgy에서 설명하듯이(2024년), 이러한 문자는 일반적으로 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금 체계를 나타낸다.

이러한 구분이 중요한 이유는 공구가 연마 마모, 응착 소착, 소성 변형, 열적 연화, 날 끝 치핑, 대규모 파괴, 피로 또는 치수 변동으로 파손될 수 있기 때문이다. 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 및 기타 합금 원소는 경화능과 탄화물 형성을 결정하지만, 제조 공정은 탄화물의 크기, 편석, 기공 및 개재물을 좌우한다. 이후 열처리는 이러한 탄화물 주위의 기지를 결정한다. 2020년 MDPI Coatings 연구는 해당 연구에서 검토한 코팅 시스템의 공구 코어 성능을 좌우하는 주요 요인이 열처리 변수라고 밝혔다. 코팅은 부적합한 코어를 보완할 수 없다.

ASTM International이 2024년에 제시한 ASTM A681은 일반적으로 공구, 금형 또는 지그로 제작되는 단조 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항을 규정하며, 여기에는 봉강, 판재, 박판, 스트립, 봉, 선재 및 단조품이 포함된다. 따라서 적용에 관한 결정은 사용 조건에서 출발하여 계열과 등급, 열처리, 단면 크기, 표면 상태 및 제조 공정을 차례로 좁혀 가는 방식으로 이루어진다.

절삭, 드릴링, 탭 가공 및 리밍

절삭 공구에는 안정적인 예리한 날이 요구된다. 주요 요구사항은 경도, 고온 경도, 내마모성 및 날 변형 저항성이며, 단속 절삭, 채터, 개재물 및 정렬 불량으로 인해 매우 단단한 날도 치핑될 수 있으므로 인성 역시 중요하다.

수동 절삭 공구에는 수경성 W 등급, 저합금 L 등급 또는 유경성 O 등급이 자주 사용된다. AISI W1은 물 담금질 후 높은 경도에 도달할 수 있지만, 낮은 경화능과 변형 위험 때문에 단면 크기에 제약이 있으며 열처리 제어가 중요하다. 유경성 등급인 AISI O1은 중간 정도의 단면을 보다 예측 가능하게 경화하면서도 처리 전 유용한 가공성을 유지한다. 저합금 계열의 AISI L6은 최대 내마모성보다 내충격성과 인성이 중요할 때 선택된다. 이들은 서로 다른 파손 양상에 대응하는 서로 다른 해법이지, 연속적인 품질 등급이 아니다.

드릴, 탭 및 리머에는 더욱 가혹한 날 끝 및 비틀림 조건이 가해진다. 탭은 토크 반전과 칩 배출 문제를 견디면서 플랭크 마모와 소착에 저항해야 한다. 리머는 적은 양의 재료만 제거하지만 일정한 구멍 크기를 유지해야 하므로 날 유지력과 치수 안정성이 필요하다. 몰리브덴계 고속도강 M 등급과 텅스텐계 고속도강 T 등급으로 이루어진 고속도강 계열은 일반 탄소 공구강이 연화되는 절삭 온도에서도 유용한 경도를 유지한다. AISI M2와 AISI T1은 널리 알려진 기준 등급이지만, 올바른 선택은 절삭 속도, 공작물 경도, 절삭유, 형상 및 절삭이 연속적인지 단속적인지에 따라 달라진다.

탄화물 조직은 공칭 경도 이상의 요소를 좌우한다. 미세하고 균일하게 분포된 합금 탄화물은 큰 균열 발생원을 만들지 않으면서 내마모성을 뒷받침할 수 있다. 반면 조대하거나 편석된 탄화물은 연삭 또는 간헐 절삭 중에 날을 갈라지게 할 수 있다. M 등급은 일반적으로 몰리브덴과 텅스텐의 탄화물 형성 첨가 원소에 의존하며, T 등급은 텅스텐의 비중이 더 크다. 등급 기호만으로는 탄화물 간격, 청정도 또는 단조 및 분말 공정의 결과를 알 수 없다.

드릴링에는 비틀림 피로와 칩 배출에 따른 응력이 추가된다. 고온 경도가 뛰어난 드릴이라도 코어가 지나치게 취성적이거나, 플루트 표면 마감이 불량하거나, 열처리 후 잔류 오스테나이트가 과도하게 남아 있으면 파손될 수 있다. 탭 가공은 특히 허용 오차가 작다. 소량의 소착만으로도 토크가 증가하여 공구가 파괴될 수 있다. 리밍에서는 치수 안정성, 표면 마감 및 제어된 마모가 더 중요해진다. 표면 처리는 마찰과 응착을 변화시킬 수 있지만, 요구되는 코어 인성을 대신할 수는 없다.

블랭킹, 펀칭, 헤딩 및 엠보싱

블랭킹과 펀칭은 반복적인 압축 하중, 미끄럼 마모 및 절삭 날 끝의 국부 응력 집중에 의해 좌우된다. 펀치 또는 금형은 소성 압흔과 연마에 의한 날 무뎌짐에 저항해야 하며, 동시에 정렬 불량, 버, 슬러그 끌림 및 단속 접촉을 견딜 수 있을 만큼 충분한 치핑 저항성을 유지해야 한다.

고탄소 고크롬 계열의 AISI D2는 크롬이 풍부한 탄화물을 다량 형성하여 높은 내마모성을 제공한다. 따라서 날 마모가 지배적인 경우 매력적인 선택이지만, 탄화물의 분포와 열처리 반응 때문에 연삭 관리가 불량하거나 충격이 심할 때 문제가 발생할 수 있다. 공랭 경화 등급인 AISI A2는 일반적으로 다른 균형을 제공한다. 많은 고탄소·고탄화물 대체재보다 높은 인성과 치수 안정성을 유지하면서 내마모성을 제공한다. AISI O1은 간단한 가공과 유경이 유리한 비교적 가혹하지 않은 냉간 가공에 사용할 수 있다. 충격 저항 등급인 AISI S7은 최대 미끄럼 마모 수명보다 치핑이나 파괴가 주요 위험일 때 더욱 적합하다.

얇은 판재의 블랭킹과 두껍고 연마성이 높은 소재의 펀칭은 동일한 작업이 아니다. 클리어런스, 판재 강도, 버 형성, 펀치의 세장비 및 프레스 정렬이 응력장을 변화시킨다. D 등급 펀치는 한 생산 라인에서는 마모에 저항할 수 있지만, 공구에 충격이 가해지는 다른 라인에서는 치핑될 수 있다. 반대로 S 등급 공구는 충격을 견디면서도 연마성 소재에서는 날을 빠르게 잃을 수 있다. Uddeholm의 2024년 냉간 가공 지침은 실용적인 공학 원칙을 제시한다. 즉, 적용 분야에 맞는 강을 선택하고 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다. 야금학적으로 이는 단순히 경도값만 비교하는 것이 아니라 재연삭, 조기 파괴, 소착, 가동 중단 및 치수 손실을 비교해야 한다는 의미이다.

냉간 헤딩은 금형에 또 다른 요구를 가한다. 헤딩 금형과 펀치는 선재 또는 봉재를 압축하면서 반복적으로 충격을 흡수하므로 인성, 압축 강도 및 피로 저항성이 함께 작용해야 한다. 한 번의 타격은 견디지만 수백만 회의 반복 하중에서 미세 균열이 누적되는 금형은 공정에 적합하지 않다. 심한 충격에는 충격 저항 S 등급이 적합할 수 있으며, 마모와 치수 유지가 지배적인 경우에는 A, D 또는 기타 냉간 가공 계열을 사용할 수 있다. 올바른 열처리 상태는 절충의 결과이다. 과도한 경도는 치핑 위험을 높이고, 경도가 부족하면 소성 유동과 금형 캐비티의 조기 확대가 발생한다.

엠보싱 공구는 완전한 파괴보다는 표면 손상으로 고장 나는 경우가 많다. 응착물 부착, 소착, 연마 자국 및 국부 소성 변형은 모든 부품에 결함을 전사할 수 있다. 미세한 탄화물 조직, 안정된 뜨임 기지, 세심한 연마 및 제어된 표면 처리가 핵심이 된다. 치수 제어는 열처리 변형, 잔류 오스테나이트, 가공 여유 및 사용 중 금형 지지에도 좌우된다. 공칭 경도가 더 높은 강이라도 열처리 중 변형되거나 판재 표면을 손상시키면 더 나쁜 부품을 생산할 수 있다.

성형, 금형, 다이, 지그 및 식기류

성형 및 가공 공구는 접촉 압력, 미끄럼, 열 사이클 및 때로는 부식성 고분자 분해 생성물에 노출된다. 냉간 성형에서는 치수 안정성, 내마모성 및 소착 저항성이 중요하며, 열간 성형에서는 열피로, 산화 및 연화가 추가된다. 크롬계 열간 공구강인 AISI H13은 합금 설계가 고온 강도와 열피로 저항성을 뒷받침하므로 고온에서 작동하는 금형과 공구에 사용된다. 그러나 냉간 가공 등급을 보편적으로 대체할 수 있는 강은 아니다. 냉간에서 연마성 접촉이 발생하는 경우에는 AISI D2 또는 AISI A2가 더 적합할 수 있으며, 충격이 지배적인 경우에는 AISI S7을 선택할 수 있다.

금형은 작업 방식만큼이나 파손 양상에 의해 규정된다. 인발 금형은 미끄럼 마모와 마찰을 겪는다. 굽힘 금형에는 집중 압력과 날 끝 하중이 작용한다. 압출 금형은 높은 압축 응력, 온도 및 소재 유동에 직면한다. 금형에는 광택성, 내식성, 열전도성 또는 유리 섬유에 의한 마모 저항성이 요구될 수 있다. 따라서 단면 크기, 뜨임 온도, 질화, 코팅 또는 작업 표면 마감이 바뀌면 동일한 계열도 다르게 거동할 수 있다.

지그에는 일반적으로 블랭킹 금형과 같은 극도의 내마모성이 필요하지 않다. 클램핑과 취급을 견딜 수 있을 정도의 충분한 인성, 압흔을 방지하기 위한 적절한 경도, 반복적인 셋업 사이클에서의 치수 안정성이 필요하다. 최대 탄화물 함량보다 가공성, 중간 수준의 마모 및 예측 가능한 열처리가 중요한 경우에는 저합금 L 등급, O 등급 또는 일부 A 등급이 합리적인 선택이 될 수 있다. 지나치게 경화된 지그는 가공이 어려워지고, 날카로운 모서리에서 균열이 발생하기 쉬우며, 충격에 불필요하게 민감해질 수 있다.

식기류는 이러한 균형을 친숙한 형태로 보여 준다. 절삭 날에는 경도와 내마모성이 필요하지만, 칼은 굽힘, 비틀림 및 우발적인 충격에 견디는 인성도 필요하다. AISI D2와 같은 고탄소 공구강은 탄화물에 기반한 내마모성을 통해 날을 유지할 수 있지만, 그 거동은 열처리, 단면 두께, 연삭 및 날 형상에 크게 좌우된다. AISI 420과 같은 스테인리스 식기류 등급은 주요 AISI 공구강 계열에 속하지 않지만, 내식성이 날 유지력과는 별개의 사용 요구사항일 수 있음을 보여 준다. 더 단단한 날이 자동으로 더 내구성이 높은 칼을 의미하는 것은 아니다.

Routledge가 2021년에 출간한 Tool Steels: Properties and Performance에서 제시한 체계는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 서로 연계된 제어 요소로 다룬다. NBS Monograph 88과 ASM International은 이러한 관점의 역사적·야금학적 토대를 제공한다. 강종 선정은 지배적인 손상 메커니즘을 기준으로 진행한 뒤, 탄화물 구조, 청정도, 경화 깊이, 뜨임 반응, 변형 및 표면 상태를 검증해야 한다. AISI 문자는 선택 범위를 좁혀 줄 뿐, 공학적 결정을 대신하지는 않는다.

표면 공학, 코팅 및 공구 심부

코팅된 공구는 강철 손잡이 위에 코팅을 입힌 것이 아니다. 이는 작업 표면, 확산층 또는 경화층, 코팅, 강철 모재, 그리고 열처리된 심부가 함께 하중을 지지해야 하는 층상 기계 시스템이다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭하거나 성형하거나 형상 가공하는 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 정의하지만, 표면 공학은 공구가 공작물과 상호작용하는 방식을 변화시킨다. 그렇다고 해서 기초 강종을 올바르게 선정하고 열처리해야 할 필요성이 사라지는 것은 아니다.

이 구분이 중요한 이유는 강종 기호가 표면 성능의 우열을 결정하지 않기 때문이다. AISI D2 공구강, AISI H13 열간 작업용 강 및 AISI M2 고속도강은 모두 경질 표면 처리나 증착 코팅을 적용할 수 있지만, 탄화물의 분포, 뜨임 반응, 열전도도, 인성 수준 및 치수 변화가 서로 다르다. 코팅 후에도 사용 한계는 서로 다르게 유지된다.

표면 경화 및 처리층

표면 경화는 강 자체에 강화 영역을 형성한다. 질화는 표면에 질소를 도입하여 크롬, 몰리브덴, 바나듐 또는 알루미늄과 같은 원소와 합금 질화물을 형성한다. 침탄은 경화 전에 표면 부근의 탄소 농도를 높여, 저탄소 심부 위에 탄소가 풍부한 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 반면 유도 경화와 레이저 경화는 제어된 깊이를 신속하게 가열하고, 기존 탄소 함량에 의존하여 마르텐사이트를 형성한다.

이렇게 형성된 층은 소재 전체의 경도와 동등하지 않다. 경화층은 내부보다 훨씬 높은 경도를 가지면서도 충격 하중을 지지하는 더 질긴 심부를 유지할 수 있다. 이러한 경도 구배는 소성 압흔과 응착 마모를 줄일 수 있지만, 동시에 응력이 집중되는 전이 영역을 만든다. 경화층 깊이, 화합물층 두께, 확산 균일성, 잔류 오스테나이트, 탄화물 분포 및 뜨임 상태는 모두 처리층이 사용 중 견딜 수 있는지를 좌우한다.

공구강은 작업 단면 전체에 걸쳐 높은 경도를 갖도록 이미 선정되는 경우가 많다. 이러한 강종에서는 과도한 표면 경화가 인성을 저하시키거나, 유용하게 하중을 지지하는 전이층 대신 취성 화합물층을 형성할 수 있다. 오스테나이트화 중 탈탄은 반대되는 문제를 일으킨다. 명목상 강종은 올바르더라도 표면에서 탄소가 손실되어 의도한 경도에 도달하지 못할 수 있다. 손상된 층을 연삭하여 제거하면 형상을 복원할 수 있지만, 불균일한 미세조직이 노출되거나 설계된 경화층 깊이가 감소할 수도 있다.

Coatings에 게재된 2020년 코팅 시스템 연구는 열처리 매개변수가 공구 심부 성능을 제어하는 주요 요인이라고 밝혔다. 이 결과는 표면 처리를 올바른 순서로 고려하게 한다. 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 담금질 강도, 규정된 경우의 영하 처리 및 뜨임은 코팅을 적용하기 전에 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물 상태 및 잔류 응력을 결정한다. 증착된 경질층은 불충분하게 경화되었거나 과도하게 뜨임된, 탈탄된 또는 균열에 민감한 심부를 건전한 공구로 바꿀 수 없다.

코팅 및 모재 지지

코팅은 소재 전체가 동시에 가질 수 없는 특성을 얇은 표면에 부여한다. 높은 경도는 연마 마모에 저항하고 재료 전이를 줄일 수 있으며, 화학적 안정성은 공작물과의 반응을 제한할 수 있고, 저마찰 표면은 응착과 발열을 낮출 수 있다. 그러나 이는 마모 및 마찰 측면의 이점일 뿐, 파괴 저항성을 입증하는 것은 아니다.

코팅 경도는 코팅 내부에서 압흔이나 소성 변형에 저항하는 정도를 나타낸다. 코팅 접착력은 열적·기계적·화학적 하중을 받는 동안 해당 층을 모재에 부착된 상태로 유지하는 데 필요한 힘과 관련된다. 두 특성은 서로 별개다. 접착력이 약한 매우 경한 코팅은 박편 형태로 박리될 수 있다. 접착력이 우수한 코팅은 부착된 상태를 유지하더라도 그 아래의 더 연한 모재가 항복하면 표면에 균열이나 변형이 발생할 수 있다.

따라서 모재는 충분히 높은 경도와 치수 안정성을 갖춘 기초를 제공해야 한다. 심부가 소성 변형을 일으키면 코팅도 그 변형을 따라가면서 미세 균열이 발생하거나 좌굴하거나 박리될 수 있다. 조대한 탄화물이 불연속적인 하중 전달 경로를 형성하면 탄화물–기지 계면에서 국부 응력이 증가한다. 강에 연삭번, 겹침, 겹선, 기공 또는 표면 인장 응력이 존재하면 코팅이 결함을 일시적으로 가릴 수는 있지만, 균열을 구동하는 상태 자체는 그대로 남는다.

제조 경로는 명목 조성만큼이나 중요하다. 일반적인 단조 AISI D2는 방향성을 가진 크롬 부화 탄화물 분포를 나타낼 수 있는 반면, 분말야금 소재는 더 미세하고 균일한 탄화물 분포를 제공할 수 있다. 이러한 차이는 코팅 아래에서의 날 지지력과 균열 성장에 영향을 미친다. 그렇다고 한 제조 경로가 보편적으로 우수하다는 뜻은 아니다. 중요한 질문은 미세조직이 접촉 압력, 충격 수준, 공작물의 연마성 및 고장 형태에 부합하는가이다.

증착 온도 역시 뜨임 상태에 적합해야 한다. 코팅 공정 온도보다 낮은 온도에서 뜨임한 공구는 증착 중 연화될 수 있다. AISI H13과 같은 열간 작업용 강종의 경우, 코팅 자체가 손상되지 않더라도 반복적인 열 사이클로 마르텐사이트의 뜨임 상태, 석출물 상태 및 잔류 응력이 변할 수 있다. 사용 온도도 또 하나의 변수다. 저온의 미끄럼 접촉에서 우수한 성능을 보이는 코팅이라도 열간 성형에서는 산화되거나 연화되거나 공작물과 반응하거나 접착력을 잃을 수 있다.

접착력, 잔류 응력 및 날의 건전성

표면 전처리는 코팅과 강철 사이의 최초 기계적 결합을 좌우한다. 일반적으로 탈지, 제어된 블라스팅 또는 연마, 산화물 제거 및 최종 세척 단계가 포함되지만, 각 작업은 표면을 변화시킨다. 거칠기는 일정 범위 내에서 기계적 맞물림을 향상시킬 수 있으나, 과도한 거칠기는 날카로운 돌기와 얇은 부분을 만든다. 연마된 표면은 마찰을 낮출 수 있지만 고정 효과가 약해질 수 있으며, 연삭으로 인해 번진 금속이 남을 수도 있다. 전처리는 오염물을 제거하면서 절삭날을 둥글게 만들거나 인장 손상을 유발하지 않도록 해야 한다.

잔류 응력은 도움이 될 수도 있고 해가 될 수도 있다. 질화층이나 증착 코팅의 압축 응력은 표면 균열의 개시를 지연시킬 수 있다. 그러나 과도한 압축 응력은 층이 충분히 지지되지 않을 때 좌굴이나 박리를 유발할 수 있다. 인장 응력은 특히 날카로운 날, 연삭번, 탄화물 군집 또는 코팅 결함에서 균열 개시를 촉진한다. 코팅과 강철 사이의 열팽창 불일치는 증착, 냉각 및 사용 온도 변화 중에 추가 응력을 발생시킨다.

날 형상은 코팅된 공구가 가장 먼저 파손되는 지점인 경우가 많다. 코팅은 유한한 두께를 가지므로 무한히 날카로운 반경 위에서 완벽하게 균일한 층을 유지할 수 없다. 날 끝이 지나치게 얇으면 증착, 취급 또는 공작물과의 최초 접촉 중에 치핑이 발생할 수 있다. 작고 제어된 날 반경은 코팅을 지지하고 응력 집중을 줄일 수 있지만, 반경이 지나치게 크면 절삭 형상이 변하고 성형력이 증가한다. 적절한 날은 연마 마모, 응착성 소착, 치핑, 소성 붕괴 또는 열 균열 중 어떤 손상 형태가 지배적인지에 따라 결정된다.

Routledge의 2021년 참고문헌 Tool Steels: Properties and Performance는 성능을 코팅 선정만으로 설명하지 않고 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅의 상호작용을 통해 다룬다. 이러한 체계는 Uddeholm의 실무 지침과도 일치한다. 즉, 냉간 작업용 금형의 경제성은 공구강을 적용 분야에 맞추고 생산 부품당 비용을 최소화하는 데 달려 있다. 심부, 날, 전처리 및 열 사이클을 제어하면 코팅이 사용 수명을 연장할 수 있다. 그러나 인성이 부족한 강종, 모재를 불안정하게 만드는 뜨임 상태 또는 코팅–모재 시스템의 수용 능력을 넘어 하중을 집중시키는 형상을 코팅이 보완할 수는 없다.

규격, 사양 및 공구강 데이터시트 읽기

공구강 데이터시트에는 서로 혼동하기 쉬운 여러 종류의 정보가 포함되어 있습니다. 규격은 재료가 충족해야 하는 요건을 정의합니다. 강종 지정은 조성 계열과 전통적인 사용 목적을 나타냅니다. 이후 제조업체의 데이터시트는 해당 강종을 어떻게 단조, 기계가공, 경화, 뜨임 및 마감해야 하는지를 권장합니다. 이 세 가지 층위는 서로 관련되어 있지만 상호 대체할 수는 없습니다.

ASM International은 공구강을 “제조 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강”으로 정의합니다(2024). AISI 분류에는 W, L, S, O, A, D, H, M 및 T 계열이 포함됩니다(2020). 이 문자는 대개 보편적인 성능 척도가 아니라 담금질 방법, 주요 적용 분야 또는 지배적인 합금계통을 나타냅니다. 예를 들어 AISI O1은 유냉 경화 냉간가공강이고, AISI D2는 고탄소·고크롬 냉간가공강이며, AISI H13은 크롬계 열간가공강입니다. 강종 지정은 야금학적 출발점을 좁혀 줍니다. 그러나 하중, 온도, 윤활, 형상, 표면 상태 및 파손 형태를 고려하지 않고는 공구 수명을 예측할 수 없습니다.

ASTM A681이 규정하는 사항

ASTM A681은 제품 사양이지, 완성된 펀치, 금형, 커터 또는 성형 인서트의 성능을 설명하는 완전한 기준은 아닙니다. ASTM International은 “ASTM A681은 단조 합금 공구강 제품에 대한 화학적, 기계적 및 물리적 요건을 규정한다”고 명시합니다(2024). 이 규격의 적용 범위에는 일반적으로 공구, 금형 또는 고정구로 제작되는 봉, 판, 박판, 스트립, 봉재, 선재 및 단조품이 포함됩니다. 이 사양은 공급되는 강재에 대해 강종 화학 조성과 관련 재료 특성 등을 포함한 요건을 설정하는 한편, 구매자와 제조업체가 제품 형태, 크기, 상태 및 시험과 같은 세부 사항을 정할 수 있도록 합니다.

Wrought라는 단어가 중요합니다. 소성가공 제품은 단조, 압연 또는 인발과 같은 공정을 통해 기계적으로 가공된 제품이며, 그 가공 이력은 결정립 흐름, 편석, 기공, 탄화물 분포 및 방향성 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 ASTM A681은 재료 관리 단계에 해당합니다. 이 규격이 모든 공구 형상에 대해 특정 열처리 사이클을 인증하는 것은 아니며, 완성 부품을 검사할 필요성을 없애 주지도 않습니다.

데이터시트에는 같은 페이지에 AISI D2, ASTM A681 및 제조업체의 고유 내부 지정이 함께 기재될 수 있습니다. 이 항목들은 서로 다른 역할을 합니다. “AISI D2”는 공인된 강종 계열을 식별합니다. “ASTM A681”은 단조·소성가공 제품을 공급할 때 적용할 수 있는 사양을 나타냅니다. 제조업체의 내부 지정은 용해 공정, 재용해 공정, 청정도 수준 또는 가공 상태를 설명할 수 있습니다. 문서에서 화학 조성과 요건을 정의하지 않는 한, 이를 새로운 보편적 강종으로 읽어서는 안 됩니다.

또한 이 규격을 순위 체계로 보아서는 안 됩니다. AISI의 W, L, S, O, A, D, H, M 및 T 계열은 서로 다른 절충 특성을 다룹니다. W 계열은 주로 수냉에 의존하며 적절한 단면에서는 높은 경도를 제공할 수 있는 반면, S 계열은 내충격성을 중시합니다. M 및 T 계열은 각각 주로 몰리브덴과 텅스텐 합금을 기반으로 하는 고속도강 계열입니다. D 계열 조성은 상당한 탄화물 관련 내마모성을 제공할 수 있지만, 반복 충격이 지배적인 환경에서는 파괴 거동이 부적합할 수 있습니다. 올바른 비교는 요구되는 파손 저항성과 재료의 탄화물 구조, 인성, 경화능, 고온 경도, 치수 안정성 및 확보 가능한 표면 상태를 비교하는 것입니다.

화학 조성과 공급 상태

화학 조성 표에는 일반적으로 공칭 조성 범위가 제시되며, 이는 강재의 실제 사용 상태를 완전히 설명하지는 않습니다. 탄소는 기지의 경도와 탄화물 형성에 영향을 미칩니다. 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 경화능, 2차 경화, 고온 경도, 그리고 합금 탄화물의 종류와 부피 분율에 영향을 줍니다. 규소와 망간은 탈산 및 경화능에 영향을 미치며, 황은 기계가공성을 위해 관리될 수 있지만 횡방향 인성에 영향을 줄 가능성이 있습니다. 동일한 공칭 화학 조성이라도 탄화물 크기, 편석, 개재물 함량 및 이전 오스테나이트 결정립 크기가 다르면 거동이 달라질 수 있습니다.

따라서 공급 상태는 별도로 검토해야 합니다. “풀림 상태”는 일반적으로 경도를 낮추고 기계가공성을 향상시키기 위해 제어된 연화 처리를 거친 후 공급되었음을 의미합니다. 이는 해당 강재가 최종 공구 특성을 갖추었다는 뜻이 아닙니다. 풀림 상태의 D2 봉재와 진공 경화된 D2 펀치는 동일한 강종이지만, 사용 중인 재료 상태는 동일하지 않습니다. 데이터시트에는 최대 풀림 경도, 구상화 탄화물 조직, 결정립 크기 또는 미세조직 요건이 명시될 수도 있습니다. 조대한 탄화물과 밴드 조직은 치핑을 촉진할 수 있으며, 과도한 결정립 성장은 인성을 저하시키므로 이러한 세부 사항이 중요합니다.

기재된 특성이 종방향인지 횡방향인지 확인해야 합니다. 압연과 단조는 개재물과 탄화물 스트링거를 길게 늘려 연성, 충격 저항성 및 파괴 경로에 방향성 차이를 만들 수 있습니다. 종방향 인장 시험 결과가 횡방향 펀치 모서리의 특성을 자동으로 나타내는 것은 아닙니다. 청정도 등급과 개재물 검사는 추가 정보를 제공하지만, 모든 결함 집단을 설명하지는 않습니다. 제조 공정—통상적인 주괴 야금, 일렉트로슬래그 재용해 또는 다른 정련 공정—은 강종명이 변하지 않더라도 편석과 개재물 형상을 변화시킬 수 있습니다.

Routledge의 Tool Steels: Properties and Performance (2021)는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 통해 강종의 거동을 다룹니다. 이러한 순서는 유용합니다. 조성은 잠재 성능을 설정하고, 제조 공정은 결함 및 탄화물 집단의 일부를 결정하며, 열처리는 기지와 경도·인성의 최종 균형을 결정합니다. MDPI의 Coatings에 게재된 2020년 연구는 해당 코팅 시스템에서 공구 코어 성능을 제어하는 주요 요인으로 열처리 매개변수를 제시했습니다. 이 결과는 화학 조성이 중요하지 않다는 뜻이 아니라, 화학 조성만을 기준으로 한 비교가 불완전하다는 점을 보여 줍니다.

경도 범위, 시험 방법 및 열처리 관련 참고 사항

데이터시트의 경도는 풀림 상태의 공급 조건, 권장 경화 상태 또는 뜨임 후 목표 경도를 나타낼 수 있습니다. 값을 비교하기 전에 제목과 각주를 확인해야 합니다. “최대 풀림 경도”와 같은 범위 표기는 기계가공성에 관한 사양이지, 경화 후 확보 가능한 경도의 증거가 아닙니다. 권장 오스테나이트화 온도, 담금질 매체, 뜨임 온도 및 유지 시간은 하나의 공정 경로일 뿐, 모든 단면 크기에 대한 보증은 아닙니다.

로크웰, 브리넬 및 비커스 값은 서로 대체할 수 있는 숫자가 아닙니다. 일반적으로 HRC로 표기되는 로크웰 C 경도는 다이아몬드 원뿔 압자를 사용하며, 규정된 예비 하중과 주 하중을 적용합니다. ASTM E18은 로크웰 경도 시험을 규정합니다. ASTM E10이 다루는 브리넬 경도는 압자 볼을 사용하며, 더 연하거나 크기가 큰 재료에 적합합니다. 미세 압입 및 관련 경도 시험에 대해 ASTM E384가 다루는 비커스 경도는 다이아몬드 피라미드 압자를 사용하며, 작은 영역, 침탄·경화층 깊이 또는 개별 미세조직 영역을 측정할 수 있습니다. 하중, 압자 형상, 표면 마감 및 시험편 두께가 다르면 결과가 달라질 수 있습니다.

환산표는 정해진 범위 내에서 대략적인 대응값을 제공합니다. 특히 매우 경도가 높은 공구강, 얇은 단면, 탈탄 표면 또는 불균일한 탄화물 조직에서는 하나의 시험을 동일한 불확실성을 가진 다른 측정값으로 바꾸어 주지 않습니다. 경화층을 통과하도록 연마된 비커스 측정 경로가 답하는 질문은 벌크 시험편에서 측정한 HRC 값이 답하는 질문과 다릅니다.

마지막으로 결정립 크기 제어, 예열, 오스테나이트화, 담금질, 극저온 처리, 뜨임 및 변형 한계에 관한 열처리 관련 참고 사항을 검토해야 합니다. NBS Monograph 88은 역사적 용어와 기초적인 철강 야금에 관한 유용한 연방 참고자료로 여전히 활용할 수 있으며, ASTM은 제품에 대한 체계를 제공합니다. 그러나 어느 쪽도 실제 공구에 대한 공정 적격성 평가를 대신할 수는 없습니다. Uddeholm의 냉간가공용 공구강 지침은 실무적 목표를 명확히 제시합니다. 즉, 적용 분야에 적합한 강을 선택하고 생산 부품당 비용을 최소화해야 합니다(2024). 공학적으로 이는 데이터시트에서 가장 높은 경도 수치를 선택하는 것이 아니라, 마모, 치핑, 소성 변형, 히트체킹, 부식 및 치수 변화로 인한 수명주기 손실을 최소화하는 것을 의미합니다.

고장 분석: 공구가 고장 난 원인 진단

고장 난 공구는 등급 표기만으로 진단해서는 안 된다. AISI W, L, S, O, A, D, H, M, T 계열은 담금질 방법, 주요 적용 분야 또는 지배적인 합금계통을 나타내며, 약한 것부터 강한 것까지의 보편적인 순위를 구성하지 않는다. AISI D2 펀치, AISI S7 치즐, AISI H13 금형은 서로 다른 사용 조건에 맞게 모두 올바르게 선정될 수 있지만, 열처리, 모서리 형상, 표면 마감 또는 하중 사이클이 잘못되면 각각 고장 날 수 있다.

첫 번째 과제는 증거를 보존하는 것이다. 공구의 위치, 작동 온도, 하중, 스트로크 속도, 가공물 재료, 윤활제, 생산 부품 수, 그리고 최초로 육안 손상이 나타난 정확한 위치를 기록한다. 고장 난 공구를 미사용 공구와 비교하고, 가능하다면 예상 수명을 완료한 공구와도 비교한다. 파단면은 검사 전에 연마하거나 블라스트 처리하거나 손으로 만져서는 안 된다. 이후의 고장 조사는 육안 검사, 파면 분석, 경도 분포 측정, 금속조직 분석, 치수 측정, 그리고 열처리 기록 검토를 종합하여 수행한다.

이러한 접근법은 분류를 공학적 추론으로 전환한다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하기 위한 공구 제작에 사용되는 강으로 정의하며, ASTM A681은 봉강, 판재, 박판, 스트립, 봉, 선재 및 단조품을 포함한 가공 합금 공구강 제품의 화학적, 기계적 및 물리적 요구사항을 규정한다. 어느 참고 기준도 공칭 등급이 모든 하중 조건에서 올바르게 작동한다고 보장하지 않는다. 조성은 잠재 성능을 확립하고, 제조 공정은 편석, 개재물 및 탄화물 분포를 결정하며, 열처리는 최종 조직의 상당 부분을 결정한다.

소성 변형 및 조기 마모

소성 변형은 일반적으로 실제 사용 온도에서 국부 응력이 공구의 항복강도 또는 압축강도를 초과했다는 의미다. 냉간 펀치에서는 선단이 버섯 모양으로 퍼지거나, 눌려 퍼지거나, 함몰될 수 있다. 열간 금형에서는 가열된 소재와 반복적으로 접촉한 후 캐비티가 넓어지거나 세부 형상이 소실될 수 있다. 핵심 질문은 상온 경도가 허용 범위로 보였는지가 아니라, 실제 작업 온도에서 공구가 충분한 경도와 압축강도를 갖추었는지 여부다.

AISI H13과 같은 열간 작업용 등급은 고온 경도 유지 능력, 뜨임 저항성 및 열피로 저항성에 의존한다. 냉간 작업용 등급은 상온에서 높은 경도를 보이더라도 예상보다 높은 온도의 성형 작업 중 연화될 수 있다. 지나치게 낮은 온도에서의 뜨임, 과도한 오스테나이트화 온도, 탈탄 또는 잘못된 냉각 일정은 작용 하중을 지지하지 못하는 공구 심부를 남길 수 있다. 따라서 노 온도 기록, 담금질 기록, 뜨임 시간 및 측정 경도를 검토하는 것이 필수적이다. 2020년 MDPI Coatings 연구는 열처리 변수가 공구 심부 성능을 제어하는 주요 요인이라고 밝혔다. 이 결과는 등급 표기 자체보다 열처리 기록이 더 많은 정보를 제공한다는 점을 뒷받침한다.

경도 분포 측정은 심부 문제와 표면 문제를 구분하는 데 도움이 된다. 고장 부위, 영향을 받지 않은 부위, 그리고 작업 모서리에서 중심부 방향으로 채취한 단면을 측정한다. 표면 근처에서 경도가 급격히 낮아진다면 탈탄, 과열, 연삭 번 또는 불충분한 표면 경화 처리를 의미할 수 있다. 전체적으로 경도가 낮다면 오스테나이트화, 담금질 또는 뜨임이 잘못되었을 가능성이 높다. 변형이 발생했는데도 경도가 높다면 하중에 비해 압축강도가 부족했거나, 단면 응력이 과도했거나, 사용 온도가 해당 등급의 뜨임 저항 범위를 초과했음을 시사한다.

조기 마모의 경우에는 무엇이 재료를 제거했는지 질문해야 한다. 연삭 마모는 단단한 입자나 돌기가 공구 표면을 미끄러지며 지나간 부위에 평행한 스크래치, 둥글어진 모서리 및 형상 손실을 만든다. 응착 마모는 가공물 재료의 전이, 찢긴 부분 및 국부 용착을 일으킨다. 두 경우 모두 탄화물의 분포가 중요하다. 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐과 같은 탄소 및 탄화물 형성 원소는 내마모성을 높일 수 있지만, 크고 불균일한 탄화물은 모서리 지지력을 낮추고 파괴를 촉진할 수 있다. 예를 들어 AISI D2는 다량의 크롬 탄화물을 함유하여 마모에 저항할 수 있지만, 실제 성능은 탄화물의 크기, 방향성, 열처리 및 모서리 설계에 크게 좌우된다.

금속조직 분석에서는 탄화물의 종류와 크기, 밴딩, 잔류 오스테나이트, 탈탄 및 비금속 개재물을 검사해야 한다. 마모 영역에서 채취하여 연마 및 부식한 단면은 공구가 미세하고 비교적 균일한 조직을 갖는지, 아니면 응력을 집중시키는 조대한 탄화물 네트워크를 갖는지를 보여줄 수 있다. 2020년 ASM International의 공구강 관련 기술 자료는 성능이 내마모성, 인성, 고온 경도, 탄화물 및 열처리의 조합과 연관된다는 점을 적절히 설명한다. 경도만 높이는 것으로는 부적합한 탄화물 조직이나 사용 조건과 등급의 불일치를 해결할 수 없다.

칩핑, 균열 및 파괴

칩핑은 모서리, 코너, 펀치 선단 또는 금형 랜드에서 작은 파편이 떨어져 나가는 현상이다. 이는 과도한 취성, 하중에 비해 지나치게 얇거나 날카로운 모서리, 모서리 뒤쪽의 지지 부족 또는 작업 표면을 가로지르는 조대한 탄화물에서 비롯되는 경우가 많다. 측정 경도가 규격 내에 있더라도 공구에는 칩핑이 발생할 수 있다. 과도한 잔류 오스테나이트, 뜨임되지 않은 마르텐사이트, 탄화물 편석, 연삭 손상 및 부적절한 전이 반경은 모두 국부적인 충격 저항성을 낮출 수 있다.

파면 분석은 고장 진행 순서를 보여준다. 취성 파면에는 밝은 벽개면, 강물 무늬 및 매우 적은 소성 변형이 나타날 수 있다. 연성 과부하는 딤플을 보이는 경향이 있으며, 피로 파괴는 균열 발생 영역, 점진적인 진행 흔적 및 최종 과부하 영역으로 이어지는 형태를 보인다. 균열의 발생 지점은 코너, 가공 자국, 개재물, 탄화물 군집 또는 연삭 홈까지 역추적해야 한다. 표면에서 시작해 내부로 진행한 파괴와 내부 개재물 또는 밴드형 탄화물 영역에서 시작한 파괴는 서로 다른 대응을 요구한다.

균열은 담금질 중, 연삭 후 또는 사용 중에 발생할 수 있다. 담금질 균열은 날카로운 코너, 급격한 단면 변화, 구멍 또는 냉각이 불균일한 영역을 따라 발생하는 경우가 많다. 이는 과도한 열 구배, 높은 변태 응력 또는 지나치게 조대한 오스테나이트 결정립을 형성한 오스테나이트화 조건과 관련될 수 있다. 열처리 기록에서 노 온도, 유지 시간, 보호 분위기, 담금질 매체, 교반, 이송 지연 및 담금질 직후의 뜨임 여부를 확인해야 한다.

연삭 균열은 얕고 조밀하며, 연삭 방향과 평행하게 나타나는 경우가 많다. 자분 탐상 검사는 이러한 균열을 드러낼 수 있으며, 금속조직 분석에서는 표면 아래에 재뜨임층 또는 과뜨임층과 인장 잔류응력이 나타날 수 있다. 과도한 숫돌 압력, 무딘 숫돌, 불충분한 냉각수 또는 한 번의 이송에서 제거하는 재료량이 지나치게 많은 경우 손상이 발생할 수 있으며, 이 손상은 공구에 하중이 가해질 때까지 보이지 않을 수 있다. 피로 균열은 대개 이러한 응력 집중부에서 시작하여 반복 하중에 따라 진행되며, 각 개별 하중이 일회성 파괴강도보다 낮더라도 발생할 수 있다.

히트 체크, 응착 및 치수 불량

히트 체크는 작업 표면이 반복적으로 가열되고 냉각되면서 발생하는 미세 균열 네트워크다. 열간 작업용 금형에서 흔히 나타나며, 표면이 고온 소재와 접촉하는 동안 팽창하고 냉각 중 수축하기 때문에 발생한다. 열 사이클, 급격한 온도 구배, 불충분한 예열, 부적절한 냉각 제어, 거칠거나 손상된 표면은 균열 발생을 촉진한다. 균열 네트워크를 금형 온도, 분사 패턴, 냉각 채널 위치 및 접촉 영역과 대조하여 맵으로 작성해야 한다. 금속조직 분석을 통해 균열이 표면에 국한되는지, 아니면 더 깊은 결함과 연결되었는지를 확인할 수 있다.

표면 상태는 히트 체크가 얼마나 빠르게 진행되는지를 결정하는 경우가 많다. 연삭 자국, 방전가공 재용융층, 탈탄 영역, 코팅 결함 및 날카로운 가공 전이는 균열 발생원이 된다. 표면이 매끄럽다고 해서 항상 안전한 것은 아니다. 연삭 번은 육안으로는 양호해 보이는 마감 아래에 인장 응력이 높은 연화층을 남길 수 있다. 경도 분포 측정, 부식 검사 및 잔류응력에 민감한 검사를 이용하면 열피로와 일반적인 마모를 구분하는 데 도움이 된다.

응착은 접착성 손상이다. 공구와 가공물 사이의 국부 용접으로 재료가 전이되고 표면이 찢기며, 이후 마모를 가속하거나 갑작스러운 스코어링을 일으키는 융기부가 형성될 수 있다. 조사에서는 윤활제의 기능 저하, 접촉 압력, 미끄럼 거리, 표면 거칠기, 가공물의 청정도 및 공구 경도를 검토해야 한다. 화학적으로 적합한 표면 처리 또는 코팅이 도움이 될 수 있지만, 정렬 불량, 불충분한 간극 또는 연화된 기재를 보완할 수는 없다.

치수 불량에는 금형 간극 감소, 펀치 길이 단축, 캐비티 확대, 뒤틀림 및 열처리 중 허용할 수 없는 치수 변화가 포함된다. 고장 난 공구를 도면과 대조하여 측정하고 단면 전체의 대칭성을 검사한다. 변형은 사용 중 잔류 오스테나이트의 변태, 경화 전 불균일한 가공, 불균일한 담금질, 탄화물 편석 또는 불충분한 응력 제거에서 비롯될 수 있다. Routledge의 저서 Tool Steels: Properties and Performance (2021)가 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 서로 연결된 변수로 다루는 이유도 여기에 있다.

유용한 결론은 한 AISI 계열을 다른 계열로 대체해야 한다는 것이 아니다. Uddeholm의 냉간 작업용 공구강 지침은 강종을 적용 분야에 맞추고 생산 부품당 비용을 최소화하는 방향으로 선정을 구성한다. 기술적으로 이는 등급 표기를 좇기보다 수명 주기 동안의 고장을 제어한다는 의미다. 올바른 진단은 고장 메커니즘을 규명하고, 물리적 증거로 이를 검증한 다음, 관련 변수를 변경한다. 변경 대상은 강의 조직, 형상, 열처리, 표면 상태, 공정 온도, 윤활 또는 하중일 수 있다.

보편적으로 ‘최고’인 등급 없이 선택하는 실용적 방법

공구강 등급은 문자 지정에서 출발하는 것이 아니라, 사용 중 발생하는 문제를 거꾸로 추적하여 선택해야 한다. ASM International은 공구강을 “제조된 부품을 절삭, 성형 또는 형상 가공하기 위한 공구 제작에 사용되는 강”으로 정의한다(2024). 이 정의는 순위가 아니라 기능을 설명한다. AISI의 W, L, S, O, A, D, H, M, T 계열은 담금질 방법, 주요 적용 분야 또는 지배적인 합금 원소 체계와 같은 특성에 따라 강을 분류한다. 문자만으로 사용 수명을 예측할 수는 없다.

ASTM A681은 일반적으로 공구, 금형 또는 치구로 제작되는 봉강, 판재, 박판, 스트립, 봉, 선재 및 단조품을 포함하여 단조 합금 공구강 제품에 대한 표준 체계를 제공한다. 이 표준의 적용 범위에는 화학적, 기계적 및 물리적 요구 사항이 포함되지만, 규격에 부합하는 분석 결과는 출발점에 불과하다. 탄화물의 크기와 분포, 편석, 청정도, 단조 또는 압연 이력, 열처리, 단면 크기, 연삭 손상 및 표면 상태에 따라 공구 선단에서의 결과가 달라질 수 있다.

하중, 온도 및 접촉 조건 정의

먼저 가공물과 실제 접촉 상태를 설명한다. “냉간 성형”만으로는 충분하지 않다. 가공물이 저탄소강, 스테인리스강, 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 분말 성형체, 유리섬유 충전 폴리머 또는 다른 재료인지 기록해야 한다. 또한 가공물의 경도, 강도, 연성, 스케일, 코팅 및 연마성 개재물은 공칭 제품명보다 더 중요할 수 있다.

그다음 기계적 하중을 파악한다. 짧은 시간 동안 높은 에너지의 충격을 받는 펀치는 일정한 압축 하중을 받는 금형과는 다른 문제를 가진다. 접촉 압력, 하중 빈도, 스트로크 속도, 정렬 상태, 지지되지 않은 길이, 그리고 반경부·구멍·모서리·인서트에서의 응력 집중을 기록한다. 공구는 높은 압축 강도를 가질 수 있지만, 노치, 정렬 불량 또는 얇은 단면으로 인해 하중이 굽힘 또는 인장 응력으로 전환되면 파손될 수 있다.

접촉 시의 상대 운동도 정확히 기술해야 한다. 지배적인 작용이 절삭, 압입, 압출, 미끄럼, 구름 또는 반복 충격 중 무엇인지 확인한다. 청정한 폴리머와의 미끄럼은 스케일 또는 탄화물 입자와의 미끄럼과 다른 마모 메커니즘을 일으킬 수 있다. 연마 마모에는 경질 탄화물 집단이 유리할 수 있지만, 응착 마모는 표면 화학, 표면 마무리, 윤활 및 가공물의 전이층에 의해 좌우될 수 있다. 조대한 1차 탄화물은 일부 연마 마모 메커니즘에 대한 저항성을 높일 수 있지만, 공구가 충격을 받거나 굽혀질 때 균열 발생 부위가 될 수도 있다.

온도에는 평균값과 최고값을 모두 포함해야 한다. 열간가공용 공구는 열 사이클, 산화, 열균열 및 경도 저하를 겪는 반면, 명목상 냉간가공용 공구도 절삭 날이나 고속 미끄럼 접촉부에서 국부적으로 가열될 수 있다. 가열 및 냉각 속도, 유지 시간, 냉각제의 화학적 조성, 교대조당 사이클 수를 기록한다. 공정 사이클은 중요하다. 짧은 시험에서는 견디는 공구도 수천 회의 열 또는 충격 반복 후에는 파손될 수 있기 때문이다.

마지막으로 치수 한계를 정의한다. 허용 가능한 변형량에 따라 가늘고 긴 펀치에 유냉 경화 등급이 실용적인지, 또는 공랭 경화 공정에 특수 지그와 가공 여유가 필요한지가 결정될 수 있다. 표면 마무리, 날카로운 모서리, 연마 방향 및 연삭 방식은 사후 고려 사항이 아니라 사양에 포함되어야 한다. 유지보수 조건도 전체 상황을 완성한다. 응력 제거, 재코팅, 재연삭 또는 선택적 교체를 위해 공구를 분리할 수 있는지, 허용 가능한 가동 중단 시간이 어느 정도인지 확인해야 한다.

고장 형태와 허용 가능한 위험의 우선순위 설정

등급을 정하기 전에 예상되는 고장 형태를 먼저 나열한다. 일반적인 범주에는 전면 파손, 치핑, 소성 변형, 연마 마모, 응착 마모, 소착, 열적 연화, 열균열, 부식, 변형 및 날 형상 손실이 포함된다. 이를 생산에 미치는 영향과 발생 가능성에 따라 우선순위화한다. 펀치의 치핑은 부품을 오염시키고 생산 라인을 즉시 중단시킬 수 있지만, 점진적인 플랭크 마모는 치수 편차가 발생하기 전에 검사로 발견할 수 있다면 허용될 수 있다.

이러한 우선순위 설정은 흔히 발생하는 실수를 방지한다. 즉, 실제 손실을 좌우하는 것이 인성인데도 경도나 탄화물 함량을 최대화하는 실수를 막는다. 충격과 날 치핑이 지배적인 경우에는 충격 저항성이 높은 S 계열 강이 정당화될 수 있다. D 계열의 고탄소·고크롬강은 심한 냉간가공 마모에 적합할 수 있지만, 탄화물 조직과 인성을 동시에 고려해야 한다. O 계열 유냉 경화강은 일부 금형과 치구에서 유용한 균형을 제공할 수 있으며, A 계열 공랭 경화강은 적절한 단면에서 담금질 변형을 줄일 수 있다. W 계열 수냉 경화강, L 계열 저합금강 및 H 계열 열간가공용 강은 서로 다른 사용 영역을 차지하며, 어느 것도 일반적인 성능 순위를 의미하지 않는다.

고속 절삭에서는 M 계열 몰리브덴 고속도강과 T 계열 텅스텐 고속도강을 알파벳만으로 판단하지 않고, 고온 경도, 날 유지성, 인성 및 연삭 반응을 통해 평가한다. S, H, D 및 고속도강 등급이 모두 공구에 사용될 수 있지만, 결정적인 변수는 명시된 접촉 및 온도 조건에서의 고장 메커니즘이다.

허용 가능한 손상과 허용할 수 없는 손상을 구분한다. 공구가 측정 가능한 한도까지 마모되는 것이 허용된다면 그 한도와 검사 주기를 명시한다. 균열이 하나라도 허용되지 않는다면 마모 저항성의 일부를 희생하더라도 파괴 허용성이 더 높은 설계와 재료 공정을 우선해야 한다. 위험에는 숨은 손상도 포함된다. 표면 아래의 연삭 균열, 탈탄된 날, 잔류 오스테나이트, 조대한 탄화물 및 열처리 변형은 사용이 시작될 때까지 드러나지 않을 수 있다.

열처리와 사용 증거를 통한 검증

등급 계열을 좁힌 후에는 전체 열처리 공정을 검증해야 한다. 오스테나이트화 온도, 예열, 유지 시간, 담금질 매체, 압력, 뜨임 온도, 뜨임 횟수, 필요한 경우의 극저온 처리 및 응력 제거는 실제 단면 크기와로의 처리 능력에 연계되어야 한다. 단면 또는 담금질 강도가 달라지면 동일한 공칭 등급에서도 경도, 잔류 오스테나이트 함량, 인성 및 치수 변화가 달라질 수 있다.

열처리에는 우선순위를 두어야 한다. Coatings에 2020년에 발표된 연구는 조사 대상 코팅 시스템에서 공구 코어 성능을 좌우하는 일차적 요인으로 열처리 변수를 확인했다. 조성과 제조 공정은 잠재 성능과 결함 집단을 설정하고, 열처리는 그 잠재력 중 얼마만큼이 사용 가능한 조직으로 전환되는지를 결정한다. 필요한 경우 단면 전체의 경도를 측정하고, 탈탄을 검사하며, 열처리 전후의 치수를 확인하고, 고장 위험이 이를 요구할 때 탄화물 또는 파면을 조사한다.

표면 공학은 코어와의 적합성을 기준으로 확인해야 한다. 연마, 호닝, 질화, 도금 및 물리적 또는 화학적 기상 증착은 마찰, 응착 및 마모를 변화시킬 수 있지만, 코팅이 취약한 기재나 부적절한 탄화물 조직을 보완해 주지는 않는다. 기재 경도, 뜨임 저항성, 코팅 온도, 날 반경, 표면 거칠기, 접착력 및 코팅 후 연삭 여부를 확인한다. 이러한 이유로 Routledge의 2021년 저서 Tool Steels: Properties and Performance는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 경화 및 코팅을 통해 성능을 다룬다.

카탈로그의 주장보다 사용 증거를 활용한다. 동일한 가공물, 접촉, 사이클 및 형상을 가진 공구에서 기록된 공구 수명, 고장 사진, 검사 기록, 부품 치수 및 유지보수 주기를 비교한다. NBS Monograph 88은 역사적 용어와 기초 철강 야금에 여전히 유용하며, ASTM, AISI, ASM International, MDPI 및 Uddeholm은 표준, 분류, 연구 및 적용 지침을 상호 보완적으로 제공한다.

공구 비용은 구매 가격이나 최대 경도가 아니라 생산 부품당 수명 주기 비용으로 평가해야 한다. Strong evidence

경제성은 사용 수명 전체에서 생산된 부품당 비용으로 평가한다. 가공, 열처리, 코팅, 날 세우기, 교체, 불량 부품, 가동 중단 및 안전한 고장 한계를 포함한다. Uddeholm의 2024년 냉간가공 지침은 생산된 부품당 비용을 최소화하는 것을 목표로 용도에 맞는 강을 선택하는 것이 공구 경제성을 좌우한다고 설명한다. 이 원칙은 구매 가격, 재고 또는 공급업체 성능에 대한 주장이 아니라 공학적 비교를 의미한다.

역사적·기술적 참고 체계

기술적 약칭으로서의 AISI 분류

공구강 명명법은 짧은 지정기호 안에 많은 양의 야금학적 정보를 압축해 주기 때문에 유용하지만, 그 문자는 보편적인 우열 순위를 의미하지 않는다. AISI 체계는 주요 계열을 W, L, S, O, A, D, H, M, T로 분류한다. ASM International은 공구강을 제조 부품을 절삭, 성형 또는 가공하기 위한 공구를 만드는 데 사용되는 강으로 설명하며, 이 지정 체계는 그러한 기능을 뒷받침하는 일반적인 재료 등급을 식별하는 데 도움을 준다.

이 문자들은 일반적으로 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금계통을 나타낸다. W 등급은 수경성강이다. L 등급은 저합금 공구강이고, S 등급은 내충격강이다. O는 유경성 냉간가공강을, A는 공랭경화 등급을, D는 고탄소·고크롬 냉간가공강을 나타낸다. H는 열간가공강을 포함한다. M과 T는 각각 몰리브덴계 고속도강과 텅스텐계 고속도강을 나타낸다.

이러한 약칭만으로는 공학적 특성 전체를 설명할 수 없다. AISI O1과 AISI D2는 모두 냉간가공용 공구와 관련되지만, 탄소, 크롬 및 탄화물의 분포가 다르기 때문에 경화, 뜨임, 마모, 치핑 및 치수 변화에 서로 다르게 반응한다. AISI S7은 내마모성이 더 중시되는 등급이라면 파괴될 수 있는 충격을 견딜 수 있으며, 고속도강은 단순한 탄소 공구강이 연화되는 온도에서도 절삭 경도를 유지할 수 있다. 이러한 관찰 중 어느 것도 특정 계열이 보편적으로 우수하다는 의미는 아니다.

조성은 잠재력을 결정할 뿐, 완성된 상태에서의 거동을 결정하지는 않는다. 탄소는 마르텐사이트 경도를 제공하고 합금 원소와 결합하여 탄화물을 형성한다. 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 경화능, 2차 경화, 고온 경도 및 내마모성에 영향을 미치며, 니켈과 망간은 일부 조성에서 경화능과 인성에 영향을 준다. 공칭 화학 조성 범위만큼이나 탄화물의 양, 종류, 크기, 간격 및 분포가 중요하다. 크기가 크거나 분포가 불량한 탄화물은 연삭 마모에 대한 저항성을 높일 수 있지만, 균열 민감성을 증가시키고 날끝 인성을 저하시킬 수 있다.

제조 공정은 또 다른 변수를 추가한다. 동일한 광범위한 등급 지정 아래에서도 일반적인 단조·압연 가공, 일렉트로슬래그 재용해, 분말야금, 단조 조건 및 풀림 이력에 따라 서로 다른 탄화물 구조와 결함 분포가 형성될 수 있다. 따라서 지정기호는 조성 계열과 예상되는 공정 범위를 식별할 뿐이다. 이는 미세조직 검사나 열처리 기록을 대신할 수 없다.

ASTM A681은 단조 합금 공구강 제품에 대한 표준 체계를 제공한다. ASTM International은 2024년 설명에서 ASTM A681이 봉강, 판재, 박판, 스트립, 봉, 선재 및 단조품을 포함하여 일반적으로 공구, 금형 또는 고정구로 제작되는 단조 합금 공구강 제품의 화학적·기계적·물리적 요구사항을 다룬다고 명시한다. 이 표준의 언어는 규격 언어이다. 즉, 요구사항과 수용 한계를 정의한다. 이는 사용 수명을 예측하는 문서가 아니며, 산출량, 인성 또는 공구 수명에 따라 AISI 계열의 순위를 매기지도 않는다.

NBS Monograph 88과 연방 야금학 참고 문헌

NBS Monograph 88은 공구강과 강 야금학에 관한 일관된 용어를 정립하는 데 기여한 연방 기술 문헌에 속한다. 현재의 National Institute of Standards and Technology인 National Bureau of Standards는 조성, 상변태, 열처리 및 측정된 특성을 실험실, 설계자 및 제조 조직이 활용할 수 있는 형태로 연결하기 위해 이러한 유형의 참고 문헌을 발간했다. 오늘날 이 문헌의 가치는 홍보보다는 역사적·기술적 측면에 있다.

NBS Monograph 88과 같은 참고 문헌은 현대의 지정기호를 오래된 문헌과 대조하여 해석할 때 특히 유용하다. 경화능, 임계 온도, 구상화 풀림, 잔류 오스테나이트, 2차 경화, 뜨임 취성 및 탈탄과 같은 용어는 구체적인 야금학적 의미를 가진다. 이들을 경도의 상호 교환 가능한 표현으로 취급해서는 안 된다. 예를 들어 경화능은 주어진 냉각 조건에서 마르텐사이트 변태가 일어나는 깊이와 분포에 관한 성질이며, 달성 가능한 최대 경도와 동일한 성질이 아니다.

이 연방 참고 문헌은 또한 동일한 공칭 등급이 열처리에 따라 서로 다른 방식으로 변하는 이유를 이해하는 토대를 제공한다. 오스테나이트화 온도는 탄화물의 용해와 오스테나이트에 이용 가능한 탄소 및 합금 원소의 함량을 결정한다. 냉각 속도는 변태 생성물과 잔류 오스테나이트를 결정한다. 뜨임은 마르텐사이트를 변화시키고 응력을 완화하며, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 또는 크롬을 포함하는 합금계에서는 2차 경화를 일으킬 수 있다. 과도한 온도, 불충분한 유지, 탈탄, 담금질 균열 및 변형은 모두 공구의 특성을 예상 범위에서 벗어나게 할 수 있다.

그러나 역사적 참고 문헌도 비판적으로 읽어야 한다. 노의 제어, 청정도, 재용해 방식, 분말 제조, 진공 열처리 및 표면 공학은 변화해 왔다. 따라서 특정 등급에 대한 역사적 설명은 원칙적으로는 여전히 옳을 수 있지만, 다른 공정으로 제조된 현재 제품의 탄화물 크기, 개재물 분포 또는 코팅 계면을 설명하지 못할 수 있다.

ASM, ASTM 및 현대 특성 문헌

ASM International은 참고 체계에서 여러 가지 서로 다른 역할을 한다. 일반적으로 ASM Handbook 항목은 조성, 공정, 미세조직, 특성, 시험 및 응용을 중심으로 확립된 공학 지식을 체계화한다. ASM 단행본은 더 좁은 주제를 더욱 깊이 있게 다루며, 여러 등급이나 공정 경로에 걸친 메커니즘을 연결하는 경우가 많다. 어느 형식도 ASTM A681과 혼동해서는 안 된다. ASM은 설명하고 해석하며, ASTM은 규정한다.

Maricopa Community Colleges의 2024년 공구강 자료와 같은 교육용 야금학 요약 자료는 AISI 문자의 체계를 학습하는 데 유용하다. 이러한 자료는 문자가 담금질 방법, 주요 용도 또는 지배적인 합금계통을 나타낸다는 점을 정확히 설명한다. 그러나 간결한 형식의 자료만으로는 현행 ASTM 표준과 제조업체 자료에 제시된 조성 한계, 제품 요구사항, 열처리 권장 조건 또는 추가 요구사항을 대신할 수 없다.

현대 특성 문헌은 또 하나의 층위를 더한다. MDPI의 Coatings에 게재된 2020년 연구는 연구 대상 코팅 시스템에서 열처리 매개변수가 공구 코어 성능을 좌우하는 주요 요인이라고 밝혔다. 이 결과가 중요한 이유는 코팅이 잘못 경화된 코어, 과도한 잔류 오스테나이트, 조대한 탄화물 망상조직 또는 균열에 민감한 열처리 상태를 복구할 수 없기 때문이다. 코팅 접착력, 기재 경도, 표면 전처리, 잔류 응력 및 사용 온도는 함께 고려해야 한다.

Routledge의 2021년 저서 Tool Steels: Properties and Performance는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면경화 및 코팅을 통해 등급별 거동을 다룬다. 이는 올바른 공학적 검토 순서를 반영한다. Uddeholm의 2024년 냉간가공 지침은 공구강의 선정이 용도에 부합해야 하며 생산 부품당 비용을 최소화해야 한다는 관련 사용 관점의 원칙을 제시한다. 이를 기술적으로 표현하면, 관련 지표는 실제 파손 양상에 따른 수명주기 성능이다.

따라서 독자는 모든 지정기호를 ASTM A681의 최신판 또는 기타 적용 가능한 표준, 해당 정확한 등급에 대한 열처리 지침, 예상되는 탄화물 및 기지 구조, 그리고 의도된 사용 조건과 대조하여 확인해야 한다. 펀치, 탭, 리머, 엠보싱 공구, 칼날, 성형 금형 또는 열간가공용 인서트는 연삭 마모, 응착 마모, 소성 변형, 열피로, 치핑 또는 거시적 파괴로 고장 날 수 있다. 등급 문자는 출발 범위를 좁혀 줄 뿐이다. 선택한 강재가 해당 작업에 적합한지는 조성, 제조 공정, 열처리, 표면 상태 및 파손 분석에 의해 결정된다.

참고 문헌

1. [1]Authors not specified in the article. The effect of heat treatment on tool-core performance in a coated system. Coatings, 2020. https://www.mdpi.com/2079-6412/10/3/265