H10 공구강 열처리 가이드

H10 열간공용강 은 크롬-몰리브덴-바나듐 합금강으로, 고온에서도 연화에 대한 저항성과 높은 인성을 특징으로 합니다. 고압 및 열피로가 발생하는 다이캐스팅 금형, 단조 금형, 압출 공구 등에 널리 사용됩니다. 당사 아오보 스틸에서 공급하는 H10 강은 어닐링 처리되어 페라이트 기지와 구상화된 탄화물로 구성된 미세구조를 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 경도가 낮아 가공이 용이합니다. 또한, 당사는 순도가 높고 미세구조가 더욱 균일한 전해슬래그 재 용융(ESR) H10 강도 제공하여 수명을 크게 연장했습니다.

하지만 H10의 탁월한 성능이 궁극적으로 실현되는 것은 후속적인 경화 열처리 덕분인데, 이 열처리를 통해 연질의 어닐링된 기지 조직이 템퍼링 후 경화된 마르텐사이트 구조로 변환됩니다. 

이 열처리 공정은 주로 응력 완화, 예열, 오스테나이트화, 담금질 및 템퍼링을 포함합니다. 본 논문에서는 이러한 핵심 단계들을 논의할 것입니다.

H10 공구강 열처리 간편 점검표

스트레스 해소 열 치료

가공 및 성형 작업은 H10 공구강 내부에 잔류 응력을 발생시킵니다. 이러한 응력이 후속 경화 열처리 전에 제거되지 않으면, 응력 방출 시 H10 가공품에 심각한 변형이나 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 응력 제거 처리는 H10 소재의 기존 미세 구조를 변경하지 않습니다.

해당 공정 중 H10 소재의 가공물은 650°C ~ 675°C(1200°F ~ 1250°F)까지 균일하게 가열해야 합니다. 유지 시간은 일반적으로 H10 소재 가공물 단면 두께 1인치당 1시간으로 계산되며, 최소 유지 시간은 1시간입니다. 가열 후 가공물은 공기 중에서 천천히 냉각됩니다.

오스테나이트화 전 예열

예열은 온도 차이로 인해 H10 공구강에서 발생하는 변형 및 균열 위험을 최소화합니다. 실제로 H10 공작물은 초기 예열을 위해 먼저 약 650°C(1200°F)까지 가열됩니다.

이후 고온 염욕 처리를 거치거나 복잡한 단면 형상을 가진 H10 부품의 경우, 845~870°C(1555~1600°F)에서 2차 예열을 권장합니다. 이러한 단계별 가열 방식은 오스테나이트화 단계에 들어가기 전에 H10 부품에 가해지는 열 충격을 효과적으로 완화하여 H10 공구강의 구조적 건전성과 치수 안정성을 보장합니다.

오스테나이트화

예열이 완료되면 H10강을 오스테나이트화 온도까지 가열해야 합니다. H10강의 오스테나이트화 온도는 1010°C ~ 1040°C(1850°F ~ 1900°F)입니다. H10강의 표면 탈탄을 방지하기 위해서는 용광로 분위기를 엄격하게 제어하는 것이 필수적입니다. 표면 보호를 위해 용융염조, 불활성 분위기 또는 진공로를 사용하는 것이 좋습니다. 공작물 전체가 설정된 온도에 도달하면 15분에서 40분 동안 유지해야 합니다. 장시간 유지로 인한 미세구조의 과도한 결정립 성장을 방지하기 위해 유지 시간 제어에 특히 주의해야 합니다.

담금질

담금질은 제어된 급속 냉각을 통해 오스테나이트를 단단한 마르텐사이트 구조로 변환하는 공정입니다. H10은 깊은 담금질 침투력을 보여 일반 탄소강에 비해 상대적으로 느린 냉각 속도에서도 완전한 경화가 가능합니다.

표준 담금질 매체로는 공기, 불활성 가스 또는 단계별 오일/염욕이 있으며, 균열 발생을 방지하기 위해 수냉식 담금질은 엄격히 금지됩니다.

공정 선택 측면에서 가스(공기) 담금질은 다양한 단면에 적합하며 변형을 최소화합니다. 반면, 단계별 오일/염 담금질은 H10 부품을 공냉하기 전에 595~650°C(1105~1200°F)의 매체에서 온도 평형을 유지함으로써 스케일 형성을 효과적으로 줄이고 대형 단면 공작물의 균일한 경화를 보장합니다.

H10 공구가 약 50°C~66°C(120°F~150°F)까지 냉각되면 담금질을 즉시 종료하고, 공작물의 응력 균열을 방지하기 위해 템퍼링 공정을 즉시 시작해야 합니다.

담금질

담금질된 마르텐사이트 구조는 극도의 취성과 높은 내부 응력을 나타냅니다. 템퍼링은 재료의 인성, 소성 및 치수 안정성을 향상시키는 데 필수적입니다.

H10 공구강의 경우 이중 템퍼링을 강력히 권장합니다. 두 번째 템퍼링을 통해 첫 번째 템퍼링 냉각 과정에서 형성된 마르텐사이트를 완전히 템퍼링하여, 가공물의 후속 사용 수명 동안 취성 파괴 위험을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

공정 측면에서, 템퍼링은 담금질 직후에 서서히 가열하는 방식으로 수행해야 합니다. 완전한 미세구조 변화를 보장하기 위해 각 템퍼링 주기의 유지 시간은 공작물 단면 두께 1인치당 최소 2시간으로 계산해야 합니다.

H10 템퍼링 온도 및 경도 비교표

H10 열처리 문제 해결

참고: H10과 H11은 서로 다른 등급이지만, 대표적인 크롬계 고온 작업용 공구강(Cr-Mo-V 시리즈)으로서 열처리 과정에서 유사한 문제점을 공유합니다. 따라서 다음 지침은 H11 공구강의 일반적인 고장 진단 및 수리에도 적용됩니다.

담금질 균열

균열은 담금질 중 또는 직후에 발생할 수 있습니다. 이는 담금질 직후 공작물을 즉시 템퍼링하지 않아 담금질 과정에서 발생한 막대한 구조적 응력이 신속하게 해소되지 못했기 때문일 수 있습니다. 공작물의 온도가 약 50~60°C까지 떨어지면 즉시 예열된 템퍼링로로 옮겨 템퍼링하는 것이 필수적입니다.

표면 연약점

표면 연약점은 주로 공작물 표면 전체에 걸쳐 경도가 고르지 않게 분포하는 현상으로, 국부적으로 경도가 낮은 영역이 나타납니다. 이러한 현상은 주로 두 가지 원인에서 비롯됩니다. 첫째, 액상 담금질 과정에서 국부적으로 형성된 증기막이 냉각 매체와 공작물 사이의 직접적인 접촉을 방해하여 냉각 속도가 불충분해지고 결과적으로 경화가 불균일해질 수 있습니다. 둘째, 가열 과정에서 보호가 제대로 이루어지지 않으면 표면 탈탄이 발생하여 탄소 손실이 초래되고, 표면층이 목표 경도에 도달하지 못할 수 있습니다.

이러한 원인을 해결하기 위해 다음과 같은 시정 조치를 시행합니다. 담금질 과정에서 담금질 매체를 충분히 교반하여 증기막을 파괴하고, 오스테나이트화 단계에서는 탈탄을 방지하기 위해 진공로, 염욕 또는 보호막과 같은 제어 분위기 방법을 사용합니다.

경도가 부족함

경도 부족은 주로 열처리 후 강철이 의도한 경도에 도달하지 못하는 현상으로 나타납니다. 이는 일반적으로 다음 세 가지 원인 중 하나에서 비롯됩니다. 오스테나이징 온도가 너무 낮거나, 유지 시간이 부족하거나, 담금질 시 냉각 속도가 너무 느린 경우입니다.

이 해결책은 H10 규격에 따라 지정된 경화 범위인 1010°C ~ 1040°C 내에 측정된 공작물 온도가 포함되도록 정기적으로 용광로 온도를 교정하고 열전대 위치를 점검하는 동시에 미세구조 변화를 촉진하기 위한 충분한 유지 시간을 확보하는 것을 포함합니다. 공랭 단계에서는 냉각 공기 압력 또는 순환 속도를 높여 냉각 강도를 증가시켜 원하는 마르텐사이트 미세구조를 얻습니다.

충격 인성이 부족함

충격 인성이 부족하면 주로 부품의 초기 사용 수명 동안 예상치 못한 취성 파괴가 발생합니다. 잠재적인 원인으로는 과도하게 느린 담금질 냉각 속도로 인해 결정립계를 따라 합금 탄화물이 우선적으로 석출되어 결정립 간 결합이 약화되는 경우, 또는 템퍼링 온도가 500°C~550°C의 템퍼링 취성 민감 영역에 정확히 속하는 경우 심각한 취성이 유발될 수 있습니다.

해결책으로는 담금질 중 냉각 속도를 높여 결정립계에서의 탄화물 석출을 효과적으로 억제하는 것, 템퍼링 중 취성 온도 범위를 피하는 것, 그리고 2차 경화 피크 온도보다 높은 온도에서 "과시효" 템퍼링을 하는 것 등이 있습니다. 이러한 접근 방식을 통해 필요한 경도를 유지하면서 최적의 인성을 얻을 수 있습니다.

자주 묻는 질문