분말 야금 공구강 vs 기존 용융 공구강

둘 공구강 같은 등급명을 가진 봉이라도 생산 현장에서는 완전히 다른 특성을 보일 수 있습니다. 합금의 화학적 조성은 종종 유사하거나 심지어 동일하지만, 하나는 고정된 잉곳에서 만들어졌고 다른 하나는 압력을 가해 압축한 분말에서 만들어졌습니다. 액체 금속이 응고되는 방식의 이러한 단 하나의 차이가 분말 야금과 일반 야금 등급을 비교할 때 구매자들이 겪는 거의 모든 특성 차이의 근본 원인입니다.

이 글에서는 그러한 격차가 어디에서 발생하는지, 완성된 도구에서 어떤 변화를 가져오는지, 그리고 PM 프리미엄을 지불할 가치가 실제로 있는 경우는 언제인지 살펴봅니다.

두 가지 공정을 통해 강철이 응고되는 방식

일반적인 공구강은 전기로에서 시작하여 고정 주괴 또는 연속 주조 블룸으로 주조됩니다. 청정도가 중요한 등급의 경우, 제철소는 중심 기공, 혼입 가스 및 거시적 개재물을 줄이기 위해 전해 슬래그 재용융 또는 진공 아크 재용융과 같은 2차 재용융 공정을 추가합니다. 그러나 기존 주조 방식에서 피할 수 없는 것은 시간입니다. 대형 주괴는 몇 시간, 때로는 며칠에 걸쳐 냉각되는데, 이 시간 동안 합금 원소들이 이동할 수 있습니다. 그 결과 미시적 및 거시적 편석, 즉 미세 구조에서 탄화물 스트링거로 나타나는 화학적 밴딩이 발생합니다.

분말야금강은 유도 용해라는 동일한 방식으로 시작하지만, 용융된 강재가 주형에 닿지 않는다는 점이 다릅니다. 고압 가스 분사로 용융 강재를 미세한 물방울 형태로 분무하고, 이 물방울들은 분무탑을 통과하면서 거의 즉시 응고됩니다. 이러한 냉각 속도는 주괴 주조 방식보다 몇 배나 빠르며, 편석을 유발하는 조대한 공융 탄화물 반응을 억제할 만큼 충분히 빠릅니다. 이렇게 얻은 분말은 체로 걸러 용기에 밀봉한 후, 고온 등방압 성형(HIP)을 통해 최대 밀도로 압축하고, 기존 강철과 동일한 방식으로 단조 또는 압연하여 봉재로 만듭니다.

탄화물 크기 및 분포

응고 속도가 핵심입니다. 서서히 냉각하면 탄화물이 충분히 성장하여 주괴의 흐름 방향을 따라 응집되고, 그 후 압연 과정에서 이러한 응집체가 늘어나 띠 모양을 형성합니다. 반면 급속 응고는 이러한 기회를 전혀 주지 않습니다.

탄화물 크기의 이러한 상당한 차이는 이후 공정에서 인성, 연삭성, 가공성 및 치수 안정성에 영향을 미칩니다.

인성 및 횡방향 특성

띠 모양의 탄화물은 쉽게 손상 경로를 파악할 수 있게 해주며, 특히 압연 방향에 수직인 횡방향에서 손상이 가장 심합니다. 기존 공구강은 이 방향에서 강도가 현저히 떨어지는데, 이는 봉의 축을 따라 직선으로 하중이 가해지는 경우뿐만 아니라 여러 각도에서 하중이 가해지는 공구에 중요한 요소입니다. 분말야금(PM) 강은 애초에 띠 모양 구조가 없기 때문에 측정 방향에 관계없이 물성이 일정하게 유지됩니다. 충격이나 단속 절삭이 발생하는 공구의 경우, 이러한 등방성은 단순한 경도 수치보다 결정적인 요소가 되는 경우가 많습니다.

연삭성 및 가공성

연삭성은 일반적으로 G-비율, 즉 연삭 휠 마모량 단위당 제거되는 금속의 부피로 측정됩니다. 크고 단단한 탄화물, 특히 바나듐 함량이 높은 MC 탄화물은 깨끗하게 연삭되지 않습니다. 이러한 탄화물은 파손되거나 연삭 휠에 마찰을 일으켜 휠을 빠르게 마모시키므로, 기존의 고합금강은 G-비율이 낮습니다. 분말야금(PM) 탄화물은 크기가 작아 연삭 과정에서 연마재를 손상시키지 않고 떨어져 나갈 수 있으며, PM강은 유사한 탄화물 함량을 가진 기존 강재보다 최대 10배 빠르게 연삭할 수 있습니다.

미세하고 균일한 탄화물 분포는 어닐링 상태에서 가공성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 또한 분말 야금 공정은 기존 야금 방식에서 발생하는 열간 가공성 저하 없이 황 함량을 높여 쾌삭성을 확보할 수 있도록 해줍니다. 이는 망간 황화물이 스트링거를 형성하는 대신 미세하고 분산된 형태로 유지되기 때문입니다.

열처리를 통한 치수 안정성

모든 공구강은 경화 과정에서 변형되지만, 변형 방식이 중요합니다. 일반 강철은 편석과 방향성 탄화물 구조로 인해 불균일하게 변형되어 원형에서 벗어나는 경우가 많습니다. 반면 분말야금(PM) 강은 모든 방향으로 균일하게 변형되므로, 원형에서 벗어나더라도 거의 원형에 가깝게 유지됩니다. 예측 가능한 변형은 설계 단계에서 보정하기 쉽고, 복잡한 형상에서 담금질 균열 발생 위험을 줄여줍니다.

내마모성은 겉으로 보이는 것보다 훨씬 더 복잡합니다.

구매자들이 가장 흔히 오해하는 부분이 바로 이 점입니다. 동일한 화학적 조성을 가진 경우, 일반 강철은 실제로 순수 마모에 대한 저항성이 약간 더 우수할 수 있는데, 이는 크기가 큰 탄화물이 마치 바위처럼 마모 입자의 침투를 막아주기 때문입니다. 하지만 대부분의 실제 공구 고장은 깨끗한 마모보다는 접착 마모와 미세 균열에서 발생하며, 바로 이 부분에서 분말야금(PM) 강철이 우위를 점합니다. 분말야금 강철은 균일한 탄화물 분포를 통해 미세 균열과 박리에 훨씬 더 잘 저항하기 때문입니다.

더 큰 장점은 합금 조성의 자유로움입니다. 분말 야금(PM) 공정을 통해 CPM 10V, CPM Rex 76, ASP 60과 같은 등급을 기존 주조 방식으로는 열간 가공 중 균열이 발생할 수 있는 바나듐, 니오븀, 코발트 함량에서도 제조할 수 있습니다. 이러한 초합금 분말 야금 등급은 기존 주조 방식으로는 열간 가공 중 균열이 발생할 수 있는 수준의 내마모성과 내열경도를 달성합니다. 기존 주조 방식으로는 이러한 화학적 조성을 유지할 수 없기 때문에, 기존 주괴로는 이러한 특성을 구현할 수 없습니다.

열처리 반응

미세 탄화물은 오스테나이트화 과정에서 더 빨리 용해되므로 분말 야금강은 더 낮은 경화 온도에서 최대 경도에 도달하고 부품 전체에 걸쳐 더욱 균일한 반응을 보입니다. 하지만 분말 야금강도 기존 강철과 마찬가지로 열처리 과정이 잘못되면 성능이 저하됩니다. 열처리가 제대로 되지 않은 분말 야금 공구는 적절하게 열처리된 기존 공구보다 성능이 떨어질 것입니다.

PM 프리미엄을 지불할 가치가 있는 경우는 언제일까요?

분말야금(PM) 공구강은 일반적으로 기존 공구강보다 5~50% 이상 비싸지만, 표준 공구 제작에는 분말야금의 장점이 필요하지 않기 때문에 기존 공구강이 여전히 시장의 약 90%를 차지하고 있습니다. 분말야금 공구강이 가격만큼의 가치를 발휘하는 경우는 극히 드뭅니다.

호브, 탭, 리머와 같이 복잡한 공구 형상을 가진 경우, 경화 과정에서 불균일한 변형이 발생하여 최종 가공 정밀도가 저하될 수 있는데, 분말야금(PM)의 예측 가능한 변형 특성이 이러한 문제를 해결해 줍니다. 심한 충격이나 단속 절삭이 발생하는 공구는 기존 공구라면 파손될 수 있는 칩핑 현상을 방지하는 PM의 등방성 인성 덕분에 안정적인 가공이 가능합니다. 극한의 마모 또는 접착 마모 저항성이 요구되는 응용 분야에서는 기존 소재로는 대체재가 없는 초합금 PM 소재를 사용하는 것이 타당합니다. 대형 공구 블록을 포함한 다양한 용도에 PM 소재를 사용할 수 있습니다. 대형 다이캐스팅 금형, PM은 편석이 없기 때문에 이점을 누릴 수 있습니다. 기존의 대형 블록에서 발생하는 편석은 금형 수명 동안 열 피로 및 열 균열을 가속화하기 때문입니다.

그러한 경우를 제외하고는, 품질이 우수하고 제련소 검사 증명서가 깨끗한 일반 등급의 제품을 사용하면 훨씬 저렴한 비용으로 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.