공구강 변형 및 P/M 공구강

치수 변형과 형상 변형은 서로 다른 문제입니다

이 구분이 중요한 이유는 두 가지의 원인과 해결책이 다르기 때문입니다. 치수 변형은 강재 자체의 부피 변화를 따르므로, 응력이 없고 끝에서 끝까지 편차가 없는 부품에서도 발생합니다. 형상 변형은 부품이 자기 자신과 일치하지 않게 되는 것으로, 불균일한 가열, 불균일한 냉각, 가공 잔류 응력, 그리고 강재가 변형할 수 있는 속도보다 빠르게 두께가 변하는 단면에서 비롯됩니다. 블록의 전체 길이만 측정하는 현장은 치수 변형은 보지만 형상 변형은 완전히 놓치게 되므로, 변형 검사는 완성된 공구에 중요한 치수에 대해 수행해야 합니다.

두 종류의 변형 모두 강재가 냉각되는 과정에서 겪는 길이 변화에서 시작되며, 그 길이 변화는 경로에 따라 달라집니다.

담금질 후 조직이 포함하는 것

공구강이 경화 시 나타내는 치수 변화는 담금질에서 나온 조직이 들어가기 전의 어닐링 조직과 어떻게 다른지에 의해 결정됩니다. 그 조직은 세 가지의 혼합물이며, 아래 표는 권장 오스테나이트화 온도에서 담금질한 네 가지 강종에 대해 세 가지 모두를 측정한 것입니다. 흥미로운 열은 경도가 아닙니다. 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 미용해 탄화물 사이의 분할이며, 이 분할이 이후 템퍼링이 할 수 있는 것과 할 수 없는 것에 대한 전체 이야기를 말해줍니다. 저합금 강종은 거의 전적으로 마르텐사이트로 나오며 잔류 오스테나이트가 거의 없고, D2와 같은 고탄소 고크롬 강종은 40% 잔류 오스테나이트와 15% 미용해 탄화물로 나오는데, 이는 템퍼링에 있어 완전히 다른 출발점입니다.

길이 변화의 밑바탕에는 격자 변화가 있으며, 탄소 함량이 작용하는 대상은 바로 이 격자입니다.

출처: Control of Distortion in Tool Steels의 Table 1. WQ, 수냉; OQ, 유냉; AC, 공랭. 네 가지 강종은 권장 오스테나이트화 온도에서 담금질되었으며, 미세조직 구성물은 담금질 직후 조직에서 측정되었다.

고속도강 봉재가 얼마나 움직이는가

봉재는 둘레를 따라 균일하게 변형되지 않으며, 경화 후 최대 직경과 최소 직경의 차이는 처리가 얼마나 균일했는지를 직접적으로 측정한 값입니다. 그림 2는 두 가지 다른 경로를 거친 동일한 봉재 단면을 보여줍니다. 기존 경로는 편차가 육안으로 보이는 프로파일을 남기며, 출처는 최고점과 최저점 사이가 0.023 mm라고 인용합니다. 특수 공정은 0.005 mm로 훨씬 더 둥근 프로파일을 남기며, 실질적인 결과는 마무리 연삭을 위해 봉재에 남겨야 하는 재료가 더 적다는 것입니다.

분말 야금이 바꾸는 것

분말 야금 공구강은 용융물을 분말로 분사한 후 고결시켜 제조하므로, 잉곳 단계와 그 편석이 발생하지 않습니다. 그림 3의 공정 경로는 용융물에서 수분사 또는 가스 분사를 거치며, 두 분기는 서로 다른 분말 형상으로 이어지고 따라서 서로 다른 고결 방법으로 이어집니다. 그 결과는 공구 제작자에게 중요한 두 가지 이점을 가집니다. 거시적 편석과 기공이 없으며, 탄화물이 띠를 이루어 늘어서지 않고 미세하고 균일하게 분포합니다. 이 두 가지 모두 더 깊은 경화 반응과 오스테나이트화 처리에 대한 더 빠른 반응을 제공하며, 이는 온도에서 빠르게 탈탄하는 몰리브덴 고속도강에 가장 중요합니다.

진원도 이탈은 세 번째 이점이며, 봉재에서 비용으로 나타나는 것입니다. 아래 표는 동일 강종의 P/M 봉재와 기존 봉재를 세 가지 직경에서 비교하며, P/M 봉재는 모든 크기에서 2배에서 4배 더 둥급니다. 봉재가 커질수록 격차가 벌어지며, 이는 기존 주조가 편석에 가장 어려움을 겪는 부분입니다.

출처: Control of Distortion in Tool Steels의 Table 4. (a) 일반 경화 처리 후 최대 직경에서 최소 직경을 뺀 값. 동일 강종 및 직경의 분말 야금 봉재와 일반 주조 및 단조 봉재를 비교한 것이다.

그림 4는 더 미세하고 균일한 탄화물 분포가 경화 반응에 무엇을 하는지 보여줍니다. 두 곡선은 동일 강종인 M25로, 하나는 분말 야금으로 제조되고 하나는 주조 및 단조로 제조되었으며, 1200 °C (2200 °F)에서 유냉하고 550 °C (1025 °F)에서 3회 템퍼링했습니다. P/M 봉재는 더 짧은 오스테나이트화 시간에 경도에 도달하고 긴 쪽 끝에서 더 높은 경도를 유지하며, 동일한 125 mm 직경의 기존 봉재는 결코 따라잡지 못합니다.

마레이징 강

마레이징 강은 공구강 계열의 가장자리에 위치하며 위의 거의 모든 것에 대한 예외입니다. 왜냐하면 담금질로 경화되지 않기 때문입니다. 강재는 연하게 어닐링되고, 형상으로 가공된 후, 단일 온도에서 시효 처리되므로, 마레이징 다이는 경화 전에 마무리 가공될 수 있고 그 과정에서 움직이지 않습니다. 강종 이름은 자체 사양을 담고 있으며, 대략적인 인장 강도를 ksi로 나타내는 세 자리 숫자와 주요 강화 원소를 나타내는 문자가 있습니다. 따라서 18Ni C (250)은 약 250 ksi에서 코발트로 합금된 18% 니켈 강입니다. 출처는 과시효 또는 부족시효를 권장하지 않습니다. 둘 다 특성을 손상시키기 때문입니다. 따라서 표의 시효 온도는 조정을 위한 출발점이 아니라 처리 자체입니다.

출처: Control of Distortion in Tool Steels의 Table 5. (a) 시효 시간은 3~6시간에 단면적 25 mm(1 in.) 증가마다 1시간을 추가한다. (b) 알루미늄 다이캐스팅 금형에는 530 °C(990 °F)의 시효 처리가 권장되며, 이 경우 경도 값은 표시된 수치보다 약 2 HRC 낮다.

출하 전 확인 사항

최종 치수가 중요한 모든 공구의 공정 카드에는 두 가지 수치를 기재해 둘 가치가 있습니다. 첫 번째는 담금질과 뜨임에서 예상되는 총 치수 변화량으로, 이는 강재 공급업체가 해당 강종에 대해 제시할 수 있으며, 가공 여유를 설정하기 전에 강종을 선택하는 이유이기도 합니다. 두 번째는 담금질 후 최종 연삭 전에 완성 공구를 좌우하는 치수에 대한 초도품 측정값입니다. 형상 왜곡은 표에서 전혀 계산할 수 없기 때문입니다. 둥글게 나왔지만 예상보다 큰 부품은 치수 문제이며, 여유를 변경하여 해결할 수 있는 경우가 많습니다. 타원형으로 나온 부품은 형상 문제이며, 해결책은 여유가 아니라 로와 담금질에 있습니다.

출처: ASM Handbook, Volume 4, Heat Treating, ASM International, 1991.