경화 공구강의 연삭 균열과 연삭 연소

연삭이 표면을 변화시키는 방식

연삭에 사용되는 에너지의 거의 전부가 열로 변환되며, 일부는 마찰을 통해, 일부는 재료의 변형을 통해 발생합니다. 올바른 연삭 휠을 선택하면 열의 대부분은 칩과 함께 배출되고 일부만이 공작물을 가열합니다. 경화된 공구강을 잘못 연삭하면 연삭 표면의 온도가 재료의 템퍼링 온도를 넘어 표면 경도가 떨어질 수 있습니다. 그러면 나머지 부분은 건전하더라도 공구는 사용 중에 제 성능을 발휘하지 못합니다. 온도가 더 상승하면 강의 경화 온도에 도달하여 표면이 재경화됩니다.

재경화는 두 결과 중 더 심각한 것입니다. 영향을 받은 층의 강은 오스테나이트화된 후 뒤에 있는 차가운 공구 본체에 의해 급랭되어, 그 층은 미템퍼링 마르텐사이트와 템퍼링 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트의 혼합물이 됩니다. 미템퍼링 마르텐사이트는 단단하고 취성이 있으며, 고탄소 냉간 가공강 및 고속도강 강종에서는 강이 형성할 수 있는 가장 취성인 생성물입니다. 이 층은 자체적으로 미세 균열도 가지고 있어, 공구가 작업에 투입되는 순간 응력 집중부로 작용합니다.

백색층과 그 아래 영역

금속 조직 준비와 에칭 후, 재경화층은 광학 현미경 아래에서 백색으로 나타나는데, 이는 미템퍼링 마르텐사이트가 템퍼링 마르텐사이트보다 에칭액에 더 잘 견디기 때문입니다. 방전 가공으로 남은 재주조층도 같은 외관을 나타내지만, 이 둘은 원인과 해결책이 다른 손상입니다. 표면을 통한 경도 프로파일이 이 둘을 구분하며, 연삭 표면이 왜 나쁘게 거동하는지도 보여줍니다. 표면 자체는 미템퍼링 마르텐사이트이므로 단단합니다. 바로 아래에는 과템퍼링 영역이 있는데, 여기서는 연삭 열이 강을 더 템퍼링하기에는 충분했지만 재경화하기에는 부족했으며, 이곳의 경도는 공구 본체의 경도보다 낮습니다.

경화된 공구를 너무 뜨겁게 연삭할 때 생성되는 세 영역. 백색층과 그 아래의 과템퍼링 밴드는 종종 같은 공구에 함께 존재하며, 이 때문에 표면에서 측정한 경도 판독값은 허용 가능해 보이지만 공구는 그 아래 영역 때문에 파손됩니다.

연삭 균열이 형성되는 이유와 발견하기 어려운 이유

대부분의 연삭 작업은 연삭 표면에 잔류 응력을 남기며, 그 응력은 보통 표면 근처에서 최대가 됩니다. 그 응력의 첫 번째이자 가장 흔한 영향은 균열입니다. 얇은 단면에서는 같은 응력이 부품을 영구적으로 변형시킬 수 있으며, 재경화층의 잔류 오스테나이트가 변형을 가중시킵니다. 연삭 균열은 보통 교과서에 인쇄된 예시만큼 명확하지 않습니다. 대부분의 경우 균열을 조금이라도 볼 수 있으려면 부품을 현미경으로 검사하거나 자분 탐상 검사를 해야 하며, 공구는 육안 검사를 통과하고도 여전히 균열이 있을 수 있습니다.

눈에 보이는 경고는 연소 자국입니다. 표면층을 변형시킨 잘못된 연삭은 보통 연삭 표면의 변색으로 나타납니다. 연소 자국은 표면 온도가 템퍼링 범위를 넘었다는 의미이며, 공구를 사용에 투입하기 전에 검사해야 하는 시점입니다.

연삭 표면이 있을 수 있는 세 가지 상태. 깨끗한 외관이 부품을 합격시키지는 않는데, 공구 수명을 끝내는 균열은 보통 육안의 분해능 아래에 있기 때문입니다.

가장 위험도가 높은 강종

경화 가능한 강은 저탄소·저합금강보다 연삭 균열에 더 취약하며, 공구강 내에서는 담금질 직후 가장 단단한 강종에 위험이 집중됩니다. 냉간 가공용 공구강과 고속도강이 가장 민감한데, 담금질 직후의 마르텐사이트가 매우 단단하고 인성이 낮기 때문입니다. 탄소 함량은 재경화층이 얼마나 취성이 강해지는지를 결정하는 성질입니다. 마르텐사이트 경도는 탄소와 함께 빠르게 상승하므로, 고탄소 냉간 가공용 강종은 저탄소 공구강이 만들어낼 수 있는 어떤 것보다 더 단단하고 더 취성이 강한 층을 형성합니다.

출처의 두 가지 사례가 이 패턴을 보여줍니다. S1 커터 다이는 연삭 후 균열과 스폴링이 발생했고, D2 다이에서는 부적절한 연삭과 함께 밀접하게 배치된 홀 열이 균열을 촉진했습니다. 연삭 휠 대신 방전 가공으로 형성된 동일한 종류의 취성 표면층은 A2 블랭킹 다이가 2만 개의 부품을 생산한 후 사용 중에 균열이 발생했습니다.

공구강 그룹별 연삭 손상 위험. 탄소 함량은 출처에 기재된 일반적인 조성에서 인용하였으며, 냉간 가공 및 고속도강 계열에 대해 보고된 민감도가 상한 범위를 설정합니다. 저탄소 그룹은 출처에서 민감하다고 특별히 지목하지 않은 그룹입니다.

연삭 손상을 줄이는 세 가지 방법

첫째는 열을 제어하는 것입니다. 양호한 냉각과, 마찰로 열을 발생시키는 대신 날카로운 절삭날로 재료를 절삭하도록 적절히 드레싱된 연삭 휠은 연삭 표면의 온도를 낮게 유지합니다. 둘째는 연삭 후 응력 제거입니다. 이전 템퍼링 온도보다 약 30 °C 낮은 온도에서의 템퍼링 처리는 연삭 응력을 완화하고 연삭으로 형성된 미템퍼링 마르텐사이트도 템퍼링하며, 원래 템퍼링 온도보다 낮게 유지되므로 공작물의 경도를 감소시키지 않습니다. 셋째는 연삭된 부품을 텀블링 또는 블라스팅하는 것으로, 이는 기계적으로 표면 응력을 낮춥니다.

세 가지 모두 한계가 있습니다. 열 손상이 충분히 커서 균열이 이미 형성된 경우에는 응력 제거가 도움이 되지 않으며, 손상된 층을 제거해야 합니다.

출처에서 제시한 세 가지 해결책과, 각각이 효과를 잃는 조건.

템퍼링으로 돌아가는 링크

공구가 처음부터 제대로 템퍼링되지 않은 경우 연삭 균열이 발생할 가능성이 훨씬 높습니다. 출처에서 마모된 캠축을 연구한 결과, 경도가 담금질 직후 상태에 가까운 표면층이 측정되었으며, 해당 조직을 가진 가공 표면은 연삭 균열에 더 취약하기 때문에 이 상태를 유해하다고 기록하고 있습니다. 제대로 템퍼링되지 않은 공구의 표면은 연삭 휠이 닿기 전부터 이미 취성이 있으며, 연삭 응력이 충분히 균열을 완성시킵니다.

따라서 완전히 템퍼링하고 두 번 템퍼링해야 합니다. 담금질 직후 상태의 강재로는 어떠한 작업도 수행해서는 안 되며, 템퍼링 온도에서의 유지 시간은 온도 자체만큼 중요합니다.

이것이 공구강 문의에 시사하는 점

강종의 연삭 난이도와 각 그룹에 적합한 휠은 다음 페이지에 있습니다: 공구강 연삭성 및 휠 선택 페이지. 스파크에 의해 생성된 동일한 취성층은 다음 페이지에서 다룹니다: EDM 백색층 페이지. 연삭 휠이 아닌 담금질 중에 발생한 균열은 다음 페이지에 있으며, 담금질 균열 페이지, 단면이 템퍼링 온도에 도달하는 데 필요한 시간은 다음 페이지에 있습니다: 템퍼링 시간 페이지. 연삭 균열을 발견하는 검사 방법은 다음 페이지에 있습니다: 자분 탐상 검사 페이지, 그리고 더 넓은 범위의 파손 원인은 다음 페이지에 있습니다: 공구 및 금형 고장 분석 페이지.

출처: Failure Analysis of Heat Treated Steel Components (L. C. F. Canale, R. A. Mesquita and G. E. Totten), ASM International, 2008.