H21 공구강은 AISI H 그룹으로 분류되는 텅스텐계 고온 가공 공구강입니다. 이러한 종류의 강은 고온 환경에서의 공구 제작에 적합하도록 개발된 초기 고합금강 중 하나입니다.

1. H21 공구강의 화학 조성

H21강의 성능은 합금 원소에 의해 크게 좌우됩니다. 일반적인 조성은 다음과 같습니다.

• 탄소(C): 0.26% – 0.36% (경화성 및 내마모성 제공)
• 망간(Mn): 0.15% – 0.40% (경화성을 향상시키고, 탈산제/탈황제 역할을 함)
• 실리콘(Si): 0.15% – 0.50% (강도 및 경도 증가, 탈산제 역할)
• 크롬(Cr): 3.00% – 3.75% (고온 산화 및 부식에 대한 저항성 향상)
• 바나듐(V): 0.30% – 0.60% (단단한 탄화물을 형성하여 내마모성 및 고온 강도를 향상시킵니다.)
• 텅스텐(W): 8.50% – 10.00% (고온 경도, 고온 강도 및 내마모성의 핵심 요소)

2. H21 공구강의 특성

2.1 경도 및 내열성

H21강은 우수한 내열성과 고온에서도 경도를 유지하는 능력으로 잘 알려져 있으며, 이는 고온 작업 분야에서 매우 중요한 요소입니다.

• 강화 경도: 오스테나이트화 처리 후 담금질 (예: 595°C/1100°F에서 2시간 동안 열처리) 약 529 HB의 경도를 얻을 수 있습니다. 열처리 온도를 높이면(예: 650°C/1200°F로) 경도는 약 437 HB로 감소합니다.
• 고온 경도: 작동 온도에서는 경도가 감소합니다. 예를 들어, 고온에서의 경도는 595°C(1100°F)에서 약 280 HB, 650°C(1200°F)에서 약 211 HB일 수 있습니다. (초기 상온 경도 444 HB를 기준으로 한 일반적인 데이터입니다.).

2.2 인성 및 연성

H21은 고온 강도는 우수하지만, 크롬계 스테인리스강에 비해 인성과 충격 저항성은 일반적으로 낮습니다. 고온 작업용 강철, 와 같은 H11 또는 H13. 충격 특성 또한 H19보다 떨어지는 것으로 여겨집니다.

• 선택된 템퍼링 온도와 경화 후 냉각 속도(예: 오일) 담금질 냉각 속도가 느릴수록 충격 인성(아이조드 또는 샤르피 V-노치 시험)에 상당한 영향을 미칩니다.
• 비틀림 특성은 목표 경도(일반적으로 42~55 HRC 범위)를 얻기 위해 사용되는 특정 열처리 매개변수에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

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3. 열처리

H21 공구강의 최적 성능을 구현하려면 정밀한 열처리 공정이 매우 중요합니다. 이 공정을 통해 고온 작업에 필수적인 경도, 내마모성 및 인성을 확보할 수 있습니다.

3.1 예열

주요 경화 공정 전에 H21 공구강은 신중하게 예열해야 합니다.

• 온도: 760~815°C(1400~1500°F)까지 균일하게 가열하십시오.
• 목적: 이 중요한 단계는 열 충격을 최소화하고 균열을 방지하는데, 특히 복잡한 형상이나 두께가 다양한 부품에 효과적입니다. 느리고 균일한 가열은 강철 전체에 온도가 고르게 분포되도록 하여 오스테나이트화 과정의 고온에 대비할 수 있도록 합니다.

3.2 오스테나이트화(경화)

예열 후, 강철을 오스테나이트화 온도까지 올립니다.

• 온도: 1095~1205°C로 가열하십시오.
• 목적: 이 단계에서 강철의 미세구조는 오스테나이트로 변환됩니다. 이를 통해 탄소와 텅스텐(W), 크롬(Cr)과 같은 주요 합금 원소가 구조에 용해될 수 있으며, 이는 냉각 시 경도를 얻는 데 필수적입니다.

오스테나이트화 온도에서의 유지

강철을 오스테나이트화 온도에서 유지하는 것(소킹)은 매우 중요합니다.

• 지속: 일반적으로 단면 두께에 따라 2~5시간이 소요됩니다(두께 1인치당 1시간 등 충분한 시간을 확보하십시오).
• 목적: H21은 텅스텐과 크롬 함량이 높아 안정적인 탄화물을 형성합니다. 충분한 유지 시간을 통해 이러한 탄화물이 완전히 용해되어 오스테나이트 내에 고르게 분포되므로 담금질에 적합한 균일한 구조를 얻을 수 있습니다.

3.3 담금질(냉각)

급속 냉각은 오스테나이트를 단단한 마르텐사이트강으로 변환시킵니다.

• 행동 양식: H21강은 공기 또는 기름 속에서 담금질할 수 있습니다.
• 고려 사항: H21 강재는 경화성이 매우 높아 느린 공랭에도 쉽게 경화됩니다. 특히 크거나 복잡한 부품의 경우, 공랭은 급격한 유랭에 비해 변형 및 균열 발생 위험을 크게 줄여주기 때문에 선호됩니다. 최대 경도를 얻는 것이 주된 목표라면 유랭을 사용할 수 있습니다. 이 경우 펄라이트나 베이나이트와 같은 연질 조직이 형성되는 것을 방지하기 위해 냉각 속도가 충분히 빨라야 합니다.

3.4 템퍼링

담금질된 H21강은 매우 단단하지만 취성도 강합니다. 따라서 특성을 개선하기 위해서는 템퍼링이 필요합니다.

• 온도: 강철을 595~675°C로 재가열하십시오.
• 목적: 템퍼링은 취성을 감소시키고 인성과 연성을 크게 향상시키면서 상당한 경도를 유지합니다. 사용되는 특정 온도와 시간은 경도와 인성 사이의 최종 균형을 결정합니다.
• 다양한 성격: H21과 같은 고합금 공구강의 경우, 두 번 이상의 템퍼링 사이클을 수행하는 것이 일반적입니다. 이는 구조적 안정성을 확보하고, 잔류 오스테나이트를 변태시키며, 2차 경화를 유도하여 고온에서의 성능을 더욱 향상시킵니다.

H21강의 경도 및 템퍼링 온도 표

3.5 중요한 공정 관리

3.5.1 탈탄 방지

H21강은 고온 열처리 시 탈탄, 즉 표면에서 탄소가 손실되는 현상이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 표면층이 부드럽고 약해집니다.

• 해결책: 오스테나이트화 처리 과정에서는 보호 조치가 필수적입니다. 여기에는 제어 분위기로, 염욕 사용 또는 스테인리스강 호일과 같은 보호 재료로 부품을 감싸는 것 등이 포함됩니다.

3.5.2 단조 후 냉각

H21은 경화성이 매우 높기 때문에 단조 작업 직후 단조품을 천천히 냉각해야 합니다(예: 노냉 또는 단열재에 묻기).

• 이유: 고온에서 공랭하는 노멀라이징 공정을 피하십시오. 이 공정은 강철을 부분적으로 또는 완전히 경화시켜 의도된 경화 및 템퍼링 공정 전에 취성 및 균열을 유발할 수 있습니다. 서서히 냉각하면 후속 열처리에 더욱 적합한 구조를 얻을 수 있습니다.

H21 공구강의 열처리에 대한 이러한 체계적인 접근 방식은 해당 소재가 의도된 고온 가공 공구 용도에 필요한 고성능을 제공하도록 보장합니다. 각 매개변수에 대한 정밀한 제어가 성공의 핵심입니다.

4. H21 공구강의 적용 분야

H21강은 고온 경도와 내마모성이 뛰어나 다양한 고온 가공 공정에 사용됩니다.

• 단조 금형 및 인서트
• 고온 작업용 펀치, 피어서 및 맨드릴
• 열 압출 금형
• 고온 전단 블레이드(특히 극한 환경 조건에 적합하며, 경우에 따라 H25와 함께 사용됨)
• 다이캐스팅 금형 (특히 황동용)
• 주조용 금형 (특히 얇은 부분에서 내마모성을 어느 정도 희생하더라도 파손 저항성을 향상시킬 수 있는 경우)

H21은 중규모 생산을 위한 툴링에 적합한 선택으로 여겨지는 경우가 많습니다.

5. H21 공구강 동등 등급

• 유럽 (EN): X30WCrV9-3 (1.2581)
• 독일(DIN): 1.2581
• 일본 (JIS): SKD5
• 프랑스 (AFNOR): 32CDV12-28
• 중국(GB): 3Cr2W8V