공기 경화 공구강이란 무엇이며 어떻게 작동하는가?

공기 경화 공구강이란 무엇인가요?

공기 경화 공구강은 오스테나이트화 온도에서 공랭하는 동안 경화될 수 있을 만큼 충분한 탄소와 합금 원소를 함유하고 있습니다. AISI 시스템에서 A 시리즈는 공기 경화 냉간 가공 공구강의 주요 그룹입니다. A2, A6, A7이 대표적인 예입니다.

실제 공구강 선정에서 공기 경화 특성은 A 시리즈 외에서도 나타납니다. D2, H13, S7, M2 및 기타 여러 고합금 공구강도 공기, 강제 공기 또는 가스 냉각을 통해 경화될 수 있습니다. 이러한 강종들의 공통점은 높은 경화성입니다.

경화성은 강철이 담금질 과정에서 단면 전체에 걸쳐 경화되는 능력을 의미합니다. 공기 경화 공구강의 경우, 높은 경화성 덕분에 물이나 기름으로 담금질하지 않고도 경화될 수 있습니다.

공기 경화 공구강은 어떻게 작동하나요?

강철의 경화는 마르텐사이트 형성에 달려 있습니다. 공구강을 오스테나이트화 온도까지 가열하면 구조가 오스테나이트로 변합니다. 냉각 과정에서 강철은 펄라이트나 베이나이트와 같은 연질 구조가 형성되는 것을 피해야 합니다. 냉각 속도가 충분히 빠르면 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태합니다.

일반 탄소강은 높은 임계 냉각 속도를 필요로 합니다. 펄라이트 형성을 방지하기 위해 매우 빠르게 냉각되어야 하므로, 수경화강은 강력한 담금질이 필요합니다.

공기 경화 공구강은 임계 냉각 속도가 더 낮습니다. 크롬, 몰리브덴, 망간, 바나듐, 텅스텐과 같은 합금 원소는 오스테나이트가 펄라이트 또는 베이나이트로 변태하는 것을 지연시킵니다. 이를 통해 강은 느린 냉각 과정에서 마르텐사이트 변태 범위에 도달할 충분한 시간을 확보할 수 있습니다.

결과적으로 공기 냉각이나 가스 냉각도 마르텐사이트를 생성할 수 있습니다. 강철은 단단해지지만, 담금질 응력은 물이나 기름 담금질에 비해 훨씬 낮습니다.

공기 경화 처리가 변형 및 균열을 줄이는 이유는 무엇일까요?

왜곡은 주로 불균일한 냉각과 불균일한 변환에서 비롯됩니다.

수냉식이나 유냉식에서는 표면이 내부보다 훨씬 빠르게 냉각됩니다. 표면은 먼저 수축하는 반면 내부는 뜨거운 상태로 팽창된 상태를 유지합니다. 이로 인해 열응력이 발생합니다. 이 응력이 너무 커지면 공구가 변형되거나 균열이 생길 수 있습니다.

마르텐사이트 형성은 또한 변태 과정에서 강철이 팽창하기 때문에 응력을 발생시킵니다. 급랭 시에는 표면은 단단한 마르텐사이트로 변하는 반면 중심부는 여전히 뜨거운 오스테나이트 상태일 수 있습니다. 이후 중심부가 변태하여 팽창하면 이미 경화된 표면을 밀어냅니다. 이로 인해 균열이나 심한 변형이 발생할 수 있습니다.

공기 경화는 이러한 문제를 완화시켜 줍니다. 표면과 중심부가 더욱 균일하게 냉각되고, 공구 내부의 온도 차이가 줄어듭니다. 또한 마르텐사이트 변태가 단면 전체에 걸쳐 더욱 균일하게 발생합니다. 따라서 공기 경화 공구강은 치수 안정성이 뛰어나고 경화 과정에서 안전성이 향상됩니다.

공기 경화 vs 오일 경화 vs 물 경화 공구강

수경화형, 유경화형, 공기경화형 공구강은 주로 합금 성분, 경화성, 담금질 강도 및 치수 안정성에서 차이가 납니다.

공기 경화강은 일반적으로 원자재 비용보다 치수 안정성, 심층 경화 또는 균열 위험 감소가 더 중요할 때 선택됩니다.

일반적인 공기 경화 공구강 등급

공기 경화 공구강은 하나의 AISI 그룹에만 국한되지 않습니다. A 시리즈는 대표적인 공기 경화 냉간 가공용 강종이지만, D 시리즈, H 시리즈, S 시리즈 및 고속도강 또한 공기 또는 가스 냉각으로 경화됩니다.

공기 경화 공구강의 열처리 시 고려 사항

공기 경화 공구강은 제어된 열처리가 필요합니다. 일반적인 공정에는 어닐링, 기계 가공, 필요한 경우 응력 제거, 오스테나이트화, 공기 또는 가스 담금질 및 템퍼링이 포함됩니다.

정확한 온도는 강종에 따라 다릅니다. A2, D2, H13, S7, M2 강종은 열처리 조건이 서로 다릅니다. 냉간 가공용 강, 열간 가공용 강, 고속도강은 각각 다른 경화 및 템퍼링 조건을 필요로 합니다.

표면 보호 또한 중요합니다. 많은 공기 경화강은 높은 오스테나이트화 온도를 사용합니다. 용광로 분위기가 좋지 않으면 탈탄이 발생하여 표면층이 약해질 수 있습니다. 진공로, 제어된 분위기, 염욕 또는 적절한 포장 방법을 사용하면 이러한 위험을 줄일 수 있습니다.

잔류 오스테나이트는 치수 안정성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 합금 함량이 높으면 담금질 후 불안정한 오스테나이트가 남을 수 있습니다. 여러 번의 템퍼링 과정과 경우에 따라 극저온 처리를 통해 사용 전에 구조를 안정화할 수 있습니다.

공기 경화 공구강은 언제 선택해야 할까요?

공구에 높은 경도가 필요하면서 열처리로 인한 변형을 최소화해야 할 경우 공기 경화 공구강을 선택하십시오. 특히 공구의 형상 때문에 수냉식이나 유냉식이 위험한 경우에 유용합니다.

공기 경화 공구강의 한계점

공기 경화 공구강은 분명한 장점이 있지만 한계점도 있습니다.

첫 번째 제약 조건은 가공성입니다. 높은 합금 함량과 단단한 탄화물 때문에 많은 공기 경화강은 가공 및 연삭이 어렵습니다. A 시리즈 강은 일반적으로 수경화강보다 가공성이 떨어집니다. D2는 탄화물 함량이 높아 가공이 더욱 어렵습니다.

두 번째 제약은 비용입니다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐 및 기타 합금 원소는 원자재 비용을 증가시킵니다. 공기 경화강은 일반적으로 단순 W 계열 또는 O 계열 강보다 가격이 더 높습니다.

세 번째 제약 조건은 단면 크기입니다. 공기 경화강은 심층 경화가 가능하지만, 공기 냉각에는 한계가 있습니다. 매우 큰 단면의 경우 강제 공기 냉각, 가스 담금질 또는 기타 제어 냉각 방법을 사용해야 할 수 있습니다. 적절한 방법 선택은 강종, 크기, 형상 및 용광로 성능에 따라 달라집니다.

일반적으로 노멀라이징은 공기 경화 공구강에 적합하지 않습니다. 고온에서 공랭하면 강이 취성 마르텐사이트로 경화될 수 있습니다. 연화가 필요한 경우, 이러한 강은 노멀라이징보다는 완전 어닐링이 일반적으로 필요합니다.

공기 경화라고 해서 변형이 전혀 없는 것은 아닙니다. 불량한 가열, 불균일한 단면 두께, 부적절한 냉각, 템퍼링 지연 또는 불량한 용광로 제어는 여전히 균열, 치수 변화 또는 공구 수명 단축을 유발할 수 있습니다.