용접, 성형 및 열처리가 공구강 성능에 미치는 영향

밀 인증서에 명시된 규격을 충족하는 공구강이라도 제조 과정에서 용접, 성형, 열처리 등의 공정이 제대로 관리되지 않으면 사용 중에 파손될 수 있습니다. 이 세 가지 공정은 강철의 내부 구조를 변화시키는데, 금형이나 다이가 하중을 견딜 수 있는지 여부는 데이터시트에 기재된 수치가 아니라 바로 이 구조에 달려 있습니다. 화학적 조성과 경도 범위만 확인하는 구매자는 전체 과정의 절반만 확인하는 셈입니다. 나머지 절반은 강철이 후속 공정을 거친 후 어떻게 변화하는지입니다.

용접은 강철이 사용되기 전에 이미 강철의 구조를 변화시킵니다.

용접은 급속한 국부 가열 및 냉각을 통해 강철을 접합하는 방식이며, 이러한 열 사이클은 용접 금속과 주변 열영향부(HAZ) 모두에 흔적을 남깁니다. 경화성 강재의 경우, H13, 이러한 위험은 열영향부(HAZ)에서 직접적으로 나타납니다. 해당 영역이 너무 빨리 냉각되면 구조가 마르텐사이트로 변형되는데, 마르텐사이트는 단단하지만 취성도 강한 상입니다. 따라서 접합부는 실제 생산 주기 전에 균열이 발생하기 쉬워집니다.

근본적인 원인은 열 입력량이며, 이는 전압, 전류 및 용접 속도에 의해 결정됩니다. 열 입력량이 너무 많으면 열영향부(HAZ)의 결정립 구조가 거칠어지고 강도와 인성이 모두 저하됩니다. 반대로 열 입력량이 너무 적으면 결정립 성장을 방지하여 용접부가 모재에 가까운 강도, 연성 및 경도를 유지합니다. 열 입력량은 직관적으로 최대화하거나 최소화할 수 있는 것이 아니라 용접 대상 재료의 등급에 맞춰 조정해야 합니다.

용접 품질은 용접 풀에 무엇이 혼입되는지에 따라 달라집니다. 용접 중 산소 오염은 산화물 개재물을 형성하는데, 이는 금속 내부에 작은 공극처럼 작용하여 강도, 인성 및 연성을 저하시킵니다. 보호 가스(일반적으로 아르곤)는 산소의 유입을 차단하는 역할을 합니다. 가스가 불순하거나 도포가 고르지 않으면 보호 기능이 제대로 작동하지 않아 용접 품질이 떨어집니다. 용접부는 빠르게 응고되기 때문에 수지상 구조와 편석 패턴을 형성하여 소성 변형에 저항성을 나타냅니다. 따라서 용접 금속은 일반적으로 접합된 모재보다 항복 강도 대 인장 강도 비율이 높습니다.

용접 열의 영향은 모든 강종에 동일하게 나타나지 않습니다. 냉간 가공 또는 구조 경화된 합금의 경우, 용접 열은 열영향부(HAZ)에서 재결정을 일으켜 경화를 해제하고 해당 영역을 모재보다 연화시킬 수 있습니다. 마르텐사이트계 스테인리스강을 포함한 석출 경화강의 경우, 강재의 강도를 부여하는 미세한 경화 입자가 용접 열에 의해 조대화되거나 기지(matrix)로 다시 용해되어 강화 효과를 상실할 수 있습니다. 듀플렉스 스테인리스강 또한 고유한 위험을 내포하고 있습니다. 용접 열과 그에 따른 냉각 과정에서 오스테나이트와 페라이트의 비율이 50/50에서 벗어나 열영향부에 시그마상이나 크롬 탄화물 및 질화물과 같은 유해한 상이 형성될 수 있으며, 이는 파괴 인성을 급격히 저하시킵니다.

그뿐 아니라 용접 후에는 잔류 응력이 남습니다. 이 응력으로 인해 용접 부위는 충격에 더 쉽게 파손되고 시간이 지남에 따라 피로 및 부식에 더 취약해집니다. 따라서 공구강 용접 후에는 응력 제거 처리가 필수적인 과정입니다.

강도를 위해 연성을 활용하는 성형 공정, 또는 그 반대

성형은 소성 변형을 통해 강철의 모양을 바꾸는 공정으로, 그 결과는 냉간 성형인지 열간 성형인지에 따라 크게 달라집니다.

냉간 인발과 냉간 압연은 강재를 변형 경화시켜 항복 강도와 인장 강도를 크게 향상시킵니다. 저탄소강 및 중탄소강의 경우, 항복 강도는 100~300%까지, 경도는 60~150%까지 증가할 수 있습니다. 하지만 이러한 가공의 단점은 연성, 연신율, 노치 충격 인성이 모두 감소한다는 점입니다. 또한 냉간 가공은 국부적인 잔류 응력을 발생시켜 재료의 물성이 방향에 따라 달라지게 할 수 있습니다.

열간 단조와 열간 압연은 냉간 가공과 정반대의 과정을 거칩니다. 이러한 공정은 냉간 가공에서 발생하는 취성 증가 없이 가공성을 향상시키고 연성을 유지하지만, 항복 강도는 냉간 가공된 동등 재료보다 낮아집니다. 열간 가공 시 높은 변형률 속도가 항복 강도를 높이기 때문에 가공 속도는 여전히 중요한 요소입니다.

열간 단조는 결정립 흐름을 통해 강철에 방향성을 부여합니다. 금속이 변형됨에 따라 결정립과 불순물이 가공 방향을 따라 늘어나고 정렬되어 흔히 섬유 구조라고 불리는 것을 형성합니다. 강도와 인성은 이러한 흐름 방향을 따라 가장 높고, 반대 방향으로는 약해집니다. 이것이 바로 단조 공구강을 금형에서 의도적으로 배향하는 이유 중 하나이며, 우연에 맡기지 않는 이유입니다. 높은 피로 저항성이 요구되는 부품의 경우, 표면에 압축 잔류 응력을 유도하기 위해 후처리로 심층 압연을 추가하여 반복 하중 하에서의 피로 수명을 연장하기도 합니다.

성형성은 재료(조성, 미세구조, 개재물 함량)와 변형 조건(온도, 변형률, 응력 상태) 모두에 따라 달라집니다. 압연 및 인발 공정은 또한 결정립이 특정 방향으로 배열되는 조직을 생성하여 강철을 이방성으로 만들고 가공 방향을 따라 강도를 직각 방향에 비해 다소 증가시킵니다.

일부 오스테나이트계 스테인리스강은 여기에 변형 유도 소성(TRIP)이라는 추가적인 메커니즘을 더합니다. 스탬핑과 같은 상온 변형 과정에서 가해지는 응력은 불안정한 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킵니다. 이러한 변태는 가공 경화율을 증가시켜 강재의 강도와 성형성을 동시에 향상시키는데, 이는 일반적으로 이 두 가지 특성이 서로 반대 방향으로 변화하는 것과는 대조적인 특이한 현상입니다.

열처리는 미세구조가 실제로 어떻게 변할지를 결정합니다.

열처리 과정은 구매자가 등급을 선택하는 데 있어 중요한 요소이며, 제어된 가열 및 냉각을 통해 최종 구조가 결정되기 때문에 그 결과가 좌우됩니다.

담금질, 템퍼링, 경화 및 석출 경화는 모두 구조를 마르텐사이트로 변환시켜 강도, 경도, 인성 및 내마모성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 어닐링과 노멀라이징은 이와 반대로, 이전 공정으로 인해 경화 또는 가공 경화된 강재를 연화시켜 가공성을 회복시키는 공정입니다.

열처리는 피로 수명에도 영향을 미칩니다. 예를 들어 오스템퍼링은 구조를 완전히 베이나이트로 변환시키는 공정으로, 고탄소 베어링 강에서 흔히 사용되며, 표면 바로 아래에 유익한 잔류 응력을 남겨 반복 하중 하에서 피로 수명을 연장합니다.

고탄소강의 경우 디2 그리고 디3, 우수한 열처리와 평범한 열처리를 구분하는 중요한 요소 중 하나는 잔류 오스테나이트입니다. 담금질 과정에서 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 완전히 변태되지 않고 구조 내에 남게 됩니다. 이 잔류 오스테나이트는 연성이 높고 표면 경도를 낮추며, 구름 접촉 피로 성능을 저하시킵니다. 이는 베어링 및 금형 응용 분야에서 절대 용납될 수 없는 고장 모드입니다. 제어된 열처리는 잔류 오스테나이트의 양을 줄여주므로, 데이터시트만 보고 추측하기보다는 공급업체에 직접 문의하여 이 부분을 확인하는 것이 좋습니다.

열처리는 석출물 형성에도 영향을 미칩니다. 제대로 수행하면 해당 등급이 형성하도록 설계된 강화상이 생성되도록 촉진합니다. 그러나 잘못 수행하면 탄화물, 질화물 또는 시그마상과 같은 유해한 상이 석출되어 기계적 특성, 충격 인성 및 내식성을 동시에 저하시킬 수 있습니다.

열처리의 또 다른 중요한 측면은 응력 관리입니다. 어닐링, 노멀라이징, 응력 완화 처리는 냉간 가공, 굽힘 또는 용접으로 인해 남은 변형을 제거할 수 있습니다. 그러나 담금질은 그 자체로 새로운 응력을 발생시키며, 이 응력을 제대로 관리하지 않으면 부품을 강화하려는 바로 그 과정에서 부품이 휘거나 변형되거나 균열이 발생할 수 있습니다.

성형과 열처리를 결합한 열기계적 처리

최상의 물성 조합은 성형과 열처리를 별도로 진행하는 대신 하나의 공정으로 결합할 때 얻을 수 있습니다. 이를 열기계적 처리라고 하며, 소성 변형이나 열처리 단독으로는 달성할 수 없는 결과를 만들어냅니다. 가장 일반적인 산업적 예는 고강도 저합금강에 대한 정밀한 압연 후 바로 담금질하는 공정입니다. 이 공정에서는 압연 중 정밀한 온도 제어가 중간 냉각 단계 없이 담금질로 바로 이어져 미세 구조를 개선하고 강도와 연성을 동시에 향상시킵니다.

이것이 공장 인증서에 나타나지 않는 이유는 무엇일까요?

화학적 조성과 경도 범위는 강철의 초기 상태를 나타내는 것이지, 용접, 성형 또는 열처리 후의 거동을 나타내는 것은 아닙니다. 동일한 등급의 강철이라도 결정 구조, 이전 열처리 이력 또는 개재물 함량이 다르면 동일한 가공 조건에서도 다르게 반응할 수 있습니다. 따라서 부품이 실제로 사용될 때 발휘하는 물성은 강철의 등급뿐 아니라 가공 방식에도 크게 좌우됩니다.