열간 공구강의 크리프 및 연화

열간 공구는 동일한 강이 냉간 공정 용도에서는 안전할 온도에서 파손되는데, 그 이유는 이를 제한하는 특성이 더 이상 항복강도가 아니기 때문입니다. 절대온도 기준으로 융점의 약 3분의 1 이상에서 금속은 본래 견딜 수 있는 하중 하에서 시간에 따라 변형되며, 공구에 경도를 부여한 미세조직이 스스로 변화하기 시작합니다. 이 페이지에서는 크리프가 제한 특성이 되는 온도, 크리프 곡선의 단계와 잔여 수명을 추정하는 데 사용되는 수치, 열간 금형에서 경도를 조용히 제거하는 변화, 그리고 크리프 파괴가 과부하로 인한 파괴와 어떻게 다른지를 다룹니다.

크리프가 제한 특성이 되는 온도

크리프는 격자 내 원자가 하중 하에서 재배열될 만큼 충분히 이동성을 갖게 되는 곳에서 시작되며, 출처에서 제시하는 경험 법칙은 이것이 절대온도 기준으로 융점의 약 3분의 1에서 2분의 1에서 발생한다는 것입니다. 이 법칙은 설계 기준이라기보다 출발점인데, 실제로 중요한 것은 금속의 강도가 항복강도가 아니라 크리프에 의해 제한되기 시작하는 온도이며, 이 전이는 각 합금마다 별도로 결정해야 합니다. 이 둘은 같은 질문이 아니며, 강의 경우 큰 차이를 보일 수 있습니다.

열간 공구강의 경우 그 결과는 직접적입니다. 아래 분류에서 크롬 열간 공구강은 저합금강이며, 다이캐스팅 금형이나 열간 단조 금형에서의 사용 온도는 해당 행의 개시 온도보다 높습니다. 따라서 공구는 견딜 수 있는 하중이 그것을 지탱한 시간에 따라 달라지는 영역에서 작동하며, 이것이 열간 공구가 상온 인장 수치가 아니라 고온 경도와 연화 저항으로 규정되는 이유입니다.

금속 또는 합금	크리프 개시 온도, °C	°F	융점에 대한 비율, T/TM
알루미늄 합금	150 ~ 200	300 ~ 400	0.48 ~ 0.54 TM
티타늄 합금	315	600	0.3 TM
저합금강	370	700	0.36 TM
오스테나이트계 철기 내열 합금	540	1000	0.49 TM
니켈 및 코발트기 내열 합금	650	1200	0.56 TM
내화 금속 및 그 합금	980 ~ 1540	1800 ~ 2800	0.4 ~ 0.45 TM

각 합금군에서 크리프가 공학적 고려 사항이 되는 온도로, 도 단위와 절대온도 기준 융점에 대한 비율로 모두 표시하였습니다. 출처: 논문 Creep and Stress Rupture Failures의 Table 1.

크리프 곡선과 수명을 예측하는 수치

고전적인 크리프 곡선은 세 단계로 구성됩니다. 1차 크리프는 하중 부과 직후의 조정 기간으로, 전위가 얽히고 재료가 경화되면서 속도가 감소합니다. 2차 크리프는 정상 상태 크리프라고도 하며, 가공 경화와 회복 사이의 평형 상태이고, 그 최소 속도는 파단 수명과 경험적으로 관련되어 내크리프 재료의 공학 작업에 사용되는 수치입니다. 3차 크리프는 파괴로 끝나는 가속 영역입니다. 많은 상용 내크리프 합금에서 3차 단계는 0.5% 이하의 크리프 변형률에서 시작하므로, 고온 용도 부품의 설계는 그 이전의 시간과 연신에 의존하며, 3차 단계 자체의 지속 시간은 파손되는 부품이 파단 전에 감지될 수 있게 하는 여유입니다.

이러한 수치에는 두 가지 주의 사항이 따릅니다. 시험에서 측정된 변형률은 부품의 전체 변형률이 아닌데, 온도에서의 총 변형률은 탄성 변형률, 열팽창 변형률 및 크리프 변형률의 합이며, 파손 분석에서 처음 두 가지를 빼놓을 수 없습니다. 또한 크리프 데이터는 일반적으로 일정 하중 하에서 수집되며, 시편이 늘어남에 따라 게이지부의 응력이 상승하므로, 그렇게 측정된 파단 수명은 동일 재료가 일정 응력 하에서 제공할 수명보다 짧습니다. 어느 점도 곡선의 형태를 바꾸지는 않지만, 곡선을 실제 부품에 다시 적용할 때 둘 다 결과를 바꿉니다.

온도에서 강의 변화

고온에서 장시간 노출된 부품의 미세조직은 납품 당시의 조직과 거의 유사하지 않으며, 열간 공구강의 경우 그 변화가 곧 파손입니다. 장기간 노출은 새로운 상의 석출, 원하는 상의 용해 또는 성장, 결정립 성장, 그리고 응력과 온도의 복합적 영향 하에서 일반 열처리로는 재현할 수 없는 변화를 초래합니다. 금형에 고온 경도를 부여한 탄화물은 더 이상 그 역할을 하지 못하는 형태로 조대화됩니다. 미세하게 분산되어 있던 상은 응집됩니다. 결정립 내부에 남아 있어야 할 탄화물이 결정립계로 이동하여, 그곳에서 막을 형성해 균열 경로로 작용합니다.

출처는 의심 부품을 검사할 때 중요한 한 가지 점에 대해 신중합니다. 시그마와 같은 상의 존재만으로 그 상이 파손을 일으켰다고 증명할 수는 없는데, 동일한 상이 그 양, 위치 및 형태에 따라 강화시키거나 약화시키거나 아무 영향을 미치지 않을 수 있고, 일반적으로 다른 상들도 동시에 존재하기 때문입니다. 그러한 결론을 위해서는 파손을 일으킨 상과 단지 함께 존재한 상들을 구분하는 금속조직학적 작업이 필요하며, 이것이 파단부 근처의 미세조직을 파단부에서 떨어진 곳의 미세조직과 비교해야 하는 이유입니다.

강의 변화	효과	관찰되는 위치
석출 경화 기지의 과시효	강도를 담당하는 상이 조대화되고 기지가 하중 하에서 계속 시효됨에 따라 강도가 저하됨	2차 경화 페라이트계 강 및 과포화 고용체의 분해로 경화되는 기타 합금
탄화물의 구상화	탄화물이 조대화되어 조직에 경도를 부여한 형태를 잃음	템퍼링 범위에서 장시간 유지된 탄화물 베어링 강재로, 모든 열간 금형용 다이를 포함한다
현장에서의 흑연화	철 탄화물이 흑연과 철로 분해되어, 강화 역할을 하던 탄소가 더 이상 탄화물 내에 존재하지 않는다	탄화물을 안정화하기에 충분한 크롬이 없는 철기 합금으로, 몰리브덴 함량과 탈산 처리도 영향을 미친다
결정립계의 탄화물 피막	합금의 응력 파단 수명을 상당히 감소시킨다	레플리카 또는 단면 절단을 통해 결정립계에서 발견되며, 파단면에서는 발견되지 않는다
MC 탄화물의 M으로의 전환23C6	새로운 탄화물은 결정립계를 따라 형성되는 경향이 있어, 강화 효과를 결정립 내부에서 결정립 가장자리로 이동시킨다	사용 중 온도에서 유지되는 강재 및 내열 합금으로, 각 합금계에 특정한 순서를 따른다
시그마 및 기타 위상학적 밀집 상	침상 석출물은 인성과 크리프 강도를 감소시키며, 이 상들은 실온으로 냉각 시 연성을 급격히 감소시킬 수도 있다	오스테나이트계 및 고온 합금으로, 상의 양, 위치 및 형상이 강화, 약화 또는 아무 효과도 없는지를 결정한다
하중 하에서의 재결정화	변형의 급격한 증가를 촉진하며, 3차 크리프가 시작되는 방식 중 하나이다	일반적으로 큰 소성 변형 후에도 등축을 유지하는 결정립으로 보이며, 이는 입계 파단의 연신된 결정립과 대조된다
균열 표면에서의 산화물 및 질화물 형성	열린 균열을 연결함으로써 수명 후반에 재료를 강화할 수 있으며, 이는 크리프 곡선에서 두 번째 정상 단계로 나타난다	고온에서의 산화성 사용 환경

출처에서 하중 하의 온도에서 유지된 강재에서 일어나는 변화, 각 변화가 부품의 강도에 미치는 영향, 그리고 그것이 발견되는 위치를 나열한다. 기사의 야금학적 불안정성 섹션에서 편집함.

크리프 파단의 외관

응력 파단 파괴는 주 파단 옆에 다수의 크리프 보이드가 존재하는 것이 특징이며, 보이드는 일반적으로 미세 시편의 광학 검사로 쉽게 발견된다. 파단이 거시적으로 연성 또는 취성으로 보이는지는 합금, 온도 및 변형률 속도에 따라 달라지며, 그 양상은 현장에서 기대하는 것과 반대이다. 낮은 크리프 속도, 긴 파단 시간 및 높은 온도는 연신이나 네킹이 거의 없는 입계 파괴를 촉진하는 반면, 뚜렷한 연신과 네킹을 동반하는 입내 파괴는 높은 적용 응력과 높은 변형률 속도에서 발생하는 경향이 있으며, 일반 인장 시험의 딤플 파단과 유사한 보이드 과정으로 파괴된다. 파면 사진은 종종 두 경로를 동시에 보여주며, 이 경우 입계 균열이 보통 먼저 발생하여 단면을 감소시키고 응력을 상승시켜 나머지 부분이 찢어졌다.

경로가 바뀌는 온도를 등응집 온도라고 한다. 그 이하에서는 결정립계 영역이 결정립보다 강하여 파괴가 결정립을 통과하고, 그 이상에서는 입계가 더 약하여 파괴가 입계를 따라 진행된다. 이 온도는 고정된 특성이 아니며, 노출 시간과 응력에 따라 변하므로 동일한 강재도 사용 조건에 따라 어느 방식으로든 파괴될 수 있다. 두 가지 캐비티 형상은 더 작은 규모에서 동일한 정보를 담고 있다. 결정립 가장자리를 따라 형성되는 둥근 캐비티는 저응력, 장시간 형태이며, 결정립계 삼중점의 쐐기형 캐비티는 고응력 및 저온에서의 결정립계 미끄러짐에 의해 촉진되며, 식별 가능한 결정립계 석출물과 함께 거친 파단면을 남긴다.

아직 사용 중인 부품의 경우 절단 없이 검사를 수행해야 하며, 출처에서 설명하는 현장 방법은 표면 레플리카로, 이는 크리프 손상으로부터 고온 플랜트의 상태를 평가하는 확립된 방법이다. 레플리카는 연마된 표면의 캐비티 분포를 연속 검사에서 추적할 수 있는 숫자로 변환하기 때문에, 다음 표의 손상 수준을 사용 가능하게 만든다.

남은 수명 추정

두 가지 접근법이 제시된다. 첫 번째는 매개변수적 접근법이며, 가장 널리 사용되는 매개변수는 Larson-Miller 매개변수로, 랭킨 온도에 C 더하기 시간(시간 단위)의 로그를 곱한 값으로 표시되며, 결과는 1000분의 1로 조정된다. 상수 C는 저합금강의 경우 약 20이다. 이 매개변수는 사용 노출을 실험실 데이터와 비교하여 주어진 적용 응력에서 남은 파단 수명을 결정하는 데 사용되며, 크리프 시험을 수천 시간 동안 실행하고 수년 단위의 사용 수명으로 외삽할 수 있는 이유이다.

두 번째 접근법은 금속조직학적 방법이며, 이미 사용 중인 부품에 대해 숫자를 제공하는 방법이다. 레플리카에서 읽은 캐비티 분포를 손상 수준에 대응시키고, 각 손상 수준은 이미 소비된 수명 분율의 범위에 해당한다. 남은 수명 계수는 소비된 분율의 역수에서 1을 뺀 값으로 계산된다. 동일한 캐비티 분포가 각 검사에서 읽히기 때문에, 검사 간의 추세가 단일 판독값보다 더 유용하며, 범위의 가장 넓은 부분은 가장 낮은 손상 수준에 위치하여 추정이 가장 불확실한 부분이다.

손상 수준	소비된 수명 분율, 범위 X	남은 수명 계수, 최소	남은 수명 계수, 최대
1	0.00 ~ 0.12	7.33	알 수 없음
2	0.04 ~ 0.46	1.17	24.00
3	0.30 ~ 0.50	1.00	2.33
4	0.30 ~ 0.84	0.19	2.33
5	0.72 ~ 1.00	0은 파괴됨을 의미	0.39

이미 소비된 수명 분율에 대한 손상 수준으로, 남은 수명 계수는 1/X에서 1을 뺀 값으로 계산된다. 손상 수준은 레플리카에서 관찰된 캐비티 분포에서 읽히며, 이 때문에 수준 1 부품은 그대로 둘 수 있고 수준 5 부품은 이미 파괴된 것이다. 출처: 기사 Creep and Stress Rupture Failures의 표 3.

파단 연성은 그 경고 시간이 실제인지 여부를 결정하는 특성이다. 부품 설계는 흔히 1퍼센트의 크리프 변형률을 기준으로 하며, 출처는 통상 주조 니켈기 내열 합금에서 760 °C에서 약 1퍼센트의 응력 파단 연성이 흔한 반면, 가장 강한 단조 합금은 5퍼센트 이상의 값을 보인다고 언급한다. 따라서 낮은 파단 연성은 부품이 눈에 띄게 변형되기 전에 파괴될 수 있기 때문에 합금이 최대 강도까지 사용되는 것을 막을 수 있다. 변형량이 중요하지 않은 경우에는 다른 이유로 높은 파단 연성을 선택할 가치가 있으며, 그것은 파괴가 경고 없이가 아니라 경고와 함께 도래한다는 점이다. 조기 파괴는 3차 단계에서 바로 그 연성 부족으로 인해 발생해 왔다.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

열간 공구는 사용 온도에 맞춰 구매하며, 유용한 사양은 상온에서 도달하는 값이 아니라 해당 온도에서 강이 유지하는 값을 말하는 것입니다. 시트에 기재할 가치가 있는 항목은 네 가지입니다. 사용 온도와 그 온도에서의 시간인데, 둘 다 결정에 들어가며 600 °C를 몇 초간 겪는 다이는 500 °C를 몇 시간 겪는 다이와 다르게 거동하기 때문입니다. 템퍼링 온도인데, 사용 온도보다 낮게 템퍼링된 다이는 사용 중 계속 연화되기 때문입니다. 강의 청정도와 제조 방식인데, 고온 강도를 제거하는 상변태는 조성 제어와 봉재 내 편석량에 민감하기 때문입니다. 그리고 고온에서의 인성인데, 열간 공구 다이의 수명을 끝내는 입계 균열은 상들이 모인 경계를 따라 성장하는 균열이기 때문입니다. 열간 등급과 그 사이클은 열간 공구강 열처리 그리고 H13 강 열처리에, 보통 가장 먼저 발생하는 반복 가열 및 냉각 파손은 내열 피로 공구강에, 열 모델에 필요한 물리 데이터는 열간 공구강 열 상수 그리고 공구강 열전도율에 있습니다. 고속도 등급에서 적열 경도가 온도에서 유지되는 방식은 고속도강 열처리에, 템퍼링 선택의 근거가 되는 변태 선도는 템퍼링 및 등온 변태에, 각 다이 부품에 사용되는 재료는 다이캐스팅 다이 부품 재료에 나열되어 있습니다. 동일한 입계를 통해 발생하는 템퍼 취성은 강재의 취화 유형에 정리되어 있으며, 공구 또는 다이 파손의 단계별 원인은 공구 및 금형 고장 분석.

크리프 평가에 따라 조치하기 전에

참고 페이지이며, Aobo Steel의 사양이 아니고, 위의 온도와 한계는 명시된 합금군 및 부품에 대해 공표된 값입니다. 크리프 거동은 합금, 응력, 온도, 시간 및 환경에 함께 의존하며, 개시 수치는 특정 공구에 대한 설계 한계가 아니라 엔지니어링 경험 법칙입니다. 레플리카에서 읽은 손상 수준은 작은 한 영역의 판독값이며, 단일 검사로는 천천히 성장한 손상과 막 시작된 손상을 구별할 수 없습니다. 열간 공구 다이를 잔여 수명 추정에 의존해 계속 사용하는 경우, 그 추정은 그것이 나온 검사 주기와 함께 두어야 합니다.

출처: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.