H10 공구강은 크롬을 주성분으로 하는 고온 가공용 공구강입니다. 동급 규격으로는 DIN(독일) 1.2365, JIS(일본) SKD7, GB(중국) 등이 있습니다. 4Cr3Mo3SiV.

1. H10 공구강의 화학 조성¹

2. H10 공구강의 기계적 및 물리적 특성

H10 공구강에 함유된 합금 원소들은 독특한 기계적 및 물리적 특성을 부여하여 까다로운 고온 작업 환경에 적합하게 만듭니다.

2.1 경도 성능

H10 공구강의 경도는 성능에 있어 매우 중요한 요소입니다.

• 열처리 후 경도: H10은 어닐링(연화) 상태에서 일반적으로 192~229 HB의 경도 범위를 나타내어 가공이 용이합니다.
• 담금질 경도: 적절한 열처리를 거치면 H10은 약 56~59 HRC의 담금질 경도를 얻을 수 있습니다.
• 고온 경도: H10은 중간 정도의 (C 등급) 고온 경도를 나타냅니다. 특히, 장기간 고온 작업 환경에서 MOD H10 공구강은 H11 공구강보다 경도를 더 잘 유지합니다.

2.2 경화성 및 열처리 반응

H10은 넓은 단면적에 걸쳐 균일한 경도를 얻을 수 있는 심경화강입니다. 경화 계수(D1)는 약 5인치입니다. 공기 경화강인 H10은 공랭 시 마르텐사이트가 형성되어 열처리 과정에서 변형이 최소화됩니다.

2.3 인성 및 충격 저항성

H10 공구강은 우수한 인성을 제공하며, 일반적으로 '양호'(또는 D 등급)로 평가됩니다. H10과 같은 크롬 함유 고온 가공강은 우수한 인성과 내충격성을 제공하여 다양한 고온 가공 작업에 유리합니다. 일부 비교 자료에서는 H11 또는 H13보다 인성이 약간 낮다고 제시하기도 하지만, H10은 충격 강도가 요구되는 용도에 적합한 견고한 선택입니다.

2.4 내마모성

H10 공구강의 내마모성은 일반적으로 보통(C/D 등급)으로 평가되지만, 일부 자료에서는 중간에서 높은 수준으로 분류하며, 종종 더 우수한 성능을 보이기도 합니다. H11 그리고 H13 공구강 이러한 측면에서, 우수한 내마모성은 열간 단조와 같은 까다로운 공정에 사용되는 금형에 필수적인 특성입니다.

2.5 고온에서의 성능

H10 공구강의 두드러진 특징은 고온에서도 구조적 무결성을 유지하는 능력입니다.

• 뜨거운 힘: 이 소재는 연화에 대한 저항성이 뛰어나 500~550°C의 고온에서도 높은 경도를 유지합니다. 이러한 "적색 경도"는 고속으로 작동하거나 뜨거운 금속과 직접 접촉하는 공구에 필수적입니다.
• 열처리 저항성: H10은 중간에서 높은 수준의 열처리 저항성을 가지고 있으며, 특정 작동 조건에서는 H11 또는 H13보다 우수한 성능을 보일 수 있습니다.

2.6 열적 특성

H10 공구강은 열 순환이 수반되는 용도에 매우 적합합니다.

• 열피로 및 열 균열 저항성: H10은 고온 작업 공구에서 흔히 발생하는 고장 원인인 열 피로 및 열 균열에 대한 저항성이 우수합니다.
• 열전도율: 크롬 함량이 약 3%인 H10은 H11이나 H13과 같은 강재(크롬 함량 약 5%, 열전도율 약 26W/m·K)에 비해 열전도율이 더 높습니다(약 32W/m·K). 이러한 향상된 열전도율은 공구 표면에서 효율적인 열 방출이 필요한 용도에 유리합니다.

2.7 치수 안정성

공기 경화강인 H10은 열처리 중 변형이 적어 공구가 의도한 형상과 공차를 유지하도록 보장하는 장점을 제공합니다.

2.8 가공성

H10 공구강은 적절하게 열처리될 경우 일반적으로 양호한(C 등급) 가공성을 가지므로 효과적인 성형 및 공구 준비가 가능합니다.

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3. H10 공구강 열처리

H10 공구강은 H 시리즈에 속하는 견고한 크롬계 고온 가공 공구강으로, 고온 단조, 압출, 다이캐스팅과 같은 까다로운 용도에 적합하도록 설계되었습니다. 일반적으로 315°C~650°C(600°F~1200°F)에 이르는 극한의 작동 온도에서 뛰어난 성능을 발휘하기 위해서는 정밀한 열처리가 필수적입니다. 

3.1 H10 열처리의 핵심 단계

H10 공구강에서 최상의 성능을 얻으려면 몇 가지 중요하고 명확한 단계를 거쳐야 합니다. 원하는 미세 구조와 기계적 특성을 얻기 위해서는 각 단계를 신중하게 제어해야 합니다.

3.2 어닐링

H10 공구강의 경우 일반적으로 어닐링이 첫 번째 단계입니다. 어닐링은 강재를 연화시켜 가공성을 높이고 후속 열처리를 위한 균일한 미세구조를 형성하는 데 매우 중요합니다.

• 목적: 강철의 가공성을 높이고 미세구조의 균일성을 확보하기 위해.
• 권장 온도: 845°C ~ 900°C (1550°F ~ 1650°F).
• 냉각 절차: 시간당 약 22°C(시간당 40°F)의 속도로 천천히 냉각하는 것이 좋습니다.
• 목표 경도: 목표는 192~229 HB 사이의 어닐링 경도를 달성하는 것입니다.
• 결과적인 미세구조: 적절하게 열처리된 H10은 페라이트 기지 내에 분산된 구상화된 탄화물을 나타내며, 이는 효과적인 열처리에 이상적입니다. 오스테나이트 경화 과정 중 결정립 형성 및 결정립 미세화.

3.3 예열

경화 전 예열은 매우 중요한 단계입니다. 예열을 통해 열 충격을 크게 줄여 공구가 고온로에 들어갈 때 발생하는 변형이나 균열을 최소화할 수 있습니다.

• 목적: 열충격을 줄이고, 변형/균열 위험을 낮추고, 가공 응력을 완화하고, 고온 오스테나이트화로에서의 처리 시간을 단축하기 위해서입니다.
• 일반적인 온도: 일반적으로 약 815°C(1500°F) 정도가 적당합니다. 단계별 예열 또한 도움이 될 수 있습니다.
• 지속: 공구의 단면 전체가 균일하게 가열되도록 하십시오.

3.4 오스테나이트화(경화)

오스테나이트화(또는 경화)는 H10 공구강을 특정 고온으로 가열하는 공정입니다. 이 과정을 통해 공구강의 미세구조가 오스테나이트로 변환되고, 경도 및 템퍼링 과정에서의 2차 경화 특성에 필수적인 합금 탄화물이 용해됩니다.

• 목적: 강철의 구조를 오스테나이트로 변환하고 필요한 합금 원소(크롬, 몰리브덴, 바나듐 등)를 고용체로 용해시키기 위해서입니다.
• 권장 온도: 일반적으로 섭씨 1010도에서 1040도 사이(화씨 1850도에서 1900도 사이)입니다.
• 보유 시간: 온도에 도달한 후 완전히 가열될 때까지만 해당 온도를 유지하십시오(일반적으로 15~40분). H10의 경우 장시간 유지하지 마십시오. 오스테나이트화 온도는 용해된 탄화물, Ms 온도 및 잔류 오스테나이트에 영향을 미칩니다.

3.5 담금질

오스테나이트화 처리 후 급속 냉각을 통해 오스테나이트가 마르텐사이트(단단하고 바람직한 미세 구조)로 변환됩니다.

• 목적: 강철을 급속 냉각시켜 오스테나이트를 단단한 마르텐사이트 구조로 변환시킵니다.
• 권장 담금질 매체: H10(공기 경화형 강종)의 경우 잔류 응력 및 치수 변화를 최소화하기 위해 공기 담금질이 선호됩니다.
• 대규모 구간에 대한 대안: 매우 큰 단면의 경우 공기 분사 또는 오일 담금질이 필요할 수 있습니다.
• 중요 참고 사항: H10 공구강은 절대로 물에 담금질해서는 안 됩니다.
• 선택적 방법: 염욕 냉각(약 540~595°C 또는 1000~1100°F) 후 공기 냉각하는 방법도 가능합니다.
• 결과적인 미세구조: 주로 마르텐사이트이며, 일부 오스테나이트가 잔류합니다.

3..6 템퍼링

담금질 후 마지막 단계이자 필수적인 공정은 템퍼링입니다. 경화된 H10 강재는 응력을 받아 취성이 생길 수 있는데, 템퍼링을 통해 이러한 응력을 완화하고 인성을 크게 향상시킵니다.

• 목적: 내부 응력을 완화하고, 잔류 오스테나이트를 변형시키고, 2차 경화를 위해 미세한 합금 탄화물을 석출시켜 고온 강도를 향상시키고, 인성을 개선합니다.
• 시기: 균열을 방지하기 위해 담금질 후 가능한 한 빨리 (이상적으로는 실온에 도달하기 전에) 템퍼링하십시오.
• 일반적인 온도 범위: 550°C ~ 650°C (1020°F ~ 1200°F). H10은 약 540°C (1000°F) 부근에서 2차 경화 피크를 나타냅니다.
• 다중 열처리: H10의 경우 잔류 오스테나이트 변태를 극대화하고 인성을 최적화하기 위해 최소 2회(최대 4회까지)의 열처리 사이클이 필수적입니다.
• 담그는 시간: 각 재료는 2~4시간 동안 담가 두어야 합니다.
• 목표 작업 경도: 일반적으로 용도에 따라 38~54 HRC 정도의 경도를 나타냅니다.

3.7 H10 공구강 열처리 매개변수 요약

빠른 참조를 위해 H10 공구강 열처리의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

3.8 표면 처리를 통한 H10 공구강의 성능 향상

내마모성을 더욱 향상시키기 위해 H10 공구강에 질화 처리와 같은 표면 처리를 적용할 수 있습니다.

• 질화처리: 이 공정은 강철 표면에 질소를 도입하여 매우 단단한 외부층(종종 1000 HV를 초과함)을 생성합니다.
• 이익: 내마모성 및 내마찰성을 크게 향상시킵니다.
• 핵심 속성: 질화 처리는 일반적으로 약 540°C에서 수행되며, 이는 H10의 템퍼링 범위 이하 또는 그 안에서 이루어지는 경우가 많습니다. 이 과정을 통해 표면은 경화되지만, 이전 열처리로 확립된 중심부의 인성과 강도는 손상되지 않습니다.

4. 응용 프로그램

H10 공구강은 균형 잡힌 물성을 지니고 있어 다양한 고온 금형 가공 작업에 이상적이며, 고온 금속 성형 작업에 최적화된 공구를 선택할 수 있도록 해줍니다.

4.1 열간 단조: H10을 이용한 내구성 있는 금형 및 공구 제작

열간 단조에서 H10 공구강은 특히 가열된 공작물과 장시간 접촉하는 프레스 단조 금형에 있어 그 가치를 입증합니다.

이 제품의 기능은 다음과 같습니다.

• 알루미늄, 마그네슘, 구리, 황동 및 강철 단조용 금형.
• 알루미늄 단조용 펀치 및 다이(종종 44-48 HRC로 열처리됨)에서 H10은 H11 및 H13의 신뢰할 수 있는 대체재로 사용됩니다.

H10 공구강의 인성과 고온 경도는 까다로운 단조 환경에서 긴 수명과 일관된 성능을 보장합니다.

4.2 열 압출: H10의 탄력성을 활용한 툴링 최적화

H10 공구강은 다양한 금속의 열간 압출 툴링에 자주 사용되는 소재입니다.

이 분야에서 H10 공구강의 주요 적용 분야는 다음과 같습니다.

• 압출 다이: 알루미늄, 마그네슘, 구리, 황동 및 강철에 사용됩니다.
• 맨드릴: H10은 내마모성과 고온 강도가 뛰어나 특히 구리 합금의 열간 압출 맨드릴에 적합합니다.
• 보조 도구: 알루미늄 및 마그네슘 압출 공정에 사용되는 더미 블록, 백커 및 다이 링 또한 H10의 특성으로부터 이점을 얻습니다.

4.3 다이캐스팅: 고온 구리 합금 금형용 H10

H11, H12, H13은 알루미늄 및 마그네슘 다이캐스팅에 일반적으로 사용되지만, 고온 합금을 사용하는 용도에는 H10 공구강이 선호됩니다.

• 구리 주조 금형: H10은 특히 구리 주조 금형에 사용하기에 적합합니다. 구리 합금 주조 시 발생하는 고온에서도 경도를 효과적으로 유지하는 능력이 뛰어나기 때문에 선호되는 소재입니다.

4.4 수정된 H10(H10 mod)을 통한 성능 향상

개량형 H10(H10 mod)은 열전도율에서 뚜렷한 이점을 제공합니다(H11/H13의 경우 약 26 W/m·K에 비해 약 32 W/m·K). 이러한 우수한 열 방출 특성은 여러 H10 공구강 응용 분야에서 매우 중요합니다.

• 고도로 수냉식 냉각되는 공구: 빠른 열 방출이 필요한 소형 공구(두께 100mm 미만)에 효과적입니다.
• 고속 프레스: Hatebur 프레스와 같이 열 관리가 중요한 장비, 특히 짧은 사이클 타임에 사용되는 장비에 사용됩니다.
• 자동차 부품의 프레스 경화 공정: H10 모드는 프레스 경화(핫 스탬핑) 금형에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 금형의 효율적인 열 방출은 부품에서 원하는 마르텐사이트 변태를 달성하는 데 매우 중요합니다.

4.5 H10 공구강 적용 사례 요약

아래 표는 H10 공구강의 일반적인 적용 분야와 각 적용 분야에 적합하게 만드는 주요 특성을 요약한 것입니다.

5. H10 공구강 동등 등급

• DIN(독일): 1.2365 (32CrMoV12-28이라고도 함)
• AFNOR(프랑스): 32 DCV 28 또는 32CDV12-28
• JIS(일본): SKD7
• BS(영국 표준): 비히10
• UNS(통일 번호 체계): 티20810
• GB(중국): 4Cr3Mo3SiV

1. Bringas, JE (편집). (2004). 세계 철강 표준 비교 핸드북 (제3판). ASTM International. ↩︎