AISI H21 공구강 | 1.2581 | SKD5 고텅스텐 열간 가공강

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

While offering good hot strength, H21’s toughness and shock resistance are generally lower compared to chromium-based 열간 공구강, 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

Achieving the optimal performance from H21 tool steel relies heavily on a precise heat treatment process. This procedure develops the necessary hardness, wear resistance, and toughness essential for demanding hot work applications.

3.1 예열

주요 경화 공정 전에 H21 공구강은 신중하게 예열해야 합니다.

• 온도: 760~815°C(1400~1500°F)까지 균일하게 가열하십시오.
• 목적: This crucial step minimizes thermal shock and prevents cracking, especially in components with complex shapes or varying thicknesses. Slow and even heating ensures that the temperature is evenly distributed throughout the steel, preparing it for the high temperatures of austenitizing.

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

H21 steel is prone to decarburization, or the loss of carbon from the surface, at high heat treatment temperatures, resulting in a soft and weak surface layer.

• 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