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냉간 압출 금형강 선택을 위한 기술 가이드
✔100% UT 테스트 완료, 품질 보증
✔ESR, LF+VD 용융 방식으로 사용 가능
✔경쟁력 있는 공장 직판 가격
현대 제조 산업에서 냉간 압출은 자동차, 항공우주 및 산업 기계 분야 전반에 걸쳐 정밀 부품을 대량 생산하는 핵심 공정입니다. 냉간 압출 금형의 수명은 기업의 수익성에 직접적인 영향을 미치는 경우가 많습니다. 따라서 펀치와 금형에 가장 적합한 공구강을 선택하는 것은 비용 효율성을 극대화하는 데 매우 중요한 전략적 결정입니다.
냉간 압출은 냉간 단조 또는 냉간 충격 압출이라고도 하며, 일반적으로 200°C(390°F) 미만의 온도에서 수행됩니다. 일반적인 공정은 금속 블랭크를 고정된 금형 캐비티에 넣고 고속 펀치가 금속을 압축하여 소성 변형을 일으켜 원하는 형상을 얻는 것입니다.
이 공정은 금형 재료에 매우 까다로운 요구 사항을 부과합니다. 금형강은 극히 짧은 시간 내에 극심한 압축 응력, 심각한 마모, 그리고 동적 피로 하중을 견뎌내야 합니다.
범용강으로는 더 이상 위의 요구사항을 충족할 수 없으므로 열처리된 공구강을 사용해야 합니다. 공구강을 선택하는 근본적인 이유는 높은 경도와 높은 인성을 균형 있게 갖추는 것입니다.
냉간 압출 금형에 대한 핵심 요구 사항
냉간 압출 다이는 세 가지 핵심 과제에 직면합니다.
1. 극한 압력 및 압축 응력
냉간 압출은 상온에서 금속에 소성 변형을 유도하는 방식으로 작동합니다. 금속을 특정 금형 캐비티를 통해 밀어 넣으려면 금형이 엄청난 반력을 견뎌야 합니다. 인증된 펀치와 금형은 최대 2415MPa(350ksi)의 압력을 견뎌야 합니다. 이러한 압력 하에서 일반 강철은 점토처럼 변형됩니다. 공구 및 금형강의 경우 압축 강도가 가장 중요한 고려 사항이며, 이는 금형이 극한 압력 하에서도 소성 변형되거나 파손되지 않도록 보장합니다.
2. 내마모성
고압 조건에서 금속 블랭크와 다이 표면은 강한 상대적 슬라이딩 마찰을 겪으며, 이로 인해 마모와 접착 마모가 발생합니다. 내마모성은 다이 수명과 완제품의 치수 정밀도를 직접적으로 결정하는 요소입니다. 따라서 D 시리즈와 같은 고탄소, 고크롬 공구강이 이 분야에서 널리 사용됩니다.
3. 인성 및 피로
높은 압력과 마모를 견디려면 경도를 높여야 하지만, 경도가 지나치게 높으면 강철이 취성해집니다. 냉간 압출은 역동적인 반복 공정입니다. 특히 길이 대 직경 비율이 높은 가느다란 펀치의 경우, 반복적인 충격에 대한 인성이 부족하면 피로 파괴나 조기 파손에 매우 취약해집니다.
냉간 압출용 주요 공구강 종류
요약하자면, 냉간 압출 공정에 필요한 재료 선택 요건은 높은 경도, 높은 내마모성, 그리고 충분한 인성입니다.
1. 고속도강(HSS)
고속강은 절삭 공구에만 사용되는 것이 아니라 냉간 압출 금형, 특히 펀치와 금형 인서트에도 탁월한 성능을 발휘합니다.
HSS는 탁월한 고온 경도를 나타내며, 최대 600°C까지 높은 경도를 유지합니다. 순간적으로 고온이 발생하는 고속 압출 공정에서도 HSS 다이의 작업면은 연화되지 않습니다.
예시: M2강은 냉간 압출 펀치에 사용되는 표준 재질입니다. 내마모성 등급은 7이고 인성 등급은 3입니다.
M4강은 높은 내마모성이 요구되는 냉간 압출 공정에 적합합니다. 내마모성 등급은 9이고 인성 등급은 3입니다.
T15강은 높은 내마모성이 요구되는 조건에서도 냉간 압출에 적합합니다. 내마모성 등급은 9이고 인성 등급은 1입니다. T15는 최고 수준의 내마모성을 제공하지만, 그만큼 인성이 떨어집니다. 측면 하중은 최소화되지만 심각한 마모가 발생하는 매우 안정적인 조건에서 작동하는 정밀 금형에 적합합니다.
M2 고속강
M2 고속강은 냉간 압출 펀치에 이상적인 소재입니다. 62~64 HRC로 열처리하면 압축 강도가 2068 MPa(300 ksi)를 초과할 수 있습니다. 이 소재는 탁월한 내마모성을 보여주며, 대량 생산 시에도 치수 정밀도를 효과적으로 유지하고 소성 변형에 대한 저항력이 뛰어납니다.
2. 냉간 가공 공구강(D 및 A 시리즈)
냉간 성형 분야의 구매자와 엔지니어에게 가장 일반적인 선택은 일반적으로 AISI D2(1.2379), AISI A2(1.2363) 및 AISI O1(1.2510)의 세 가지 재료를 중심으로 이루어집니다.
AISI D2(1.2379)는 고탄소, 고크롬 냉간 가공 공구강으로, 탁월한 내마모성과 연화 저항성을 자랑합니다. 내마모성 등급은 8점, 인성 등급은 2점입니다. D2는 수명이 길고 대량 생산이 요구되는 금형에 최적의 선택입니다. 냉간 압출 금형, 펀칭 금형, 다양한 전단 블레이드 등에 널리 사용됩니다.
D2 금형이 사용 중 파손이나 균열이 발생할 경우, AISI A2가 최적의 대안이 될 수 있습니다. A2는 내마모성 6점, 인성 5점을 받아 균형 잡힌 특성을 제공합니다. 다용도 냉간 성형강인 A2는 우수한 내마모성과 D2에 비해 뛰어난 내충격성을 유지하므로, 보다 까다로운 용도에도 적합합니다.
저렴한 오일 경화 공구강인 AISI O1은 여전히 시장에서 사용되고 있습니다. 내마모성은 4점, 인성은 8점을 받았습니다. O1의 내마모성은 D2에는 미치지 못하지만, 인성은 매우 뛰어납니다. 금형의 고장이 주로 마모보다는 파손으로 발생하거나 저렴한 공구 재료가 필요한 경우, O1은 매우 경제적인 선택이 될 수 있습니다.
D2 냉간 가공 공구강 | 1.2379 | SKD11
D2 냉간 가공 공구강은 높은 내마모성과 탁월한 압축 강도를 결합하여 압출 다이 인서트에 이상적인 소재입니다. 이 소재는 60~62 HRC의 경도와 우수한 심층 경화성을 제공하며, 공기 경화 특성으로 열처리 변형을 효과적으로 제어하여 장기간의 고마모 생산 주기 동안에도 다이의 안정적인 치수 정확도와 정밀 공차를 유지합니다.
A2 냉간 가공 공구강 | 1.2363 | SKD12
A2 공기경화 공구강은 높은 인성과 내마모성을 겸비하여 압출 펀치 및 다이에 이상적인 소재입니다. 담금질 후 경도는 일반적으로 56~58 HRC이며, 경화성이 우수하고 변형률이 매우 낮습니다. D2 강이 취성 파괴를 보일 때 A2는 탁월한 대안이 될 수 있습니다. A2는 매우 높은 압축 응력을 견딜 뿐만 아니라 강한 충격 하중에서도 파손을 효과적으로 방지합니다.
O1 냉간 가공 공구강 | 1.2510 | SKS3
O1 오일 경화 공구강은 소량 생산 냉간 압출 금형에 경제적인 솔루션을 제공합니다. 58~62 HRC의 경도를 지닌 이 소재는 내마모성과 인성이 균형 있게 갖춰져 있어 펀치 및 다이 방식의 용기 제조에 널리 사용됩니다.
3. 고온 작업용 공구강(H 시리즈)
냉간 압출 금형 제작에 있어 경도는 매우 중요하지만 유일한 요소는 아닙니다. 금형이 극도로 복잡한 응력 환경에 노출되거나 고강도 강재를 압출하는 경우, 지나치게 높은 경도는 오히려 순간적인 취성 파괴를 초래할 수 있습니다. 이러한 경우에는 다른 재료 선택 전략이 필요합니다. 압축 강도를 다소 희생하면서 필요한 파괴 저항성을 확보하기 위해 H11 또는 H13 강재 사용을 강력히 권장합니다. 이 강재들은 유리처럼 산산조각 나는 대신 스프링처럼 충격 에너지를 흡수합니다. H11/H13과 같은 중탄소 열간 가공 공구강은 인성 등급 9를 달성합니다.
H11/H13은 또 다른 용도로도 사용됩니다. 금형 내에서 고가의 초경합금이나 고경도 공구강 인서트가 파손되는 것을 방지하기 위해 H11 또는 H13(1.2344) 재질의 "수축 링"을 하나 이상 인서트 외부에 장착할 수 있습니다. 이러한 구성을 예응력 복합 금형이라고 합니다. 열팽창 및 수축을 이용하여 H11/H13 링을 가열한 후 인서트에 장착합니다. 냉각 시 상당한 내부 예응력이 발생합니다. 이 힘은 냉간 압출 중 발생하는 외부 인장 응력을 상쇄하여 인서트의 균열을 방지합니다. 이러한 용도에서 H11/H13은 매우 높은 경도가 필요하지 않으며, 일반적으로 46~48 HRC로 열처리하면 충분합니다. 이 경도 범위는 뛰어난 인성과 구조적 안정성을 보장합니다.
H11 공구강 | 1.2343 | SKD6
H11 크롬 열간 가공강은 냉간 압출 금형에 필수적인 보완 소재로, 높은 인성 덕분에 금형의 갑작스러운 취성 파괴를 효과적으로 방지합니다. 이 강종은 일반적으로 수축 링과 금형 프레임 제조에 사용되며, 경도는 46~52 HRC입니다. 높은 연성으로 인해 엄청난 파열 압력을 견딜 수 있습니다. 뛰어난 충격 저항성이 요구되는 고응력 부품에서 H11은 고경도 소재에 내재된 취성을 극복하여 툴링의 전반적인 구조적 무결성을 보장합니다.
H13 공구강 | 1.2344 | SKD61
H13 공구강은 높은 인성과 연성을 제공하여 수축 링 및 하우징 제조에 이상적인 소재입니다. 44~48 HRC로 열처리하면 높은 충격 하중 하에서도 균열 전파를 효과적으로 억제합니다. H13은 우수한 심부 경화성을 보이며, 극한의 파열 응력 하에서도 장기간에 걸쳐 정밀한 치수 공차를 유지합니다.
열처리 및 표면 강화
고객 여러분께서는 공장 검사 시에는 경도 시험을 통과했지만, 기계 가동 시작 직후 갑자기 균열이 발생하는 상황을 경험하셨습니다. 이는 잔류 오스테나이트 때문일 가능성이 높습니다. 담금질 과정에서 강재의 오스테나이트가 마르텐사이트로 완전히 변태되지 않으면 잔류 오스테나이트가 남게 됩니다. 이 잔류 오스테나이트는 불안정하여 금형 사용 중, 특히 고응력이나 고속 충격 조건에서 자발적으로 취성 마르텐사이트로 변태됩니다. 이 변태 과정에서 부피 팽창이 발생하여 금형 내부에 막대한 응력이 발생하고, 결국 피로 파괴로 이어집니다.
냉간 압출 다이와 같은 고응력 환경에서는 비용 절감을 위해 템퍼링 사이클을 한두 번만 수행해서는 안 됩니다. 업계 표준은 3회 템퍼링입니다. 이를 통해 잔류 오스테나이트 대부분이 성공적으로 변태되어 다이 내부의 불안정성을 제거할 수 있습니다.
기본 재료가 충분한 강도와 인성을 확보한 후에는 극한의 마모를 견딜 수 있도록 금형에 보호층을 도포해야 합니다. 질화 처리는 가장 일반적인 표면 경화 방법입니다. 이 공정을 통해 금형 표면에 매우 단단한 화합물 층이 형성되어 내마모성이 더욱 향상됩니다.
| 도구 구성 요소 | 권장 강종 (선택 예시) | 작업경도(HRC) | 핵심 속성 강조 | 지원 구성 요소 |
| 펀치 | T15, M4, D4, M2 | 60–66 | 높은 압축 강도/내마모성 | 펀치 생크: A2, O1, S7 (56–58 HRC) |
| 다이 인서트 | T15, M4, D4, M2, D2, 카바이드 | 58–66+ | 높은 경도/내마모성 | 다이 홀더/리테이너 링: H11, H13 (46–48 HRC) |
| 극도로 어려운 압출 | H11/H13 또는 텅스텐 카바이드 | 46–62+ | 균열에 저항하는 강도 |
자주 묻는 질문
공구강 및 금형강은 극한의 압축 응력과 동적 피로 하중을 견디기 위해 높은 경도와 높은 인성을 균형 있게 갖춰야 합니다. 또한, 가공 과정에서 발생하는 심한 마모를 견딜 수 있도록 높은 내마모성도 요구됩니다.
M2 고속강은 펀치 제작에 있어 표준적인 소재로, 내마모성과 인성이 균형 있게 갖춰져 있습니다. 62~64 HRC로 열처리된 M2는 2068 MPa 이상의 탁월한 압축 강도를 제공합니다.
D2 금형 사용 중 파손이나 취성 파괴가 발생할 경우 AISI A2(1.2363)를 선택하십시오. A2는 D2에 비해 우수한 충격 저항성과 인성을 제공하며, 냉간 성형 시 우수한 내마모성을 유지합니다.
수축 링에는 인서트 균열 방지를 위해 H11 또는 H13 열간 가공 공구강을 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 재질은 스프링처럼 충격 에너지를 흡수하고 압출 시 발생하는 인장 응력에 대응하기 위해 안쪽으로 예응력을 발생시킵니다.
금형은 최대 2415MPa(350ksi)의 압력을 견뎌야 하므로 압축 강도가 가장 중요한 고려 사항입니다. 높은 압축 강도는 금형이 이러한 엄청난 힘에도 소성 변형되거나 파손되지 않도록 보장합니다.
업계 표준에서는 냉간 압출과 같은 고응력 적용 분야에 3중 템퍼링을 권장합니다. 이는 잔류 오스테나이트가 완전히 변태되어 피로 파괴를 유발하는 내부 불안정성을 제거합니다.
AISI O1은 소량 생산 금형이나 높은 인성이 요구되는 용도에 적합한 경제적인 오일 경화강입니다. 내마모성은 D2보다 낮지만, 금형 파손이 주된 원인인 경우에는 O1이 탁월한 선택입니다.
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