공구강 탄화물 유형 및 경도

공구강의 내마모성을 담당하는 입자는 합금 탄화물이며, 각 유형은 고유한 화학 조성, 결정 구조 및 경도를 가지고 있습니다. 이 페이지에서는 냉간 공구강 및 고속도강에서 발견되는 탄화물, 각 탄화물이 도달하는 경도, 이를 형성하는 합금 함량, 그리고 탄화물 유형, 크기 및 분포가 완성된 공구의 성능을 결정하는 방식을 설명합니다.

탄화물 유형, 결정 구조 및 경도

복합 탄화물에 사용되는 MxCy 표기법으로 표시된 탄화물은 금속 측이 순수 화합물이 아니라 한 원소가 풍부한 혼합물입니다. 마르텐사이트 선은 탄화물이 위치한 경화된 기지로, 규모 비교를 위해 표시되었습니다.

카바이드	주요 원소	순수 탄화물	결정계	격자 상수	경도
MC	니오븀	NbC	면심 입방	a = 4.47 Å	2300 HV
MC	바나듐	V4C3	입방	a = 4.16 Å	2000 HV
M2C	몰리브덴	Mo2C	육방	a = 3.01 Å, c = 4.74 Å	1800 HV
M7C3	크롬	Cr7C3	육방	a = 13.90 Å, c = 4.52 Å	1600 HV
M6C	텅스텐 또는 몰리브덴	Fe3Mo3C	입방	a = 11.12 Å	1500 HV
M3C	철	Fe3C	사방정계	a = 5.06 Å, b = 6.74 Å, c = 4.50 Å	1100 HV
Martensite	기지 참조	0.8% C 강	정방정계	a = 2.85 Å, c = 2.95 Å	900 HV

출처: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Table 5.2, 여기에 나열된 결정학 및 경도 참고 문헌의 값을 수집한 것입니다. 격자 상수는 순수 탄화물의 상온 값입니다.

어떤 원소가 탄소를 가장 강하게 붙잡는가

생성 자유 에너지는 탄화물 형성 원소의 순위를 매깁니다. 값이 낮을수록 원소가 용액에서 탄소를 더 강하게 끌어내므로 탄화물이 더 일찍 형성되고 오스테나이트화 중에 덜 용해됩니다.

요소	카바이드	생성 자유 에너지 (kJ/mol C)
티타늄	TiC	−170
니오븀	NbC	−135
바나듐	VC	−42
텅스텐	WC	−35
크롬	Cr7C3	−33
크롬	Cr23C6	−20
몰리브덴	Mo2C	−5
철	Fe3C	+15
Manganese	Mn3C	+20
Cobalt	Co2C	+35
니켈	Ni3C	+65

출처: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Figure 3.10. 값은 상온 및 금속 활성도 1%에 대한 것으로, 탄소 1몰당으로 표현되었습니다. 값이 낮을수록 탄화물이 더 강합니다.

순위 해석

이 순서는 이러한 강의 현장 거동을 설명합니다. 크롬 탄화물은 용해가 가장 쉽고, 몰리브덴이 그 뒤를 따르며, MC 탄화물은 용해에 가장 저항성이 크고, 니오븀 탄화물이 바나듐 탄화물보다 위에 있습니다. 이것이 D2 금형이 일반적인 범위에서 오스테나이트화되어도 여전히 크롬 탄화물로 가득 차 있는 반면, 고속도강의 바나듐 탄화물은 용해되기 위해 고상선 근처의 온도가 필요한 이유입니다.

완성된 공구에 두 가지 결과가 따릅니다. 용해되지 않고 남은 탄화물은 내마모성을 유지하고, 용해된 탄화물은 뜨임 반응을 공급하여 뜨임 후 경도를 높입니다. 이 둘 사이의 균형은 오스테나이트화 온도에 의해 결정되며, 그 온도가 탄화물 용해 에 미치는 영향은 D2 오스테나이트화 페이지에서 다룹니다.

탄화물이 강에 남는 경우

합금 첨가물은 오스테나이트에 한계까지 용해됩니다. 그 한계를 초과하는 모든 것은 미용해 탄화물로 남아, 이것이 내마모성 탄화물이 열처리 후에도 유지되는 방식입니다. 1% C에서 대략적인 한계는 다음과 같습니다.

요소	약 다음과 같은 수준까지 용액에 남음	초과분 형성
텅스텐	3% W	M6C
몰리브덴	3% Mo	M2C 및 M6C
바나듐	0.5% V	MC
니오븀	0.01% Nb	MC

출처: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Section 5.3.2. 탄소 함량이 증가함에 따라 한계는 감소합니다. 탄소가 동일한 용액 자리를 두고 합금 원소와 경쟁하기 때문입니다.

어떤 등급에 어떤 탄화물이 있는가

아래 분류는 일반 공급되는 공구강을 포함합니다. 탄화물 함량 기재된 값은 일반적인 사용 경도에서 경화 및 템퍼링된 상태에 대한 것입니다.

등급	유형	완성된 공구의 탄화물 함량	탄화물 유형
냉간 공구강
O1, O2	유경화	거의 없음. 뜨임 마르텐사이트가 내마모성을 단독으로 담당합니다.	뜨임으로 인한 Fe3C, 미용해 입자 없음
A2	공기 경화, 중합금	낮음. 5% Cr 및 1% C는 일반적인 경화 온도에서 대부분 용액에 남습니다.	M7C3
DC53 및 8% Cr 등급	공기 경화, 8% Cr	D2보다 더 미세하고 적은 탄화물로, 인성이 더 높고 미세 조직이 더 잘 연마되는 이유입니다.	M7C3
D2	고크롬, 12% Cr	경화 및 뜨임 상태에서 약 13 vol%, 가장 일반적인 탄화물 담지 냉간 공구강입니다.	M7C3
D3, D6	고탄소, 고크롬	최대 약 20 vol%. 냉간 공구강 등급 중 내마모성이 가장 높고 인성이 가장 낮습니다.	M7C3
고속도강
M2, M42	몰리브덴계 고속도강	최대 약 15 vol%. 몰리브덴 등급에서 M2C 공정 조직은 준안정 상태이며 M6C로 변환됩니다.	MC 및 M6C
T1, T15	텅스텐 고속도강	최대 약 15 vol%. 텅스텐 등급은 응고 중에 직접 M6C를 형성합니다.	MC 및 M6C
PM 등급	분말 야금	동일 화학 조성의 기존 등급과 동일한 탄화물 유형, 2배에서 10배 더 미세하고 균일하게 분포됨.	MC 및 M6C
열간 공구강 및 금형강
H13, H11, P20	열간 공구강 및 플라스틱 금형강	큰 미용해 탄화물이 없도록 설계되었습니다. 합금 첨가물은 용해도 한계에 가깝게 위치하며 뜨임 중 미세 석출물을 통해 작용합니다.	미세 2차 탄화물 및 질화물

출처: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Sections 3.3 및 5.3, 그리고 Figures 5.14 및 3.25의 미세 조직 비교.

양, 크기 및 분포가 내마모성을 결정합니다

탄화물 집단의 성능을 결정하는 세 가지 요소가 있으며, 이들은 서로 다른 두 단계에서 결정됩니다. 양과 유형은 등급의 화학 조성에서 비롯되고, 크기와 분포는 강이 제조된 방식에서 비롯됩니다.

세 가지 요소의 역할

양. 탄화물이 많을수록 내마모성은 향상되고 인성은 낮아집니다. 일반 등급에서 실용적인 상한은 약 15 vol%이며, 공급되는 강에서 관찰되는 최대치는 20 vol%입니다. 그 이상에서는 미세 조직이 너무 취성이 강해져 잉곳을 단조하거나 압연할 수 없습니다.

크기. 조대한 탄화물은 조대한 연마 마모에 가장 잘 저항합니다. 연마 입자가 비슷한 크기의 경질 상을 만나지 않고는 기지재를 절삭할 수 없기 때문입니다. 미세한 탄화물은 응착 마모와 폴리싱에 적합하며, 조대한 입자는 균열 개시점으로 작용하거나 표면에서 떨어져 나갑니다. 이것이 바로 연마 마모 등급 이 척도의 한쪽 끝에 위치하고 응착 마모 등급 이 다른 쪽 끝에 위치하는 실질적인 트레이드오프입니다.

분포. 동일한 부피의 탄화물이라도 균일하게 분포될 때 훨씬 더 잘 작동합니다. 분말 야금 으로 제조된 강은 동일한 화학 조성의 일반 주조 등급보다 탄화물을 2~10배 더 미세하게 유지하며, 이는 화학 조성을 변경하지 않고도 인성과 폴리싱성을 향상시킵니다.

출처의 단일 비교는 유형이 부피를 능가하는 방식을 보여줍니다. 약 15 vol%의 MC 탄화물을 함유한 10% V 실험강은 조대한 사포 연마 조건에서 약 20 vol%의 M7C3 탄화물을 함유한 D6보다 내마모성이 우수합니다. MC가 M7C3보다 약 두 배 더 경도가 높기 때문입니다. 내마모성은 탄화물 부피보다 탄화물 경도에 따라 먼저 증가합니다.

탄소 함량은 공구강이 도달할 수 있는 경도를 결정하지만, 탄소가 위치한 조직 구조가 그 경도가 얼마나 실현되는지를 좌우합니다.

Hardness of martensitic, pearlitic and spheroidized carbide structures as a function of carbon content, Vickers and Rockwell C scales — 그림 11.3. 마르텐사이트, 펄라이트, 페라이트 중의 구상화 탄화물 세 가지 조직의 경도를 탄소 함량에 따라 비커스와 로크웰 C 스케일로 나타낸 것이다. 마르텐사이트 곡선의 고탄소쪽이 넓은 것은 잔류 오스테나이트가 경도를 낮추기 때문이 며, 고탄소 공구강을 두 번 템퍼링하는 이유도 같다. 구상화 탄화물 조직은 세 가지 중 가장 무르고, 강재가 공급되는 어닐링 상태이다. 출처: E. Essadiqi, Tool Steels, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 11.3.

탄화물은 미세 조직의 입자 절반을 구성합니다

공구강은 경화된 기지재와 입자 집단으로 해석하는 것이 가장 좋습니다. 기지재는 강도와 뜨임 반응을 결정하고, 입자는 연마 마모 저항성을 결정합니다. 이러한 분할의 각 측면을 중심으로 구성된 등급은 경도 및 마모 등급과 함께 공구강 특성 차트.

니오븀 탄화물은 가장 경도가 높지만 가장 적게 사용됩니다

니오븀은 표에서 가장 경도가 높은 탄화물을 형성하며 1% 미만의 첨가로도 형성을 시작하므로 합금 여유가 거의 없는 등급에서 작동합니다. 대부분의 공구강은 니오븀이 널리 사용되기 전에 개발되었으며, 출처에서는 이를 현재의 관행이라기보다 유망한 방향으로 취급합니다.

금형강은 다른 방향으로 갑니다

플라스틱 금형강은 큰 미용해 탄화물 없이 설계됩니다. 모든 입자가 잠재적인 폴리싱 결함이자 에칭 라인이기 때문입니다. 피삭성과 폴리싱성을 트레이드오프하는 등급을 포함하여 이것이 표면 마감에서 어떻게 나타나는지는 연마 및 텍스처링 가이드.

분말 야금은 유형이 아닌 크기를 변경합니다

PM 등급은 기존 쌍둥이 등급의 탄화물 화학 조성을 유지하고 분포만 개선합니다. 미세 연마재에 대한 마모나 폴리싱성이 문제라면 PM이 해답입니다. 조대한 연마 마모가 문제라면 화학 조성이 해답입니다.

견적 전 확인 사항

조성, 탄화물 유형 및 탄화물 부피는 일반 참고용입니다. 실제 값은 규격, 제강소, 열번호 및 열처리에 따라 달라지며, 오스테나이트화 온도 단독으로 탄화물 집단의 가시적인 일부를 용해하거나 잔류시킬 수 있습니다. 재료 시험 성적서(MTC)와 대조하여 확인하거나 Aobo Steel에 문의하십시오.