공구강 | 열처리 실무

공구강 열처리 실무

공구강은 열처리 사이클이 준비한 방식대로 성능을 발휘하며, 현장에서 손실되는 공구 수명의 대부분은 담금질과 최종 템퍼링 사이의 시간 동안 손실됩니다. 이 페이지의 표는 해당 공정 구간에 대한 공개된 실무 데이터입니다. 이 표들은 담금질과 템퍼링 사이의 안전한 지연 시간, 등온 사이클 어닐링 스케줄, 부하가 템퍼링 온도에 도달하는 데 필요한 시간, 고속도강용 자동 염욕 라인의 사이클 시간, 경화 중 표면을 보호하는 흡열 분위기 노점, 그리고 공구를 팩에 넣어 어닐링할 때 사용되는 충전제를 다룹니다. 모든 수치는 출처 표와 출처 기사에서 그대로 인용했으며, 각 수치 아래에 출처 표 번호를 제시하여 원본을 확인할 수 있습니다.

담금질과 템퍼링 사이의 시간

내충격 공구강은 담금질 후 구간에서 균열에 가장 노출되기 쉬운 강종입니다. 강재가 막 마르텐사이트로 변태되어 단면에 변태 응력이 완전히 작용하고 있으며, 물 또는 염수 담금질은 그 위에 열응력을 추가합니다. 템퍼링이 바로 그 응력을 완화하는 공정이므로, 템퍼링로 전 지연 시간은 공정 카드에 포함되어야 할 공정 한계입니다. 표 1의 수치는 한 공장에서 S 강종에 대해 측정한 것으로, 오스테나이트화 온도와 담금질 강도가 높아질수록 허용 시간이 얼마나 빠르게 감소하는지 보여줍니다. 같은 공장에서는 S 강종에 대해 이중 템퍼링이 추가 사이클의 가치가 있으며, 첫 번째 템퍼링을 두 번째보다 30~55 °C (50~100 °F) 낮게 실시한다는 것을 확인했습니다.

강종	오스테나이트화 온도, °C	오스테나이트화 온도, °F	담금질 매체	템퍼링 전 허용 시간, 분
S1	900	1650	기름	30
S1	980	1800	기름	15
S2	845	1550	염수	10
S2	900	1650	염수	5
S3	815	1500	염수	10
S3	870	1600	염수	5
S4	870	1600	염수	10
S4	925	1700	염수	5
S4	900	1650	기름	30
S4	955	1750	기름	15
S5	870	1600	기름	30
S5	925	1700	기름	15

출처: Heat Treating of Specific Classes of Tool Steels의 Table 3. 한 공장에서 수행된 광범위한 연구로 결정된 값입니다. 출처는 허용 시간이 부품의 크기와 형상에 따라 크게 달라질 수 있다고 명시합니다.

사이클 어닐링 스케줄

사이클 어닐링은 긴 서냉로 냉각을 변태 온도 범위에서 두 번의 등온 유지로 대체합니다. 대형 장입물에서는 장입물 중심부가 여전히 천천히 냉각되어야 하므로 이점이 거의 없지만, 액체 욕조나 소형 로에서 처리할 수 있는 단일 공구의 경우 상당한 로 시간을 절약할 수 있습니다. 표 2는 4개 강종, 즉 냉간 가공강 2종과 공기 경화강 2종의 사이클을 제시합니다.

강종	처리
O1	730 °C (1350 °F)로 가열하여 4시간 유지, 780 °C (1440 °F)로 가열하여 2시간 유지, 690 °C (1275 °F)로 냉각하여 6시간 유지, 그런 다음 공랭
A2	900 °C (1650 °F)로 가열하여 2시간 유지, 760 °C (1400 °F)로 냉각하여 6시간 유지, 그런 다음 공랭
A6	815 °C (1500 °F)로 가열하여 2시간 유지, 650 °C (1200 °F)로 냉각하여 6시간 유지, 그런 다음 공랭
D2	900 °C (1650 °F)로 가열하여 2시간 유지, 775 °C (1425 °F)로 냉각하여 6시간 유지, 그런 다음 공랭

출처: Heat Treating of Specific Classes of Tool Steels의 Table 5. 사이클 어닐링은 액체 욕에서 취급할 수 있는 개별 공구에 적합합니다. 출처는 대형 부하에는 거의 이점이 없다고 명시합니다.

구상화 어닐링은 좁은 밴드 내에서 유지하는 것이며, 이 밴드는 하나의 변태선에 고정됩니다.

Temperature range around A1 used for spheroidization, against carbon content, with the intercritical and full annealing bands — 그림 11.11. A 주변의 온도 범위₁ 구상화에 사용되며, 탄소 함량에 따라 도시되었고, 임계간 및 완전 어닐링 밴드가 표시되어 있습니다. 이 밴드 내에서 유지하거나 이 밴드를 통과하는 사이클은 노멀라이징으로 남은 층상 탄화물을 구상으로 바꾸고 강을 기계 가공에 필요한 연질 상태로 만듭니다. 대신 밴드 위에서 유지하면 완전 어닐링이 되어 더 조대하고 마무리하기 어렵습니다. 출처: E. Essadiqi, Tool Steels, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 11.11.

그 유지가 만들어내는 것은 미세조직에서 볼 수 있으며, 그것이 어닐링된 소재가 판매되는 조직입니다.

Spheroidized microstructure of a 1.0 percent carbon steel at 2000x magnification, globular carbide in a ferrite matrix — 그림 11.12. 1.0% 탄소강의 구상화 조직, ×2000. 탄화물은 이전의 층상 펄라이트 대신 페라이트 기지에 구상으로 존재하며, 이것이 기계 가공과 담금질 전에 구상화 어닐링이 만들어야 하는 조직이다. 이런 조직은 절삭하기에 충분히 무르면서 담금질에 필요한 탄소를 그대로 보유한다. 출처: E. Essadiqi, Tool Steels, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 11.12.

템퍼링 온도에 도달하기 위한 가열 시간

템퍼링로는 설정 온도로 유지되며, 장입물은 단면 밀리미터당 명시된 분 수만큼의 시간이 필요합니다. 허용 시간은 부품의 형상과 로에 강제 순환이 있는지 여부에 따라 달라집니다. 표 3은 순환 없는 열풍 오븐과 순환 공기 오븐 또는 오일 욕조에 대한 출처 수치를 제시합니다.

템퍼링 온도, °C	템퍼링 온도, °F	순환 없는 열풍 오븐 (a)						순환 공기 오븐 또는 오일 욕조 (b)
		정육면체 또는 구		정사각형 또는 원통		평균 평판		정육면체 또는 구		정사각형 또는 원통		평균 평판
		분/mm	분/in.	분/mm	분/in.	분/mm	분/in.	분/mm	분/in.	분/mm	분/in.	분/mm	분/in.
120	250	1.2	30	2.2	55	3.2	80	0.6	15	0.8	20	1.2	30
150	300	1.2	30	2.0	50	3.0	75	0.6	15	0.8	20	1.2	30
175	350	1.2	30	2.0	50	2.8	70	0.6	15	0.8	20	1.2	30
205	400	1.0	25	1.8	45	2.6	65	0.6	15	0.8	20	1.2	30
260	500	1.0	25	1.6	40	2.4	60	0.6	15	0.8	20	1.2	30
315	600	1.0	25	1.6	40	2.2	55	0.6	15	0.8	20	1.2	30
370	700	0.8	20	1.4	35	2.0	50	0.6	15	0.8	20	1.2	30
425	800	0.8	20	1.2	30	1.8	45	0.6	15	0.8	20	1.2	30
≥480	≥900	0.8	20	1.2	30	1.6	40	0.6	15	0.8	20	1.2	30

출처: Introduction to Heat Treating of Tool Steels의 Table 7. 데이터는 직경 또는 두께의 밀리미터당 분 및 인치당 분으로 제시되며, 노는 첫 번째 열의 온도로 유지됩니다. 출처는 불규칙한 형상과 수량의 장입물에 대해서도 장입물의 총 크기와 장입물 외부에서 중심까지의 인치 수를 추정하여 동일한 허용치를 적용할 수 있다고 명시합니다.

자동 염욕 라인

고속도강 드릴, 탭 및 밀링 커터의 생산 열처리는 예열, 고온 가열, 담금질, 세척 및 린스 스테이션이 있는 체인 컨베이어 라인에서 종종 수행됩니다. 부품은 집게 고정구에 장착되어 이동하며, 공랭을 제외한 라인의 모든 스테이션은 하나의 사이클 시간 동안 유지됩니다. 표 4는 각 단계의 온도와 사이클 시간의 배수를 제시하고, 표 5는 다양한 드릴 직경과 엔드밀 및 컵에 대한 사이클 시간을 제시합니다.

공정 단계	작동 온도, °C	작동 온도, °F	로 내 총 시간 (a)
첫 번째 예열	650-870	1200-1600	X
두 번째 예열	760-1040	1400-1900	X
고온 가열	1010-1290	1850-2350	X
등온 담금질	540-705	1000-1300	X
공기 냉각	상온	상온	6X, 12X, 24X
세척, 온수	80-95	180-200	6X
린스, 온수	80-95	180-200	X

출처: Processes and Furnace Equipment for Heat Treating of Tool Steels의 Table 2. X는 라인의 사이클 시간입니다. 출처는 중성 염욕 담금질 후 질산염 담금질을 하면 공랭 시간이 24X에서 6X로 단축된다고 명시하며, 고온 가열로에 유입된 질산염 염이 600 ppm만 되어도 심각한 표면 손상을 일으킨다고 경고합니다.

드릴 직경, mm	드릴 직경, in.	시간
2.54-4.78	0.100-0.188	1분 30초
4.80-8.08	0.189-0.318	1분 40초
8.10-12.90	0.319-0.508	1분 50초
12.93-18.24	0.509-0.718	2분 0초
18.26-23.32	0.719-0.918	2분 20초
23.34-38.10	0.919-1.500	2분 40초
102 mm (4 in.) 직경 컵		6분
64 mm (2 1/2 in.) 직경 엔드밀		7분
76 mm (3 in.) 직경 엔드밀		10분

출처: Processes and Furnace Equipment for Heat Treating of Tool Steels의 Table 3. Table 4의 라인에 대한 고온 가열 시간. 같은 표에는 각 소구경의 피스가 집게당 몇 개 장입되는지가 나열되어 있으며, 출처는 아래 수치를 제시합니다.

고온 가열 시 제품의 직경	장입량
2.54 mm (0.100 in.)	집게당 160개, 염욕 내 480개, 1.2 kg (2.6 lb)
4.78 mm (0.188 in.)	집게당 85개, 염욕 내 255개, 3.5 kg (7.65 lb)
6.50 mm (0.256 in.)	집게당 63개, 염욕 내 188개, 5.6 kg (12.3 lb)
8.08 mm (0.318 in.)	집게당 25개, 염욕 내 75개, 3.9 kg (8.6 lb)
12.90 mm (0.508 in.)	집게당 16개, 염욕 내 48개, 8.3 kg (18.2 lb)

출처: Processes and Furnace Equipment for Heat Treating of Tool Steels의 Table 3. 자동 라인에서 소구경의 부하 중량.

노 분위기 노점

제어 분위기에서의 경화는 공구 표면을 보호하며, 그 보호는 가스의 탄소 포텐셜에 달려 있다. AGA class 302 흡열형 분위기의 경우 실질적인 제어는 노점이다. 표 7의 범위는 고온에서의 짧은 시간에 대해 제시된 것으로, 소형 공구에 적합하다. 출처는 대형 다이 섹션의 경우 동일 분위기에 대해 더 엄격한 제어가 필요하다고 경고하는데, 이는 사이클이 충분히 길어 표면의 작은 탄소 불균형이 침탄층 또는 탈탄층으로 성장할 수 있기 때문이다.

강종	노 온도, °C	노 온도, °F	노점 범위, °C
노점, °C	노 온도, °C	노 온도, °F	노점, °F
W2, W3	800	1475	7 ~ 13	45 ~ 55
S1	925	1700	4 ~ 7	40~45
S2	870	1600	4 ~ 16	40 ~ 60
O1	800	1475	7 ~ 12	45 ~ 55
O2	775	1425	7 ~ 12	45 ~ 55
O7	855	1575	-4 ~ 2	25 ~ 36
D2, D4	995	1825	-7 ~ -1	20 ~ 30
D3, D6	955	1750	-7 ~ -1	20 ~ 30
H11, H12, H13	1010	1850	2 ~ 7	35 ~ 45
T1	1290	2350	-18 ~ -12	0 ~ 10
M1	1205	2200	-15 ~ -12	5 ~ 10
F2, F3	830	1525	5 ~ 1	23 ~ 34

출처: Processes and Furnace Equipment for Heat Treating of Tool Steels의 Table 4. 온도에서의 짧은 시간에 대해 편집된 데이터로, 노점은 AGA class 302 흡열 분위기에 대해 제시됩니다. 출처는 F2와 F3의 섭씨 노점 범위를 5에서 1로 인쇄하는 반면 같은 행의 화씨 범위는 23에서 34로 인쇄되어 두 값이 일치하지 않으므로, 해당 행은 인쇄된 그대로 재현되었습니다.

어닐링용 패킹 컴파운드

공구를 팩에 넣어 어닐링할 때, 주위에 채워진 컴파운드가 강재 표면의 탄소 농도를 결정한다. Fig. 2는 일반적인 컴파운드 각각이 강재를 침탄시키거나 중성 상태를 유지하거나 탈탄시키는 온도 범위를 보여준다. 출처에서는 한 거동에서 다른 거동으로의 변화가 점진적이며, 사용된 주철 칩이 탈탄을 시작하는 온도는 칩의 탄소 함량에 따라 달라진다고 언급하고 있다.

Range of usefulness of packing compounds used in the annealing of tool steels, plotted against temperature in degrees Celsius and degrees Fahrenheit — Fig. 2. 공구강 어닐링에 사용되는 선별된 패킹 컴파운드의 대략적인 유효 범위. 출처 그림에서 재현함.

이 표들이 확정하지 않는 것

각 표는 이를 작성한 공장 또는 출처의 작업 관행을 설명하므로, 수치는 공정표를 위한 출발점일 뿐이며 공정표는 해당 공구에 맞게 작성되어야 한다. 단면 치수, 부품 형상, 노 장입량, 담금조 상태 및 열전대 위치가 모두 결과를 변화시킨다. 새 공구는 사이클을 생산에 투입하기 전에 초도품의 경도를 검사해야 하며, 강재 공급업체가 변경된 경우에도 재검사할 충분한 이유가 된다. 노에 장입되는 봉재의 합금 성분과 어닐링 조직은 카드에 기재된 사이클만큼이나 결과에 영향을 미친다.

출처: ASM Handbook, Volume 4, Heat Treating, ASM International, 1991.