고온 작업용 공구강 PN-86/H-85021
고온 가공용 합금 공구강은 고온으로 가열된 재료를 가공하는 데 사용되는 공구를 제작하는 데 사용됩니다(고온 가열은 재료의 변형 저항을 줄이기 위함). 이러한 공구에는 금형 및 금형 인서트, 단조 공구, 모루, 트리밍 금형, 다이캐스팅 금형뿐만 아니라 금형, 펀치 및 열간 압출 금형 등이 포함됩니다.
합금강으로 만든 공구를 고온 작업에 사용하기 전에 열 충격을 줄이고 공구 수명을 연장하기 위해 약 200~250°C 로 가열해야 합니다 . 이러한 강재는 고온에서도 높은 강도와 경도를 유지하고, 열 피로에 대한 저항성이 비교적 낮으며, 공작물에 의한 마모 및 손상에 대한 저항성이 뛰어난 것이 특징입니다.
고온 작업용 공구강은 공식적으로 더 이상의 분류가 사용되지는 않지만, 특정 용도와 요구되는 특성에 따라 세 그룹으로 구분할 수 있습니다.
첫 번째 그룹: 프레스 금형 및 주조 금형용 공구강:
여기에는 프레스 다이 및 압력 주조용 금형 제작에 사용되는 강종이 포함됩니다. 이러한 용도의 공통적인 특징은 재료와 공구 사이의 접촉 시간이 비교적 길다는 점으로, 이로 인해 작업 표면의 발열이 증가하고 템퍼링 및 열 균열에 대한 높은 저항성이 요구됩니다. 이러한 강종의 예로는 텅스텐강 WWV, WWS1, WWN1 및 크롬-몰리브덴강 WCL이 있습니다.
이러한 강철의 특징은 다음과 같습니다.
- 고온에서 높은 경도를 나타냅니다.
- 열 균열에 대한 저항성.
- 고온에 장기간 노출되어도 견딜 수 있는 내성.
두 번째 그룹: 단조 금형 및 모루용 공구강:
여기에는 주로 단조 해머용 금형 및 모루에 사용되는 강종이 포함됩니다. 이러한 강종은 열간 단조품과 금형 사이의 접촉 시간이 비교적 짧고, 작동 중 매우 높은 압력과 충격이 발생하기 때문에 높은 충격 강도가 요구되는 것이 특징입니다. 니켈-몰리브덴 (WNL), WNLV , 크롬-망간 (WCMB ) 강이 그 예입니다.
이러한 강철의 특징은 다음과 같습니다.
- 충격 균열에 대한 저항성.
- 가공면의 높은 가소성과 경도.
- 기계적 피로에 대한 저항력이 향상되었습니다.
세 번째 그룹: 열간압연 롤용 공구강:
여기에는 열간 압연 공정에서 작업 롤에 사용되는 강재가 포함되며, 이러한 공정에서는 가열된 강괴를 가공합니다. 작동 조건에서는 높은 내마모성과 표면 경도를 요구하는 동시에 중심부의 연성을 유지해야 합니다. 크롬-바나듐( WCV) 공구강이 여기에 해당합니다.
이러한 강철의 특징은 다음과 같습니다.
- 내마모성이 뛰어납니다.
- 작업 표면의 경도.
- 고온에서의 소성 변형 저항성.
저합금 및 중합금 고온 작업용 공구강은 부식성이 강한 환경에 대한 저항력이 없으며, 높은 습도, 염화물 존재 또는 산성 환경과 같은 부식 조건에서 부식될 수 있습니다. 보호되지 않았거나 부적절하게 보호된 강철 공구는 특히 장기간 보관 및 운송 중에 습기에 장시간 노출될 경우 녹이 슬기 쉽습니다.
고온 작업용 공구강의 부식
하지만 공구강 종류에 따라 녹이 스는 강도는 다르며, 동일한 노출 조건에서도 주로 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다.
- 강철의 화학적 조성 크롬 함량이 낮거나 크롬이 없는 강종은 부식에 훨씬 더 취약합니다.
- 합금 원소 함량 크롬과 몰리브덴을 최대 5,5%까지 함유한 공구강은 대기 부식에 대한 저항성이 크게 향상됩니다.
- 공구의 표면 상태 표면이 매끄럽고 광택이 날수록 부식에 덜 취약해지는데, 이는 산화 과정을 유발하는 습기와 불순물의 침착을 방지하기 때문입니다.
- 환경 조건 해양, 습한, 알칼리성 또는 산성 환경은 부식 과정을 크게 가속화합니다.
크롬과 몰리브덴 함량이 높은 일부 공구강은 고온에서 산화 저항성이 향상되는 특성을 보이는데, 이는 고온 및 산소 존재 하에 자주 노출되는 열간 가공 공구에 특히 중요합니다.
공구 표면의 평활도가 높아질수록 부식에 대한 저항력이 크게 감소합니다. 이러한 효과는 부식 환경의 종류에 따라 다소 차이가 있는데, 습도가 높은 환경에서는 건조한 환경보다 평활도가 더욱 중요합니다.
부식 방지를 위한 표면 보호
고온 작업용 강철로 만든 공구를 부식으로부터 보호하려면 적절한 보호 방법을 사용해야 합니다. 가장 효과적인 방법은 다음과 같습니다.
- 벗겨낼 수 있는 임시 보호 코팅부식 방지 왁스, 보호 유화액, 부식 방지 바니시와 같은 것들이 있습니다.
- 얇은 기계유층 가장 저렴하지만 내구성이 떨어지고 정기적인 유지 보수가 필요한 방법입니다.
- 부식 방지 재질로 포장 - 특수 VCI 포일(부식 방지제 함유)을 오일층과 함께 사용합니다.
고온 작업용 공구강은 화학적 조성 및 미세 구조 때문에 용접성이 매우 제한적인 재료에 속합니다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐과 같은 고합금 원소는 경도와 내열성을 증가시키지만 용접 중 균열 발생 위험도 높입니다.
이러한 강철들을 서로 접합하거나 다른 종류의 강철과 접합하는 것은 단조 공구, 주조 금형 또는 다이를 수리하는 경우와 같은 예외적인 경우에만 사용해야 합니다. 이러한 상황에서는 재료 구조의 균열 및 불연속성 발생 위험을 최소화하기 위해 상세한 용접 절차를 따라야 합니다.
고온 작업용 공구강과 올바른 용접 원칙:
- 적절한 용접 기술 선택: TIG, MIG 또는 피복 아크 용접과 같은 열 입력 제어 방식이 권장됩니다.
- 강철의 화학적 조성에 적합한 결합제를 사용합니다.
- 재료를 예열하기 용접하기 전에 부품을 약 100°C 정도의 온도로 가열하는 것이 좋습니다. 250-400 ° C 온도 구배를 줄이고 균열 발생 위험을 낮추기 위해서입니다.
- 용접 후 열처리: 응력을 최소화하고 적절한 기계적 특성을 복원하기 위해서는 템퍼링 또는 응력 완화 어닐링이 필요합니다.
하지만 용접 부위, 특히 열처리 후에는 모재와 기계적 특성이 달라질 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 이로 인해 국부적인 경도 감소나 취성 증가가 발생할 수 있으며, 경우에 따라 공구 내구성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 고온 작업용 공구강의 용접 수리는 최후의 수단으로 고려해야 하며, 손상이 심각한 경우에는 공구 교체를 권장합니다.
하드페이싱
사용 중 심한 마모에 노출되는 공구 표면은 경화 처리를 할 수 있습니다. 경화 처리는 공구 표면에 추가적인 재료 층을 도포하여 내구성과 내마모성을 향상시키거나 마모된 공구의 기능적 특성을 복원하는 공정입니다. 경화 처리 방법, 표면 준비 방법, 용가재 종류, 그리고 경화 처리 전, 도중, 후의 열처리는 다음과 같은 여러 요소를 고려하여 선택해야 합니다.
- 용접 대상 재료의 종류와 상태.
- 사용된 결합제의 종류 및 화학적 조성.
- 공구 작동 방식(부하 조건, 작동 온도).
- 용접부의 모양, 크기 및 위치.
용접부는 모재와 화학적 조성이 다른 경우가 많으며, 이로 인해 용접 공구의 미세 결정 구조에 차이가 발생할 수 있습니다. 따라서 용접 공구를 열처리할 때 과도한 응력 발생, 균열 또는 접합부 내구성 저하를 방지하기 위해 이러한 점을 고려해야 합니다. 용접 공정은 제어된 열처리를 통해 수행되므로, 가열 및 최종 냉각 온도는 용접부의 기계적 특성에 미치는 열의 영향을 고려하여 신중하게 선택해야 합니다.
공구강 용접
다음과 같은 용접 공정을 사용하여 여러 종류의 강재를 서로 또는 다른 종류의 강재와 접합할 수 있습니다.
- 전기 저항 용접.
- 마찰 용접.
가열 시간, 유지 압력, 냉각 시간과 같은 적절한 용접 매개변수를 선택하는 것은 내구성이 뛰어나고 강도가 높은 접합부를 얻는 데 매우 중요합니다. 용접 전후 열처리 또한 접합되는 재료의 종류, 두께, 그리고 원하는 접합부 특성에 맞춰 조정해야 합니다.
플래시 용접 또는 마찰 저항 용접은 철근을 접합하는 데 자주 사용됩니다. 이러한 방식으로 얻은 접합부는 모재와 유사한 기계적 특성을 가지며, 접합되는 재료와 동일한 열처리를 적용할 수 있습니다.
또한 열간 가공용 공구강과 탄소강을 포함하여 다양한 등급의 강철을 조합하는 것도 가능합니다. 이러한 조합은 주로 생크 공구에 사용되는데, 생크 공구의 그립 부분은 연성이 높은 탄소강으로, 작업 부분은 경도와 내마모성이 향상된 공구강으로 만들어집니다.
고온 작업용 공구강 - 절삭
합금 공구강은 높은 경도와 합금 원소 함량으로 인해 특수한 절삭 방법이 필요합니다.
- 크롬 함량이 최대 1,5%인 공구강 산소-아세틸렌 절단법과 플라즈마 절단법 모두를 사용하여 절단할 수 있습니다.
- 크롬 함량이 1,5%를 초과하는 공구강 산화에 대한 저항성이 더 크고 용융 조건이 더 까다롭기 때문에 플라즈마 절단으로만 절단할 수 있습니다.
- 아크 에어 가우징 합금 원소 함량과 관계없이 모든 등급의 공구강에서 가능합니다.
강철을 절단하거나 홈을 파기 전에 열 응력 및 균열 발생 위험을 최소화하기 위해 부품을 특정 온도로 예열하는 것이 좋습니다. 예열 온도는 다음 사항을 고려하여 선택해야 합니다.
- 절단 대상 재료의 종류.
- 요소 두께.
- 절단 후 요구되는 기계적 특성의 범위.
절단 후 냉각 속도와 템퍼링 또는 응력 제거 어닐링과 같은 열처리 과정은 적절한 기계적 특성을 유지하고 추가적인 기계 가공을 가능하게 하기 위해 절단되는 강재의 등급에 맞춰 조정해야 합니다.
고온에서 작동하는 공구의 내구성과 신뢰성을 확보하고 높은 품질을 유지하며 작동 중 손상 위험을 최소화하려면 적절한 절단, 용접 및 표면 처리 절차를 적용하는 것이 매우 중요합니다.
기존 PN 표준에 따른 강철 표시 시스템
공구강 등급 표기에서 문자 W (드물게 사용되는 BN 표준은 합금 구조강의 경우와 동일한 표기를 가질 수 있음)는 고온 작업용 강재를 나타내며, 이는 고온 및 강한 열적, 기계적 하중 조건에서의 작업에 적합함을 의미합니다.
명칭의 두 번째 글자는 강철의 특성에 영향을 미치는 주요 합금 첨가물 또는 합금 성분 그룹을 나타내는 문자 또는 문자 그룹입니다.
- M - 망간 (경화성, 강도 및 연성을 향상시킵니다.)
- S - 규소 (산화 저항성을 향상시키고 경화성을 높입니다.)
- C - 크롬 (부식 및 산화 저항성을 높이고 경화성을 향상시킵니다.)
- N - 니켈 (연성을 향상시키고 균열 저항성을 증가시킵니다.)
- L - 몰리브덴 (열처리 및 열균열에 대한 저항성을 증가시킵니다.)
- V - 바나듐 (내마모성 및 미세구조 안정성을 향상시킵니다.)
- W - 볼프람 (고온에서 내마모성과 경도를 향상시킵니다.)
- K - 코발트 (고온에서 내열성과 강도를 향상시킵니다.)
- P - 니켈 + 크롬 + 볼프람 (이러한 요소들의 조합은 경화성 및 내마모성을 향상시킵니다.)
- Z - 볼프람 + 바나듐 + 실리콘 + 크롬 (경도와 고온 저항성을 높이는 조합).
- B – 붕소(경화성 및 열 균열 저항성 향상).
명칭의 세 번째 부분:
공구강 명칭의 세 번째 부분은 합금 원소와 탄소 함량에 따라 강을 분류하는 숫자입니다. 숫자가 높을수록 합금 원소와 탄소 함량이 높아져 경도가 증가하지만 열처리도 더 어려워집니다.
표시 예시:
- WNLV 니켈, 몰리브덴, 바나듐을 함유한 고온 작업용 공구강.
- WCLV – 바나듐이 첨가된 크롬-몰리브덴 공구강.
- WWV – 텅스텐-바나듐강.
- WCMB – 붕소가 첨가된 크롬-망간강.
고온 공구강 및 PN 명명 체계
공구강의 문자-숫자 표기 체계는 재료의 화학적 조성과 용도를 명확하게 정의할 수 있도록 해줍니다. 이 분류 방식을 통해 고온, 심한 마모 또는 열 균열 저항성 요구 사항과 같은 특정 적용 요건에 따라 적절한 강종을 쉽게 선택할 수 있습니다. 공구강 등급 표기에서 표기 시작 부분의 숫자는 평균 탄소 함량을 1/100% 단위로 나타냅니다. 뒤따르는 문자와 숫자는 합금 원소의 존재 여부와 함량, 그리고 강의 품질을 나타냅니다.
폴란드의 고온 작업용 공구강 표준은 기술 발전 및 유럽 표준과의 조화에 따라 발전해 왔습니다.
옛 폴란드 기준:
- PN-86/H-85021 – 이는 폴란드에서 시행되던 국가 표준으로, 화학 조성, 기계적 특성 및 시험 방법을 포함하여 고온 작업용 공구강에 대한 요구 사항을 명시하고 있었습니다. 유럽 표준과 통합되기 전에 사용되었던 표준입니다.
새로운 폴란드 표준:
- PN-EN ISO 4957:2004 유럽 표준과의 조화를 위해 도입된 이 규격은 열간 가공용 강을 포함한 공구강에 대한 요구 사항을 다루었습니다. EN 및 ISO 표준에 따라 기술 사양을 통합했습니다.
- PN-EN ISO 4957:2018-09 - 2018년 9월부터 시행된 현행 표준 버전입니다. 이 표준에는 공구강의 화학 조성, 기계적 특성, 열처리 방법 및 시험에 대한 최신 요구 사항이 포함되어 있습니다.
표준 변경 사항:
새로운 기준은 다음과 같은 기관에 의해 도입되었습니다:
- 화학적 조성의 보다 정확한 측정.
- 기계적 특성에 대한 더욱 정밀한 요구사항.
- 국제 ISO 표준에 부합하는 통일된 시험 절차.
국가 표준에서 국제 표준으로의 전환은 철강이 현대 산업의 요구 사항에 더 잘 부합하도록 만들었고 국제 무역을 촉진했습니다.
기타 고온 작업용 공구강
WLV – 몰리브덴-바나듐 공구강 X32CrMoV33, 1.2365
WNL – 니켈-몰리브덴강 55NiCrMoV6, 1.2713
WWS1 – 텅스텐-실리콘 공구강
WWN1 – 텅스텐-니켈 공구강WCL – 크롬-몰리브덴강 X38CrMoV51, 1.2343
WCLV – 크롬-몰리브덴-바나듐강 X40CrMoV51, 1.2344
WWV – 텅스텐-크롬-바나듐강 X30WCrV9-3, 1.2581, 3KH2V8F, 3H2V8F, H21, 3Х2В8Ф, T20821