공구강

공구강(tool steel)은 탄소강 및 특수강의 일종으로, 절삭공구, 금형, 수공구, 나이프 등을 포함한 도구 및 공구류 제작에 특히 적합하다. 이러한 적합성은 고유한 굳기, 마모 및 변형 저항성, 그리고 고온에서 절삭날을 유지하는 능력에서 비롯된다. 결과적으로 공구강은 자르기, 기계가공, 스탬핑, 단금과 같이 다른 재료를 성형하는 데 적합하다.

공구강은 탄소 함량이 0.4%에서 1.5% 사이이다. 기지 내 탄화물의 존재는 공구강의 품질에 중요한 역할을 한다. 공구강에서 탄화물을 형성하는 네 가지 주요 합금 원소는 텅스텐, 크로뮴, 바나듐 및 몰리브데넘이다. 다양한 탄화물이 철의 오스테나이트 형태로 용해되는 속도는 강의 고온 성능을 결정한다 (느릴수록 좋으며, 내열강이 된다). 이러한 강철의 적절한 열처리는 적절한 성능을 위해 중요하다.^[1] 망가니즈 함량은 물 담금질 시 균열 가능성을 최소화하기 위해 종종 낮게 유지된다.

공구강은 수경(水硬) 공구강, 냉간 가공 공구강, 내충격 공구강, 고속 공구강, 열간 가공 공구강, 특수 목적 공구강의 여섯 가지 그룹으로 나뉜다. 선택할 그룹은 비용, 작업 온도, 필요한 표면 굳기, 강도, 충격 저항 및 인성 요구 사항에 따라 달라진다.^[2] 사용 조건이 가혹할수록(고온, 마모성, 부식성, 부하), 공구강에 필요한 합금 함량과 그에 따른 탄화물 양이 많아진다.

공구강은 금속 및 기타 재료의 절단, 프레스, 압출 및 코이닝에 사용된다. 공구에서의 사용은 필수적이다. 예를 들어 사출 성형 금형은 마모에 대한 저항성 때문에 공구강이 필요하다. 이는 금형 수명 동안 수십만 번의 성형 작업을 가능하게 하는 금형 내구성에 중요한 기준이다.

AISI-SAE 공구강 등급은 다양한 공구강 등급을 식별하는 데 사용되는 가장 일반적인 척도이다. 등급 내 개별 합금에는 번호가 부여된다. 예를 들어, A2, O1 등이다.

수경(水硬) 공구강 그룹

W-그룹 공구강은 물 담금질을 해야 하는 고유한 특성에서 이름을 따왔다. W-등급 강철은 본질적으로 고탄소 탄소강이다. 이 공구강 그룹은 다른 강철에 비해 저렴하여 가장 일반적으로 사용되는 공구강이다. 고온에 노출되지 않는 부품 및 응용 분야에 적합하며, 150 °C (300 °F) 이상에서는 눈에 띄게 연화되기 시작한다. 경화능이 낮으므로 W-그룹 공구강은 급속 담금질을 해야 하므로 물을 사용해야 한다. 이 강철은 높은 굳기(66 로크웰 C 이상)를 얻을 수 있으며 다른 공구강에 비해 다소 취약하다. W-강철은 여전히 특히 스프링용으로 판매되지만, 19세기와 20세기 초에 비해 훨씬 덜 널리 사용된다. 이는 부분적으로 W-강철이 오일 담금질 또는 공기 경화 강철보다 담금질 시 훨씬 더 많이 휘어지고 균열이 발생하기 때문이다.

W-그룹 공구강의 인성은 망가니즈, 규소, 몰리브데넘과 합금하여 증가시킨다. 열처리 중 미세 결정립을 유지하기 위해 최대 0.20%의 바나듐이 사용된다.

W-강철에 대한 다양한 탄소 조성의 일반적인 적용 분야는 다음과 같다.

• 탄소 0.60–0.75%: 기계 부품, 끌, 고정 나사; 특성은 우수한 인성과 충격 저항을 가진 중간 굳기를 포함한다.
• 탄소 0.76–0.90%: 단조 금형, 망치, 슬레지.
• 탄소 0.91–1.10%: 줄, 드릴, 선반 공구, 전단 날과 같이 내마모성과 인성 사이의 균형이 잘 필요한 일반 목적의 공구 응용 분야.
• 탄소 1.11–1.30%: 줄, 소형 드릴, 선반 공구, 면도날 및 큰 인성이 필요 없이 더 높은 내마모성이 요구되는 기타 경량 응용 분야. 약 0.8% C 강철은 더 많은 탄소를 함유한 강철만큼 단단해지지만, 1% 또는 1.25% 탄소강의 자유 철 탄화물 입자는 날을 더 잘 유지하게 한다. 그러나 산성 또는 염분이 있는 재료를 절단하는 데 사용되는 경우 미세한 날은 마모되는 것보다 더 빨리 녹슬 수 있다.

냉간 가공 공구강 그룹

냉간 가공 공구강은 O 시리즈(유경(油硬) 공구강), A 시리즈(공경(空硬) 공구강), D 시리즈(고탄소-크로뮴)를 포함한다. 이들은 저온에서 재료를 절단하거나 성형하는 데 사용되는 강철이다. 이 그룹은 높은 경화능과 내마모성, 그리고 평균적인 인성과 열 연화 저항성을 가지고 있다. 이들은 경화 시 최소한의 변형이 필요한 대형 부품 또는 부품 생산에 사용된다. 오일 담금질 및 공기 경화를 사용하면 변형을 줄이는 데 도움이 되며, 더 빠른 물 담금질로 인한 높은 응력을 피할 수 있다. 수경(水硬) 공구강 등급에 비해 이 강철에는 더 많은 합금 원소가 사용된다. 이 합금은 강철의 경화능을 증가시켜 덜 가혹한 담금질 공정을 필요로 하며 결과적으로 균열 발생 가능성이 적다. 표면 굳기가 높고 종종 나이프 날을 만드는 데 사용된다. 유경(油硬) 공구강 등급의 피삭성은 높지만 고탄소-크로뮴 유형은 낮다.

유경(油硬) 공구강: O 시리즈

이 시리즈에는 O1형, O2형, O6형, O7형이 포함된다. 이 그룹의 모든 강철은 일반적으로 800 °C (1,500 °F)에서 경화되고, 오일 담금질한 다음 200 °C (400 °F) 미만에서 템퍼링된다.^{[3][4][5][6][7]}

등급	구성	참고
O1	C 0.90%, Mn 1.0–1.4%, Cr 0.50%, W 0.50%, Si 0.30%, V 0.20%	게이지, 절삭 공구, 목공 공구 및 나이프에 사용되는 냉간 가공 강철이다. 66 로크웰 C (HRC)까지 경화될 수 있지만, 일반적으로 61-63 HRC로 사용된다. 바나듐은 선택 사항이다. Arne[8], SKS3, 1.2510 및 100MnCrW4로도 판매된다.
O2	C 0.90%, Mn 1.5–2.0%, Cr 0.30%, Si 0.30%, V 0.15%	게이지, 절삭 공구, 목공 공구 및 나이프에 사용되는 냉간 가공 강철이다. 66 HRC까지 경화될 수 있으며, 일반적으로 61-63 HRC로 사용된다. 1.2842 및 90MnCrV8로도 판매된다.[9]
O6	C 1.45%, Mn 1.0%, Si 1.0%, Mo 0.3%	금속 대 금속 슬라이딩 마모 및 갈링에 대한 뛰어난 저항성을 가진 냉간 가공 흑연 강철이다. 일반적으로 캠, 부싱, 슬리브, 아버, 성형 롤, 전단 날, 펀치, 금형 및 가이드에 사용된다.[10]

공경(空硬) 공구강: A 시리즈

최초의 공경(空硬) 공구강은 당시 공경(空硬) 공구강으로 알려졌던 머솃 강이었다.

현대 공경(空硬) 공구강은 높은 크로뮴 함량으로 인해 열처리 중 변형이 적은 것이 특징이다. 가공성이 좋고 내마모성과 인성(즉, D 등급과 내충격 등급 사이)의 균형이 좋다.^[11]

등급	구성	참고
A2[12]	C 1.0%, Mn 1.0%, Cr 5.0%, Ni 0.3%, Mo 1.0%, V 0.15–0.50%	일반적인 범용 공구강으로, 가장 흔하게 사용되는 공경(空硬) 공구강의 종류이다. 블랭킹 및 성형 펀치, 트리밍 다이, 나사 압연 다이, 사출 성형 다이에 일반적으로 사용된다.[11]
A3[13]	C 1.25%, Mn 0.5%, Cr 5.0%, Ni 0.3%, Mo 0.9–1.4%, V 0.8–1.4%
A4[14]	C 1.0%, Mn 2.0%, Cr 1.0%, Ni 0.3%, Mo 0.9–1.4%
A6[15]	C 0.7%, Mn 1.8–2.5%, Cr 0.9–1.2%, Ni 0.3%, Mo 0.9–1.4%	이 유형의 공구강은 상대적으로 낮은 온도(유경(油硬) 공구강과 거의 같은 온도)에서 공기 경화되며 치수 안정성이 높다. 따라서 극한의 내마모성은 필요 없지만 높은 안정성이 필요한 금형, 성형 공구 및 게이지에 일반적으로 사용된다.[11]
A7[16]	C 2.00–2.85%, Mn 0.8%, Cr 5.00–5.75%, Ni 0.3%, Mo 0.9–1.4%, V 3.9–5.15%, W 0.5–1.5%
A8[17]	C 0.5–0.6%, Mn 0.5%, Cr 4.75–5.50%, Ni 0.3%, Mo 1.15–1.65%, W 1.0–1.5%
A9[18]	C 0.5%, Mn 0.5%, Si 0.95–1.15%, Cr 4.75–5.00%, Ni 1.25–1.75%, Mo 1.3–1.8%, V 0.8–1.4%
A10[19]	C 1.25–1.50%, Mn 1.6–2.1%, Si 1.0–1.5%, Ni 1.55–2.05%, Mo 1.25–1.75%	이 등급은 피삭성을 높이고 자체 윤활 특성을 제공하기 위해 흑연 입자를 균일하게 분포시킨다. 게이지, 아버, 전단기, 펀치 등에 일반적으로 사용된다.[20]

고탄소-크로뮴: D 시리즈

D 시리즈 냉간 가공 공구강은 원래 D2, D3, D6, D7형을 포함했으며, 10%에서 13%의 크로뮴(매우 높은 수준)을 함유한다. 이 강철은 425 °C (800 °F)의 온도까지 굳기를 유지한다. 이 공구강의 일반적인 적용 분야에는 단조 금형, 다이캐스팅 금형 블록, 인발 금형 등이 있다. 높은 크로뮴 함량으로 인해 특정 D형 공구강은 종종 스테인리스강 또는 준스테인리스강으로 간주되지만, 대부분의 크로뮴과 탄소 성분이 탄화물로 석출되어 내식성이 매우 제한적이다.

등급	구성	참고
D2	C 1.5%, Cr 11.0–13.0%; 추가적으로 Mn 0.45%, P 0.030%, S 0.030%, V 1.0%, Mo 0.9%, Si 0.30%	D2는 내마모성이 매우 강하지만 저합금강만큼 인성이 높지 않다. D2의 기계적 특성은 열처리에 매우 민감하다. 전단 날, 대패 날 및 산업용 절삭 공구 생산에 널리 사용된다. 때로는 나이프 날에도 사용된다.

내충격 공구강 그룹

 이 부분의 본문은 내충격강입니다.

높은 충격 저항과 우수한 경화능은 크로뮴-텅스텐, 규소-몰리브데넘, 규소-망가니즈 합금으로 제공된다. 내충격 공구강(S)은 저온 및 고온 모두에서 충격에 저항하도록 설계되었다. 필요한 인성을 위해 낮은 탄소 함량(약 0.5% 탄소)이 요구된다. 탄화물 형성 합금은 필요한 내마모성, 경화능 및 열간 가공 특성을 제공한다. 이 강철군은 매우 높은 충격 인성과 상대적으로 낮은 내마모성을 나타내며 58~60 HRC의 상대적으로 높은 굳기를 얻을 수 있다. 미국에서는 인성이 주로 1~2% 규소와 0.5~1% 몰리브데넘 함량에서 비롯된다. 유럽에서는 내충격강이 종종 탄소 0.5~0.6%와 약 3% 니켈을 포함한다. L6, 4340 및 스웨덴 톱날 강철과 같은 일부 내충격강 및 고강도 저합금강(HSLA)에서는 여전히 1.75%에서 2.75% 범위의 니켈이 사용되지만, 상대적으로 비싸다. 사용 예로는 착암기 비트 생산이 있다.

고속 공구강 그룹

 이 부분의 본문은 고속도강입니다.

열간 가공 공구강 그룹

열간 가공 공구강은 고온에서 재료를 절단하거나 성형하는 데 사용되는 강철 그룹이다. H-그룹 공구강은 고온에 장기간 노출될 때 강도와 굳기를 위해 개발되었다. 이 공구강은 저탄소 및 중고합금강으로, 상당량의 탄화물로 인해 우수한 열간 굳기 및 인성, 그리고 적절한 내마모성을 제공한다.^[1] H1에서 H19는 5%의 크로뮴 함량을 기반으로 하며, H20에서 H39는 9-18%의 텅스텐 함량과 3-4%의 크로뮴 함량을 기반으로 한다. H40에서 H59는 몰리브데넘을 기반으로 한다.

예로는 DIN 1.2344 공구강 (H13)이 있다.

특수 목적 공구강 그룹

• P형 공구강은 플라스틱 금형강의 약자이다. 아연 다이캐스팅 및 플라스틱 사출 성형 금형의 요구 사항을 충족하도록 설계되었다.
• L형 공구강은 저합금 특수 목적 공구강의 약자이다. L6은 매우 강인하다.
• F형 공구강은 물 경화되며 W형 공구강보다 훨씬 더 내마모성이 강하다.

비교

AISI-SAE 공구 강철 등급^[21]

정의 특성	AISI-SAE 등급	주요 특성
수경(水硬) 공구강	W
냉간 가공	O	유경(油硬) 공구강
	A	공경(空硬) 공구강; 중합금
	D	고탄소; 고크로뮴
내충격	S
고속도강	T	텅스텐계
	M	몰리브데넘계
열간 가공	H	H1–H19: 크로뮴계 H20–H39: 텅스텐계 H40–H59: 몰리브데넘계
플라스틱 금형	P
특수 목적	L	저합금
	F	탄소 텅스텐

같이 보기

• 크루시블 산업
• 강철 생산자 목록
• 실버 스틸