열간 가공용 강철 vs. 냉간 가공용 공구강: 나에게 맞는 것은 무엇일까?

제조 산업에서 제품은 종종 강철로 만든 공구를 사용하여 모양을 만들고 조립됩니다. 이러한 공구는 드릴이나 스크루드라이버와 같은 일반적이고 보편적인 것부터 용융 금속 주조용 금형이나 자동차 패널과 같은 부품을 성형하는 데 사용되는 특수 장비까지 다양합니다(공학에서 성형은 단조 또는 스탬핑을 의미합니다). 공구강에는 여러 종류가 있습니다. 금속 절삭용 공구강은 일반적으로 고속강(HSS) 계열에서 선택되는데, 이는 섭씨 600도까지 경도와 내마모성을 유지하기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다. HSS는 일반 강철 공구가 약 200도 이상에서 연화되기 시작하는 것과 달리 고속으로 금속을 절삭할 수 있습니다. 금속 주조 또는 성형에 사용되는 강철의 종류에도 유사한 구분이 있습니다. 이러한 작업에서 엔지니어들은 열간 가공용 공구강과 냉간 가공용 공구강이라는 용어를 사용합니다. 고온 작업용 공구강은 알루미늄이나 아연과 같은 용융 금속이 굳을 때까지 제자리에 고정하는 금형이나 약 200도 이상의 온도에서 금속을 성형하는 데 사용되는 반면, 냉간 작업용 공구강은 그보다 낮은 온도에서 금속을 성형하는 데 사용됩니다.

개요

제조업에서 '공구'와 '공구강'이라는 용어는 특별한 기술적 의미를 지닙니다. 이 용어들은 제품과 직접 접촉하는 제조 기계의 부품과, (대부분 그렇듯이) 이 부품을 만드는 데 사용되는 강철을 지칭하는 데 사용됩니다.

이렇게 정의된 도구는 절단, 주조 또는 성형의 목적으로 사용될 수 있습니다.

자동재단기 드릴이나 선반의 단일 포인트 공구가 ​​수행하는 동작을 말합니다. 또한 밀링 머신의 다중 포인트 공구나 톱날이 수행하는 동작이기도 합니다.

주조 용융 금속이나 기타 용융 물질이 굳을 때까지 제자리에 고정시키는 행위를 말합니다.

형성 단조, 굽힘 또는 찍기 등의 공정을 통해 재료 손실 없이 고체 공작물의 모양을 변형시키는 것을 말합니다.

때로는 이러한 동작들이 결합되기도 하는데, 예를 들어 프레스 기계가 금속판에 원형을 절단하는 동시에 냄비 바닥 모양으로 성형하는 경우가 있습니다.

이러한 기술적 용법에서 공구를 고정하는 기계와 그 기계를 구성하는 재료는 일반적으로 공구 자체와는 별도로 언급됩니다.

공구강의 역사

최초의 공구강은 아마도 망치, 모루, 칼, 도끼와 같은 전통적인 도구를 만드는 데 사용되었을 것입니다. 처음에는 이러한 강철이 가장 원시적인 기술로 만든 일반 철과 거의 구별되지 않았습니다.

하지만 시간이 흐르면서 전통적인 대장장이들은 철의 성질을 바꾸어 어떤 용도에는 더 단단하게, 또 어떤 용도에는 더 질기게 만드는 법을 배웠습니다. 이렇게 변형된 철이 최초의 진정한 형태의 강철이 되었습니다.

3천 년도 더 전, 제철 기술이 처음 발달하던 시절에 대장장이들은 특정 조성의 철을 가열한 후 기름이나 물에 담그면 자연 냉각시키는 것보다 더 단단해진다는 사실을 발견했습니다. 여기서 "특정 조성"이란 가열된 상태에서 용해된 탄소가 무게 기준으로 약 1% 정도 함유된 철을 의미합니다. 급랭은 탄소가 용액에서 석출되어 비교적 순수하고 무른 철의 기질 내에 비교적 큰 탄화철 입자를 형성하는 것을 막습니다. 대신, 급랭 과정은 탄소 원자를 마르텐사이트라고 불리는 변형된 철-탄소 기질 내에 고정시켜 변형이 더 어렵게 만듭니다.

물론 당시에는 이러한 화학적 원리가 알려지지 않았습니다. 대신 옛날 대장장이들은 여러 가지 경험 법칙에 따라 작업했습니다. 영어에서 이러한 경험 법칙은 "흑마술(black art)"이라는 표현을 탄생시켰습니다. 대장장이의 작업은 과학이라기보다는 예술에 가까웠고, 물리적으로는 더럽고 검었으며, 게다가 아무도 그들이 실제로 무엇을 하는지 알지 못했습니다. 그들이 지옥불 구덩이에서 온 악마와 결탁한 것은 아닐까 하는 의문도 있었습니다. 이러한 이유로 대장장이의 작업은 '흑마술'로 불리게 되었고, 오늘날에도 이와 유사하게 불가사의한 모든 과정에 이 용어가 사용됩니다.

공개 도메인 이미지: 전통 대장장이 (서기 1606년) 위키 미디어 공용

시간이 흐르면서 대장장이의 기술은 더욱 정교하고 숙련되었지만, 여전히 예술의 영역에 머물렀습니다. 칼날의 가장자리 부분에는 가장 단단한 강철 조각을 배치하고, 칼날의 본체를 형성하기 위해 더 부드럽지만 질긴 강철 조각과 결합했습니다. 또 다른 초기 준비 방법으로는 강철 덩어리 하나에 탄화물 수지상을 석출시키는 것이 있었습니다. 어떤 방식으로 시작되었든, 이렇게 만들어진 복합 재료는 취성을 유발할 수 있는 불순물과 기포를 제거하고, 질긴 몸체와 단단한 날을 가진 칼날을 만들기 위해 여러 번 두드리고, 가열하고, 접는 과정을 거쳤습니다. 이러한 기술들은 일본에서 유래했으며, 그 이름에서 알 수 있듯이 일본 대장장이의 전통 기술이기도 했습니다. 모쿠메가네 방법과 중동 다마스쿠스 이 방법은 소용돌이치는 무늬가 있는 강철을 만들어냈고, 특히 에칭 처리했을 때 그 아래 구조가 드러났습니다. 하지만 당시에는 그 원리에 대한 과학적 이해보다는 직관적이고 예술적인 이해가 더 컸습니다.

사슬 갑옷을 배경으로 모쿠메가네 기법으로 제작된 일본도. '다판닌' 촬영, 1986년 5월 12일. CC BY-SA 4.0 를 통해 위키 미디어 공용.

1700년대 후반과 1800년대 초반에 이르러서는 과학적인 접근 방식이 더욱 중요해졌습니다. 현대 화학의 등장으로 당시의 강철은 철과 다른 원소들의 합금, 즉 복합재료이며, 주성분은 탄소이고, 이 탄소는 연강, 경강, 주철(탄소 함량이 무게 기준으로 약 4% 정도)에서 각기 다른 형태로 존재한다는 사실이 명확해졌습니다.

강철 내 탄소 함량을 조절하여 증가시킴으로써, 다른 종류의 강철을 절삭하는 데 적합한, 다소 취성이 있지만 매우 단단한 강철을 생산하는 것이 가능해졌습니다. 이로써 최초의 현대적인 공구강이 탄생했습니다.

이러한 초기 공구강은 주로 마르텐사이트(담금질 경화) 기지에 철 탄화물 개재물을 추가로 함유한 형태였습니다.

하지만 이 소재는 섭씨 200도 이상에서 연화되는 경향이 있다는 단점이 있었고, 이로 인해 다른 강철을 절단하는 데 사용할 수 있는 속도가 제한되었습니다.

1868년, 탄소의 중요성을 최초로 인식한 철강업자 중 한 명의 아들이었던 스코틀랜드 엔지니어 로버트 머셰트는 고온에서도 경도를 유지하는 강철을 개발했습니다.

무셰트강으로 알려진 이 새로운 합금은 기존 강철에 함유된 탄소뿐만 아니라 더 많은 양의 망간과 텅스텐을 함유하고 있었습니다. 또한 무셰트강은 액체 담금질이 필요 없는 특이한 성질을 지니고 있었습니다. 이는 최초의 '공기 경화강'으로, 고온에서 공기 분사로 냉각시키는 것만으로 마르텐사이트와 유사한 수준으로 경화되는 강철이었습니다.

1900년대 초, 미국의 엔지니어 프레더릭 윈슬로 테일러와 그의 동료들은 무셰트강의 특성을 더욱 개선했습니다. 그 결과물이 바로 고속강(HSS)입니다. HSS는 섭씨 500도 또는 600도까지도 유용한 경도를 유지하는데, 이는 이름에서 알 수 있듯이 무셰트강보다 훨씬 빠른 속도로 다른 강재를 절삭할 수 있기 때문입니다. 모든 종류의 강재에 공통적으로 포함되는 철과 탄소 외에도, 대부분의 HSS 합금에는 다량의 텅스텐과 크롬이 함유되어 있는데, 이는 초기 무셰트강 배합에 포함되었던 망간을 대체한 것입니다.

최근에는 초경 팁이 가장 까다로운 금속 절삭 작업에 자주 사용되지만, 고속강은 여전히 ​​톱날이나 트위스트 드릴 비트 제조에 선호되는 소재입니다. 이러한 제품에는, 특히 직경이 작거나 톱니 크기가 미세한 경우 초경 팁을 삽입하는 것이 일반적으로 비실용적입니다.

그렇다면 주조와 성형은 어떻습니까?

지금까지 저는 초기 칼날부터 현대의 고속도강(HSS) 산업용 공구에 이르기까지 절삭에 사용되는 공구강의 개선 과정을 설명해 왔습니다. 하지만 냉간 가공 공구강과 열간 가공 공구강의 현대적인 구분은 실제로 주조 및 성형에 사용되는 강에 적용됩니다.

고온 작업용 강은 공구 온도가 섭씨 200도(화씨 392도)를 초과하는 공정에 사용됩니다.

냉간 가공 공구강은 공구 온도가 섭씨 200도 미만으로 유지되는 공정에 사용됩니다.

섭씨 200도라는 기준선은 다양한 특성을 가진 여러 합금이 존재하기 때문에 절대적으로 고정된 것은 아니지만, 문헌에서 널리 인용되는 관례적인 기준선입니다.

모든 종류의 공구강에서 주요 파손 원인은 파단, 변형(특히 영구적 또는 '소성' 변형), 표면 마모, 그리고 반복 응력으로 인한 표면 피로 균열 발생입니다. 반복 응력은 기계적 응력과 열적 응력 모두에서 발생하며, 특히 고온 작업용 공구강의 경우 열 응력이 심각한 문제입니다.

냉간 가공 공구강

냉간 가공 공구강은 일반적으로 고탄소강으로, 무게 기준으로 약 1~1.5%의 탄소를 함유합니다. 가장 일반적인 종류로는 유경화형 저합금강, 공경화형 중합금강, 고탄소 고크롬강 등이 있습니다.

오일 경화형 저합금강은 가장 저렴합니다. 불순물이 적다는 점을 제외하면, 무셰트강 이전에 사용되었던 구식 공구강과 거의 동일합니다.

공기 경화형 중합금강은 담금질해야 하는 강재보다 변형이 적으면서 경화됩니다. 또한 유냉식 강재보다 두꺼운 단면(최대 100mm 이상)에서도 경화가 가능합니다.

고탄소 고크롬강은 정확한 조성에 따라 오일 담금질 또는 공기 경화 방식으로 경화되며, 내마모성이 가장 뛰어납니다.

냉간 가공 공구강은 일반적으로 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 일상적인 용도로 사용됩니다.

• 플라스틱 다이캐스팅
• 자동차의 곡선형 차체 패널과 같은 얇은 금속 패널을 성형하는 데 사용되는 금형
• 선반 척 및 센터
• 롤러
• 나사산 및 널링용 롤 성형 다이
• 브로치, 리머, 탭 및 맨드릴
• 와이어와 냉간압연관으로 작동하는 바퀴 및 고정장치
• 절단 시간이 짧고 열 발생량이 적은 용도에 사용되는 가위, 칼날 및 기타 절삭 공구
• 게이지
• 블랭킹, 드로잉 및 피어싱 다이

열간 작업용 공구강

무셰트강이나 초기 고속도강처럼, 열간 가공 공구강은 전통적으로 합금 원소로 텅스텐을 다량 함유해 왔습니다. 하지만 크롬을 주 합금 원소로 하는 열간 가공 공구강이나 몰리브덴을 주 합금 원소로 하는 다른 등급의 공구강도 존재합니다.

고속 금속 절삭 및 드릴링 외에도 고온 작업용 공구강은 일반적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

• 금속의 다이캐스팅
• 밀어 냄
• 단조
• 유리 제품 제조

주조용 재료 선택

공구강이 사용되는 주조 공정을 다이캐스팅이라고 하며, 이 공정에서는 공구가 다이 역할을 하여 최종 제품에 세밀하거나 비교적 정밀한 모양을 부여합니다. 이는 모래 주형을 이용한 주조보다 더 정확하고 반복 가능한 방식입니다.

다이캐스팅은 아마도 서기 1400년대에 가동식 활자 인쇄에 사용할 글자를 각 글자 모양의 열린 주형에 주조하는 것에서 유래했을 것입니다. 현대적인 의미에서 다이캐스팅은 금속을 두 개의 마주 보는 금형으로 만들어진 틀에 압력을 가해 주입하여 틀을 정확하게 채우는 방식입니다.

플라스틱 금형은 일반적으로 P강으로 알려진 특수 냉간 가공용 강철, 알루미늄 또는 베릴륨-구리 합금으로 제작됩니다. 이러한 용도에서 구리와 알루미늄의 장점은 강철보다 열전도율이 훨씬 높아 냉각 속도가 빠르고 균일하다는 점입니다.

반면에 강철 금형은 수명이 더 길고(최대 수백만 회) 특히 유리 섬유와 같은 마모성 복합 보강재가 포함된 경우 고속으로 분사되는 플라스틱에 의한 침식에 더 잘 견딥니다. 또한 일부 표면 마감은 강철을 사용해야만 안정적으로 구현할 수 있습니다.

성형 공정을 위한 재료 선택

냉간 가공 공구강이 사용되는 금속 성형 공정은 일반적으로 금속의 전체적인 변형이 크게 발생하지 않습니다. 봉 표면에 나사산을 내는 롤링 공정이나 평평한 금속판을 자동차 차체 패널의 복잡한 곡선으로 성형하는 공정이 이러한 의미에서 냉간 성형 공정의 대표적인 예입니다.

냉간 압연 성형을 이용한 나사산 가공. '토사카' 제작, 2009년 10월 12일. 3.0 BY CC 를 통해 위키 미디어 공용.

냉간 가공 공정은 금속의 결정 구조 재배열을 통해 금속 품질을 향상시키는 경우가 많습니다. 작업 경화하지만 결정 구조에 미치는 영향은 일반적으로 표면에 국한되며, 다음 절에서 논의할 단조의 경우보다 덜 극적입니다.

금속 성형의 모든 급격한 공정에는 고온 작업(섭씨 200도 이상)이 포함됩니다. 앞서 언급했듯이 이러한 공정에는 다음이 포함됩니다.

• 압출 및
• 단조

앞서 언급했듯이, 유리 제품 제조는 열간 가공 공구강의 또 다른 주요 응용 분야입니다.

밀어 냄 압출 성형은 가열되어 연화된 재료를 금형을 통해 밀어내어 일정한 단면 형상을 가진 긴 제품을 만드는 공정입니다. 압출 성형 제품의 가장 대표적인 예는 플라스틱 및 알루미늄 단면으로, 매우 복잡한 형상을 가질 수 있습니다. 플라스틱 단면은 냉간 가공 공구강 금형을 통해 압출할 수 있지만, 알루미늄 단면은 열간 가공 공구강 금형을 통해 압출해야 합니다.

압출 성형의 특수한 종류 중 하나인 업셋 압출은 알루미늄 캔이나 약통의 몸체를 만드는 데 사용됩니다. 업셋 압출은 금속 블랭크에 다이를 눌러 넣으면 블랭크가 다이를 따라 뒤로 흐르면서 캔이나 튜브 모양을 만드는 방식입니다. 이 방법으로 매우 얇으면서도 매끄러운 벽면을 가진 캔과 튜브를 만들 수 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다.

이음매 없는 튜브는 압출 성형으로도 제조됩니다. 단단한 금속 덩어리를 가열한 후 가운데에 구멍을 뚫습니다. 그런 다음 맨드릴 위에 놓고 압출 성형을 통해 최종 크기와 벽 두께를 만듭니다.

단조 단조는 뜨겁게 달궈진 금속 조각(종종 붉게 달아오른 상태)을 산업용 망치로 두드려 최종 형태로 만드는 공정으로, 이후에는 약간의 기계 가공(절삭) 작업만 수행됩니다. 단조로 만들어지는 제품의 좋은 예는 스패너입니다. 망치는 양방향으로 기계적으로 구동될 수도 있고, 기계적으로 들어 올려 중력에 의해 떨어뜨리는 방식(낙하 단조)으로 제작될 수도 있습니다.

철도 열차 바퀴용 강철 타이어를 단조하는 모습. 사진 제공: 라이너 할라마, 19 June 2010, CC BY-SA 3.0 를 통해 위키 미디어 공용.

단조는 모쿠메가네나 다마스커스 강철과 같은 전통적인 제련 기술의 직접적인 산업적 계승입니다. 단조는 주조 금속 내부에 흔히 존재하는 큰 결정이나 '입자'(아연 도금 울타리의 반짝이는 부분과 같은 금속 결정의 일종)를 분산시키고 닫아버리는 유사한 효과를 냅니다. 또한, 많은 경우 최종 형태의 바깥쪽 곡선 방향으로 변형시키기도 합니다.

예상할 수 있듯이, 미세한 결정립 구조는 거친 결정립 구조보다 우수하며, 특히 결정립이 제품의 형상을 따라 배열된 미세한 결정립 구조는 최종 제품의 기계적 특성을 더욱 향상시켜 무거운 하중을 받을 때 모서리 부분이 균열될 가능성을 훨씬 줄여줍니다.

형태를 따라가는 결정에 대한 아주 좋은 그림이 해당 웹사이트에 있습니다. 드롭포징.net이 제품은 과거 최고 숙련된 대장장이들이 만들었던 제품과 본질적으로 유사하지만, 그 결과물이 검이 아니라 산업용 제품이라는 점이 다릅니다.

가장 중요한 기계 부품, 즉 무거운 하중을 견뎌야 하고 파손될 경우 심각하거나 최소한 매우 불편한 결과를 초래할 수 있는 부품들은 대부분 단조로 만들어집니다. 너트 근처와 같이 최대 응력 지점에서 부러질 수 있는 스패너와 같은 부품도 단조로 제작됩니다. 엔진의 크랭크축과 피스톤을 크랭크축에 연결하는 커넥팅 로드도 단조 부품입니다. 물론 피스톤 자체는 일반적으로 주조로 만들어집니다. (하지만 단조 피스톤은 경주용 엔진에 사용되며 일반적인 용도에서도 점점 더 보편화되고 있습니다.)

단조에는 크게 개방형 단조와 폐쇄형 금형 단조 두 가지 종류가 있습니다. 개방형 단조는 금속을 두드려 대략적인 모양을 만들고 내부 구조를 개선하지만, 특정한 모양이나 결정 구조를 부여하지는 않습니다. 폐쇄형 금형 단조는 보다 정밀한 모양과 결정 구조를 만들어냅니다.