공구강:일을 완수하는 강철

공구강의 금속 조성 및 생산

공구강이란 무엇입니까?

공구강은 매우 단단하고 단단하거나 내마모성 합금입니다. 그들의 특성은 화학과 생산 모두에서 비롯됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 강철은 절단, 연삭, 드릴링, 펀칭, 타격 또는 기타 힘든 작업을 수행할 준비가 되어 있습니다. 공구강은 해당 용도에 적합한 재료 특성을 가져야 합니다. 예를 들어 드릴 비트와 펀치에는 각각 경도와 내마모성이 필요합니다. 그러나 펀치는 더 큰 충격을 받는 반면 드릴 비트는 더 많은 전단력을 경험합니다. 엔지니어와 야금학자는 공구 용도에 따라 공구강 유형을 선택합니다.

공구강에는 모두 금속과 탄소를 포함하는 조밀하게 채워진 금속 격자인 탄화물을 생성하는 합금 원소가 있습니다. 탄화물은 내화성 재료로 압력, 화학 물질 또는 열에 의해 분해되지 않습니다.

그러나 공구강을 만드는 것은 화학 물질만이 아닙니다. 또한 공구강은 정밀하게 제어된 열처리 및 담금질을 통해 경도를 얻습니다.

담금질에 의한 공구강 경화

냉각 강철의 미세조직을 변화시켜 단단하게 만드는 과정입니다.

먼저 강철이 가열됩니다. 강철 합금은 혼합된 탄소의 양에 따라 다른 온도로 가열됩니다. 철과 탄소는 분자가 다른 모양을 취하는 서로 다른 "상"을 거치며 이러한 상은 전반적인 화학 작용에 따라 달라집니다.

적절한 열에 도달하고 유지되면 훨씬 더 차가운 가스 또는 액체에 노출되어 합금이 급랭되거나 냉각됩니다. 이 담금질은 금속을 빠르게 동결시킵니다. 금속이 이와 같이 충격 동결되면 많은 작은 금속 결정 입자가 한 번에 동결되기 시작하여 각 입자와 입자 사이에 많은 변위가 발생합니다. 이것을 매우 느린 냉각과 비교하면 곡물이 더 큰 원형 꽃에서 시간이 지남에 따라 천천히 냉각됩니다. 천천히 냉각된 금속 입자는 금속에 부딪힐 때 서로 지나쳐 이동하여 금속에 흠집이 나지만 부러지지는 않습니다. 충격 동결은 충격을 받았을 때 분자 구조가 움직일 공간을 줄여 더 단단하게 만들고 찌그러질 가능성을 줄입니다. 이러한 구조의 금속 격자를 마르텐사이트라고 하며, 담금질된 금속에 특징적인 경도를 부여하는 것은 마르텐사이트의 충격을 받고 들쭉날쭉한 분자 구조입니다.

물 담금질은 담금질하는 가장 빠른 방법이고 공기 담금질은 가장 느린 방법입니다. 합금이 처리할 수 있는 것은 화학적 성질에 따라 다릅니다. 일부 합금은 너무 빨리 냉각되면 금이 가거나 뒤틀릴 수 있지만 더 부드러운 공기 담금질에서는 잘 경화됩니다. 다른 사람들은 물과 같은 큰 온도 변화에 충격을 받지 않는 한 단단한 마르텐사이트 층을 만들지 않을 것입니다.

공구강 카테고리

공구강에는 6가지 광범위한 범주가 있습니다. 가장 일반적인 네 가지는 수경화, 냉간 가공, 열간 가공 및 고속 공구강입니다. 특수 용도에는 내충격성 및 특수 목적 공구강도 사용됩니다.

수경화

이 공구강 그룹은 본질적으로 열처리된 탄소강입니다. 탄소는 0.5~1.5%입니다. 다른 합금 원소가 품질에 따라 존재할 수 있지만 일반적으로 0.5% 미만입니다. 니켈, 텅스텐 또는 몰리브덴과 같은 이러한 금속은 비쌉니다. 값비싼 금속을 더 적게 사용하면 더 가벼운 작업에 가치가 있습니다.

단단한 외층을 얻으려면 이 그룹의 강을 사용하여 물 담금질의 극단적인 충격이 필요합니다. 경량 도구, 스프링과 같은 작은 부품 및 작은 패스너가 최종 제품일 가능성이 높습니다. W-시리즈 강은 다른 공구강보다 약간 더 취성이기 때문에 극한 환경에서 사용해서는 안 됩니다. W 시리즈 강철은 균열에 더 취약하며 302°F(150°C)까지의 연속 온도만 처리할 수 있습니다.
냉간 가공 공구강

냉간 가공 공구강은 "저온" 온도에서 사용하도록 되어 있습니다. 즉, 단단하고 질기며 내마모성이 있지만 고온 환경에서는 사용되지 않습니다. 차가운 재료를 절단하는 것은 뜨거운 재료를 절단하는 것보다 더 많은 힘을 가할 수 있기 때문에 압축 강도는 냉간 가공 공구강에서 필수입니다.

이 맥락에서 추위는 금속 세공인이 스웨터를 입을 때라는 의미가 아닙니다. 392°F(200°C) 이하는 이러한 도구의 저온 작업 환경으로 간주됩니다. 많은 유형의 강철과 달리 흑연은 종종 냉간 가공 강철에서 형성됩니다. 이 흑연은 이러한 합금 중 많은 부분을 가공 가능하게 만듭니다. 흑연은 윤활을 제공합니다.

냉간 가공 공구강의 하위 범주는 다음과 같습니다.
- 오일 경화 (O 시리즈):생산 중 이 합금은 오일로 담금질됩니다. 탄소는 0.85~2.00%이고 일반적으로 서로 합금 원소가 1% 미만입니다. 이러한 원소에는 망간, 실리콘, 텅스텐, 크롬, 바나듐 및 몰리브덴이 포함될 수 있습니다.
- 공기 경화 (A 시리즈):생산 중 이 합금은 공기 중에서 담금질됩니다. 탄소는 0.05~2.85%입니다. 이 강철은 최대 5%의 크롬을 함유할 수 있습니다. 높은 크롬은 열처리 중에 A 시리즈가 치수 왜곡을 겪지 않는다는 것을 의미합니다. Chromium은 더 가까운 허용 오차를 생성합니다.
- 고탄소 크롬 (D 시리즈):이 냉간 가공 강철은 최대 425°C(797°F)까지 작동합니다. 탄소 1.4~2.5%, 크롬 11~13%를 함유하고 있습니다. 합금에 따라 공기 또는 오일 담금질될 수 있으며 두 냉각 방법 모두에서 변형이 거의 발생하지 않습니다. 이러한 합금은 일반적으로 내마모성이 매우 높습니다.

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열간 작업 공구강

열간 가공 공구강은 모두 더 많은 탄화물을 생성하고 더 뜨거운 작업 온도를 처리하기 위해 더 많은 비율의 합금 원소를 가지고 있습니다. 열간 가공 공구강은 최대 540°C(1004°F)의 온도에서 작업할 수 있습니다. 그룹으로서 대부분은 탄소 비율이 0.6% 미만으로 낮습니다.

열간 가공 공구강은 금속 및 유리와 같은 가단성 고온 재료를 사용하여 고온 제조에 자주 사용됩니다. 다이, 스탬프, 압출기 및 압축기는 모두 열간 가공 강철로 만들 수 있습니다. 연장된 열 노출에서도 도구는 계속 작동해야 합니다.

열간 가공 공구강에는 주요 합금 원소에 따라 크롬, 텅스텐 또는 몰리브덴의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 일부는 높은 수준의 크롬과 텅스텐을 함유하고 있으므로 제조업체에 따라 텅스텐 또는 크롬으로 분류됩니다. 주요 합금 원소는 강철의 탄화물 유형을 생성하며 각 탄화물은 서로 다른 장점을 제공합니다.

열간 작업 공구강의 하위 범주는 다음과 같습니다.

크롬 :크롬 열간가공공구강은 크롬이 3~5% 함유되어 있습니다. 텅스텐, 바나듐 또는 몰리브덴과 같은 기타 합금 원소는 5% 미만입니다. 바나듐은 일반적으로 절삭 공구에 사용되는 강철에 사용됩니다. 이 합금 그룹(특히 AISI H13)은 가장 많이 사용되는 열간 작업 도구입니다.
텅스텐 :이 합금은 종종 몰리브덴이나 바나듐을 포함하지 않습니다. 대신 9-18% 텅스텐이 포함되어 있습니다. 대부분의 텅스텐 열간 가공 공구강은 2~4%의 크롬을 함유합니다. 이것은 보편적으로 사실이 아닙니다. 예를 들어 AISI H23 합금에는 12%의 크롬과 12%의 텅스텐이 있습니다. H23은 때로는 크롬강, 때로는 텅스텐강, 때로는 둘 다라고 합니다. 텅스텐 강은 우수한 내열성을 제공하지만 부서지기 쉽습니다. 사용하기 전에 작동 온도로 예열하여 관리합니다.
몰리브덴 :많은 크롬 열간 가공 공구강에는 약간의 몰리브덴이 포함되어 있습니다. 매우 열악한 환경을 위한 프리미엄 열간 가공강에는 많은 양이 있습니다. 몰리브덴은 가혹한 고온 작업 응용 분야에서 더 높은 열 안정성과 내마모성을 생성합니다. 몰리브덴 합금 AISI H42 및 H43은 절삭 및 단조의 열과 힘을 처리하기 위해 금속 공장에서 다이 또는 커터로 자주 사용됩니다.

고속 공구강

이 종류의 공구강 발명으로 현대적인 생산 공정이 부분적으로 가능합니다. 고속으로 작동하는 절삭 공구 및 기계 비트는 마찰로 인해 뜨거워집니다. 고속 재료 혁신을 통해 기계 기술자는 생산 속도를 높일 수 있었습니다.

1900년, 고속 공구강은 파리 전시회에서 데뷔했습니다. 많은 제조업체들은 마찰로 인해 최첨단이 붉게 타오르기 시작하면서도 계속 작동하는 것을 보고 숨을 헐떡였습니다. 1890년대에는 절단 속도가 분당 5~30피트였으나 1905년에는 분당 150피트로 움직이는 기계가 있었습니다.

고속 공구강은 용도에 따라 텅스텐 14~18%, 크롬 3~5%, 탄소 0.6% 및 기타 원소를 포함합니다.

내충격 공구강

그룹 S 충격 저항 공구강은 매우 강하며 높은 내충격성을 갖도록 제작되었습니다. 그들의 힘은 단순히 도구의 표면이나 "충격을 받은" 층에 있지 않습니다. 스프링, 끌, 스탬핑 다이 및 펀치에 사용할 수 있습니다. 이 합금 그룹에는 종종 많은 합금 원소가 포함되며, 대부분은 다른 공구강에서 볼 수 있습니다. 그러나 0.15~3% 범위의 규소가 이 등급의 강철에 존재합니다.
특수용 공구강

이 합금 그룹은 이상한 오리가 보금자리를 찾는 곳입니다. 이러한 금속은 특정 응용 분야에 사용되며 야금학자가 특정 제조업체를 위해 만들 수도 있습니다. 이 그룹에는 다른 모든 합금 원소가 거의 사용되지 않는 저합금, 고철강이 포함됩니다. 이들은 저렴한 W-강철과 가장 유사하며 또한 물에 담금질되어 있습니다. 다른 요소를 미세하게 추가하면 기계적 특성이 증가하지만 비용은 절감됩니다. 저탄소 "금형" 강철도 이 특수 목적 합금 그룹에 속합니다. 내열성과 내마모성이 필요하지만 높은 내충격성은 필요하지 않은 열가소성 성형에 사용됩니다.

공구강 선택

산업 기계를 설계하거나 산업 또는 제조 목적으로 기계를 구입하는 경우 사용되는 공구강의 유형이 중요하며 엔지니어가 지정해야 합니다.

알아야 할 사항은 수공구를 구입하는 개인마다 다릅니다. 종종 수공구 제조업체는 "경화강"을 제공하고 도구의 의도된 용도에 따라 강을 선택합니다. 그러나 어떤 등급의 강철이 사용되는지는 각 도구 제조업체의 산업 비밀입니다. 제조업체는 부품별로 가치와 직무 스트레스의 균형을 유지합니다. 도구를 선택하는 가장 좋은 방법은 합금 자체에 대해 걱정하기보다 현장의 전문가, 친구 및 온라인 리뷰에서 권장 사항을 얻는 것입니다. 제조업체가 야금학적 능력이 있고 모서리를 자르지 않는다면 합금보다 수공구의 디자인이 더 중요해집니다.

대장장이, 설립자 및 기타 야금술사들은 취미 생활을 하는 수준에서도 더 호기심을 가질 것입니다. 이러한 그룹에서 리소스와 포럼을 검색하면 예상할 수 있는 것과 가장 잘 사용할 수 있는 금속 유형에 대한 풍부한 정보를 얻을 수 있습니다.